Электромагнитная индукция. Генератор

Ключевые слова: электромагнитная индукция, индукционный ток, индукционные генераторы, электроэнергетика Казахстана.

На этом уроке вы научитесь:

• описывать явление электромагнитной индукции, приводить примеры производства электроэнергии в мире и в Казахстане.

Вы уже знаете, что электрический ток создает магнитное поле. Как вы думаете, можно ли с помощью магнитного поля получить электрический ток и как это сделать?

После того как Ампер и Эрстед доказали, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, у многих ученых возник естественный вопрос: а нельзя ли с помощью магнитного поля создать электрический ток? Английский физик М. Фарадей 10 лет работал над этой проблемой и в 1831 году смог ее решить.

Это интересно! М. Фарадей для того, чтобы не забыть о проблеме создания тока с помощью магнитного поля, постоянно носил в кармане своего пиджака магнит.

Для решения проблемы Фарадей провел опыт: вокруг железного кольца были намотаны две изолированные друг от друга катушки из медной проволоки, причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой (рис. 35.1). Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. Ученый обнаружил, что в моменты включения и выключения тока в первой катушке (в эти моменты железное кольцо намагничивалось или размагничивалось) стрелка гальванометра отклонялась от равновесного положения и некоторое время колебалась, а затем быстро останавливалась, что означало только одно: в нейтральной катушке в моменты, когда магнитное поле менялось, возникали мгновенные токи.

Рис. 35.1

Затем Фарадей провел другой опыт. Он внес в катушку стальной магнит (рис. 35.2), приближение и удаление которого вызвало появление в катушке индукционного тока. Фарадей сделал вывод: любое переменное магнитное поле наводит в замкнутом контуре электрический ток. Эффект этого тока такой же, как электрический ток, полученный от обычных гальванических элементов.

Рис. 35.2

Возникновение тока в проводнике, движущемся в магнитном поле (или в неподвижном проводнике, вокруг которого изменяется магнитное поле), называется электромагнитной индукцией. Ток, возникающий при этом, называется индукционным, а устройства для его получения — индукционными электрогенераторами. В таких генераторах происходит превращение механической энергии движущегося проводника (или магнита) в энергию электрического тока. Более 100 лет этот способ является главным для получения электроэнергии в промышленных масштабах.

Это интересно! Термин «индукция» происходит от латинского «индукцио», что означает «наведение» (например, навести на мысль, или вызвать мысль). Наведение, возникновение, образование индукционного тока — синонимы.

Основные части индукционного генератора изображены на рисунке 35.3. Статор — неподвижная часть генератора. В опыте с рамкой статором являлись полюсы магнита и чашечки-контакты, между которыми находится рамка. Вращающаяся часть генератора — ротор. Как правило, он содержит не одну проволочную рамку, а множество проволочных обмоток. В наиболее мощных генераторах проволочные обмотки неподвижны и закреплены на статоре, а движется магнитное поле вместе с расположенными на роторе электромагнитами. Так устроены все генераторы крупных электростанций.

Рис. 35.3. Генератор: вал, статор, ротор, обмотки

Это интересно! Вода, падающая с плотины гидроэлектростанции, вращает вал генератора с частотой 1—2 оборота в секунду. Если бы ротор имел только одну индукционную обмотку, то получался бы переменный ток частотой 2—4 Гц, малопригодный для промышленных нужд. Поэтому используют несколько десятков индукционных обмоток, чтобы получить частоту 50 Гц.

Если магнит будет покоиться, а катушка относительно него будет двигаться, то и в этом случае магнитное поле меняется. Появится ли индукционный ток? Проверьте это самостоятельно, используя схему на рисунке 35.4.

Можно провести опыт с двумя катушками, по одной из которых идет ток, а другая подключена к гальванометру. При движении любой из катушек (рис. 35.5) во второй возник индукционный ток.

Эти многочисленные опыты говорят о том, что при изменении магнитного поля в любом замкнутом контуре возникает электрический ток, который назвали индукционным.

Рис. 35.4

Рис. 35.5

М. Фарадей, меняя скорость вдвижения и выдвижения магнита в катушку, установил, что сила индукционного тока становится больше, если увеличивается скорость вдвижения и выдвижения магнита.

Направление индукционного тока находят по правилу Ленца: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, находящемся в изменяющемся магнитном поле, всегда направлен так, что он своим (собственным) магнитным полем старается скомпенсировать изменение внешнего магнитного поля.

Это правило было сформулировано русским физиком Э. Ленцем.

Рассмотрим несколько случаев применения правила Ленца (рис. 35.6).

На рисунке 35.6, а магнит вдвигают в катушку, и поэтому его магнитное поле, пронизывающее витки катушки, возрастает. Следовательно, в катушке появится индукционный ток такого направления, чтобы его магнитное поле уменьшало внешнее поле (т. е. направление вверх). Затем, используя правило обхвата правой рукой, находим направление индукционного тока в катушке (он направлен против часовой стрелки).

Опираясь на приведенные размышления, объясните, почему индукционный ток в катушке направлен именно так, как указано на рисунках 35.6, б, в, г.

