Вы находитесь здесь: Главная > Магнитное поле > Индукционный ток. Почему он возникает в электрогенераторе? (Часть 1)

Индукционный ток. Почему он возникает в электрогенераторе? (Часть 1)

<— Этот удивительный мир

 

Никола ТеслаБольшую часть электроэнергии в виде переменного индукционного тока на планете Земля человечество производит с помощью индукционных электрогенераторов. Постоянный ток, также получаемый от электрогенераторов, является частным случаем переменного тока. Существует множество различных конструкций электрогенераторов, но в основе их работы лежит один и тот же принцип. Это принцип относительного движения (вращения) якоря в магнитном поле индуктора, или наоборот, вращения магнитного поля индуктора относительно якоря.

Большой научный и практический вклад в развитие науки об электричестве и создании оборудования для его производства внес известный сербский ученый Никола Тесла. Его изобретения и открытия как физика, инженера, конструктора, явились прочным фундаментом для развития электротехники и радиофизики. Многие его идеи в этих областях науки и техники востребованы и в настоящее время.

На организацию и поддержание работы электрогенератора, для преодоления сил сопротивления вращению якоря в магнитном поле индуктора, затрачиваются значительные механические силы. В основном, эти силы реализуются в виде различных приводов, таких как паровые, газовые турбины, гидротурбины, ДВС и др. Электромагнитная индукция непосредственно (напрямую) связана с производством электроэнергии.

Индукционный ток и его получение в электрогенераторе

Рис. 1

Рассмотрим простейшую лабораторную схему устройства электрогенератора, представленную на Рис.1. По этой схеме, но более сложной конструкции, устроено большинство промышленных электрогенераторов.

В магнитном поле постоянного магнита между полюсами N и S вращается проводящая рамка 2 из проволоки, концы которой припаяны к проводящим кольцам 1. Эти кольца соединены с контактами 3 и далее с проводами внешней цепи, включающей гальванометр. Рамка вращается в магнитном поле магнита, магнитный поток которого все время изменяется. В результате воздействия магнитного потока Ф на микроструктуру проводников рамки в замкнутой цепи возникает индукционный ток, который фиксируется гальванометром. Практически во всех учебниках по физике величину Ф через виток-рамку определяют, как произведение напряженности магнитного поля (H) на площадь витка (S) и на синус угла (a) между направлением магнитного поля и плоскостью рамки.

Ф=HхSхsina

Заменив угол а через (wхt), где w- угловая скорость вращения витка-рамки, а t- время, получим формулу

Ф=HхSхsinwt,

в которой график изменения величины Ф через рамку представляет собой синусоиду (Рис.2).

График изменения магнитного потока

Рис. 2

Приведенная формула кроме математического описания изменения величины Ф через площадь витка, ничего не дает в плане понимания физического смысла процесса. В этой формуле вместо площади витка S следовало бы указать длину проводников рамки, так как магнитное поле в процессе вращения рамки взаимодействует с микроструктурой ее проводов.

График изменение тока и напряжения от времени

Рис.3

Аналогичные графики изменения величины тока и напряжения во времени, регистрируемые осциллографом, также представляют собой синусоиду (Рис.3). Эта известная информация понадобилась нам только для того, чтобы напомнить о том, что воздействие внешнего магнитного поля магнита на вращающийся в нем виток-рамку есть не что иное как синусоидальное, импульсное взаимодействие магнитного поля с микроструктурой проводов витка-рамки.

Как уже упоминалось ранее, конструкция электрогенератора представляет собой колебательный контур. Магнитное поле индуктора-магнита (Рис.1), которое является внешним магнитным полем по отношению к якорю-рамке, воздействует на микроструктуру проводников рамки изменяющимся по закону изменения синуса магнитным потоком, индуцируя в микроструктуре проводников якоря его собственное магнитное поле. Почти одновременно с началом вращения рамки по всей остальной замкнутой электрической цепи проходит сигнал-импульс от внешнего магнитного поля и во всем объеме цепи микро источники повторяют этот импульс по образу и подобию, создавая собственное магнитное поле по всей цепи. Еще один импульс — и снова воспроизводство (повторение). И так бесконечное число раз пока работает электрогенератор.

