Преобразование механической энергии в электрическую и обратно
На законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил основано действие электрических машин — генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую, и двигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую.
Обратимся к рис. 95. В магнитном поле между полюсами N и S помещен прямолинейный проводник. Если при помощи внешней механической силы F передвигать этот проводник перпендикулярно магнитным линиям поля, то в нем будет индуктироваться э. д. с. . Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по цепи потечет ток I, совпадающий по направлению с э. д. с. Е.
Рис. 95. Преобразование механической энергии в электрическую
Напишем уравнение 2-го закона Кирхгофа для этой цепи:
где V — напряжение на зажимах, В;
r — сопротивление проводника, Oм;
I·r — падение напряжения в проводнике, В.
Умножая почленно выражение (а) на I, получим
Учитывая, что и имеем
где РМЕХ = Е·I — механическая мощность, преобразуемая в электрическую;
РЭЛ = U·I — электрическая мощность, отдаваемая во внешнюю цепь;
ΔР = I 2 r — потери мощности (в виде тепла) в сопротивлении проводника.
Рассмотрим теперь процесс преобразования электрической энергии в механическую.
Пусть прямолинейный проводник АВ (рис. 96), по которому проходит ток I от источника напряжения, помещен во внешнее магнитное поле, образованное магнитом N — S. Если проводник неподвижен, то энергия источника напряжения расходуется исключительно на нагрев проводника:
Затрачиваемая мощность будет равна
откуда определяем ток в цепи:
Однако известно, что проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать действие силы F со стороны поля, стремящейся перемещать проводник в магнитном поле в направлении, определяемом правилом левой руки. При своем движении проводник будет пересекать магнитные линии поля и в нем, по закону электромагнитной индукции, возникнет индуктированная э. д. с. Направление этой э. д. с, определенное по правилу правой руки, будет обратным току I. Назовем ее обратной э. д. с. ЕОБР. Величина ЕОБР согласно закону электромагнитной индукции будет равна
Рис. 96. Преобразование электрической энергии в механическую
По второму закону Кирхгофа, для замкнутой цепи имеем
откуда ток в цепи
Сравнивая выражения (а) и (в), видим, что в проводнике, движущемся в магнитном поле при одних и тех же значениях U и r, ток будет меньше, чем в неподвижном проводнике.
Умножая почленно выражение (б) на I, получим
Учитывая, что и имеем
Последнее выражение показывает, что при движении проводника с током в магнитном поле мощность источника напряжения преобразуется в механическую мощность и частично в тепловую. Аналогичный процесс преобразования электрической энергии в механическую происходит в электрических двигателях.
Рассмотренные выше примеры показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать как генератор и как двигатель.
Преобразование механической энергии в электрическую
Пусть проводник премещается в магнитном поле, созданном полюсами постоянного магнита, с постоянной скоростью v под действием внешней силы F, создаваемой источником механической энергии (рис. 5.4).
Как уже отмечалось, если проводник при движении пересекает магнитные линии, то согласно явлению электромагнитной индукции в нем наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. При замыкании проводника на внешнее сопротивление R (потребитель) в цепи будет протекать ток, совпадающий по направлению с ЭДС. Таким образом, механическая энергия, затраченная на перемещение проводника, преобразуется в электрическую энергию тока в проводнике. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем возникнет электромагнитная сила F3M. Направление этой силы, определенное по правилу левой руки, противоположно скорости движения проводника (см. рис. 5.4). Следовательно, сила F3M является тормозящей. Что подтверждает правило Ленца: электромагнитная сила F3м, вызванная током /, противодействует перемещению проводника, которое и является причиной возникновения тока.
Если сопротивление проводника принять за R0, то уравнение напряжения на его концах (согласно формуле 3.3)
Электрические машины, в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую, называются электрическими генераторами. Схематическое устройство простейшего генератора показано на рис. 5.5.
- 1 — статор (неподвижная часть машины); 2 — полюса электромагнита;
- 3 — ротор (подвижная часть машины); 4 — вал; 5 — виток проволоки; 6— геометрическая нейтраль генератора
Магнитное поле машины создается полюсами 2 электромагнита, расположенными на неподвижной части машины — статоре 1. Внешняя сила (приводной двигатель, находящийся на одном валу 4 с ротором) приводит во вращение ротор 3 вместе с витком проволоки 5
против часовой стрелки. В витке согласно явлению электромагнитной индукции будет наводиться ЭДС, которая непостоянна как по величине, так и по направлению. Так как в области геометрической нейтрали 6 индукция равна нулю В = 0, а под серединой полюсов максимальна В = Втах. Форма полюсов выбирается так, чтобы распределение магнитной индукции в воздушном зазоре было синусоидальным:
где Вт — максимальное значение электромагнитной индукции.
