Когда механизм соединяется с источником питания, на обмотке возникает магнитное поле, которое и вращает ротор в статоре. Это происходит по закону Ампера. Ведь создается отталкивающая сила, способная вращать вал и приводить в движение другие детали. Частота оборотов ротора напрямую зависит от частоты приходящего на витки электричества, а также от количества пар магнитных полюсов. Кстати, название данной разновидности пошло от того факта, что скорость вращения ротора различалась с частотой оборотов магнитного поля, то есть эти показатели были асинхронными.

Синхронные же двигатели немного отличаются строением ротора. В таком типе электродвигателей, ротор играет роль магнита, который и создает поле для вращения. Здесь магнитное поле статора и сам ротор вращаются с одинаковой частотой. Но есть один, очень значимый минус. Чтобы запустить синхронный электродвигатель, нужно воспользоваться помощью асинхронного. Ведь после простого подключения механизма к сети, ничего не произойдет.

К этому недостатку можно прибавить низкую скорость оборотов. К примеру, если взять асинхронный и синхронный двигатели и подключить их к источнику электричества одинакового напряжения, то первый тип будет вращаться заметно быстрее второго.

Они имеют множество неоспоримых преимуществ и особенностей, что делают механизм уникальным и незаменимым. В современном мире данный тип двигателя широко используется практически во всех сферах жизнедеятельности человека. Приобрести электродвигатели можно в каталоге электродвигателей аир.

Применение электрических двигателей начинается от небольших игрушек, и заканчивается большими предприятиями и народными хозяйствами. С помощью этого механизма стало возможно поднимать и передвигать огромные предметы.

Если коротко резюмировать данную статью, то хочется еще раз подчеркнуть значимость таких двигателей в жизни человека. Без них, многие сферы просто не смогли бы нормально функционировать и развиваться. Поэтому нужно тщательно подходить к выбору электродвигателя, ведь его поломка чревата остановкой производства или другого важного процесса, что повлечет за собой материальные и нематериальные убытки. Быстро подобрать необходимый мотор помогут наши специалисты.

Двигатели и передача механической энергии (к параграфу 14)

Двигатель – одна из самых важных автомобильных систем.

Двигатель является источником механической энергии, необходимой для движения автомобиля.

Для того, чтобы получить механическую энергию, в двигателе автомобиля преобразуется другой вид энергии (энергия сгорания топлива, электрическая энергия и др.). Источник энергии при этом должен находиться непосредственно на автомобиле и периодически пополняться.

Передача механической энергии от двигателя на ведущие колеса осуществляется через трансмиссию. Силовая установка – это конструктивное объединение двигателя и трансмиссии носит устоявшееся название.

В зависимости от вида преобразуемой энергии различают следующие основные виды автомобильных двигателей:

• двигатели внутреннего сгорания (ДВС)
• электродвигатели
• комбинированные двигатели, т.н. гибридные силовые установки

Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую работу. Известными типами ДВС являются:

• поршневой двигатель
• роторно-поршневой двигатель
• газотурбинный двигатель

Наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве источника энергии жидкое топливо (бензин, дизельное топливо) или природный газ.

Автомобиль, использующий в качестве двигателя электродвигатель, называется электромобилем. Для работы электродвигателя требуется электрическая энергия, источником которой могут быть аккумуляторные батареи или топливные элементы. Основным недостатком электромобилей, ограничивающим их широкое применение, является небольшая емкость источника электрической энергии и соответственно низкий запас хода.

Гибридная силовая установка объединяет двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, связь которых осуществляется через генератор. Передача энергии на ведущие колеса в гибридном автомобиле может производиться последовательно (ДВС – генератор – электродвигатель – колесо) или параллельно (ДВС – трансмиссия – колесо и ДВС – генератор – электродвигатель – колесо). Предпочтительной является параллельная компоновка гибридной силовой установки.

Электродвигатели и генераторы: преобразование электрической и механической энергии — Видео и стенограмма урока

Электромагнетизм

И двигатели, и генераторы работают из-за того, что называется электромагнитной индукцией . Обнаружил Майкл Фарадей, это когда напряжение индуцируется изменяющимся магнитным полем. С помощью электромагнитной индукции электрический ток может создаваться в катушке с проволокой, перемещая магнит внутрь или из этой катушки или перемещая катушку через магнитное поле.В любом случае напряжение создается движением.

Величина индуцированного напряжения зависит от количества витков в катушке с проволокой, а также от скорости, с которой магнит перемещается через катушку. Чем больше катушек, тем больше индуцируется напряжение. Точно так же, чем быстрее магнит перемещается через катушку, тем большее напряжение вы получаете.

