Das Funktionsprinzip des Generators
Generatoren sind Maschinen Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie… Das Funktionsprinzip des Generators basiert auf das Phänomen der elektromagnetischen Induktion, wenn in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt und dessen magnetische Kräfte kreuzen, eine EMF induziert wird. Daher kann ein solcher Leiter von uns als Quelle elektrischer Energie betrachtet werden.
Die Methode zur Erzeugung induzierter EMF, bei der sich der Draht in einem Magnetfeld nach oben oder unten bewegt, ist für den praktischen Einsatz sehr unpraktisch. Daher wird in Generatoren keine geradlinige, sondern eine rotierende Bewegung des Drahtes verwendet.
Die Hauptbestandteile eines jeden Generators sind: ein System aus Magneten oder häufiger Elektromagneten, die ein Magnetfeld erzeugen, und ein System aus Drähten, die dieses Magnetfeld kreuzen.
Nehmen wir einen Draht in Form einer gebogenen Schleife, den wir im Folgenden Rahmen nennen (Abb. 1), und legen ihn in ein Magnetfeld, das durch die Pole eines Magneten erzeugt wird. Wenn einem solchen Rahmen eine Rotationsbewegung um die 00-Achse gegeben wird, kreuzen seine den Polen zugewandten Seiten die magnetischen Feldlinien und in ihnen wird eine EMF induziert.
Reis. 1. EMF-Induktion in einem glockenförmigen Leiter (Rahmen), der in einem Magnetfeld rotiert
Indem wir eine Glühbirne mit weichen Drähten an den Rahmen anschließen, schließen wir auf diese Weise den Stromkreis und das Licht leuchtet auf. Die Glühbirne brennt weiter, während sich der Rahmen in einem Magnetfeld dreht. Ein solches Gerät ist der einfachste Generator, der die für die Drehung des Rahmens aufgewendete mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
Ein solch einfacher Generator hat einen ziemlich erheblichen Nachteil. Nach kurzer Zeit verdrehen sich die weichen Drähte, die die Glühbirne mit dem Drehrahmen verbinden, und brechen. Um solche Stromkreisunterbrechungen zu vermeiden, sind die Enden des Rahmens (Abb. 2) an zwei Kupferringen 1 und 2 befestigt, die sich zusammen mit dem Rahmen drehen.
Diese Ringe werden Schleifringe genannt. Der elektrische Strom wird von den Schleifringen über elastische Platten 3 und 4 neben den Ringen zum äußeren Stromkreis (zur Glühbirne) abgeleitet. Diese Platten werden Bürsten genannt.
Reis. 2. Die Richtung der induzierten EMF (und des Stroms) in den Drähten A und B des Rahmens, der sich in einem Magnetfeld dreht: 1 und 2 – Schleifringe, 3 und 4 – Bürsten.
Bei einer solchen Verbindung des Drehrahmens mit dem externen Stromkreis kommt es nicht zu einer Trennung der Verbindungsdrähte und der Generator funktioniert normal.
Betrachten wir nun die Richtung der in den Rahmenleitungen induzierten EMF oder, was dasselbe ist, die Richtung des im Rahmen induzierten Stroms bei geschlossenem externen Stromkreis.
Mit der Drehrichtung des Rahmens, die in Abb. dargestellt ist. 2, im linken Leiter AA wird die EMF in einer Richtung von uns aus der Zeichenebene heraus induziert, und im rechten Sprengstoff - aufgrund der Zeichenebene auf uns.
Da die beiden Hälften des Rahmendrahts in Reihe miteinander verbunden sind, erhöht sich die in ihnen induzierte EMF und an Bürste 4 befindet sich ein positiver Pol des Generators und ein negativer Pol von Bürste 3.
Verfolgen wir die Änderung der induzierten EMF, wenn sich der Rahmen vollständig dreht. Wenn der Rahmen im Uhrzeigersinn um 90° aus der in Abb. gezeigten Position gedreht wird. 2, dann bewegen sich die Hälften seines Leiters in diesem Moment entlang der Magnetfeldlinien und die Induktion von EMF in ihnen hört auf.
Eine weitere Drehung des Rahmens um weitere 90° führt dazu, dass die Drähte des Rahmens erneut die Kraftlinien des Magnetfelds kreuzen (Abb. 3), der Draht AA sich jedoch relativ zu den Kraftlinien bewegt nicht von unten nach oben, sondern von oben nach unten, während der Draht BB im Gegenteil die Kraftlinien kreuzt und sich von unten nach oben bewegt.
Reis. 3. Änderung der Richtung des induzierten E. usw. s. (und Strom), wenn der Rahmen um 180 ° in Bezug auf die in Abb. gezeigte Position gedreht wird. 2.
Bei einer neuen Position des Rahmens ändert sich die Richtung der induzierten EMK in den Drähten AL und BB in die entgegengesetzte Richtung. Dies folgt aus der Tatsache, dass sich in diesem Fall die Richtung geändert hat, in der jeder dieser Drähte die magnetischen Feldlinien kreuzt. Dadurch ändert sich auch die Polarität der Generatorbürsten: Bürste 3 wird nun positiv, Bürste 4 negativ.
Wenn wir den Rahmen weiter drehen, werden wir wieder die Bewegung der Drähte AA und BB entlang der magnetischen Kraftlinien und in Zukunft die Wiederholung aller Vorgänge von Anfang an sehen.
Während einer vollständigen Umdrehung des Rahmens ändert die induzierte EMF also zweimal ihre Richtung, und ihr Wert erreicht im gleichen Zeitraum auch zweimal seinen höchsten Wert (wenn die Drähte des Rahmens unter den Polen verlaufen) und zweimal gleich Null (in den Momenten der Bewegung der Drähte entlang der magnetischen Feldlinien).
Es ist ganz klar, dass eine EMF, die ihre Richtung und Größe ändert, in einem geschlossenen externen Stromkreis einen elektrischen Strom induziert, der sich in Richtung und Größe ändert.
Wenn also beispielsweise eine Glühbirne an die Anschlüsse dieses einfachsten Generators angeschlossen wird, fließt der elektrische Strom durch die Glühbirne während der ersten Hälfte der Drehung des Rahmens in eine Richtung und während der zweiten Hälfte der Drehung umdrehen, in die andere.
Reis. 4. Änderungskurve des induzierten Stroms für eine Umdrehung des Rahmens
Die Kurve in Abb. 1 gibt einen Eindruck von der Art der aktuellen Änderung, wenn der Rahmen um 360° gedreht wird, also in einer vollständigen Umdrehung. 4. Es wird ein elektrischer Strom induziert, der sich kontinuierlich in Stärke und Richtung ändert Wechselstrom.