Тогда ЭДС, наведенная в обмотке ротора, определяется выражением
где Ет — максимальное значение ЭДС; а — угол, образованный плоскостью геометрической нейтрали 6 и плоскостью, проходящей через ось ротора и произвольно выбранную точку на его поверхности.
Таким образом, ЭДС в обмотке ротора изменяется по закону синуса от нуля на линии геометрической нейтрали до максимального значения Ет под серединой полюсов.
Преобразование механической энергии в электрическую
Электрические машины, которые предназначены для преобразования механической энергии в электрическую называют генераторами.
Устройство, которое вырабатывает переменный ток, называют генератором переменного тока.
Принципиальная основа генератора переменного тока
Конструкция генераторов электрического тока в настоящее время основывается на использовании явления электромагнитной индукции.
В генераторах энергия механического движения трансформируется в энергию электрического тока, так сторонние электродвижущие силы (ЭДС) обладают механической природой.
ЭДС можно получить двумя способами:
- если в неподвижном магнитном поле катушка будет вращаться;
- вращаться станет магнитное поле, а катушка будет неподвижна.
Допустим, что переменный ток получают при вращении катушки в стационарном магнитном поле. Для упрощения будем полагать, что в однородном магнитном поле равномерно вращается проводящая рамка (один виток). При этом:
- площадь рамки составляет $\Delta S$,
- скорость ее вращения $\omega$,
- угол между нормалью к плоскости рамки $\vec n$ и вектором магнитной индукции $\vec B$ составляет $\alpha$.
Магнитный поток, который пронизывает рамку, равен:
$Ф’=B\Delta S cos (\alpha) (1).$
В каждый момент времени $t$ положение витка по отношению к вектору магнитной индукции задается при помощи угла $\alpha = \omega t$. В этом случае выражение (1) можно представить как:
$Ф’=B\Delta S cos (\omega t) (2).$
В соответствии с законом электромагнитной индукции в нашем витке появляется ЭДС индукции, равная:
$\epsilon_i’=-\frac
При вращении катушки, имеющей $N$ витков магнитный поток равен:
что увеличивает амплитуду ЭДС в $N$ раз, соответственно:
$\epsilon_i=NB\Delta S \omega sin (\omega t) (4).$
Амплитуда ЭДС получается равной:
$\epsilon_m=NB\Delta \omega (5).$
Величину $\epsilon_m$ называют еще амплитудой напряжения, которое создает генератор переменного тока, рассматриваемого вида.
Выражение (5) часто записывают в виде:
$\epsilon_i= \epsilon_m \ sin (\omega t (6).$
Выражение (6) указывает на то, что ЭДС изменяется периодически по гармоническому закону (закону синуса).
Реализация принципа генерации переменного тока
На сегодняшний момент создано и применяют большое число генераторов переменного тока различных конструкций. Например, технический переменный ток получают при помощи генератора, в котором:
- ЭДС возникает в результате вращения проволочной обмотки.
- Концы обмотки соединяют с двумя изолированными медными кольцами, которые называют контактными.
- Данные кольца укреплены на оси машины с помощью прижимных проводников (щеток), изготавливаемых из меди или графита. Щетки включают в замкнутую цепь тока, не нарушая вращение обмотки.
Для увеличения ЭДС, из формулы (6) следует, что нужно увеличить магнитный поток. С этой целью стараются сделать сопротивление магнитной цепи наименьшим. Поэтому магнитную систему конструируют из пары железных сердечников:
- наружного стационарного сердечника в виде кольца и
- внутреннего, совершающего вращение цилиндра.
Воздушный зазор между сердечниками стараются сделать минимальным.
Генератор, обычно обладает двумя обмотками:
- одной, расположенной в пазах, на внутренней стороне неподвижного сердечника (статора);
- второй, находящейся на внутренней стороне (в пазах) вращающегося сердечника (ротора).
Одна обмотка генерирует магнитный поток, вторая является рабочей, в ней создается переменная ЭДС.
Обратим внимание на один из них – генератор трехфазного тока, который создал М.О. Доливо-Добровольский в 1890 году.
