Получение переменного электрического тока

Введение

Электрическая энергия играет важнейшую роль в современной жизни человека. Освещение домов, работа компьютеров, телевизоров, бытовой техники и промышленных установок невозможны без электрического тока. При этом подавляющее большинство электростанций вырабатывает не постоянный, а переменный электрический ток.

Переменный ток удобен для передачи на большие расстояния и для преобразования напряжения с помощью специальных устройств — трансформаторов. Понимание того, как получают переменный ток, помогает разобраться в принципах работы электростанций, генераторов и энергосистем.

Получение переменного тока основано на явлении электромагнитной индукции, открытом Майклом Фарадеем. В этой теме рассматриваются принципы работы электрического генератора, его основные части — ротор и статор, а также устройство и назначение трансформатора.

Переменный электрический ток

Переменным электрическим током называют ток, который с течением времени периодически изменяется по величине и направлению. В бытовых электрических сетях направление тока меняется много раз в секунду.

В отличие от постоянного тока, переменный ток легче преобразовывать: можно повышать или понижать напряжение, уменьшая потери энергии при передаче. Это является основной причиной широкого использования переменного тока в энергетике.

Получение переменного тока

Переменный электрический ток получают с помощью электрических генераторов, работа которых основана на явлении электромагнитной индукции. Если замкнутый проводящий контур вращается в магнитном поле, то магнитный поток через контур непрерывно изменяется. В результате в контуре возникает индукционный ток, который изменяется по направлению и величине — то есть является переменным.

Таким образом, основным условием получения переменного тока является изменение магнитного потока, пронизывающего проводник.

Генератор. Ротор и статор

Электрический генератор — это устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую энергию.

Основными частями генератора являются:

• ротор — вращающаяся часть генератора;

• статор — неподвижная часть генератора.

Ротор обычно представляет собой катушку или систему проводников, которые вращаются в магнитном поле. В некоторых генераторах, наоборот, вращается магнит, а катушки располагаются в статоре. В любом случае при вращении происходит изменение магнитного потока через проводники, что приводит к возникновению переменного электрического тока.

Статор содержит магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами или электромагнитами, а также элементы, с которых снимается электрический ток.

Как устроены генераторы

В простейшем генераторе рамка из проводника вращается между полюсами магнита. Концы рамки соединены с контактными кольцами, по которым ток передаётся во внешнюю цепь. При вращении рамки направление индукционного тока в ней периодически меняется, поэтому во внешней цепи течёт переменный ток.

В промышленных генераторах конструкция значительно сложнее:

• используется большое количество витков для увеличения напряжения;

• применяются мощные электромагниты для создания сильного магнитного поля;

• ротор приводится во вращение турбинами, работающими на воде, паре, газе или ветре.

Независимо от типа электростанции, принцип работы генератора остаётся одинаковым — преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока.

Трансформатор

Трансформатор — это устройство, предназначенное для изменения напряжения переменного электрического тока без изменения его частоты.

Трансформатор состоит из:

• первичной катушки, подключённой к источнику переменного тока;

• вторичной катушки, соединённой с потребителем;

• железного сердечника, усиливающего магнитное поле.

При прохождении переменного тока по первичной катушке вокруг неё возникает переменное магнитное поле. Это поле пронизывает вторичную катушку и вызывает в ней индукционный ток. В зависимости от числа витков в катушках напряжение во вторичной цепи может быть больше или меньше, чем в первичной.

Трансформаторы позволяют:

• повышать напряжение для передачи энергии на большие расстояния;

• понижать напряжение до безопасных значений для бытовых приборов.

Значение переменного тока в энергетике

Использование переменного тока сделало возможным создание централизованных энергосистем. Электрическая энергия производится на электростанциях, передаётся по линиям электропередачи на большие расстояния и преобразуется до нужных значений напряжения с помощью трансформаторов.

Без генераторов и трансформаторов современная энергетика и техника были бы невозможны.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют переменным электрическим током?

2. Почему в энергетике используется преимущественно переменный ток?

3. На каком физическом явлении основано получение переменного тока?

4. Что такое электрический генератор и каково его назначение?

5. Какие части генератора называют ротором и статором?

6. Почему при вращении рамки в магнитном поле возникает переменный ток?

7. Как устроены промышленные генераторы электрического тока?

8. Что такое трансформатор и для чего он используется?

9. Какую роль играет железный сердечник в трансформаторе?