При чем здесь двигатели и генераторы? Итак, генератор вырабатывает электричество, вращая катушку в постоянном магнитном поле, а в двигателе через катушку пропускается ток, который заставляет его вращаться.В обоих случаях применяется закон электромагнитной индукции Фарадея, позволяющий производить электричество в своем доме, а затем использовать его для пылесоса пола, мытья посуды в посудомоечной машине, сохранения свежих продуктов в холодильнике и многого другого.

Помните, раньше мы говорили, что двигатель и генератор — одно и то же устройство, но дают противоположные результаты? Здесь мы имеем в виду, что поток электричества обратный, а не то, что сама машина работает в обратном направлении. Итак, вы не можете просто взять генератор и превратить его в двигатель, «поменяв местами» компоненты машины.Точно так же с электродвигателем вы не можете просто щелкнуть выключателем, который заставляет компоненты работать в обратном направлении для выработки электричества. Вместо этого вам нужно изменить направление потока электричества: внутрь для двигателя и наружу для генератора.

Переменный и постоянный ток

Вы когда-нибудь слышали о переменном и постоянном токе? Мы не говорим об австралийской рок-группе — это ведь урок физики! Когда мы говорим о AC и DC для двигателей и генераторов, мы говорим о переменном токе и постоянном токе.Как следует из названия, переменный ток меняет направление при прохождении через цепь. Напротив, постоянный ток не меняет направления, когда он течет по цепи.

Двигатели и генераторы обычно бывают переменного или постоянного тока. Тип тока, используемого в устройстве, зависит от того, что вас больше волнует: эффективность или стоимость. Например, двигатели и генераторы переменного тока более эффективны, но и стоят дороже. Большая часть используемой вами электроники, такой как ваш мобильный телефон и планшет, полагается на питание переменного тока из-за его эффективности.В большинстве гибридных и электрических автомобилей также используется переменный ток.

Вы, наверное, слышали и о Томасе Эдисоне, и о Николе Тесла, но знаете ли вы, что они были вовлечены в долгую ожесточенную битву из-за этих двух типов течения? Вы не поверите, но такая простая вещь, как токи переменного и постоянного тока, долгое время вызывала широкие споры и конфликты!

В то время как Эдисон был ярым сторонником постоянного тока, Тесла поддерживал использование переменного тока. Оба были сильными и решительными личностями, и конфликт между ними привел к крупным ставкам, клеветническим кампаниям и натянутым отношениям между двумя мужчинами.В конце концов, поскольку AC лучше подходит для посылки большого количества энергии на большие расстояния, он победил в этой «текущей битве». Сегодня в результате ваш дом, офис и большинство других зданий подключены к сети переменного тока.

Краткое содержание урока

Хотя вы могли бы назвать их одним и тем же устройством, генератор и электродвигатель на самом деле больше похожи на две стороны одной медали. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую, а двигатель наоборот — преобразует электрическую энергию в механическую.Оба устройства работают из-за электромагнитной индукции , когда напряжение индуцируется изменяющимся магнитным полем.

Двигатели и генераторы обычно либо AC , либо DC , то есть они работают на переменном или постоянном токе. Как следует из их названий, переменный ток меняет направление при протекании, в то время как постоянный ток не меняет направление при движении по цепи.

Большинство устройств, с которыми вы знакомы, используют переменный ток, потому что он намного более эффективен, чем постоянный ток.Гибридные и электрические автомобили, ваш дом, ваш мобильный телефон и даже ваш офис подключены к сети переменного тока. Но даже несмотря на то, что они используют один и тот же ток, важно помнить, что вы не можете «переключить» двигатель на генератор или генератор на двигатель. Обратный ход — это поток электричества, а не деятельность самой машины.

Результаты обучения

После того, как вы закончите этот урок, вы должны иметь возможность:

• Объяснять, что генераторы и электродвигатели похожи на две стороны одной медали
• Опишите, как работают генераторы и двигатели из-за электромагнитной индукции
• Различия между переменным и постоянным током, плюсы и минусы каждого

| HowStuffWorks

Как мы уже говорили, генератор преобразует механическую энергию в электричество.Двигатель работает по тем же принципам, но в противоположном направлении — он преобразует электрическую энергию в механическую. Для этого двигателю нужен особый магнит, известный как электромагнит . В простейшей форме это железный стержень, обернутый катушкой из проволоки. Если пропустить через провод электрический ток, в железном стержне образуется магнитное поле, и он становится магнитом с определенными северным и южным полюсами. Выключите ток, и магнитные свойства исчезнут.

Сами по себе электромагниты полезные вещи. Вы можете использовать их, чтобы поднимать металлические предметы, переносить их куда-нибудь, а затем бросать их, просто выключив питание. Например, кровельщики используют их, чтобы подбирать гвозди, случайно упавшие во двор домовладельца. А на ремонтных площадках есть краны со встроенными электромагнитами, достаточно сильными, чтобы поднимать и перемещать целые автомобили.