Этот генератор имеет три одинаковые катушки. Их оси находятся в одной плоскости, которая параллельна магнитному полю, при этом углы между осями катушек составляют $120^0 C$. Токи индукции возбуждаются сразу во всех трёх катушках одномоментно, сдвиг фаз этих токов составляет $120^0$. Токи с несколькими фазами дают возможность получать в нагрузке вращающиеся магнитные поля. В этих магнитных полях совершают вращения магниты или замкнутые контуры. Получаемые таким образом токи удобно использовать для трансформации электрической энергии в механическую в электрических двигателях.
Генератор постоянного тока
Для получения постоянного (прямого) тока, переменная ЭДС, индуцируемая в обмотке ротора, с помощью коллектора подлежит выпрямлению.
Коллектор – вращающийся переключатель.
Самый простой генератор постоянного тока:
- может иметь обмотку, которая содержит один виток;
- в состав его коллектора входят два изолированных полуцилиндра из меди, расположенных на оси машины, к этим цилиндрам присоединяют обмоточные концы;
- пара щеток, прижимаемых к пластинам коллектора, реализуют подключение обмотки в цепь тока.
Поясним принципы работы коллектора. Напряжение между концами обмотки коллектора изменяется по гармоническому закону (закон синуса) (6) (рис.1(а)). При каждой половине оборота коллектор коммутирует (осуществляет переключение) концы обмотки. В результате на щетках возникает напряжение, которое можно изобразить кривой рис.1 (б). Данный генератор выдает пульсации тока, у которого постоянно направление, но величина изменяется.
Рисунок 1. Принципы работы коллектора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Поскольку коллектор совершает вращение, то соединяемую с ним обмотку делают вращающейся. Она располагается на внутреннем сердечнике из железа, который находится на оси генератора. Чтобы получить постоянный ток обмотку делят на несколько секций и используют многопластинчатые коллекторы.
В современных генераторах большой мощности используют электромагниты.
Свойства генератора постоянного тока значительным образом зависят от того, каким образом осуществляется соединение обмотки возбуждения с якорем. В зависимости от способа соединения генераторы делят на:
- шунтовые генераторы, в которых реализуется параллельное возбуждение;
- сериесные генераторы, с последовательным соединением;
- компаундные генераторы, в которых используется смешанное возбуждение.
В генераторах первого типа обмотка возбуждения соединяется с якорем параллельно. Ток, питающий электромагнит составляет от 1% до 5% тока якоря. При этом сопротивление обмотки возбуждения существенно меньше сопротивления якоря.
В сериесных генераторах обмотка возбуждения соединена с якорем при помощи последовательного соединения. Так как ток проходит по обмотке возбуждения полностью, для уменьшения потерь напряжения необходимо, чтобы сопротивление обмотки было много меньше, чем сопротивление якоря.
5 Пример преобразования механической энергии в электрическую: подробные пояснения
В этом разделе мы рассмотрим пример преобразования механической энергии в электрическую.
- Турбогенератор
- Колеса пелотона
- Генератор
- Пьезоэлектрические преобразователи
- Генератор в автомобилях
- Гидроэлектростанции
Турбогенератор
В турбогенераторе текущая жидкость — вода, тепло, горючие газы или воздух — толкает ряд лопастей на приводную ось. Ведущая ось генератора вращается за счет давления жидкости на края. Генератор преобразует физическую (кинетическую) мощность ротора в электрическую. Турбины включают паровые турбины, легковоспламеняющиеся (газовые) роторы, гидрологические турбины и ветряные турбины.
Колеса пелотона
Турбина Пелтона имеет простой принцип работы. Всякий раз, когда высокоскоростная струя воды, подаваемая из сопла, сталкивается с чашами колеса Пелтона, возникает импульсная сила. Вследствие этого давления вращается турбина. Генератор приводится в действие вращающимся валом, который вырабатывает электричество. В двух словах, турбина Пелтона преобразует кинетическую энергию водяной струи в энергию вращения.
Генератор
Если машина преобразует механическое действие в электричество, используя изменяющиеся магнитные поля и жгуты проводов, мы можем назвать ее генератором. Генераторы доступны в различных размерах и формах. Неподвижные катушки и вихревые магнитные поля, а также неподвижные катушки и вихревые магнитные поля. Линейные генераторы имеют катушки и магниты, которые перемещаются вперед и назад по прямой линии.
