Внутренней вращающейся частью (ротором) является «якорь» — барабан, на котором закреплён целый ряд проволочных рамок. Концы рамок присоединены к своим отрезкам кольца, образующим пластинчатый коллектор, по которому скользят щётки. «Якорь» вращается внутри статора, который представляет собой станину с несколькими парами полюсных наконечников. На эти наконечники надевается обмотка возбуждения для создания магнитного поля (постоянные магниты применяют очень редко).
Из того факта, что «моторы» и «динамо» постоянного тока имеют одинаковое устройство, можно сделать вывод, что одна и та же машина может быть и источником тока, и его потребителем. В самом деле, если вращать якорь машины от турбины, то в его обмотке будет наводиться ток. Это будет динамо. Если же в якорь подать ток от другого источника, то он благодаря взаимодействию с магнитным полем обмотки возбуждения будет сам вращаться. Получится электромотор.
Это и называется «обратимостью электрических машин». Замечательное свойство обратимости электрических машин открыли более ста лет назад русские академики и выдающиеся учёные — электротехники Б. С. Якоби и Э. X. Ленц. Огромный вклад в создание электрических машин внесли также русские учёные П. Н. Яблочков. А. Г. Столетов и другие.
5. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ
При передаче тока по проводам в них выделяется тепло — тем больше, чем больше сопротивление проводов. Эти вредные тепловые потери быстро возрастают с увеличением силы передаваемого тока. Необходимо свести их до минимума — иначе слишком много энергии потеряется «при транспортировке». К снижению потерь в проводах ведут два пути: 1) уменьшение сопротивления проводов; 2) уменьшение силы передаваемого тока.
Уменьшение сопротивления проводов возможно лишь в ограниченных пределах. Если идти только этим путём, то достаточно экономическая передача электроэнергии из Шатуры в Москву потребовала бы очень толстых «проводов» — сечением в несколько десятков квадратных метров, что совершенно неприемлемо.
Остаётся второй путь — снижение силы тока.
Выдающиеся русские электротехники П. Н. Яблочков, а затем И. Ф. Усагин ещё в последней четверти прошлого столетия создали один из важнейших в электротехнике аппаратов — трансформатор (что значит преобразователь). Благодаря трансформатору стало возможным, как мы сейчас увидим, передавать электрическую энергию на очень большое расстояние.
Трансформатор преобразует величину тока и его напряжение без изменения мощности.
Для того чтобы понять, как работает трансформатор, выясним прежде, что такое мощность электрического тока.
Мы уже говорили, что величина напряжения измеряется вольтами, а сила тока — амперами. Если помножить число вольт на число ампер, получится работа, произведённая электрическим током за одну секунду. А работа тока в секунду и есть его мощность. Единица электрической мощности — ватт. Чтобы узнать расход электрической энергии, нужно величину мощности в ваттах помножить на время в часах, в течение которого расходовалась эта мощность.
Для удобства счёта ваттчасы превращают в гектоваттчасы (гекто означает 100) и киловаттчасы («кило» — 1000).
Итак, мощность любой электрической установки определяется произведением силы тока на напряжение. Предположим, мощность нашей установки 20 ватт. Эту величину можно представить так:
Мы видим, что величина мощности остаётся неизменной, хотя величины силы тока и напряжения изменяются. Остаётся найти, каким техническим способом можно изменять ток и напряжение при неизменной мощности. Эта задача и была решена с изобретением трансформатора.
Трансформатор представляет собой железную раму, на которой закреплены две проводниковые катушки (рис. 8).
Если через одну катушку пропускать переменный ток, то рама намагничивается, причём создаваемое в ней магнитное поле — тоже переменное. Это переменное магнитное поле будет по законам электромагнитной индукции наводить переменный ток во второй катушке.
Когда число витков в обеих катушках одинаково, то токи в них будут одной силы и одного напряжения. Но если количество витков вторичной обмотки будет больше, то, как показывает опыт, в ней будет наводиться ток более высокого напряжения. При этом, поскольку подводимая мощность не изменяется, уменьшится сила тока.