Электромагниты особенно полезны, когда они размещены на оси между двумя неподвижными магнитами.Если южный полюс электромагнита расположен напротив южного полюса одного неподвижного магнита, а его северный полюс — напротив северного полюса другого неподвижного магнита, электромагнит будет вращаться, пока противоположные полюсы не выровняются. Это было бы не очень полезно, за исключением того, что полярность электромагнитов зависит от направления тока. Пропустите электрический ток в одном направлении, и северный полюс магнита окажется с одной стороны; измените направление тока, и северный полюс окажется на противоположной стороне.В двигателях устройство, известное как коммутатор , меняет направление потока электрического тока на обратное. Поскольку полюса электромагнита вращаются вперед и назад, магнит может вращаться без перерыва. Это, конечно, краткое объяснение, поэтому вы можете прочитать «Как работают электрические двигатели», чтобы узнать все подробности.

Оказывается, механическая энергия, создаваемая электродвигателем, может найти хорошее применение в самых разных машинах. Многие инструменты в вашем гараже, бытовая техника в вашем доме и игрушки, с которыми играют дети, полагаются на моторы.Некоторым из этих двигателей для работы требуется большой ток. Другим, например, небольшим двигателям постоянного тока, используемым в роботах и ​​моделях, для эффективной работы требуется очень небольшое напряжение или ток. Мы продолжим наш разговор о напряжении и токе в следующем разделе.

20.2 Двигатели, генераторы и трансформаторы — физика

Электродвигатели, генераторы и трансформаторы

Как мы узнали ранее, на провод с током в магнитном поле действует сила — вспомним, F = IℓBsinθF = IℓBsinθ.Электродвигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, являются наиболее распространенным приложением магнитной силы к токоведущим проводам. Двигатели состоят из витков провода в магнитном поле. Когда ток проходит через петли, магнитное поле оказывает на петли крутящий момент, который вращает вал. При этом электрическая энергия преобразуется в механическую работу. На рисунке 20.23 показан схематический чертеж электродвигателя.

Рисунок 20.23 Крутящий момент в токовой петле.Вертикальная петля из проволоки в горизонтальном магнитном поле прикреплена к вертикальному валу. Когда ток проходит через проволочную петлю, на нее действует крутящий момент, заставляющий вращать вал.

Давайте исследуем силу на каждом сегменте контура на рисунке 20.23, чтобы найти крутящие моменты, возникающие вокруг оси вертикального вала — это приведет к полезному уравнению для крутящего момента на контуре. Мы предполагаем, что магнитное поле однородно по прямоугольной петле, которая имеет ширину w и высоту, ℓ, как показано на рисунке.Сначала рассмотрим силу, действующую на верхний сегмент петли. Чтобы определить направление силы, мы используем правило правой руки. Ток идет на страницу слева направо, а магнитное поле идет слева направо в плоскости страницы. Согните пальцы правой руки от вектора тока к вектору магнитного поля, а большой палец правой руки направлен вниз. Таким образом, сила на верхнем сегменте направлена ​​вниз, что не создает крутящего момента на валу. Повторение этого анализа для нижнего сегмента — пренебрегая небольшим зазором, в котором выходят подводящие провода — показывает, что сила на нижнем сегменте направлена ​​вверх, снова не создавая крутящего момента на валу.

Теперь рассмотрим левый вертикальный сегмент петли. Снова используя правило правой руки, мы обнаруживаем, что сила, действующая на этот сегмент, перпендикулярна магнитному полю, как показано на рисунке 20.23. Эта сила создает крутящий момент на валу. Повторение этого анализа на правом вертикальном сегменте петли показывает, что сила на этом сегменте направлена ​​в направлении, противоположном направлению силы на левом сегменте, тем самым создавая равный крутящий момент на валу. Таким образом, общий крутящий момент на валу вдвое превышает крутящий момент на одном из вертикальных сегментов петли.

Чтобы определить величину крутящего момента при вращении проволочной петли, рассмотрите рисунок 20.24, на котором показан вид проволочной петли сверху. Напомним, что крутящий момент определяется как τ = rFsinθ, τ = rFsinθ, где F — приложенная сила, r — расстояние от оси до места приложения силы, а θ — угол между r и F . Обратите внимание, что при вращении петли ток в вертикальных сегментах петли всегда перпендикулярен магнитному полю.Таким образом, уравнение F = IℓBsinθF = IℓBsinθ дает величину силы на каждом вертикальном сегменте как F = IℓB.F = IℓB. Расстояние × от вала до места приложения этой силы составляет × /2, поэтому крутящий момент, создаваемый этой силой, равен

20,10

Поскольку имеется два вертикальных сегмента, общий крутящий момент в два раза больше, или

20,11

Если у нас есть многократный контур с Н и витками, мы получим Н, в раз больше крутящего момента одиночного контура.Используя тот факт, что площадь петли равна A = wℓ; A = wℓ; выражение для крутящего момента становится

20.12

Это крутящий момент на токоведущей петле в однородном магнитном поле. Можно показать, что это уравнение справедливо для петли любой формы.

