Формирование напряжения

Формирование напряжения посредством индукции

Под индукцией понимается формирование электрического напряжения посредством изменения магнитного потока, пронизывающего петлю провода или катушку.

При перемещении вперед-назад постоянного магнита внутри катушки в катушке возникает переменное напряжение (рис. 1, слева).

При перемещении вперед-назад петли провода в магнитном поле в петле провода возникает переменное напряжение (рис. 1, справа).

Рис. 1. Индукция в движущемся проводнике

Этот процесс формирования напряжения называется индукцией в движущемся проводнике. При этом напряжение индуцируется лишь пока происходит изменение магнитного потока, пронизывающего катушку или петлю провода. Под магнитным потоком понимается общее число линий магнитного поля, охватываемых катушкой или петлей провода.

Величина напряжения индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока, охваченного катушкой (увеличение или уменьшение за единицу времени), и числу витков катушки.

Способ изменения магнитного потока в катушке не влияет на возникновение индукционного напряжения.

Изменение магнитного потока может происходить посредством:

· движения или вращения катушки в магнитном поле.

· включения и выключения электрического тока в обмотке, например, тока возбуждения в обмотке возбуждения генератора.

· периодического изменения силы тока, например, в первичной обмотке трансформатора.

Направление индукционного напряжения зависит от направления движения и от направления магнитного поля (рис. 1, слева).

Направление тока можно определить по правилу правой руки (рис. 2).

Рис. 2. Правило правой руки

Формирование напряжения посредством индукции стало основой для получения электроэнергии в крупных масштабах. Ротор с полем возбуждения генерирует напряжение в неподвижной индукционной обмотке (обмотке статора) (рис.3).

Рис. 3. Генератор переменного тока

Трансформаторы

Трансформатор состоит из двух катушек, сидящих на одном общем стальном сердечнике (рис.4). Входная (первичная) обмотка отбирает электроэнергию из сети переменного тока. Переменный ток, потребляемый первичной обмоткой, генерирует переменное магнитное поле, которое передается на стальной сердечник и дальше на выходную (вторичную) обмотку и пронизывает её. Переменное магнитное поле индуцирует напряжение во вторичной обмотке.

U₁ : U₂=W₁ : W₂

Рис. 4. Трансформатор

Для трансформаторов характерна следующая закономерность:

Отношение первичного напряжения U1 к вторичному напряжению U2 равняется отношению числа витков W₁ первичной обмотки к числу витков W₂ вторичной обмотки.

Формирование напряжения посредством электрохимических процессов

Гальванический элемент (рис. 1). При погружении в электролит (кислота, щелочь или раствор соли) двух разных металлов образуется гальванический элемент; между двумя металлическими электродами (полюсами) возникает постоянное напряжение (рис. 1). При этом вместо одного из металлов можно применить уголь.

Рис. 1: Гальванический элемент

Величина напряжения гальванического элемента зависит от положения, занимаемого веществами, из которых изготовлены электроды, в электрохимическом ряду напряжений.

При последовательном включении нескольких гальванических элементов с целью умножения напряжения образуется батарея.

При отборе тока ток внутри гальванического элемента течет от отрицательного полюса к положительному. Электролит распадается, металл отрицательного полюса растворяется или химически преобразуется. Водород, выделяющийся на положительном полюсе, должен быть химически связан, чтобы напряжение не падало во время отбора тока. Это происходит в цинково-угольном элементе (рис. 2) за счет покрытия положительного полюса веществами, которые вступают в соединение с водородом, например, пиролюзитом (Mn0₂). Отдача тока прекращается, когда израсходован электролит или химически преобразован металл отрицательного полюса.

Рис. 2. Цинково-нашатырно-пиролюзитный гальванический элемент

Гальванические элементы, в которых электрохимическое преобразование является обратимым с помощью электрического тока, называются аккумуляторами.

Формирование напряжения посредством тепла

Термоэлемент (рис. 3). Если соединить вместе два провода из разных металлов и нагревать место их соединения, то между свободными концами проводов возникнет постоянное напряжение, величина которого зависит от комбинации металлов, из которых сделаны провода, и от температуры. Подключенный вольтметр может быть калиброван для показа температуры в °C. Термоэлементы применяются, например, для управления электрическими вентиляторами.

Рис. 3: Термоэлемент

Формирование напряжения посредством света

Фотоэлемент (рис. 4). Фотоэлемент чаще всего состоит из металлической пластины основания, на которую нанесен слой полупроводника, например, селена. Слой полупроводника соединен с контактным кольцом. При попадании света на фотоэлемент между контактным кольцом и пластиной основания возникает постоянное напряжение. Фотоэлементы применяются, например, в качестве автоматических включателей/выключателей уличного освещения.

Рис. 4: Фотоэлемент

Формирование напряжения посредством деформации кристалла

Пьезоэлемент (рис. 5). Состоит из кристалла (например, кристалл двуокиси кремния). При изменении давления возникает переменное напряжение, которое отводится посредством токопроводящих накладок. Пьезоэлектрические¹ генераторы напряжения применяются в качестве датчиков в процессах, связанных с быстрым изменением давления, например, в качестве датчиков детонации в двигателях внутренноего сгорания.

Рис. 5: Пьезоэлемент

Схемы включения генераторов напряжения

Генераторы напряжения могут быть включены при эксплуатации как последовательно, так и параллельно.

Схема последовательного включения (рис. 1).

Здесь действуют закономерности схемы последовательного включения резисторов. При этом суммируются как внутренние сопротивления генераторов, так и напряжения холостого хода. Полная сила тока равняется силе тока одного отдельного генератора напряжения. Емкость последовательно включенных одинаковых стартерных батарей равняется емкости одной отдельной стартерной батареи (увеличение емкости не происходит), однако при этом напряжение соответственно возрастает в несколько раз.

Источники напряжения включаются последовательно с целью получения более высокого рабочего напряжения.

При последовательном включении генераторов напряжения положительный полюс одной батареи соединяется с отрицательным полюсом следующей батареи.

Рис. 1. Схема последовательного включения генераторов напряжения

Схема параллельного включения (рис. 2). Здесь действуют закономерности схемы параллельного включения резисторов. При этом суммируются как токи, так и значения проводимости. Допускается параллельное включение источников напряжения только одинакового номинального напряжения. Если параллельно включить батареи разного напряжения, то от батареи с более высоким напряжением потечет большой уравнительный ток к батарее с меньшим напряжением. При этом могут разрушиться обе батареи.

Напряжение параллельно включенных одинаковых стартерных батарей равняется напряжению одной отдельной батареи. Однако емкость и отбираемый ток соответственно увеличиваются в несколько раз.

Источники напряжения включаются параллельно с целью получения тока большей силы.

При параллельном включении генераторов напряжения все положительные полюса и все отрицательные полюса должны быть соответственно соединены друг с другом.

Рис. 2: Схема параллельного включения генераторов напряжения