Електричні машини

Виробництво електроенергії є досить легким процесом, а електродвигуни можуть служити для різних цілей - від буріння свердловин до забезпечення руху поїздів.

Матерія складається з атомів, які, в свою чергу, складаються з електрично заряджених часток - протонів і електронів. Ще стародавні греки знали, що якщо потерти янтар шматочком тканини, він буде притягати легкі предмети, але не розуміли причину що відбувається. Насправді в результаті тертя виникало електрику.

Зазвичай в будь-якій речовині перебуває рівна кількість негативно і позитивно заряджених частинок. Тому їх електричні заряди врівноважені, а речовина нейтрально. Однак у результаті тертя деякі електрони переміщаються з одного матеріалу на інший. Як наслідок, порушується рівновага зарядів: матеріал, прітянувшій електрони, стає негативно зарядженим, а матеріал, віддав їх - позитивно зарядженим.

Заряджені предмети

Терміни "Електрон" і "електрика" відбулися від грецького слова elektron, що означає "бурштин". Хоча греки зробили важливий крок у напрямку великого відкриття, перша машина, здатна виробляти електрика, була винайдена лише ок. 1650 р. в Німеччині. Отто фон Геріке створив просту машину, що включала велика куля з сірки. При торканні рукою кулі, насадженого на вал і обертається за допомогою ручки, той заряджався в результаті тертя. До XIX в. були винайдені багато подібні фрикційні генератори.

В основі роботи іншого типу генератора лежав принцип електростатичної індукції - Процесу, при якому предмет заряджається від знаходиться поблизу іншого зарядженого предмета. Такі асинхронні генератори накопичують індуковані заряди для одержання високої напруги. Подібна машина, винайдена Джеймсом Уімсхерстом в 1883 р., як і раніше використовується в лабораторних дослідах для отримання напруги до 50 000 вольт, а іноді і вище.

Потужні електромашини

<p> В 1931 Ван-де-Грааф винайшов електростатичний генератор широкого практичного застосування. Рухома стрічка з діелектрика передає на металева куля заряд, що поступово збільшується до декількох мільйонів вольт. Генератор Ван-де-Граафа використовується при випробуваннях ізоляторів і іншого обладнання, розрахованого на високі напруги, а також в ядерних дослідженнях, при цьому висока напруга служить для розгону заряджених субатомних частинок.

Хоча фрикційні й асинхронні машини могли створювати висока напруга, вони не годилися для вироблення сильного постійного струму. Дана проблема була вирішена в Наприкінці 1790-х рр.., коли італійський учений Алессандро Вольта винайшов першу батарею. Згодом вона була вдосконалена, що дозволило, починаючи з кінця XIX в., використовувати електрику для освітлення. Хоча батареї є зручним і багатоцільовим джерелом електроенергії, вони поступово розряджаються і потребують заміни або підзарядки. Експерименти, проведені на початку XIX ст., Привели до створення сучасних генераторів.

Ерстед і Ампер

В 1819 датський професор Ханс Ерстед зробив відкриття: поточний по дроту електричний струм змушував відхилятися стрілку магнітного компаса. Так Ерстед відкрив явище електромагнетизму - магнетизму, створюваного електрикою. У 1821 р. французький вчений Андре Ампер продемонстрував пов'язане з цим механічну взаємодію струмів: при пропущенні електричного струму через дріт, що знаходиться поряд з потужним магнітом, спостерігалося переміщення дроти, - і встановив закон цього взаємодії. Цей принцип лежить в основі електричного двигуна: перетворення електричної енергії в механічну.

Досліди Ампера були надзвичайно цікаві, але не мали практичного застосування. Провід просто трохи зрушувався при появі струму. Але в тому ж році англійський учений Майкл Фарадей створив машину, яка за допомогою електрики забезпечувала тривалий рух. Нижній кінець підвішеного дроти містився в посудину з ртуттю, у центрі якого знаходився стрижневий магніт. При підключенні батареї між верхнім кінцем дроту і ртуттю провід починав обертатися навколо магніту.

Електромагнітна індукція

Відкрите Фарадеєм явище електромагнітної індукції, назване їм "електричним обертанням ", лягло в основу принципу роботи сучасних електродвигунів. Перший електродвигун, що знайшов практичне застосування, був винайдений в 1837 р. американським інженером Томасом Давенпортом. Він використав два таких двигуна: для роботи свердлильного та деревообробного верстатів.

Вивчивши електрику як рушійну силу, Фарадей почав шукати шляхи перетворення механічної енергії в електричну. У 1831 р. він показав, що переміщення стрижневого магніту біля дротяної котушки викликало проходження електроструму через підключений до неї вимірювальний прилад. При цьому сила струму була набагато вища, ніж у разі одинарного проводу.

Електропостачання

Фарадей першим використовував електромагнітний ефект для виробництва електрики. До кінця 1870-х рр.. з'явилися потужні генератори, а в 1881 р. запрацювала перша електростанція в Годалмінге (Англія). Вона ж стала і першою в світі гідроелектростанцією, тому що генератор приводився в рух водяною млином.

У електричних двигунів і генераторів багато загального, і деякі машини можуть виконувати функції обох. У простому електродвигуні дротова котушка кріпиться на валу, що дозволяє їй вільно обертатися між полюсами підковоподібного постійного магніту. Котушка відіграє роль електромагніту, намагнічіваясь при проходженні через неї електричного струму. Знаходиться всередині котушки залізний сердечник підсилює створюваний магнітний ефект.

