§ 19. Досліджуємо електрогенератори

• Назад до змісту довідника

ЗАВДАННЯ 1

Знайдіть у різних джерелах (енциклопедіях, сайтах, відео, підручниках) інформацію про те, як М. Фарадей (в Англії) і Дж. Генрі (у США) незалежно один від одного одночасно відкрили явище електромагнітної індукції. З’ясуйте: які схожі результати вони отримали; чим відрізнялися їхні установки; хто опублікував результати першим.

• Схожі результати: Обидва фізики встановили, що зміна магнітного поля породжує електричний струм у замкненому контурі. Струм виникає тільки під час зміни магнітного поля (у моменти замикання чи розмикання кола первинної котушки, або під час руху магніту відносно дроту), а в незмінному магнітному полі струм зникає.
• Відмінності в установках: Майкл Фарадей намотував дві окремі ізольовані котушки на замкнене залізне кільце. Джозеф Генрі застосовував розроблені ним надпотужні багатовиткові електромагніти з покращеною шовковою ізоляцією, завдяки чому спостерігав індукційні явища на провідниках великої довжини та відкрив явище самоіндукції.
• Першість публікації: Майкл Фарадей опублікував результати відкриття першим у 1831 році. Джозеф Генрі провів експерименти приблизно в той самий час, проте оприлюднив свою наукову статтю лише в 1832 році.

ЗАВДАННЯ 2

Знайдіть в науково-популярних матеріалах пояснення і спробуйте сформулювати, чому індукційний струм завжди протидіє причині, що його викликає.

Ця властивість індукційного струму підпорядковується правилу Ленца і є прямим наслідком фундаментального закону збереження енергії. Якби індукційний струм підсилював зміну поля, що його породжує, магнітний потік і струм у контурі лавиноподібно зростали б самі собою без виконання роботи. Це дозволило б отримати енергію з нічого, тобто створити «вічний двигун». Через це виникає протидія: зовнішнє джерело обов’язково виконує механічну роботу для подолання опору магнітного поля індукційного струму, і саме ця механічна робота перетворюється на електричну енергію.

ДОСЛІДЖУЙ

1. Скористайся моделлю генератора (мал. 19.1, а) і згенеруй електричний струм самостійно. Поясни принцип дії такого генератора за схемою (мал. 19.1, б), користуючись текстом параграфа.

Принцип дії генератора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції — перетворенні механічної енергії обертання на електричну енергію.

Під час обертання дротяної рамки 1 між північним ($N$) і південним ($S$) полюсами нерухомого магніту кількість магнітних ліній, що пронизують контур рамки, постійно зростає або зменшується. Ця зміна магнітного поля збуджує в рамці індукційний струм. Кінці рамки приєднані до двох окремих ізольованих кілець 2, які обертаються разом із нею. До кілець щільно торкаються нерухомі щітки 3, що виконують роль контактів і передають вироблений струм до зовнішнього кола. Кожні півоберту сторони рамки проходять біля протилежних магнітних полюсів, тому індукційний струм щоразу змінює свій напрямок на протилежний, утворюючи змінний струм.

2. З’ясуй, чим відрізняється індукційний струм від струму від батарейки. Порівняй їх за такими критеріями: джерело енергії, напрям струму, умова виникнення, тривалість. Використай три джерела: підручник, науково-популярну статтю, відео.

ДУМАЙ

1. Що є основою принципу роботи всіх електрогенераторів?

Основою роботи всіх електрогенераторів є явище електромагнітної індукції — виникнення електричного струму в замкненому контурі під час зміни магнітного поля, що його пронизує.

2. Яку енергію перетворює генератор на електричну?

Генератор перетворює механічну енергію на електричну.

3. Назви дві основні частини промислового генератора та їхню функцію.

Промисловий генератор складається зі статора та ротора:

• Статор — нерухома частина генератора у вигляді корпусу з обмотками з дроту, у яких індукується змінний електричний струм.
• Ротор — рухома частина (вал), яка обертається всередині статора під дією турбіни або двигуна та створює обертове магнітне поле.

4. Яка особливість руху електронів у провіднику характеризує змінний струм?

Під час змінного струму електрони у провіднику не рухаються постійно в один бік, а здійснюють коливальні рухи вперед-назад зі зміною напрямку руху.

5. Чому на етапі передачі електроенергії на великі відстані напругу підвищують до сотень тисяч вольт, а на етапі споживання (у містах) знижують до 220–240 В?

Напругу підвищують до сотень тисяч вольт для зменшення сили струму в дротах, що мінімізує втрати енергії на їхнє теплове нагрівання під час транспортування на великі відстані. Біля міст і споживачів трансформатори знижують напругу до $220\text{–}240\text{ В}$, оскільки такий рівень напруги є стандартизованим і безпечним для використання у побутових приладах.

6. Чим принципово відрізняється будова генератора змінного струму від генератора постійного струму?

Принципова відмінність полягає в контактному вузлі знімання струму:

• Генератор змінного струму має два суцільні нерозрізні ковзні кільця, з яких щітки знімають струм, що постійно змінює свій напрямок.
• Генератор постійного струму обладнаний колектором (розрізаним кільцем із двох ізольованих півкілець), який перемикає з’єднання обмотки зі щітками кожні півоберту і цим випрямляє струм для зовнішнього кола.

7. Чому у велосипедному динамо (генераторі, що виробляє змінний струм) кінцевий струм для живлення фари випрямляється у постійний?