Изображение предоставлено: Быстрая коза
Для создания постоянного тока в некоторых генераторах используются коммутаторы и щетки, в то время как в других для устранения переменного тока используются скользящие кольца. Другие преобразуют переменный ток в постоянный с помощью электрических устройств, таких как диоды. Некоторые производят переменный ток и называются генераторами переменного тока. Также доступны электростатические генераторы, которые производят чрезвычайно сильные статические электрические напряжения.
В них может использоваться падающая жидкость, резиновая лента или крошечные проводящие пластины, встроенные в изоляторы. Затем есть пьезоэлектрические генераторы, которые создают электрический заряд, прикладывая к камню физическую нагрузку. Классическая иллюстрация — воспламенитель бензинового гриля.
Пьезоэлектрические преобразователи
Пьезоэлектрические преобразователи используют свой прямой пьезоэлектрический эффект для преобразования механической энергии в электрическую или обратный пьезоэлектрический эффект для преобразования электрической энергии в генерацию механической энергии. Концепция работы пьезоэлектрического преобразователя основана на концепции, что потенциал формируется на всех поверхностях пьезоэлектрического кристалла, когда к нему прилагается физическая сила. В результате механические события становятся электрическими сигналами.
Генератор в автомобилях
Генератор автомобиля является хорошей иллюстрацией механического электроэнергия преобразование. Он приводится в движение вашим двигателем, который вращает динамо-машину, которая заряжает ваши батареи и питает все электричество в вашем автомобиле через веревку от кривошипа.
Гидроэлектростанции
At гидроэнергетика станции, генераторы работают. Они подключены к водяной турбине. Сила воды приводит в движение водяную турбину. Потенциальная мощность воды превращается в мощность вращения путем опускания роторов турбины с заданной высоты, заставляя турбину вращаться. Вал турбины соединен с валами генератора переменного тока, поэтому генератор вращается, а турбина вращается бок о бок.
Электрическая энергия создается в генераторе переменного тока с использованием электромагнитных концепций, а затем передается от энергодепо к трансформатору по линиям электропередач. Термин «генератор» является неправильным, поскольку он просто преобразует один вид энергии в другой, а не создает энергию. Если оно обеспечено электроэнергией, то же самое устройство может быть использовано в качестве привода, преобразующего электроэнергию в физическую энергию. Генератор — другое название генератора.
Часто задаваемые вопросы | FAQs
Ques. Что является иллюстрацией преобразования механической энергии в электрическую?
Отв. Ветряные турбины, пелотонные колеса и вращающиеся турбины — это лишь несколько типов устройств преобразования механической энергии. Пошаговое решение: Принцип электромагнетизма Фарадея используется для преобразования механической энергии в электричество.
Механические формы энергии, такие как мощность вращения, кинетическая мощность и потенциал. энергетика часто встречаются в преобразованиях энергии. Ветряные турбины, пелотонные колеса и вращающиеся турбины — это лишь несколько типов устройств для преобразования механической энергии в электрическую. Принципы Фарадея, электромагнитная концепция, используются для преобразования механической энергии в электрическую.
Когда катушка движется равномерно магнитное поле, ток генерируется в петле обратным образом, чтобы уравновесить поток. Электрогенератором называют устройство, работающее на этой основе.
Ques. Можно ли преобразовать механическую энергию в тепловую?
Отв. Тепло может быть преобразовано в механическое мощность, а механическая энергия может быть преобразована обратно в тепло. Ключевым открытием физики является механический аналог энергии. Это указывает на то, что можно воздействовать на внутреннюю энергию системы, либо воздействуя на нее, либо вводя в нее тепло.
Ques. Можно ли преобразовать механическую энергию в тепловую?
Отв. Тепло может быть преобразовано в механическое мощность, а механическая энергия может быть преобразована обратно в тепло. Ключевым открытием физики является физический эквивалент тепла. Это указывает на то, что можно воздействовать на внутреннюю энергию системы, либо воздействуя на нее, либо вводя в нее тепло.
Ques. Какие три вида механической энергии существуют?
Ответ Механическая мощность включает в себя потенциальную мощность, кинетическую мощность и мощность пружины. Дополнительные типы энергии включают звук и свет, и это лишь некоторые из них. Например, атомная энергетика — это вид массовой энергии.
Ques. Какие существуют виды энергии?
Ответ Шесть основных форм энергии: химическая, электрическая, лучистая, физическая, тепловая и ядерная. Другие виды, такие как электрохимические, акустические, электромагнитные и другие, могут быть обсуждены в других исследованиях. С другой стороны, многие другие формы являются смесями этих шести основных видов.