Princip činnosti generátoru

Generátory jsou stroje přeměna mechanické energie na elektrickou energii… Princip činnosti generátoru je založen na fenomén elektromagnetické indukce, kdy je EMF indukováno ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli a křižujícím jeho magnetické síly. Proto takový vodič můžeme považovat za zdroj elektrické energie.

Způsob získání indukovaného EMF, při kterém se drát pohybuje v magnetickém poli, pohybuje se nahoru nebo dolů, je pro jeho praktické použití velmi nepohodlný. Proto se v generátorech nepoužívá přímočarý, ale rotační pohyb drátu.

Hlavní části každého generátoru jsou: soustava magnetů, nebo častěji elektromagnetů, vytvářejících magnetické pole, a soustava drátů křižujících toto magnetické pole.

Vezmeme drát v podobě zakřivené smyčky, kterou budeme dále nazývat rám (obr. 1), a umístíme jej do magnetického pole vytvořeného póly magnetu. Pokud je takovému rámu dán rotační pohyb kolem osy 00, pak jeho strany obrácené k pólům protnou siločáry magnetického pole a bude se v nich indukovat EMF.

Rýže. 1. Indukce EMF ve zvonovitém vodiči (rámu) rotujícím v magnetickém poli

Připojením žárovky k rámu pomocí měkkých drátů tímto způsobem uzavřeme obvod a světlo se rozsvítí. Žárovka bude nadále hořet, zatímco se rám otáčí v magnetickém poli. Takové zařízení je nejjednodušší generátor, který přeměňuje mechanickou energii vynaloženou na otáčení rámu na elektrickou energii.

Takový jednoduchý generátor má poměrně významnou nevýhodu. Po krátké době se měkké dráty spojující žárovku s otočným rámem zkroutí a zlomí. Aby k takovému přerušení obvodu nedocházelo, jsou konce rámu (obr. 2) připevněny ke dvěma měděným kroužkům 1 a 2, které se otáčejí společně s rámem.

Tyto kroužky se nazývají skluzné kroužky. Elektrický proud je odváděn ze sběracích kroužků do vnějšího obvodu (k baňce) přes elastické desky 3 a 4 sousedící s kroužky. Tyto desky se nazývají kartáče.

Rýže. 2. Směr indukovaného EMF (a proudu) ve vodičích A a B rámu rotujících v magnetickém poli: 1 a 2 — sběrací kroužky, 3 a 4 — kartáče.

Při takovém připojení otočného rámu k vnějšímu obvodu nedojde k odpojení propojovacích vodičů a generátor bude normálně fungovat.

Uvažujme nyní směr EMF indukovaného ve vývodech rámu nebo, což je stejný, směr proudu indukovaného v rámu při uzavřeném vnějším obvodu.

Se směrem otáčení rámu, který je znázorněn na obr. 2, v levém vodiči AA, bude EMF indukováno ve směru od nás mimo rovinu výkresu a v pravém výbušném - vzhledem k rovině výkresu na nás.

Protože jsou dvě poloviny drátu rámu vzájemně zapojeny do série, indukované EMF v nich se zvýší a na kartáči 4 bude kladný pól generátoru a záporný pól kartáče 3.

Sledujme změnu indukovaného EMF, když se rám úplně otáčí. Pokud je rám ve směru hodinových ručiček otočen o 90° z polohy znázorněné na Obr. 2, pak se poloviny jeho vodiče v tu chvíli budou pohybovat po magnetických siločarách a indukce EMF v nich se zastaví.

Další otočení rámu o dalších 90° povede k tomu, že dráty rámu budou opět křížit siločáry magnetického pole (obr. 3), ale drát AA se bude pohybovat vzhledem k siločarám ne zdola nahoru, ale shora dolů, zatímco drát BB naopak překročí siločáry a bude se pohybovat zdola nahoru.

Rýže. 3. Změna směru indukovaného e. atd. s. (a aktuální), když je rám otočen o 180° vzhledem k poloze znázorněné na obr. 2.

S novou polohou rámu se směr indukovaného emf ve vodičích AL a BB změní v opačném směru. Vyplývá to ze skutečnosti, že se v tomto případě změnil samotný směr, kterým každý z těchto vodičů protíná siločáry magnetického pole. V důsledku toho se také změní polarita kartáčů generátoru: kartáč 3 bude nyní kladný a kartáč 4 negativní.

Při dalším otáčení rámu budeme mít opět pohyb drátů AA a BB podél magnetických siločar a v budoucnu - opakování všech procesů od začátku.

Během jednoho úplného otočení rámu tedy indukované EMF dvakrát změní svůj směr a jeho hodnota za stejnou dobu také dosáhne svých nejvyšších hodnot dvakrát (když dráty rámu procházejí pod póly) a dvakrát rovných nule. (v okamžicích pohybu vodičů podél magnetických siločar).

Je zcela jasné, že EMF, které mění směr a velikost, bude indukovat elektrický proud, který změní směr a velikost v uzavřeném vnějším obvodu.

Pokud je tedy například na svorky tohoto nejjednoduššího generátoru připojena žárovka, pak během první poloviny otáčení rámu půjde elektrický proud žárovkou jedním směrem a během druhé poloviny obrátit, v druhém.

Rýže. 4. Křivka změny indukovaného proudu za jednu otáčku rámu

Křivka na Obr. 1 poskytuje představu o povaze aktuální změny, když se rám otočí o 360 °, to znamená v jedné úplné otáčkě. 4. Indukuje se elektrický proud, který se neustále mění ve velikosti a směru střídavý proud.