Из уравнения τ = NIABsinθ, τ = NIABsinθ, мы видим, что крутящий момент равен нулю, когда θ = 0.θ = 0. Когда проволочная петля вращается, крутящий момент увеличивается до максимального положительного крутящего момента wℓBwℓB, когда θ = 90 ° .θ = 90 °. Затем крутящий момент уменьшается до нуля, когда проволочная петля поворачивается на θ = 180 ° .θ = 180 °.От θ = 180 ° θ = 180 ° до θ = 360 °, θ = 360 ° крутящий момент отрицательный. Таким образом, крутящий момент меняет знак каждые пол-оборота, поэтому проволочная петля будет колебаться вперед и назад.

Чтобы катушка продолжала вращаться в том же направлении, ток меняется на противоположный, когда катушка проходит через θ = 0 и θ = 180 ° θ = 0 и θ = 180 ° с использованием автоматических переключателей, называемых щетками , как показано на рисунке 20.25.

А теперь подумайте, что произойдет, если запустить двигатель в обратном направлении; то есть мы прикрепляем ручку к валу и механически заставляем катушку вращаться в магнитном поле, как показано на рисунке 20.26. Согласно уравнению F = qvBsinθF = qvBsinθ — где θθ — угол между векторами v → v → и B → -chargesB → — заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, потому что они движутся в магнитном поле.Снова используя правило правой руки, когда мы сгибаем пальцы от вектора v → v → к вектору B → B →, мы обнаруживаем, что заряды в верхнем и нижнем сегментах ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. . Однако заряды в вертикальных проводах испытывают силы, параллельные проводу, заставляя ток течь через провод и через внешнюю цепь, если она подключена. Такое устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую, называется генератором.

Рисунок 20.26 Когда эта катушка вращается на одну четверть оборота, магнитный поток Φ изменяется от максимального до нуля, вызывая ЭДС, которая пропускает ток через внешнюю цепь.

Поскольку ток индуцируется только в боковых проводах, мы можем определить наведенную ЭДС, рассматривая только эти провода. Как объясняется в разделе «Наведенный ток в проводе», ЭДС движения в прямом проводе, движущемся со скоростью v через магнитное поле B , равна E = Bℓv, E = Bℓv, где скорость перпендикулярна магнитному полю.В генераторе скорость составляет угол θθ с B (см. Рисунок 20.27), поэтому составляющая скорости, перпендикулярная B , равна vsinθ.vsinθ. Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная на каждом вертикальном отрезке провода, равна E = Bℓvsinθ, E = Bℓvsinθ, и они направлены в одном направлении. Общая ЭДС вокруг контура тогда составляет

20,13

Хотя это выражение действительно, оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы узнать, как ЭДС изменяется во времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью ω.ω. Угол θθ связан с угловой скоростью соотношением θ = ωt, θ = ωt, так что

20,14

Напомним, что тангенциальная скорость v связана с угловой скоростью ωω соотношением v = rω.v = rω. Здесь r = w / 2r = w / 2, так что v = (w / 2) ωv = (w / 2) ω и

20,15

Заметив, что площадь петли A = ℓwA = ℓw и учитывая N витков, мы находим, что

20.16

— ЭДС, индуцированная в катушке генератора из N витков и площади A, , вращающейся с постоянной угловой скоростью ωω в однородном магнитном поле B . Это также можно выразить как

20,17

где

— максимальная (пиковая) ЭДС.

На рисунке 20.28 показан генератор, подключенный к лампочке, и график зависимости ЭДС от времени. Обратите внимание, что ЭДС колеблется от положительного максимума E0E0 до отрицательного максимума −E0. − E0. Между тем, ЭДС проходит через ноль, что означает, что в это время через лампочку протекает нулевой ток. Таким образом, лампочка на самом деле мигает с частотой 2 f , потому что за период происходит два перехода через ноль. Поскольку такой переменный ток используется в домах по всему миру, почему мы не замечаем мерцания света? В Соединенных Штатах частота переменного тока составляет 60 Гц, поэтому свет мигает с частотой 120 Гц.Это быстрее, чем частота обновления человеческого глаза, поэтому вы не заметите мерцания огней. Кроме того, другие факторы препятствуют такому быстрому включению и выключению различных типов лампочек, поэтому светоотдача немного сглаживается .

Виртуальная физика

Генератор

Используйте это моделирование, чтобы узнать, как работает электрический генератор. Управляйте подачей воды, которая заставляет водяное колесо вращать магнит. Это вызывает ЭДС в ближайшей катушке провода, которая используется для зажигания лампочки. Вы также можете заменить лампочку вольтметром, который позволяет увидеть полярность напряжения, которая меняется с положительной на отрицательную.

