Электрогенераторы Фарадея

1. Открытие электромагнитной индукции В 1820 году было открыто взаимодействие между электр ическим током, протекающим в проводнике, и магнитной стрелкой. Это явлен ие было правильно объяснено и обобщено французским физиком Ампером, кот орый установил, что магнитные свойства любого тела являются следствием того, что внутри него протекают замкнутые электрические токи. (Или, говор я современным языком, любой электрический ток создает вокруг проводник а магнитное поле) . Таким образом, любые магнитные взаимодействия можно рассматривать как следствия элек трических. Однако если электрический ток вызывает магнитные явления, ес тественно было предположить, что и магнитные явления могут вызвать появ ление электрического тока. Долгое время физики в разных странах пыталис ь обнаружить эту зависимость, но терпели неудачу. В самом деле, если, к при меру, рядом с проводником или катушкой лежит постоянный магнит, никакого тока в проводнике не возникает. Но если мы начнем перемещать этот магнит: приближать или удалять его от катушки, вводить и вынимать магнит из нее, т о электрический ток в проводнике появляется, и его можно наблюдать в теч ение всего того периода, во время которого магнит движется. То есть элект рический ток может возникать только в переменном магнитном поле. Впервы е эту важную закономерность установил в 1831 году английский физик Майкл Фа радей. Проведя серию опытов, Фарадей открыл, что электрич еский ток возникает (индуцируется) во всех тех случаях, когда происходит движение проводников относительно друг друга или относительно магнито в. Если вводить магнит в катушку или что то же самое, перемещать катушку от носительно неподвижного магнита, в ней индуцируется ток. Если подвигать одну катушку к другой, через которую проходит электрический ток, в ней та кже появляется ток. Того же эффекта можно добиться при замыкании и размы кании цепи, поскольку в момент включения и выключения ток нарастает и уб ывает в катушке постепенно и создает вокруг нее переменное магнитное по ле. Поэтому если поблизости от такой катушки находится другая, не включе нная в цепь, в ней возникает электрический ток. Открытие Фарадея имело огромные последствия для техники и всей человеческой истории, так как теперь стало ясно, каким обр азом механическую энергию превращать в электрическую, а электрическую – обратно в механическую. Первое из этих преобразований легло в основу работы электрогенератора, а второе – электродвигателя. Впрочем, сам фак т открытия еще не означал, что все технические задачи на этом пути разреш ены: около сорока ушло на создание работоспособного генератора и еще двадцать лет на изобретение удовлетворительной модели промышленного электродвигателя. Но главное: принцип действия этих важнейших элементо в современной цивилизации сделался очевиден именно благодаря открытию явления электромагнитной индукции. 2. Первы е примитивные электрогенераторы 2.1 Генератор Фарадея Первый примитивный электрогенератор создал сам Ф арадей. Для этого он поместил медный диск между полюсами N и S постоянного магнита. При вращении диска в магнитном поле в нем наводились электричес кие токи. Если на периферии диска и в его центральной части помещали токо приемники в виде скользящих контактов, то между ними появлялась разност ь потенциалов, как на гальванической батарее. Замыкая цепь, можно было на блюдать на гальванометре непрерывное прохождение тока. 2.2 Машина Пиксии Установка Фарадея годилась только для демонстрац ий, но вслед за ней появились первые магнитоэлектрические машины (так ст али называть электрогенераторы, в которых использовались постоянные м агниты), рассчитанные на создание работающих токов. Самой ранней из них б ыла магнитоэлектрическая машина Пиксии, сконструированная в 1832 году. Принцип ее действия был очень прост: мимо неподвиж ных, снабженных сердечниками катушек двигались посредством кривошипа и зубчатой передачи лежащие против их полюсы подковообразного магнита, вследствие чего в катушках индуцировались токи. Недостатком машины Пик сии было то, что в ней приходилось вращать тяжелые постоянные магниты. В п оследующем изобретатели обычно заставляли вращаться катушки, оставляя магниты неподвижными. Правда, при этом приходилось решать другую задачу : каким образом отвести во внешнюю цепь ток с вращающихся катушек? Это зат руднение, однако, было легко преодолимо. Прежде всего, катушки соединяли между собой последовательно одними концами их проводки. Тогда другие ко нцы могли служить полюсами