Nguyên lý hoạt động của máy phát điện

Máy phát điện là máy biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện… Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi một EMF được tạo ra trong một dây dẫn chuyển động trong từ trường và đi qua các lực từ của nó. Do đó, một dây dẫn như vậy có thể được chúng tôi coi là một nguồn năng lượng điện.

Phương pháp thu được EMF cảm ứng, trong đó dây di chuyển trong từ trường, di chuyển lên hoặc xuống, rất bất tiện cho việc sử dụng thực tế. Do đó, trong các máy phát điện, không sử dụng chuyển động thẳng mà chuyển động quay của dây.

Các bộ phận chính của bất kỳ máy phát điện nào là: một hệ thống nam châm, hoặc thường là nam châm điện, tạo ra từ trường và hệ thống dây dẫn đi qua từ trường này.

Chúng ta hãy lấy một sợi dây ở dạng một vòng cong, mà chúng ta sẽ gọi thêm là khung (Hình 1) và đặt nó vào một từ trường được tạo bởi các cực của nam châm. Nếu một khung như vậy được cung cấp một chuyển động quay quanh trục 00, thì các mặt của nó đối diện với các cực sẽ đi qua các đường sức từ và một EMF sẽ được tạo ra trong chúng.

Cơm. 1. Cảm ứng EMF trong dây dẫn hình chuông (khung) quay trong từ trường

Bằng cách kết nối bóng đèn với khung bằng dây mềm, bằng cách này, chúng tôi sẽ đóng mạch và đèn sẽ sáng. Bóng đèn sẽ tiếp tục cháy trong khi khung quay trong từ trường. Một thiết bị như vậy là máy phát điện đơn giản nhất, giúp chuyển đổi năng lượng cơ học dành cho chuyển động quay của khung thành năng lượng điện.

Một máy phát điện đơn giản như vậy có một nhược điểm khá đáng kể. Sau một thời gian ngắn, các sợi dây mềm nối bầu với dàn quay sẽ bị xoắn và đứt. Để tránh sự gián đoạn như vậy trong mạch, các đầu của khung (Hình 2) được gắn vào hai vòng đồng 1 và 2, xoay cùng với khung.

Những vòng này được gọi là vòng trượt. Dòng điện được chuyển hướng từ các vòng trượt ra mạch ngoài (đến bóng đèn) thông qua các tấm đàn hồi 3 và 4 liền kề với các vòng. Những tấm này được gọi là bàn chải.

Cơm. 2. Hướng của EMF cảm ứng (và dòng điện) trong dây A và B của khung quay trong từ trường: 1 và 2 - vòng trượt, 3 và 4 - bàn chải.

Với cách kết nối khung quay với mạch ngoài như vậy sẽ không xảy ra hiện tượng đứt các dây kết nối và máy phát điện sẽ hoạt động bình thường.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét hướng của EMF cảm ứng trong các dây dẫn của khung, hoặc, giống như vậy, hướng của dòng điện cảm ứng trong khung khi mạch ngoài được đóng lại.

Với hướng quay của khung, được hiển thị trong hình. 2, trong dây dẫn bên trái AA, EMF sẽ được tạo ra theo hướng từ chúng ta ra khỏi mặt phẳng của hình vẽ và trong chất nổ bên phải - do mặt phẳng của hình vẽ hướng vào chúng ta.

Vì hai nửa của dây khung được mắc nối tiếp với nhau nên EMF cảm ứng trong chúng sẽ tăng lên và trên chổi 4 sẽ có cực dương của máy phát và cực âm của chổi 3.

Hãy để chúng tôi theo dõi sự thay đổi trong EMF cảm ứng khi khung quay hoàn toàn. Nếu khung theo chiều kim đồng hồ được xoay 90° từ vị trí như trong Hình. 2, thì các nửa dây dẫn của nó tại thời điểm đó sẽ chuyển động dọc theo các đường sức từ và cảm ứng EMF trong chúng sẽ dừng lại.

Việc quay khung thêm 90 ° nữa sẽ dẫn đến thực tế là các dây của khung sẽ lại đi qua các đường sức của từ trường (Hình 3), nhưng dây AA sẽ di chuyển đối với các đường sức không phải từ dưới lên mà từ trên xuống, còn dây BB thì ngược lại, nó sẽ vắt ngang các đường sức, chuyển động từ dưới lên.

Cơm. 3. Làm đổi chiều dòng điện cảm ứng. vân vân. s. (và hiện tại) khi khung được xoay 180 ° so với vị trí được hiển thị trong hình. 2.

Với vị trí mới của khung, chiều của suất điện động cảm ứng trong dây AL và BB sẽ đổi chiều ngược lại. Điều này xuất phát từ thực tế là hướng mà mỗi dây này đi qua các đường sức từ trong trường hợp này đã thay đổi. Do đó, cực của các chổi than máy phát điện cũng sẽ thay đổi: chổi 3 giờ sẽ trở thành dương và chổi 4 trở nên âm.

Xoay khung xa hơn, chúng ta sẽ lại thấy chuyển động của dây AA và BB dọc theo đường sức từ, và trong tương lai - sự lặp lại của tất cả các quá trình từ đầu.

Do đó, trong một lần quay hoàn toàn khung, EMF cảm ứng thay đổi hướng của nó hai lần và giá trị của nó trong cùng thời gian cũng đạt giá trị cao nhất hai lần (khi dây của khung đi qua các cực) và hai lần bằng 0 (trong các thời điểm chuyển động của dây dẫn dọc theo đường sức từ).

Rõ ràng là một EMF thay đổi về hướng và độ lớn sẽ tạo ra một dòng điện thay đổi về hướng và độ lớn trong mạch ngoài kín.

Vì vậy, ví dụ, nếu một bóng đèn được nối với các cực của máy phát điện đơn giản nhất này, thì trong nửa đầu của vòng quay của khung, dòng điện qua bóng đèn sẽ đi theo một hướng và trong nửa sau của lần lượt, trong khác.

Cơm. 4. Đường cong biến thiên của suất điện động cảm ứng trong một vòng quay của khung

Đường cong trong hình. 1 đưa ra ý tưởng về bản chất của sự thay đổi hiện tại khi khung được xoay 360 °, nghĩa là trong một vòng quay hoàn chỉnh. 4. Xuất hiện dòng điện cảm ứng biến đổi liên tục về độ lớn và chiều Dòng điện xoay chiều.