Закон Фарадея, основной закон электромагнетизма, формулируется следующим образом: э.д.с. индукции в проводнике прямо пропорциональна скорости, с которой проводник пересекает магнитные силовые линии, т. е. скорости изменения магнитного потока.
Полярность индуцированного напряжения может быть определена с помощью правила левой руки для генераторов: большой палец, указательный и средний пальцы необходимо установить под прямым углом друг к другу (рис. 9-13). Большой палец указывает направление перемещения проводника, указательный — направление силовых линий, а средний палец укажет на отрицательный конец проводника, то есть направление тока.
Рис. 9-13. Правило левой руки для генераторов может быть использовано для определения направления индуцированного тока в генераторе
9–3. Вопросы
1. Как может быть увеличена длина магнита без физического воздействия на магнит?
2. Что такое остаточный магнетизм?
3. Как работает магнитный экран?
4. Как электромагнитная индукция используется для получения электричества?
Генератор переменного тока преобразует механическую энергию в электрическую, используя принцип электромагнитной индукции. Механическая энергия необходима для осуществления движения проводника относительно магнитного поля.
На рис. 9-14 изображена рамка (проводник), вращающаяся в магнитном поле. Рамка имеет светлую и темную стороны для удобства объяснения. В момент, показанный на (А), темная половина рамки движется параллельно силовым линиям, как и светлая половина. Напряжение не индуцируется. При повороте рамки в положение (Б) она пересекает силовые линии, и напряжение индуцируется.
В этом положении индуцированное напряжение максимально, так как плоскость рамки образует прямой угол с магнитным полем. При перемещении рамки в положение В количество пересекаемых силовых линий уменьшается, и индуцированное напряжение убывает от максимального значения до нуля. В этот момент рамка повернулась на 180 градусов или совершила пол-оборота.
Рис. 9-14. Индуцированное напряжение в генераторе переменного тока
Направление тока можно определить, применяя правило левой руки для генераторов. Направление тока в положении Б показано стрелкой. Когда рамка поворачивается в положение Г, направления перемещения меняются. Теперь темная половина рамки движется вверх через магнитные силовые линии, а светлая половина рамки движется вниз. Применение правила левой руки для генераторов показывает, что индуцированное напряжение изменяет полярность. Напряжение достигает максимума в положении Г и уменьшается до нуля, когда рамка возвращается в исходное положение. Индуцированное напряжение завершило один цикл с двумя сменами полярности.
Вращающаяся рамка называется якорем, причем якорь может иметь любое количество рамок. Термин «якорь» относится к детали, которая вращается в магнитном поле, независимо от того, из одной или из нескольких рамок она состоит. Частота переменного тока или напряжения — это число полных оборотов якоря в секунду, а скорость вращения определяет частоту. Такое устройство называют генератором переменного тока.
Генератор постоянного тока также преобразует механическую энергию в электрическую. Он работает подобно генератору переменного тока, за исключением того, что преобразует переменное напряжение в постоянное, и делает это с помощью устройства, называемого коллектором, как показано на рис. 9-15.
Рис. 9-15. Индуцированное напряжение в генераторе постоянного тока.
Выходное напряжение снимается с коллектора — расщепленного кольца. Когда рамка вращается из положения А в положение Б, индуцируется напряжение. Индуцированное напряжение максимально, когда направление движения рамки образует прямой угол с магнитным полем. Когда рамка перемещается в положение В, индуцированное напряжение уменьшается от максимального значения до нуля. Когда рамка продолжает перемещаться в положение Г, напряжение также индуцируется, но коллектор меняет его полярность, и оно остается таким же, как раньше. После этого рамка возвращается в исходное положение Д. Напряжение, генерируемое коллектором, является пульсирующим, но оно всегда направлено только в одном направлении, дважды изменяясь от нуля до максимума в течение каждого оборота.