генератора. Их соединяли с внешней цепью при помощи скользящих контактов. Он устроен следующим образом: на оси машины крепил ись два изолированных металлических кольца, каждое из которых было соед инено с одним из полюсов генератора. По окружности этих колец вращались две плоские металлические пружины, на которые была заключена внешняя це пь. При таком приспособлении уже не было никаких затруднений от вращения оси машины – ток переходил из оси в пружину в месте их соприкосновения. Еще одно неудобство заключалось в самом характер е тока электрогенератора. Направление тока в катушках зависит от того, п риближаются они к полюсу магнита или удаляются от него. Из этого следует, что ток, возникающий во вращающемся проводнике, будет не постоянным, а пе ременным. По мере приближения катушки к одному из полюсов магнита сила т ока будет нарастать от нуля до какого-то максимального значения, а затем – по мере удаления – вновь уменьшаться до нуля. При дальнейшем движени и ток изменит свое направление на противоположное и опять будет нараста ть до какого-то максимального значения, а потом убывать до нуля. Во время с ледующих оборотов этот процесс будет повторяться. Итак, в отличие от эле ктрической батареи, электрогенератор создает переменный ток. 2.3 Генераторы «Альянс» Электрогенератор прерывистого тока вполне мог за менить неудобную во многих отношениях гальваническую батарею, и потому вызвал большой интерес у тогдашних физиков и предпринимателей. В 1856 году французская фирма «Альянс» даже наладила серийный выпуск больших дина мо-машин, приводившихся в действие от парового двигателя. В этих генерат орах чугунная станина несла на себе неподвижно укрепленные в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные равномерно по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между рядами м агнитов на валу были установлены несущие колеса с большим числом катуше к. Также на валу был укреплен коллектор с 16 - ю металлическими пластинами, изолиров анными друг от друга и от вала машины. Ток, наводимый в катушках при вращен ии вала, снимался с коллектора при помощи роликов. Одна такая машина треб овала для своего привода паровой двигатель мощностью 6 – 1 0 л .с. Большим недостатком генератор ов «Альянс» было то, что в них использовались постоянные магниты. Так как магнитное действие стальных магнитов сравнительно невелико, то для пол учения сильных токов нужно было брать большие магниты и в большом числе. Под действием вибрации сила этих магнитов быстро ослабевала. Вследстви е всех этих причин КПД машины всегда оставался очень низким. Но даже с так ими недостатками генераторы «Альянса» получили значительное распрост ранение и господствовали на рынке в течение десяти лет, пока из не выте снили более совершенные машины. 2.4 Якорь Сименса Прежде всего, немецкий изобретатель Сименс усовершенствовал движущиеся катушки и их железные сердечники. (Эти катушки с железом внутри получили название «якоря» или «арматуры») . Якорь Сименса в форме «двойного Т» состоял из железного цили ндра, в котором были прорезаны с противоположных сторон два продольных ж елоба. В желобах помещалась изолированная проволока, которая накладыва лась по направлению оси цилиндра. Такой якорь вращался между полюсами ма гнита, которые тесно его обхватывали. По сравнению с другими, новый якорь представлял большие удобства. Прежде всего, очев идно, что катушка в виде цилиндра, вращающегося вокруг своей оси, в механи ческом отношении выгоднее катушки, насаженной на вал и вращавшейся вмес те с ним. По отношению к магнитным действиям якорь Сименса имел ту выгоду, что давал возможность очень просто увеличить число действующих магнит ов (для этого достаточно было удлинить якорь и прибавить несколько новых магнитов). Машина с таким якорем давала гораздо более равномерный ток, та к как цилиндр был плотно окружен полюсами магнитов. Но эти достоинства н е компенсировали главного недостатка всех магнитоэлектрических машин – магнитное поле по-прежнему создавалось в генераторе с помощью постоя нных магнитов. 