Рассмотрим более подробно этот процесс. Начнем с неудобного детского вопроса: «Почему индукционный ток возникает в замкнутой рамке (применительно к рис.1), которая вращается в магнитном поле постоянного магнита, и не возникает в неподвижной рамке, находящейся в том же магнитном поле магнита, в каком бы положении не находилась рамка?» Как утверждает квантовая физика электроны-электрические заряды обращаются вокруг ядра атома с большой скоростью. При этом электроны обладают двумя магнитными моментами: орбитальным и спиновым и по тем же квантовым законам должны взаимодействовать с магнитным полем, (должны тормозиться в магнитном поле неподвижного магнита), излучая микроэнергию по аналогии с северным сиянием. Но не тут-то было. Никакого излучения не происходит, хотя магнитные силовые линии (МСЛ) магнита пронизывают микроструктуру проводников на атомарном уровне. Чем же так привлекает микро источники-электроны в микроструктуре проводников движущееся магнитное поле? Чтобы ответить на этот вопрос вспомним опыты русского ученого П.Н. Лебедева по изучению давления света на легкие предметы в вакууме. На то, что давление света существует, указывал еще Коперник, наблюдая за хвостовой частью комет, пролетающих вблизи Солнца.

Магнитное поле, как уже сообщалось ранее, состоит из микро МСЛ и представляет собой сплошную (достаточно плотную) магнитную среду. Эта сплошная среда может в процессе своего движения (вращения) оказывать «механическое»  давление на элементарные частицы в микроструктуре проводников рамки, в частности, на электроны. Следует также вспомнить, что по утверждению Н. Бора атом может находиться в стационарном состоянии, не излучая энергии. Излучение происходит при переходе атома из одного энергетического состояния в другое. Т.е., при воздействии внешнего магнитного поля, мы изменяем энергетическое состояние атомарной структуры проводников.

А теперь вернемся к работе простого электрогенератора на Рис.1.

В самом начале своего вращения в магнитном поле магнита микроструктура рамки на атомарном уровне испытывает чисто «механическое» давление (другими словами – силовое давление) со стороны магнитного поля магнита. В результате давления элементарные частицы, в том числе и электроны, тормозятся в этой магнитной среде, т.е. как было сказано выше, изменяют свое стационарное, равновесное энергетическое состояние, излучая микро МСЛ в соответствии с направлением движения внешнего магнитного поля относительно вращения рамки. Именно движение (вращение) магнитного поля в определенном направлении способствует направленному излучению элементарными частицами микро МСЛ. Именно из этого направленного излучения микромагнитных силовых линий формируется собственное магнитное поле замкнутой электрической цепи. Суммарное направленное излучение электронами микро МСЛ образует в микроструктуре проводников рамки магнитно-силовые линии собственного магнитного поля в виде сплошного, цилиндрического «магнитного шнура» вдоль всей замкнутой цепи.

Мы говорим об элементарных частицах потому, что в формировании собственного магнитного поля замкнутой электрической цепи кроме электронов могут принимать участие и другие элементарные частицы на атомарном уровне. Далее мы будем говорить только об электронах, принимающих участие в формировании собственного магнитного поля электрической цепи. Электрон – это одновременно и микроток (микро магнит), и, как считает академическая наука, элементарный электрический заряд. Он же является источником излучения микро МСЛ.

Итак, сигнал-импульс от рамки мгновенно распространяется по всей цепи, активируя электроны вдоль всей замкнутой цепи, включая рамку. Вслед за сигналом-импульсом вынужденные колебания от колебательного контура (электрогенератора) с большой скоростью распространяются по всей замкнутой цепи. Эти колебания представляют собой непрерывный волновой процесс «магнитного шнура», в котором амплитуда волн изменяется в соответствии с изменением величины магнитного потока внешнего магнитного поля по закону изменения синуса от минимума до максимума, а затем от максимума до минимума.

<— Электромагнитная индукция                  Индукционный ток часть 2 —>

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Plus

Tags:

Оставить комментарий