Проверка захвата

Установите количество проволочных петель равным трем, силу стержневого магнита примерно на 50 процентов и площадь петли на 100 процентов.Обратите внимание на максимальное напряжение на вольтметре. Предполагая, что одно из основных делений вольтметра составляет 5 В, каково максимальное напряжение при использовании только однопроводной петли вместо трехпроводной петли?

1. 5 В
2. 15 В
3. 125 В
4. 53 В

В реальной жизни электрические генераторы выглядят совсем иначе, чем на рисунках в этом разделе, но принципы те же. Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода — гидроэнергия — пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра.Рисунок 20.29 показывает паровую турбину в разрезе; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.

Рисунок 20.29 Паротурбинный генератор. Пар, образующийся при сжигании угля, ударяет по лопаткам турбины, вращая вал, соединенный с генератором. (Источник: Nabonaco, Wikimedia Commons)

Еще одно очень полезное и распространенное устройство, использующее магнитную индукцию, называется трансформатором. Трансформаторы делают то, что подразумевает их название — они преобразуют напряжение из одного значения в другое; термин напряжение используется, а не ЭДС, потому что трансформаторы имеют внутреннее сопротивление.Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие приборы имеют встроенный в подключаемый модуль трансформатор, который преобразует 120 В или 240 В переменного тока в любое напряжение, используемое устройством. На рисунке 20.30 показаны два разных трансформатора. Обратите внимание на катушки проводов, которые видны на каждом устройстве. Назначение этих катушек поясняется ниже.

Рисунок 20.30 Слева — обычный трансформатор с многослойным сердечником, который широко используется в передаче электроэнергии и в электрических приборах.Справа — тороидальный трансформатор, который меньше трансформатора с многослойным сердечником для той же мощности, но более дорогой в изготовлении из-за оборудования, необходимого для наматывания проводов в форме пончика.

На рисунке 20.31 показан трансформатор с многослойной обмоткой, который основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на устройство Фарадея, которое использовалось для демонстрации того, что магнитные поля могут генерировать электрические токи. Две катушки с проволокой называются первичной и вторичной катушками.При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную катушку, а вторичная обмотка создает преобразованное выходное напряжение. Железный сердечник не только улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, но также его намагниченность увеличивает напряженность поля, что аналогично тому, как диэлектрик увеличивает напряженность электрического поля в конденсаторе. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток проходит через вторичную катушку, вызывая выходное напряжение переменного тока.

Рисунок 20.31 Типичная конструкция простого трансформатора имеет две катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник. Магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, в основном ограничивается и увеличивается сердечником, который передает его на вторичную катушку. Любое изменение тока в первичной катушке вызывает ток во вторичной катушке.

Ссылки на физику

Магнитная веревочная память

Чтобы отправить людей на Луну, программе Apollo нужно было спроектировать бортовую компьютерную систему, которая была бы прочной, потребляла мало энергии и была достаточно маленькой, чтобы поместиться на борту космического корабля.В 1960-х годах, когда была запущена программа Apollo, целые здания регулярно выделялись для размещения компьютеров, вычислительная мощность которых была бы легко превзойдена самыми простыми современными портативными калькуляторами.

Чтобы решить эту проблему, инженеры Массачусетского технологического института и крупного оборонного подрядчика обратились к памяти с магнитным тросом , которая была ответвлением аналогичной технологии, использовавшейся до того времени для создания запоминающих устройств с произвольным доступом. В отличие от памяти с произвольным доступом, память с магнитным тросом была постоянным запоминающим устройством, которое содержало не только данные, но и инструкции.Таким образом, на самом деле это было больше, чем память: это была компьютерная программа, зашитая зашитой.

Компонентами магнитной веревочной памяти были проволока и железные кольца, которые назывались сердечником . Железные сердечники служили трансформаторами, как показано на предыдущем рисунке. Однако вместо того, чтобы наматывать провода несколько раз вокруг сердечника, отдельные провода проходили через сердечники только один раз, создавая эти одновитковые трансформаторы. До 63 проводов слово может проходить через одну жилу вместе с одним проводом бит .Если словарный провод проходит через данный сердечник, импульс напряжения на этом проводе вызывает в разрядном проводе ЭДС, которая интерпретируется как , . Если бы провод слова не проходил через сердечник, на разрядном проводе не наведалась бы ЭДС, что было бы интерпретировано как ноль .

Инженеры будут создавать программы, которые будут жестко встраиваться в эти запоминающие устройства магнитного троса. Процесс подключения мог занять до месяца, так как рабочие кропотливо протягивали провода через одни жилы и вокруг других.Если были допущены какие-либо ошибки в программировании или подключении, отладка была бы чрезвычайно трудной, если не невозможной.