Струм випрямляють у постійний, оскільки сучасні світлодіодні фари та задні ліхтарі працюють від постійного струму, а випрямлена енергія дозволяє паралельно заряджати внутрішній акумулятор або стабілізатор.

ДІЙ

1. Розв’яжи проблему: як сконструювати ліхтарик без батарейок.

Конструкція ліхтарика на основі електромагнітної індукції складається з таких частин:

1. Корпус: герметична трубка з немагнітного пластику, на краях якої встановлені пружні демпфери (гумові амортизатори).
2. Індукційний елемент: сильний неодимовий циліндричний магніт, який вільно ковзає всередині трубки.
3. Котушка: на центральну частину корпусу намотано сотні витків тонкого мідного дроту.
4. Електрична схема: виводи котушки під’єднують до діодного випрямляча, який перетворює змінний імпульсний струм на постійний.
5. Накопичувач і світлодіод: випрямлений струм заряджає іоністор (конденсатор надвисокої ємності), який через резистор живить яскравий світлодіод.

Під час струшування магніт проходить крізь котушку, змінює магнітний потік і збуджує індукційний струм, який накопичується в іоністорі та забезпечує тривале свічення.

2. Виконай віртуальну лабораторну роботу 19.1.

Хід роботи та результати спостережень:

1. Підготовка робочого місця: на віртуальному стенді встановлюємо котушку з дроту, з’єднану з мікроамперметром і демонстраційною лампою, та постійний штабовий магніт.
2. Дослідження умов виникнення струму:
   • Якщо магніт перебуває в стані спокою всередині або поруч із котушкою, стрілка приладу стоїть на 0, струм не виникає.
   • Під час обертання або поступального руху магніту відносно котушки стрілка приладу відхиляється від нульової позначки, а лампа починає світитися.
3. Залежність сили індукційного струму від параметрів системи:
   • Збільшення швидкості обертання магніту зумовлює більше відхилення стрілки мікроамперметра та яскравіше світіння лампи.
   • Збільшення числа витків котушки також підвищує значення індукованого струму.
4. Висновок: індукційний електричний струм виникає виключно під час зміни магнітного поля, яке перетинає витки котушки. Величина індукованого струму прямо пропорційна швидкості зміни магнітного поля та кількості витків провідника.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

1. Знайди три приклади застосування електромагнітної індукції у побуті чи техніці (наприклад, зарядні пристрої, генератори, плита).

2. Знайди інформацію про те, як ідеї М. Фарадея було використано для створення перших електричних генераторів. Зроби коротку хронологію: дослід Фарадея (1831) — перший генератор (кінець XIX ст.) — сучасні генератори. Можна оформити у вигляді інфографіки чи таймлайну.

Хронологічні етапи розвитку електрогенераторів:

• 1831 рік: Майкл Фарадей відкрив електромагнітну індукцію та створив перший генератор («диск Фарадея») — мідний диск, який обертався між полюсами підковоподібного постійного магніту.
• Кінець XIX століття: Винайдення потужних промислових машин. Зеноб Грамм розробив кільцевий якір для стабільного струму, а Нікола Тесла сконструював багатофазні генератори змінного струму та синхронні машини, які започаткували промислову електрифікацію.
• Сучасність: Використання гігантських трифазних турбогенераторів і гідрогенераторів на електростанціях із ККД понад $98\,\%$, а також вітрових турбін з електронним регулюванням і високою енергоефективністю.

3. Знайди в інтернеті або довіднику інформацію про один сучасний тип генератора (вітровий, гідравлічний, портативний, автомобільний). Підготуй коротке повідомлення (3–5 речень або 1 слайд):

• • Де використовується?
• • Який тип струму виробляє?
• • Яка енергія перетворюється?
• • Сформулюй 3–5 запитань, які можна було б поставити інженеру, що створює такі пристрої.

Автомобільний генератор застосовують у кожному транспортному засобі з двигуном внутрішнього згоряння для живлення бортових електроприладів і підзаряджання акумулятора під час руху. Він перетворює механічну енергію обертання колінчастого вала на електричну за допомогою пасового привода. Генератор створює трифазний змінний струм, який за допомогою вбудованого діодного блока відразу випрямляється у постійний струм зі стабільною напругою близько $14\text{ В}$.

Запитання для інженера-конструктора:

1. За допомогою яких електронних регуляторів підтримується стала вихідна напруга під час коливань обертів двигуна?
2. Які конструктивні переваги має використання діодного випрямляча перед класичним механічним колектором?
3. Як реалізоване охолодження статора та випрямного блока в умовах високих підкапотних температур?
4. З яких матеріалів виготовляють щітки та струмознімні кільця ротора для мінімізації зношування деталей?

4. Дізнайся, що означає абрівіатура АС, DC? Хто і як переміг у «війні струмів»?

Абревіатура AC розшифровується як Alternating Current (змінний струм), а DC — як Direct Current (постійний струм).

У «війні струмів» наприкінці XIX століття змагалися Томас Едісон, який захищав постійний струм, та Джордж Вестінгауз разом із Ніколою Теслою, які розвивали систему змінного струму. Перемогла концепція змінного струму завдяки винаходу трансформатора. Напругу змінного струму можна підвищувати до сотень тисяч вольт для передачі на великі відстані без значних втрат у дротах, а потім безпечно знижувати для кінцевого споживача. Для постійного струму в ті часи подібного технологічного рішення не існувало.