Электричество в нашей жизни: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Отчего это происходит?

Опытным путём установлено, что при прохождении по проводнику электрического тока в окружающем его пространстве начинают действовать магнитные силы, создаётся, как говорят, магнитное поле тока. Магнитные силы этого поля и заставляют подвижную стрелку компаса отклоняться в сторону. Иными словами: магнитное поле тока взаимодействует с магнитным полем, создаваемым постоянным стальным магнитом — стрелкой.

В описанном опыте результат взаимодействия тока и магнита — это движение компасной стрелки — магнита. Но можно заставить двигаться и проводник. Поместим проводник, к которому подключена батарея, между полюсами подковообразного магнита, то-есть в магнитном поле магнита, так, чтобы проводник мог свободно перемещаться (рис. 3). Проводник придёт в движение: в зависимости от направления тока он будет выталкиваться из магнита или втягиваться в него.

Взаимодействие тока с магнитом лежит в основе устройства многочисленных электроизмерительных приборов и различных электромоторов. Исключительная заслуга в теоретическом исследовании и разработке наиболее удобных по конструкции электромоторов переменного тока принадлежит русскому учёному М. О. Доливо-Добровольскому.

Обратимся теперь к явлению, получившему название электромагнитной индукции. Будем перемещать в магнитном поле магнита проводник, к которому присоединён гальванометр — прибор, указывающий наличие тока. Отклонение стрелки гальванометра покажет нам, что когда проводник пересекает магнитное поле, в проводнике возникает ток — так называемый ток индукции. Ток прекращается, как только мы перестаём перемещать проводник.

Выше мы говорили о том, что в магнитном поле проводник, по которому течёт ток, приходит в движение. При этом электрическая энергия тока переходит в энергию механического движения проводника.

В случае возникновения тока индукции наблюдается как раз обратное явление. Мы перемещаем в магнитном поле проводник, и в результате в проводнике возникает ток. Механическая энергия движения проводника переходит при этом в энергию тока.

Следует отметить, что индукционный ток возникает также и в покоящемся замкнутом проводнике, если в пространстве, которое ограничивает проводник, создать меняющееся — усиливающееся или ослабевающее магнитное поле, например, путём вращения магнита вокруг неподвижного проводника.

На законах электромагнитной индукции основано устройство машин, вырабатывающих электроэнергию, — генераторов электрического тока.

Важнейший вклад в разработку законов электромагнитной индукции сделан русским физиком Э. X. Ленцем.

4. КАК УСТРОЕНЫ ГЕНЕРАТОРЫ И МОТОРЫ

На рисунке 4 изображена проволочная рамка, укреплённая на изолированной оси между полюсами магнитов, то-есть в магнитном поле. Начнём вращать рамку. При своём движении она будет пересекать магнитное поле. Благодаря этому в ней возникнет электрический ток, который через укреплённые на оси кольца и прижатые к ним пластинки — «щётки» можно подвести к лампочке.

Устанавливаемые на электростанциях мощные генераторы электрического тока (рис. 5) построены в общем на этом принципе. В их устройстве, однако, имеется ряд особенностей. Так проволочная обмотка, в которой наводится («индуктируется») ток, расположена на неподвижной части генератора — статоре. Магнитное поле создаётся не постоянными стальными магнитами, а электромагнитами — проволочными обмотками, в которые ток подаётся от отдельного источника. Эти, служащие магнитом обмотки, навиты на роторе — вращающейся части генератора, укреплённом на оси внутри статора. Зазор между ротором и статором измеряется несколькими миллиметрами. Ток, поступающий от отдельного источника в обмотки ротора, создаёт в этом зазоре сильное магнитное поле. При вращении ротора магнитное поле вращается вместе с ним и пересекает обмотки статора, в которых и наводится ток. Вращение ротора производит турбина, расположенная на общем валу с ротором генератора. На тепловых электростанциях применяются турбины, вращаемые энергией пара, — это паровые турбины. На гидроэлектростанциях турбины приводятся во вращение силой падающей воды — это гидротурбины.

