uabooks.top

Amikor felkapcsoljátok otthon a világítást, a helyiséget azonnal egyenletes fény tölti be, vagyis a lámpák fényessége nem változik. Miért nevezzük mégis az izzószálon áthaladó áramot váltakozónak?

Váltakozó elektromos áram

Elektromágneses kényszerrezgések -

a töltések, a feszültség és áramerősség csilla pítatlan rezgései, amelyek periodikusan ismétlődő elektromotoros erő hatására jönnek létre:

ahol e - az EME értéke az adott pillanatban (az EME pillanatnyi értéke); !f_max - az EME amplitúdója; ω — a változó EME kör-frekvenciája (19.1 ábra).

A kényszerrezgések egyik példája a változó elektromos áram.

A váltakozó elektromos áram olyan elektromos áram, amelynek erőssége harmonikusan változik:

ahol і — az áramerősség pillanatnyi értéke; 7_max - az áramerősség amplitúdója; ω — a változó EME körfrekvenciája, amely azonos a váltakozó EME frekvenciájával; <po — az áram és az EME közötti fáziseltolódás.

Az egyenáramtól eltérően a váltakozó áram állandóan periodikusan változtatja értékét és irányát (19.1. ábra).

Hogyan hozható létre váltakozó EME?

A periodikusan váltakozó EME-t létrehozó energiaforrást váltakozó áramú generátornak nevezzük.

Váltakozó áramú generátorként például а В indukciójú homogén mágneses térben valamely ω állandó szögsebességgel forgó vezetőkeret szolgálhat (19.2. a ábra). Bebizonyítjuk, hogy ezekkel a feltételekkel a keretben változó erősségű EME indukálódik, amely harmonikus törvény szerint változik.

A meghatározás szerint a kereten áthatoló Φ mágneses fluxus a következő kifejezéssel számítható ki: Φ = BScos a. Tételezzük fel, hogy t\ kezdeti időpontban a vezetőkeret síkja merőleges a mágneses indukcióvonalakra (19.2. a ábra, 1. állás), azaz a keret felületére bocsátott normális nés a mágneses indukció-vektor közötti szög nulla (oq = 0). Ha a keret elfordul a mágneses térben, akkor az a szög a következő szabály szerint fog változni: a = ωί. Tehát ennek megfelelően változik a mágneses fluxus is:

19.2. ábra. Váltakozó indukciós EME létrehozása állandó mágnes mágneses terében forgó keretben: a - a keretet átszelő mágneses fluxus változása; b - az e(f) grafikon - az EME és az idő közötti összefüggés grafikonja

Faraday törvénye szerint a keretben indukciós EME jön létre:

Az indukciós EME a t₂ és f₄ pillanatokban éri el maximális értékét, amikor a keret a mágneses indukcióvonalak mentén helyezkedik el, vagyis a = 90° (19.2. a ábra, 2. és 4. állás) és nullává alakul át a t_b f₃, f₅ pillanatokban, amikor a keret merőleges a mágneses indukcióvonalakra, azaz a = 0, vagy ha a = 180° (19.2. a ábra, 1., 3., 5. állás).

Ha a keret nem egy, hanem N számú menetből áll, akkor az indukciós EME képlete:

Hogyan hozható létre váltakozó áram?

Ha a mágneses térben forgó vezetőkerethez speciális érintkezők segítségével fogyasztót kapcsolnak (pl. izzólámpát), az elektromos áramkör záródik, és váltakozó elektromos áram jön létre benne. Áramforrásként a forgó keret szolgál, fogyasztóként pedig az izzó.

Ohm törvénye alapján a teljes áramkörre az izzóban az áramerősség a következő képlettel határozható meg:

Mivel az áram váltakozó, a lámpa izzószálának periodikusan ismétlődd időközönként kellene izzania. Mivel azonban az áram változásának frekvenciája viszonylag nagy, az emberi szem nem érzékeli az izzás változását.

Jegyezzétek meg: a kapacitást és induktivitást tartalmazó körökben az áramerősség és az EME rezgésének fázisa nem esik egybe (lásd a

19.1. ábrát), ezért általános esetben az áramerősség pillanatnyi értékét a következő kifejezéssel határozhatjuk meg:

Váltakozó áramú generátor

A legegyszerűbb váltakozó áramú indukciós generátor (19.3. ábra) vasmagból és a hornyaira tekercselt huzalból áll (a 19.3. b ábrán ezt a részt kerettel helyettesítették); a huzalok végein gyűrű van, amelyekről a rányomódó kefék segítségével áram vezethető a fogyasztóhoz; a tekercselt mag a mozdulatlan állandó- vagy elektromágnes mágneses terében forog. A generátor forgórészét rotornak, az állórészét sztatornak nevezzük.

Viszont az említett konstrukciójú generátornak számos jelentős hiányossága van:

1) ha nagyfeszültségű áramot vezetnek le a generátorról, a mozgó csatlakozásoknál (gyűrű — kefe) erős szikrázás tapasztalható, ami jelentős energiaveszteséghez és idő előtti kopáshoz vezet;

2) a váltakozó áram frekvenciája viszonylag magas (a világ országainak többségében υ = 50 Hz), tehát a rotor forgási frekvenciájának 50 förd/s-nak kell lennie, amit technikailag nehéz kivitelezni.