Двигуни постійного струму

Електричний струм від батареї або іншого джерела, що рухається тільки в одному напрямку, називається постійним струмом. Якщо батарея підключена до котушки простого електродвигуна, котушка намагнічується, при цьому на протилежних її кінцях виникають два полюси - негативний і позитивний. Оскільки протилежні полюси взаємно притягуються, північний і південний полюси котушки прагнуть, відповідно, до південного і північного полюсів постійного магніту. Ці сили притягання змушують котушку обертатися навколо своєї осі, і незабаром її полюси розташовуються біля протилежних полюсів постійного магніту.

Однак в цей момент автоматичне перемикаючий пристрій (колектор) направляє ток в протилежну сторону. Колектор простого електродвигуна постійного струму складається з мідного кільця, розрізаного навпіл і кріпиться (з прокладкою з діелектрика) на осі ротора. Кінці котушки підключаються до двом половинкам кільця. Струм проходить через котушку й попадає на пару вугільних контактів - щіток, що стосуються протилежних сторін колектора. При обертанні ротора кожна щітка по черзі взаємодіє з обома сторонами котушки.

Автоматична комутація

Завдяки автоматичної комутації магнітні полюси котушки змінюються на протилежні при досягненні полюсів постійного магніту. Тепер вони вже не різнойменні, а однойменні полюси по відношенню до найближчих полюсів магніту. Так як однойменні полюси взаємно відштовхуються, котушка продовжує обертатися, а її полюси притягуються до відповідних полюсів на іншій стороні магніту.

Обертова частина електричної машини називається ротором (або якорем), а нерухлива - статором. У простому електродвигуні постійного струму блок котушки служить ротором, а постійний магніт - статором.

В деяких двигунах для створення магнітного поля замість постійного магніту служить електромагніт. Витки дроту такого електромагніту називаються обмоткою збудження.

Двигуни змінного струму

Змінний ток періодично змінює напрямок, зазвичай 50 або 60 разів на секунду. Деякі двигуни змінного струму мають ротор, на який струм подається через колектор, як в двигунах постійного струму. Але у багатьох двигунів цього типу взагалі немає з'єднань з ротором. Їх дія заснована на принципі індукції. Пр...оходящий через статор змінний струм створює обертове магнітне поле, як було б у випадку обертання постійного магніту. Це рухоме поле змушує струм текти в напрямку обмоток ротора, намагнічівая його. В результаті ротор обертається, так як його полюси змушує рухатися по колу обертове навколо ротора магнітне поле. Часто ротор складається з мідних або алюмінієвих стрижнів, кінці яких з'єднують два металевих кільця. Ротор в зборі схожий на клітку, і такі машини називають двигунами з "білячої кліткою", або короткозамкненими двигунами.

Синхронні двигуни

В індукційних (асинхронних) двигунах ротор обертається повільніше, ніж рухоме навколо нього магнітне поле. У синхронних двигунах ротор повертається одночасно з полем. У простих синхронних двигунах ротор складається з одного або декількох постійних магнітів. Їх полюси притягуються до різнойменних полюсів обертового магнітного поля, тому вони обертаються з однаковою швидкістю. Іноді замість постійних магнітів у роторах використовуються електромагніти, але принцип роботи залишається незмінним. В іншому типі синхронних двигунів використовуються перегони змінного струму для створення магнітного поля, яке пошагово обертає ротор із зубчастим колесом.

Більшість електродвигунів створюють обертовий рух. Але у деяких з них обмотки статора відкриті й розташовані на одній лінії, завдяки чому створюється магнітне поле, що рухається лінійно разом із провідникові матеріалом. Такі двигуни називаються лінійними асинхронними. Вони використовуються для відкривання розсувних дверей, транспортування багажу в аеропортах, у швидкісних поїздах.

Генератори

Якщо ротор простого електродвигуна постійного струму обертати вручну, двигун буде працювати як генератор. У котушці виникає змінна напруга, що досягає пікових величин, коли її полюси проходять полюси постійного магніту. Потім напруга падає до нуля і змінює свій напрямок, досягаючи максимуму, коли полюси котушки проходять протилежні полюси постійного магніту. Можна підключитися до котушки, з'єднавши кінці двох суцільних мідних кілець (званих контактними кільцями), що перебувають на осі ротора. Вугільні щітки труться про ці кільця і ​​знімають змінна напруга, в результаті чого при підключенні до електричного кола виникає змінний струм. Такий генератор відноситься до генераторам змінного струму, тобто електричним машинам, що виробляють змінний струм.

Динамо-машини

Якщо ж використовується колектор (як в електродвигуні постійного струму), він постійно буде змінювати з'єднання між котушкою й щітками, що перешкоджає змінам напруги в котушці. В результаті, замість змінного струму по щіткам буде протікати пульсуючий постійний струм. Генератори, що виробляють постійний струм таким чином, називаються динамо-машинами.

В більшості динамо-машин для створення необхідного магнітного поля використовується не постійний, а електромагніт. Однак сердечник електромагніту небагато намагнічений, і сили його поля досить, щоб машина почала виробляти електрика при включенні. Потім частина виробленого струму проходить через обмотку електромагніту для посилення його магнітного поля і збільшення обсягу електроенергії.

Деякі генератори змінного струму (наприклад, автомобільні) виробляють постійний ток завдяки вбудованим випрямлячем - пристроям, що допускає протягом струму тільки в одному напрямку.

В більшості генераторів змінного струму - від службовців для підзарядки акумуляторів автомобілів до гігантських машин, що виробляють електрику для живильної мережі - котушки є й на роторі, і на статорі, причому саме ротор створює магнітне поле. Відносно слабкий струм проходить через обмотки збудження на роторі по щіткам і контактних кілець, а більш сильний вироблюваний струм відбирається безпосередньо зі статора. Це дозволяє уникнути втрат потужності і іскріння, можливих при відборі сильного виробленого струму з ротора за допомогою кілець і щіток.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту .sciencetechnics.com/