От статоров генераторов электрический ток отводят на так называемые «сборные шины». От этих шин ток распределяется местным, близрасположенным потребителям или передаётся по линиям электропередачи на дальнее расстояние.

Обратимся снова к рисунку 4. За один оборот стóроны проволочной рамки попеременно будут находиться то под северным, то под южным полюсами магнита. По этой причине в течение одного оборота рамки ток в ней будет дважды изменять своё направление. Это и есть переменный ток, или ток переменного направления.

Для работы приборов, в которых электрическая энергия преобразуется в тепловую, — лампочек накаливания, плиток и других нагревательных приборов — не имеет значения, питаются ли они электрическим током постоянного или переменного направления. Имеются электрические моторы, которые также питаются переменным электрическим током. Но применение переменного электрического тока невозможно для химических производств и довольно сложно для электрической тяги — трамваев, троллейбусов, метро, электрических поездов. Постоянный ток нужен для получения из растворов химических веществ. Моторы постоянного тока позволяют точнее регулировать скорость вращения валов, следовательно, регулировать скорость движения тяговых устройств. Поэтому крайне необходимы и машины постоянного тока.

Чтобы понять устройство машин постоянного тока (динамо), обратимся к рисунку 6. Мы видим ту же проволочную рамку, вращающуюся между полюсами магнита. Отличие — в креплении концов рамки. Раньше концы рамки припаивались каждый к своему отдельному кольцу. Теперь концы рамки присоединены к половинкам одного, но разрезанного пополам кольца. Когда верхняя часть рамки окажется внизу, она будет своим полукольцом касаться уже нижней щётки. Понятно, что через эту щётку пойдёт ток прежнего направления. Точно так же будет сохранено направление тока и в верхней щётке, когда её достигнет часть рамки, бывшая прежде внизу. Благодаря такому устройству каждая из присоединённых к полукольцам щёток всё время сохраняет свою полярность, и ток во внешней цепи не изменяет своего направления, то-есть остаётся постоянным.

Устройство машин постоянного тока (рис. 7) соответствует схеме на рисунке 6.

Источники постоянного тока (динамо) и электродвигатели (моторы) постоянного тока устроены совершенно одинаково.

Внутренней вращающейся частью (ротором) является «якорь» — барабан, на котором закреплён целый ряд проволочных рамок. Концы рамок присоединены к своим отрезкам кольца, образующим пластинчатый коллектор, по которому скользят щётки. «Якорь» вращается внутри статора, который представляет собой станину с несколькими парами полюсных наконечников. На эти наконечники надевается обмотка возбуждения для создания магнитного поля (постоянные магниты применяют очень редко).

Из того факта, что «моторы» и «динамо» постоянного тока имеют одинаковое устройство, можно сделать вывод, что одна и та же машина может быть и источником тока, и его потребителем. В самом деле, если вращать якорь машины от турбины, то в его обмотке будет наводиться ток. Это будет динамо. Если же в якорь подать ток от другого источника, то он благодаря взаимодействию с магнитным полем обмотки возбуждения будет сам вращаться. Получится электромотор.

Это и называется «обратимостью электрических машин». Замечательное свойство обратимости электрических машин открыли более ста лет назад русские академики и выдающиеся учёные — электротехники Б. С. Якоби и Э. X. Ленц. Огромный вклад в создание электрических машин внесли также русские учёные П. Н. Яблочков. А. Г. Столетов и другие.

5. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ

При передаче тока по проводам в них выделяется тепло — тем больше, чем больше сопротивление проводов. Эти вредные тепловые потери быстро возрастают с увеличением силы передаваемого тока. Необходимо свести их до минимума — иначе слишком много энергии потеряется «при транспортировке». К снижению потерь в проводах ведут два пути: 1) уменьшение сопротивления проводов; 2) уменьшение силы передаваемого тока.

Уменьшение сопротивления проводов возможно лишь в ограниченных пределах. Если идти только этим путём, то достаточно экономическая передача электроэнергии из Шатуры в Москву потребовала бы очень толстых «проводов» — сечением в несколько десятков квадратных метров, что совершенно неприемлемо.