Автоматическая коммутация

Благодаря автоматической коммутации магнитные полюса катушки меняются на противоположные при достижении полюсов постоянного магнита. Теперь они уже не разноименные, а одноименные полюса относительно ближайших полюсов магнита. Поскольку одноименные полюса взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее полюса притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита. Данный цикл повторяется направление тока меняется каждый раз, когда полюса катушки располагаются напротив разноименных полюсов постоянного магнита, и катушка будет вращаться, пока не будет отключен источник питания.
Вращающаяся часть электрической машины называется ротором (или якорем), а неподвижная - статором. В простом электродвигателе постоянного тока блок катушки служит ротором, а постоянный магнит статором.
В некоторых двигателях для создания магнитного поля вместо постоянного магнита используют электромагнит. Витки проволоки такого электромагнита называются обмоткой возбуждения.

 

 

Двигатели постоянного тока

Электрический ток от батареи или другого источника, который движется только в одном направлении, называется постоянным током. Если батарея подключена к катушке простого электродвигателя, катушка намагничивается, при этом на противоположных ее концах возникает два полюса - отрицательный и положительный. Поскольку противоположные полюса совместно притягиваются, северный и южный полюса катушки направляются, соответственно, к южному и северному полюсам постоянного магнита. Эти силы притяжения заставляют катушку вращаться вокруг своей оси, и вскоре ее полюса размещаются у противоположных полюсов постоянного магнита.
Однако в этот момент автоматический переключающий устройство (коллектор) направляет ток в противоположную сторону. Коллектор простого электродвигателя постоянного тока состоит из медного кольца, которое разрезанное пополам и крепится (с прокладкой из диэлектрика) на оси ротора. Концы катушки подключаются к двух половинок кольца. Ток проходит через катушку и попадает на пару угольных контактов щеток, которые касаются противоположных сторон коллектора. Во время вращения ротора каждая щетка поочередно взаимодействует с обеими сторонами катушки.

Электроснабжение

Фарадей первым использовал электромагнитный эффект для выработки электричества. К концу 1870-х гг. появились мощные генераторы, а в 1881 г. начала работать первая электростанция в Годалмингу (Англия). Именно она стала первой в мире гидроэлектростанцией, ведь генератор приводил в движение водяную мельницу.
В электрических двигателях и генераторах много общего, и некоторые машины могут выполнять функции обоих. В простом электродвигателе проволочная катушка крепится на валу, что позволяет ей свободно вращаться между полюсами подковообразного постоянного магнита. Катушка играет роль электромагнита, намагнитчивая во время прохождения через нее электрического тока. Железный сердечник, находящийся внутри катушки, усиливает создаваемый магнитный эффект.

 

 

Электромагнитная индукция

Открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции, названное им «электрическим вращением», положенное в основу принципа действия современных электродвигателей. Первый электродвигатель, который нашел практическое применение, изобрел в 1837 г. американский инженер Томас Давенпорт. Он использовал два таких двигателя: для работы сверлильного и деревообрабатывающего станков.
Изучив электричество как движущую силу, Фарадей начал искать пути преобразования механической энергии в электрическую. В 1831 г. он продемонстрировал, что перемещение стержневого магнита возле проволочной катушки вызвало прохождение тока через подключенный к нему измерительный прибор. При этом сила тока была гораздо выше, чем в случае с одинарным проводом.

Эрстед и Ампер

В 1819 г. датский профессор Хан Эрстед сделал открытие: поток электрического тока, идущего через провод, заставляет стрелку магнитного компаса отклоняться. Так Эрстед открыл явление электромагнетизма - магнетизма, создаваемого электричеством. В 1821 г. французский ученый Андре Ампер продемонстрировал связанное с этим механическое взаимодействие токов (во время пропускания электрического тока через провод, который находился рядом с мощным магнитом, наблюдалось перемещение провода) и установил закон этого взаимодействия. Данный принцип лежит в основе электрического двигателя: преобразование электрической энергии в механическую.
Опыты Ампера были чрезвычайно интересными, однако не имели практического применения. Провод просто немного портился во время появления тока. Но именно в том году английский ученый Майкл Фарадей создал машину, которая с помощью электричества обеспечивала длительное движение. Нижний конец подвешенного провода помещали в сосуд с ртутью, в центре которой находился стержневой магнит. При подключении батареи между верхним концом провода и ртутью провод начинал вращаться вокруг магнита.

Мощные электромашины

В 1931 г. американский ученый Г. Ван-де-Грааф изобрел электростатический генератор широкого практического применения. Движущаяся лента из диэлектрика передает на металлическую пулю заряд, который постепенно увеличивается до нескольких миллионов вольт. Генератор Ван-де-Граафа используется во время испытаний изоляторов и другого оборудования, рассчитанного на высокие напряжения, а также в ядерных исследованиях, при этом высокое напряжение служит для разгона заряженных субатомных частиц.
Хотя фрикционные и асинхронные машины могли создавать высокое напряжение, они были непригодны для выработки сильного постоянного тока. Эта проблема была решена в конце 1790-х г., когда итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел первую батарею. Дальнейшее усовершенствование дало возможность использовать электричество для освещения (конец XIX ст.). Хотя батареи удобное и многоцелевое источник электроэнергии, они постепенно разряжаются и требуют замены или подзарядки. Они не могут обеспечить крупные населенные пункты электричеством, необходимой для освещения, отопления и удовлетворения других потребностей. Эксперименты, проведенные в начале XIX в., привели к созданию современных генераторов.

Электрические машины

Электрические генераторы и двигатели получили широкое применение благодаря тому, что электричество очень удобный вид энергии. Производство электроэнергии - достаточно легким процессом, а электродвигатели могут выполнять разное назначение - от бурения скважин до обеспечения движения поездов.
Материя состоит из атомов, а те, в свою очередь, - из электрически заряженных частиц - протонов и электронов. Еще древние греки знали: если потереть янтарь кусочком ткани, он будет притягивать легкие предметы, но не понимали причины того, что происходит. На самом деле вследствие трения возникало электричество.
Обычно в любом веществе находится одинаковое количество отрицательно и положительно заряженных частиц. Поэтому их электрические заряды уравновешены, а вещество нейтрально. Однако в результате трения некоторые электроны перемещаются с одного материала на другой. Как следствие, нарушается равновесие зарядов: материал, притащил электроны, становится отрицательно заряженным, а тот, что отдал их, положительно заряженным.