Эти модули неплохо справились со своей задачей. Им приписывают исправление ошибки астронавта в процедуре посадки на Луну, что позволило «Аполлону-11» приземлиться на Луну. Сомнительно, чтобы Майкл Фарадей когда-либо мог представить себе такое применение магнитной индукции, когда открыл ее.

Проверка захвата

Если бы разрядный провод был дважды обмотан вокруг каждой жилы, как это повлияло бы на напряжение, индуцированное в разрядном проводе?

1. Если количество витков вокруг провода удвоено, ЭДС уменьшается вдвое.
2. Если количество витков вокруг провода удвоится, ЭДС не изменится.
3. Если количество витков вокруг провода удваивается, то удваивается и ЭДС.
4. Если количество витков вокруг провода удвоится, ЭДС в четыре раза больше начального значения.

Для трансформатора, показанного на рисунке 20.31, выходное напряжение VSVS от вторичной обмотки почти полностью зависит от входного напряжения VPVP на первичной обмотке и количества петель в первичной и вторичной обмотках.Закон индукции Фарадея для вторичной обмотки дает наведенное выходное напряжение VSVS равным

20,19

где NSNS — количество витков во вторичной катушке, а ΔΦ / ΔtΔΦ / Δt — скорость изменения магнитного потока. Выходное напряжение равно индуцированной ЭДС (VS = ES), (VS = ES) при небольшом сопротивлении катушки — разумное предположение для трансформаторов. Площадь поперечного сечения катушек одинакова с каждой стороны, как и напряженность магнитного поля, поэтому ΔΦ / ΔtΔΦ / Δt одинаковы с каждой стороны.Входное первичное напряжение VPVP также связано с изменением магнитного потока на

20,20

Из соотношения этих двух последних уравнений получаем полезное соотношение

20,21

Это известно как уравнение трансформатора. Он просто утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному напряжению в трансформаторе равно отношению количества петель во вторичной катушке к количеству петель в первичной катушке.

Передача электроэнергии

широко используются в электроэнергетике для повышения напряжения — так называемые повышающие трансформаторы — перед передачей на большие расстояния по высоковольтным проводам. Они также используются для снижения напряжения — так называемые понижающие трансформаторы — для подачи энергии в дома и на предприятия. Подавляющая часть электроэнергии вырабатывается с помощью магнитной индукции, когда катушка из проволоки или медный диск вращается в магнитном поле.Первичная энергия, необходимая для вращения катушек или диска, может быть получена различными способами. Гидроэлектростанции используют кинетическую энергию воды для привода электрогенераторов. Угольные или атомные электростанции создают пар для привода паровых турбин, вращающих змеевики. Другие источники первичной энергии включают ветер, приливы или волны на воде.

После выработки энергии ее необходимо передать потребителю, что часто означает передачу мощности на сотни километров. Для этого напряжение силовой установки повышается повышающим трансформатором, который повышается, и ток уменьшается пропорционально, потому что

20.22

Более низкий ток ItransmittedItransmitted в передающих проводах снижает потери Джоулей , которые представляют собой нагрев провода из-за протекания тока. Этот нагрев вызван небольшим, но ненулевым сопротивлением RwireRwire проводов передачи. Потери энергии в окружающую среду из-за этого тепла составляют

20,23

, который пропорционален текущему в квадрате в проводе передачи.Вот почему передаваемый ток ItransmittedItransmitted должен быть как можно меньше, и, следовательно, напряжение должно быть большим для передачи мощности Ptransmitted⋅Ptransmitted⋅

Для передачи мощности на большие расстояния используются напряжения от 120 до 700 кВ. Напряжение повышается на выходе из электростанции повышающим трансформатором, как показано на рисунке 20.32.

Рисунок 20.32 Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии.Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжениях от 120 до 700 кВ для ограничения потерь энергии. Местное распределение электроэнергии по районам или предприятиям осуществляется через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния с напряжением от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для безопасности на месте отдельного пользователя.

После подачи электроэнергии в населенный пункт или промышленный центр напряжение на подстанции понижается до 5–30 кВ.Наконец, в частных домах или на предприятиях мощность снова понижается до 120, 240 или 480 В. Каждое повышающее и понижающее преобразование выполняется с помощью трансформатора, разработанного на основе закона индукции Фарадея. Мы прошли долгий путь с тех пор, как королева Елизавета спросила Фарадея, как можно использовать электричество.

Завод Инжиниринг | Отличия электродвигателей от генераторов

Когда-то было экспериментальной новинкой, но сейчас электричество стало неотъемлемой частью современной жизни.Электричество обеспечивает освещение, климат-контроль, развлечения и многое другое. Чтобы обеспечить электроэнергией, энергия преобразуется из других форм в электричество, приводя в действие системы и устройства, которые люди обычно принимают как должное.