Az indukciós EME létrehozásában nincs jelentősége annak, hogy mi szolgál rotorként — a mozdulatlan elektromágnes mágneses terében forgó keret vagy az álló keret belsejében forgó elektromágnes. A keretet átszelő mágneses fluxus mindkét esetben változik. Viszont az elektromágnes tekercsében lévő áramerősség jóval kisebb a generátor által a külső körbe leadott áramerősségnél. Ezért a modern nagyteljesítményű generátorokban (19.4. ábra) rotorként henger alakú elektromágnes szolgál, amelynek hornyaiban tekercs van. A rotor tekercsére a kollektoron

keresztül egyenáramú áramforrástól — gerjesztőtől — áramot adnak. A sztator tekercsét, amelyben induktív EME keletkezik, mozdulatlan üreges, nehéz fémhengerbe helyezik, amely az elektromágnes vasmagjához hasonlóan acéllapokból készült (a Foucault-áramok csökkentése céljából). A sztator tekercsét könnyű szigetelni, és róla könnyebb kivezetni az áramot a külső áramkörbe.

A rotor forgási sebessége néhány pár mágneses pólussal rendelkező elektromágnes segítségével csökkenthető. A generátor által létrehozott váltakozó áram υ frekvenciája és a generátor rotorjának n forgási frekvenciája közötti kapcsolatot a következő képlet fejezi ki:

ahol p — a generátor mágneses póluspárjainak száma.

Gyakoroljuk a feladatok megoldását!

Feladat. A 100 cm² felületű és 60 menetes keret egyenletesen 120 ford/min frekvenciával forog a 0,025 T indukciójú homogén mágneses térben. Az idő mérésének kezdeti pillanatában a keret síkja merőleges a mágneses indukció-vonalakra. írjátok fel a keret felszínén áthatoló mágneses fluxus és az idő közötti összefüggés egyenletét! Határozzátok meg a keret indukciós EME-t a

megfigyelés kezdete utáni

s-ban! Határozzátok meg az áramerősség maxi

mális értékét a keretben, ha az 25

ellenállású aktív terheléshez van kap

csolva, az ellenállása pedig

Összegezés

Elektromágneses kényszerrezgéseknek nevezzük a feszültség és az áramerősség csillapítatlan rezgéseit, amelyeket periodikusan változó elektromotoros erő idéz elő:

Elektromágneses kényszerrezgés például a váltakozó

elektromos áram, amelynek erőssége periodikus törvény szerint változik:

А В indukciójú homogén mágneses térben a ω állandó szögsebességgel forgó S felületű vezetőkeretben váltakozó EME indukálódik:

Ha a mágneses térben forgó vezetőkerethez R ellenállású aktív terhelést kapcsolunk, akkor a körben váltakozó elektromos áram jön létre:

A váltakozó elektromos áramot a váltakozó áramú generátorok termelik, olyan elektromos áramforrások, amelyek periodikusan váltakozó EME-t hoznak létre.

Ellenőrző kérdések

1. Mit nevezünk elektromágneses kényszerrezgéseknek? 2. Milyen áramot nevezünk váltakozónak? 3. Miért jön létre a mágneses térben forgó keretben váltakozó EME? 4. Függ-e, és ha igen, akkor hogyan, a váltakozó EME maximális értéke a keret szögsebességétől? A keret felszínének területétől? A keretet alkotó huzal menetszámától? A keret ellenállásától? 5. Miért jön létre a keretben áram, miután zártuk azt? Milyen tényezőktől függ ennek az áramnak az erőssége? Mi szolgál áramforrásként ebben a körben? 6. Ismertessétek a legegyszerűbb váltakozó áramú generátor felépítését! Miért nem használják széles körben az ilyen típusú generátorokat? 7. Ismertessétek a korszerű váltakozó áramú generátorok felépítését és főbb jellegzetességeit!

19. gyakorlat

1. Hány mágneses póluspárral rendelkeznek a Dnyiprogesz generátorainak rotorjai, ha percenként 83,3 fordulatot téve szabvány frekvenciájú (50 Hz) elektromos áramot termelnek?

A mágneses térben egyenletesen forgó 50 menetes keretben a mágneses fluxus a

függvény szerint változik. A

ellenállású kere

tet 10 Ω aktív ellenállásra kapcsolják. írjátok fel az e(t) és i(f) függvények egyenleteit! Határozzátok meg: a) a kereten létrejött EME értékét a megfigyelés kezdete utáni 5,0 ms-ban; b) az áramerősség maximális értékét a keretben; c) az áramerősséget a megfigyelés kezdete utáni 1,0 ms-ban!

Abban a pillanatban, amikor a keret síkja merőleges a mágneses indukcióvonalakra, a rajta áthatoló mágneses fluxus maximális értéket vesz fel. Miért egyenlő nullával ebben a pillanatban az indukciós EME?

4. A téglalap alakú, 20 menetes és 20x30 cm méretű réz vezetőkeret 0,5 T indukciójú homogén mágneses térben van. A rézdrót átmérője 1 mm. A keretet 6,6 Ω ellenállású rezisztorra kapcsolják, majd 10 ford/s frekvenciával forgatni kezdik. Határozzátok meg a keretben létrejövő áramerősség maximális értékét, ha a keret forgástengelye merőleges a mágneses indukcióvonalakra!

5. Állítsátok össze egy olyan kísérlet tervét, ahol meg kell határozni a mágneses tér indukcióját, ha benne áramjárta keret forog!

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev