Фізика. 9 клас. Головко

§ 10. Генерування індукційного струму. Промислові джерела електричної енергії

• Генерування індукційного струму

• Промислові генератори електричного струму

ГЕНЕРУВАННЯ ІНДУКЦІЙНОГО СТРУМУ. Ви ознайомилися з дослідами М. Фарадея та явищем електромагнітної індукції, внаслідок якого в замкнутому провіднику у змінному магнітному полі виникає (індукується) електричний струм. А чи доводилося вам самостійно «добувати» електричний струм? Якщо у вас є велосипед із системою освітлення, то для отримання електричного струму ви використовуєте велосипедне динамо — найпростіший механічний генератор електричного струму, пристрій, який працює за принципом електромагнітної індукції та перетворює механічну енергію руху в електричну (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Велосипедне динамо — найпростіший генератор електричного струму: а) велосипедне динамо, яке приводиться в рух під час контакту з ободом колеса; б) велосипедне динамо, вмонтоване у втулку колеса велосипеда

Пристрій, у якому механічна енергія перетворюється в електричну, називають генератором електричного струму.

Для того щоб з’ясувати принцип генерування індукційного струму, виконаємо дослід із моделлю генератора електричного струму.

Рис. 10.2. Генерування індукційного струму: а) модель генератора електричного струму; б) принцип генерування індукційного струму

Він складається з рамки, виготовленої з кількох витків провідника, закріпленої на валу разом із провідними кільцями, до яких прилягають контактні щітки. Вони, у свою чергу, з’єднані з провідниками, які можна підключити, наприклад, до гальванометра. Рамка розміщена в корпусі з постійним магнітом. На одному з кінців вала закріплено невеликий шків, що за допомогою паска з’єднується з великим шківом із ручкою (рис. 10.2, а). Якщо обертати ручку великого шківа, то рамка теж буде обертатися в магнітному полі постійного магніту. При цьому кількість магнітних ліній, які пронизують рамку, та, відповідно, магнітне поле постійно змінюватимуться — у рамці внаслідок явища електромагнітної індукції виникатиме індукційний струм.

Значення генерованого індукційного струму залежить від величини магнітного поля, в якому обертається рамка (тобто від індукції магнітного поля), а також від кількості витків провідника рамки.

Принцип генерування індукційного струму покладено в основу створення генераторів для промислових та побутових потреб.

ПРОМИСЛОВІ ГЕНЕРАТОРИ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ. Основ ними складовими будь-якого генератора є магніт та обмотка, в якій індукується струм. Кожна з них, залежно від конструктивних особливостей генератора, може бути ротором (рухомою частиною) або статором (нерухомою). У малопотужних генераторах статором є обмотки котушок, які закріплюються нерухомо (рис. 10.3, а). Магнітне поле створюється постійним рухомим магнітом — ротором. Його виготовляють у вигляді чашки, що кріпиться на вісь, з’єднану з валом двигуна таким чином, що котушки опиняються всередині магніту (рис. 10.3, а). Під час обертання ротора в обмотці статора індукується електричний струм. Такі генератори використовуються, наприклад, у мотоциклах для вироблення «іскри» — електричного струму, що запалює горючу суміш двигуна внутрішнього згоряння.

Рис. 10.3. Генератор електричного струму, використовуваний у мотоциклетних двигунах та пускових двигунах потужних машин: а) статор (обмотки котушок); б) ротор (постійний магніт)

У розглянутому генераторі, так само, як і в досліді з рамкою, магнітне поле створюється постійним магнітом. У потужних промислових генераторах магнітне поле створюється електромагнітом. Тобто такий генератор має дві обмотки: одна розміщена в пазах нерухомого корпуса (статора), а друга — на рухомому валу (роторі) (рис. 10.4, а). На внутрішній поверхні порожнистого циліндра розміщується обмотка статора — значна кількість витків ізольованого мідного дроту з великим поперечним перерізом. Ротор у вигляді металевого циліндра з обмоткою закріплюється на валу і розміщується всередині статора. До обмотки ротора подається постійний струм (збуджувач), який створює магнітне поле. Вал ротора приєднується до турбіни теплової, атомної або гідроелектростанції. Під дією пари або води турбіна обертає ротор генератора, що є електромагнітом. Магнітне поле ротора, яке охоплює провідний статор, змінюється і в контурі статора виникає індукційний струм.

Рис. 10.4. Промислові генератори електричного струму: а) будова промислового генератора електричного струму; б) турбогенератор ТГВ — 215 — 2ПТЗ, виготовлений на підприємстві «Електроважмаш» (м. Харків) для ТЕС «Бандель» в Індії; в) основа статора та ротор гідрогенератора

В Україні налагоджено повний цикл виробництва, монтажу та сервісу промислових турбо- та гідрогенераторів потужністю до 1 ГВт, які використовуються для виробництва електроенергії в багатьох країнах (рис. 10.4, б, в).

Генератори середньої потужності використовуються на будівництві, а також для освітлення виробничих і побутових приміщень, коли немає централізованого електропостачання. Мініатюрний ручний генератор дає можливість підзарядити батарею вашого мобільного телефону (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Генератори електричного струму

Дедалі більшого поширення набувають вітрогенератори як екологічно чисті джерела електричної енергії.

Усі розглянуті типи генераторів електричного струму, хоча й мають конструктивні особливості, проте в основу їхньої будови покладено спільний принцип — генерування індукційного струму як результат явища електромагнітної індукції, що, у свою чергу, є виявом існування в природі єдиного електромагнітного поля.

Крім того, принцип генерування електричного струму є проявом фундаментального закону збереження енергії — механічна енергія води та вітру або внутрішня енергія палива перетворюється в енергію електромагнітного поля.

! Головне в цьому параграфі

В основі генерування електричного струму перебуває явище електромагнітної індукції.

Пристрій, у якому механічна енергія перетворюється в електричну, називають генератором електричного струму.

Промисловими джерелами електричної енергії є потужні генератори, у яких магнітне поле створюється електромагнітом. Такий генератор має дві обмотки: нерухому статора та рухому ротора, який приводиться в рух турбіною теплової, атомної, гідро- або вітроелектростанції.

В основу будови генераторів електричного струму різних типів покладено спільний принцип — генерування індукційного струму як результат явища електромагнітної індукції, що, у свою чергу, є проявом існування в природі єдиного електромагнітного поля.

? Запитання для самоперевірки

1. Що називають генератором електричного струму?
2. Яке явище покладено в основу генерування індукційного струму?
3. Які основні елементи генератора електричного струму?
4. Наведіть приклади використання генераторів електричного струму в техніці та побуті.
5. Яким чином промислові джерела електричної енергії впливають на екологію? Які перспективні напрями розвитку технологій отримання електричної енергії?

Вправа до § 10

1 (д). Поясніть, чому в нерухомій обмотці статора промислового генератора виникає індукційний струм.
2 (д). Як досягають збільшення величини генерованого електричного струму?
3 (в). Чи виникає індукційний струм у провідному ободі колеса велосипеда під час руху?
4 (в). Обґрунтуйте положення про те, що генерування електричного струму є практичним підтвердженням фундаментального закону природи — закону збереження та наявності в природі єдиного електромагнітного поля.

Зміст