Преобразование энергии из одной формы в другую — ключ к пониманию различий между электродвигателями и генераторами. Электродвигатель преобразует электричество в механическую энергию, обеспечивая источник энергии для машин. Генератор делает обратное, преобразовывая механическую энергию в электричество.

Несмотря на это существенное различие в функциях, электродвигатели и электрогенераторы тесно связаны своими основными механизмами и основной структурой. Оба опираются на важный закон физики: закон электромагнитной индукции Фарадея.

Закон электромагнитной индукции Фарадея: Электричество и магнетизм

Сегодня хорошо известно, что электричество и магнетизм — это два проявления одной фундаментальной силы, называемой электромагнетизмом.Считается, что электромагнитная сила, занимающая центральное место во вселенной, в том виде, в котором мы ее знаем, существовала в ее нынешней форме где-то между 10 ¹² и 10 ⁶ секунд после Большого взрыва.

В 1831 году физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, обнаружив тесную связь между наблюдаемыми явлениями магнетизма и электричества. Интересно, что в 1832 году другой исследователь, Джозеф Генри, открыл его независимо. Фарадей был первым, кто опубликовал свои открытия, и по сей день ему приписывают это открытие.Позже Джеймс Клерк Максвелл обнаружит способ математически сформулировать открытия Фарадея, что приведет к разработке уравнения Максвелла-Фарадея.

Закон индукции Фарадея — это закон физики, разработанный для точного прогнозирования и измерения того, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС). ЭМП преобразуют другие формы энергии, например механическую, в электрическую. Этот закон физики позволяет нам создавать как электродвигатели, так и электрические генераторы.Хотя эти два типа машин выполняют противоположные функции, они оба основываются на одних и тех же основных законах физики.

Электрогенераторы: преобразование механической энергии в электрическую

Согласно закону индукции Фарадея, всякий раз, когда происходит изменение магнитного поля в проводнике, таком как проволочная катушка, электроны вынуждены двигаться перпендикулярно этому магнитному полю. Это создает электродвижущую силу, которая создает поток электронов в одном направлении.Это явление можно использовать для выработки электричества в электрогенераторе.

Чтобы создать этот магнитный поток, магниты и проводник перемещаются относительно друг друга. Провода скручены в тугие катушки, что увеличивает количество проводов и результирующую электродвижущую силу. Непрерывное вращение катушки или магнита при удерживании другого на месте приводит к постоянному изменению магнитного потока. Вращающийся компонент называется «ротор», а неподвижный компонент — «статором».«

Электрические генераторы делятся на две большие категории: «динамо-машины», вырабатывающие постоянный ток, и «генераторы переменного тока», вырабатывающие переменный ток.

Динамо-машина была первой формой электрического генератора, которая использовалась в промышленности. Во время промышленной революции его изобрели независимо несколько человек. В электрическом динамо-машине используются вращающиеся катушки из проволоки и магнитные поля для преобразования механической энергии в постоянный ток (DC). Исторически динамо-машины использовались для выработки электроэнергии, часто с использованием пара в качестве источника необходимой механической энергии.

Сегодня электрическое динамо-машина находит мало применения, кроме нескольких маломощных приложений. Генераторы гораздо более распространены для производства электроэнергии. Этот тип генератора преобразует механическую энергию в переменный ток. Вращающийся магнит служит ротором, вращаясь внутри набора проводящих катушек на железном сердечнике, который служит статором. Когда магнитное поле вращается, оно генерирует переменное напряжение в статоре. Магнитное поле может создаваться либо постоянными магнитами, либо электромагнитом катушки возбуждения.

Генератор переменного тока в автомобиле, а также центральные электростанции, обеспечивающие электричеством в сеть, являются электрогенераторами.

Электродвигатели: от электрической энергии к механической

Электродвигатель работает противоположно электрическому генератору. Вместо того, чтобы превращать механическую энергию в электричество, электродвигатель принимает электричество и преобразует его в механическую энергию. Электродвигатели можно найти в самых разных сферах применения — от промышленного производственного оборудования до бытовой техники.Ротор вращает вал для создания механической энергии. Статор состоит из катушек или постоянных магнитов с сердечником из тонких листов, уложенных вместе. Эти слои, известные как ламинаты, создают меньше потерь энергии, чем сплошная сердцевина. Между ротором и статором есть небольшой воздушный зазор, который помогает увеличить ток намагничивания.

Хотя электродвигатели могут быть пьезоэлектрическими, электростатическими или магнитными, в подавляющем большинстве современных двигателей используются магниты. Некоторые предназначены для работы на постоянном токе, другие — на переменном токе.Вы можете найти электродвигатели всех размеров для впечатляюще широкого спектра применений. От крошечных моторов в часах с батарейным питанием до массивных электродвигателей, приводящих в действие промышленное производственное оборудование, — эта надежная, но элегантная технология занимает центральное место в современной жизни, какой мы ее знаем.