Рис. 35.6

На рисунке 35.7 изображен прибор для демонстрации правила Ленца. Хорошо видно, что при вдвижении магнита внутрь замкнутого алюминиевого кольца в нем возникает ток, создающий собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю. Из-за этого кольцо будет отталкиваться от магнита. Если же магнит будем вытягивать из кольца, то кольцо будет двигаться за ним.

Рис. 35.7

Используя правило Ленца, объясните, почему наблюдается такое движение кольца. Если же магнит вносить внутрь разомкнутого кольца или выдвигать из него, то прибор останется неподвижным. Объясните, почему так происходит.

Явление электромагнитной индукции, открытое М. Фарадеем, лежит в основе работы индукционных генераторов, вырабатывающих электроэнергию. Эти генераторы устанавливаются на электростанциях. Электроэнергия вырабатывается на электростанциях, использующих энергию падающей воды (гидроэлектростанции), энергию топлива (теплоэлектростанции), энергию ветра (ветряные электростанции), энергию атома (атомные электростанции).

Суммарная установленная мощность всех электростанций Казахстана составляет 20 тыс. МВт, а фактическая мощность — 15 тыс. МВт. Казахстан вырабатывает 91,9 млрд. кВт·час электроэнергии в год, т. е. электровооруженность Казахстана 4 тыс. кВт·час/чел. в год против 6,7 — в России, 14 — США, 3,5 — в КНР.

К сожалению, выработка большинства электростанций не достигает установленной мощности. Только в 2012 году Казахстан достиг уровня выработки электроэнергии 1991 года (87,4 млрд. кВт·час).

Выработка по типу электростанций распределяется следующим образом: около 72% электроэнергии в Казахстане вырабатывается из угля, 12,3% — из гидроресурсов, 10,6% — из газа и 4,9% — из нефти. Таким образом, этими четырьмя видами электростанций вырабатывается 99,8% электроэнергии, а на альтернативные источники приходится менее 0,2%. Сейчас в энергетической отрасли разрабатываются проекты создания и использования альтернативных источников электроэнергии.

К потребителям электроэнергии относятся промышленность (около 70%), бытовые приборы (около 10%), транспорт (6%), сфера услуг (8%).

Это интересно! Знаете ли вы, что мощные индукционные генераторы вырабатывают ток с напряжением 15—20 тыс. вольт и обладают КПД 97—98%?

Вопросы

1. Определите направление индукционного тока в катушке и расставьте полярность на клеммах (рис. 35.8).
2. Определите направление движения магнита в случаях, изображенных на рисунке 35.9.

Рис. 35.8

Рис. 35.9

3. Полосовой магнит подвесили к пружине и заставили колебаться. При этом свободным концом он входит и выходит в катушку индуктивности, клеммы которой присоединены к осциллографу (рис. 35.10). Что означает картина, наблюдаемая на экране осциллографа? (Осциллограф — это прибор, позволяющий наблюдать колебательные процессы.)
4. Замкнутое медное кольцо подвешено на тонких длинных нитях вблизи соленоида, закрепленного на столе и подключенного к источнику постоянного тока (рис. 35.11). Первоначально электрическая цепь катушки разомкнута. Как будет двигаться кольцо при замыкании цепи? Ответ поясните, указав, какие физические явления, закономерности вы использовали для объяснения.

Рис. 35.10

Рис. 35.11

Самое важное в главе

Электромагнитные явления.

Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается появлением магнитного поля. Изображают магнитное поле с помощью силовых линий. Силовые линии магнитного поля — замкнутые кривые, охватывающие проводник.

Направление силовой линии магнитного поля находят по правилу обхвата правой рукой. Если большой палец правой руки направить по направлению тока, то 4 пальца, обхватившие проводник, покажут направление силовых линий магнитного поля. В эту же сторону указывает северный конец маленькой магнитной стрелки, помещенной в изучаемую точку поля. При изменении направления тока в проводнике направление силовых линий меняется на противоположное.

Электромагниты — это проводники, намотанные на катушки, внутри которых имеется сердечник из железа или стали. Электромагниты способны запасать энергию магнитного поля.

Постоянные магниты — это тела, способные притягивать предметы из железа, стали и некоторых других материалов и длительное время сохраняющие это свойство. У магнитов имеются два полюса — северный и южный. На полюсах магнитное поле наиболее сильное. Силовые линии поля постоянного магнита являются замкнутыми. Они выходят из его северного полюса и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.

Земля, а также некоторые другие небесные тела являются постоянными магнитами, т. е. имеют магнитное поле.

Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы и, как следствие, на проводники с током. На этом явлении основано действие электроизмерительных приборов и электродвигателей. Сила Ампера: $F_A = BIl\sin\alpha$; направление — по правилу левой руки.

Все электрические двигатели имеют вращающуюся часть (ротор) и неподвижную часть (статор). В зависимости от назначения в них размещают электромагниты или постоянные магниты, а также коллектор — устройство для регулирования поступления тока в нужные моменты во время каждого оборота ротора.

Электромагнитная индукция — явление возникновения индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле, или в неподвижном проводнике, находящемся в переменном (изменяющемся) магнитном поле. Направление индукционного тока — по правилу Ленца.