3. Элект ромагниты. Принцип самовозбуж дения Перед многими изобретателями в середине XIX века вс тавал вопрос: нельзя ли заменить неудобные металлические магниты элект рическими? Проблема заключалась в том, что электромагниты сами потребля ли электрическую энергию , и для их возбуждения требовалась отдельная батарея или, по крайней мере, о тдельная магнитоэлектрическая машина . Первое время казалось, что без них невозможно обойтись. В 1866 году Вильде создал удачную м одель генератора, в котором металлические магниты были заменены электр омагнитами, и их возбуждение вызывала магнитоэлектрическая машина с по стоянными магнитами, соединенная с тем же паровым двигателем, который пр иводил в движение большую машину. Отсюда оставался только один шаг к соб ственно динамо-машине, которая возбуждает электромагниты своим собств енным током. В том же 1866 году Вернер Симен с открыл принцип самовозбуждения. (Одновременно с ним то же открытие сделали некоторые другие изобретатели.) В январе 1867 года он выступил в Берлинск ой Академии с докладом «О превращении рабочей силы в электрический ток б ез применения постоянных магнитов». В общих чертах его открытие заключа лось в следующем. Сименс установил, что в каждом электромагните, после то го как намагничивающий ток переставал действовать, всегда оставались н ебольшие следы магнетизма, которые были способны вызвать слабые индукц ионные токи в катушке, снабженной сердечником из мягкого магнитного жел еза и вращавшейся между полюсами магнита. Используя эти слабые токи, мож но было привести генератор в действие без помощи извне. Первая динамо-машина, работавшая по принципу само возбуждения, была создана в 1867 году англичанином Леддом , но в ней еще предусматривалась отдельная катушка для возбуж дения электромагнитов. Маши на Ледда состояла из двух плоских электромагнитов, между концами которы х вращались два якоря Сименса. Один из якорей давал ток для питания элект ромагнитов, а другой – для внешней цепи. Слабый остаточный магнетизм се рдечников электромагнитов сначала возбуждал очень слабый ток в армату ре первого якоря; этот ток обегал электромагниты и усиливал уже имеющеес я в них магнитное состояние. Вследствие этого усиливался в свою очередь ток в арматуре, а последний еще более увеличивал силу электромагнитов. Мало-помалу такое взаимное у силение шло до тех пор, пока электромагниты не приобретали полной своей силы. Тогда можно было привести в движение вторую арматуру и получить от нее ток для внешней цепи. 4 . Эл ектрогенераторы Грамма Следующий шаг в совершенствовании динамо-машины был сделан в том направлении, что совершенно устранили одну из арматур и воспользовались другой не только для возбуждения электромагнитов, но и для получения тока во внешней цепи. Для этого нужно было только провести ток из арматуры в обмотку электромагнита, рассчитав все так, чтобы после дний мог достичь полной своей силы и направить тот же ток во внешнюю цепь. Но при таком упрощении конструкции якорь Сименса оказывался непригодн ым, так как при быстрой перемене полярностей, в якоре возбуждались сильн ые паразитические токи, железо сердечников быстро разогревалось, и это м огло при больших токах привести к порче всей машины. Необходима была дру гая форма якоря, более соответствовавшая новому режиму работы. Удачное решение проблемы было вскоре найдено бел ьгийским изобретателем Зиновием Теофилем Грамм ом . Он жил во Франции и служил в кампании «Альянс» с толярным мастером. Здесь он познакомился с электричеством. Размышляя на д усовершенствованием электрогенератора, Грамм в конце концов пришел к мысли заменить якорь Сименса другим, имеющим кольцевую форму. Важное отл ичие кольцевого якоря состоит в том, что он не перемагничивается и имеет постоянные полюса. (Грамм пришел к своему открытию самостоятельно, но на до сказать, что еще в 1860 г . итальянский изобретатель Пачинотти во Флоренции постро ил электрический двигатель с кольцеобразным якорем; впрочем, это открыт ие вскоре было забыто.) Итак, исходная точка поисков Грамма заключалась в том, чтобы заставить вращаться внутри проволочной катушки железное кол ьцо, на котором наведены магнитные полюсы и таким образом получить равно мерный ток постоянного направления. В таком виде воплотилась первоначальная модель э лектрогенератора. Однако она оказалась неработоспособной. Как писал Гр амм в воспоминаниях о своем изобретении, тут явилась новая сложность: ко льцо, на которое был намотан проводник, сильно разогревалось вследствие того, что здесь тоже при быстром вращении генератора индуцировались ток и. В результате перегрева изоляция то и дело выходила из строя. Ломая голо ву над тем, как избежать этой неприятности, Грамм понял, что железный серд ечник якоря нельзя делать сплошным, так как в этом случае вредные токи ок азываются слишком большими. Но разбив сердечник на части так, чтобы обра зовались разрывы на пути возникающих токов, можно было сильно уменьшить их вредное действие. Этого можно было