Как закон Фарадея изменил мир электродинамики

Хотя электродвигатели и электрические генераторы выполняют противоположные функции, они оба основываются на одном и том же физическом принципе: законе индукции Фарадея.В начале 19, 90–309– века вклад Майкла Фарадея в изучение электричества и магнетизма не имел себе равных. Несмотря на слабое формальное образование и несмотря на то, что эмпирическое изучение физических явлений было относительно новой областью знаний, Фарадей, без сомнения, является одним из самых влиятельных ученых во всей истории человечества.

Монументальное открытие Фарадея — магнитные поля взаимодействуют с электрическими токами и создают электродвижущую силу — открыло двери современной электротехнике.Закон индукции Фарадея лежит в основе трансформаторов, электродвигателей, электрогенераторов, индукторов и соленоидов. Без этих знаний было бы невозможно разработать надежное оборудование, которое вырабатывает электроэнергию в сеть, или электродвигатели для питания других механизмов. Фактически, электродинамика, разработанная Фарадеем, а затем Максвеллом, также стала основным катализатором специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.

Электродвигатели и электрогенераторы существенно отличаются друг от друга по своим функциям.Однако с точки зрения физики они иллюстрируют две стороны одной медали. Оба основаны на одних и тех же основных физических принципах, и понимание этих принципов способствовало развитию даже самых обычных современных технологий.

Дэвид Мэнни — администратор по маркетингу в L&S Electric. Эта статья изначально появилась в новом блоге L&S Electric Watts. L&S Electric является контент-партнером CFE Media.

Электродвигатель | Британника

Самый простой тип асинхронного двигателя показан на рисунке в разрезе.Трехфазный набор обмоток статора вставлен в пазы в железе статора. Эти обмотки могут быть подключены по схеме «звезда», обычно без внешнего подключения к нейтральной точке, или по схеме «треугольник». Ротор состоит из цилиндрического стального сердечника с проводниками, размещенными в пазах по всей поверхности. В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены вместе на каждом конце ротора токопроводящим концевым кольцом.

Принцип работы асинхронного двигателя можно разработать, сначала предположив, что обмотки статора подключены к трехфазному источнику питания и что набор из трех синусоидальных токов, показанных на рисунке, протекает в обмотках статора.На этом рисунке показано влияние этих токов на создание магнитного поля через воздушный зазор машины в течение шести мгновений цикла. Для простоты показана только центральная токопроводящая петля для каждой фазной обмотки. В момент t ₁ на рисунке, ток в фазе a является максимально положительным, тогда как ток в фазах b и c составляет половину отрицательного значения. Результатом является магнитное поле с приблизительно синусоидальным распределением вокруг воздушного зазора с максимальным значением наружу вверху и максимальным значением внутрь внизу.В момент времени t ₂ на рисунке (т.е. одна шестая цикла позже), ток в фазе c является максимально отрицательным, в то время как в фазе b и фазе a составляет половину значения. положительный. Результатом, как показано на рисунке для t ₂ , снова является синусоидально распределенное магнитное поле, но повернутое на 60 ° против часовой стрелки. Исследование распределения тока для т ₃ , т ₄ , т ₅ и т ₆ показывает, что магнитное поле продолжает вращаться с течением времени.Поле совершает один оборот за один цикл токов статора. Таким образом, совокупный эффект трех равных синусоидальных токов, равномерно смещенных во времени и протекающих в трех обмотках статора, равномерно смещенных в угловом положении, должен создать вращающееся магнитное поле с постоянной величиной и механической угловой скоростью, которая зависит от частоты электроснабжение.

Вращательное движение магнитного поля относительно проводников ротора вызывает индуцирование напряжения в каждом из них, пропорциональное величине и скорости поля относительно проводников.Поскольку проводники ротора закорочены друг с другом на каждом конце, в этих проводниках будут протекать токи. В простейшем режиме работы эти токи будут примерно равны индуцированному напряжению, деленному на сопротивление проводника. Картина токов ротора для текущего момента t ₁ рисунка показана на этом рисунке. Видно, что токи приблизительно синусоидально распределены по периферии ротора и расположены так, чтобы создавать вращающий момент против часовой стрелки на роторе (т.е.е. крутящий момент в том же направлении, что и вращение поля). Этот крутящий момент ускоряет ротор и вращает механическую нагрузку. По мере увеличения скорости вращения ротора его скорость относительно скорости вращающегося поля уменьшается. Таким образом, индуцированное напряжение снижается, что приводит к пропорциональному уменьшению тока в проводнике ротора и крутящего момента. Скорость ротора достигает постоянного значения, когда крутящий момент, создаваемый токами ротора, равен крутящему моменту, необходимому на этой скорости для нагрузки, без избыточного крутящего момента, доступного для ускорения объединенной инерции нагрузки и двигателя.