добиться, изготовив сердечник не и з цельного куска, а из проволоки, налагая ее в виде кольца и тщательно изол ируя один слой от другого. На это проволочное кольцо затем навивалась об мотка. В целом первая динамо-машина Грамма представляла собой две железные вертикальные стойки, соединенные сверху и снизу стер жнями двух электромагнитов. Полюсы этих электромагнитов находились в и х середине, так что каждый из них был, как бы составлен из двух, одинаковые полюса которых были обр ащены друг к другу. Можно рассматривать это устройство иначе и считать, ч то две половины, прилегающие к каждой стойке и соединенные ею, образовыв али два отдельных электромагнита, которые соединялись одноименными по люсами сверху и снизу. В тех местах, где образовывался полюс, к электромаг нитам были присоединены особой формы железные насадки, которые входили в пространство между электромагнитами и обхватывали кольцеобразный як орь машины. Две стойки, связывающие оба электромагнита и составлявшие ос нову всей машины, служили также для того, чтобы держать ось якоря и шкивы м ашины. В 1870 году , получив патент на с вое изобретение, Грамм образовал «Общество производства магнитоэлектр ических машин». Вскоре было налажено серийное производство его генерат оров, которые произвели подлинную революцию в электроэнергетике. Облад ая всеми достоинствами самовозбуждающихся машин, они вместе с тем были э кономичны, имели высокий КПД и обеспечивали практически неизменный по в еличине ток. Поэтому машины Грамма быстро вытеснили другие электрогене раторы и получили широкое распространение в самых разных отраслях. Тогд а только появилась возможность легко и быстро преобразовывать механич ескую энергию в электричество. Как уже говорилось, Грамм создавал свой генератор, как динамо-машину постоянного тока. Но когда в конце 70 - х – начале 80 - х годов XIX века резко в озрос интерес к переменному току, ему не стоило большого труда переделат ь его для производства переменного тока. В самом деле, для этого надо было только заменить коллектор двумя кольцами, по которым скользят пружины. С начала генераторами переменного тока пользовались только при освещени и, но с развитием электрификации они стали получать все большее применен ие и постепенно вытеснили машины постоянного тока. Первоначальная конс трукция генератора также претерпела значительные изменения. Первая ма шина Грамма была двухполюсной, но в дальнейшем стали применять многопол юсные генераторы, в которых обмотка якоря проходила при каждом обороте м имо четырех, шести и более попеременно установленных полюсов электрома гнита. В этом случае ток, возбуждался не с двух сторон колеса, как раньше, н о в каждой части колеса, обращенной к полюсу, и отсюда отводился во внешню ю цепь. Таких мест (а соответственно и щеток) было столько, сколько магнитн ых полюсов. Затем все щетки положительных полюсов связывались вместе, то есть соединялись параллельно. Точно так же поступали и с отрицательными щетками. По мере увеличения мощности генераторов возникла новая проблема – каким образом снять ток с вращающегося якоря с наимен ьшими потерями. Дело в том, что при больших токах щетки начинали искрить. К роме больших потерь электроэнергии, это оказывало вредное воздействие на работу генератора. Тогда Грамм посчитал рациональным вернуться к сам ой ранней конструкции электрогенератора, примененной в машине Пиксии: о н сделал арматуру неподвижной, а вращаться заставил электромагниты, вед ь снять ток с неподвижной обмотки было проще. Он поместил катушки якоря н а железном неподвижном кольце и заставил электромагниты вращаться вну три него. Отдельные катушки он связал между собой так, чтобы все те катушк и, которые в данный момент подвергались одинаковому действию электрома гнитов, были соединены последовательно. Таким образом , Грамм разбил все катушки на несколько групп и кажд ую группу употребил для доставления тока в отдельную самостоятельную ц епь. Однако возбуждающие ток электромагниты необходимо было питать пос тоянным током, так как переменный ток не мог вызвать в них неизменной пол ярности. Поэтому при каждом генераторе переменного тока необходимо был о иметь небольшой генератор постоянного тока, откуда ток подводился к эл ектромагнитам при помощи скользящих контактов. Список литературы 1. Рейд С. , Фара П. , Эверетт Ф. История открытий (энциклопедия). Перевод с англ. Голова А.М. – М.: Росмэн, 1997. 2. Ю.В. Селезнев - Методы и устройства магнитных и электрических измерений 3. Ю.Н. Маслов Магнитные измерения и п риборы