Генератори наизменичне струје

Батерије и акумулатори дају једносмерну струју (увек исти смер).

Ако се магнет стално увлачи и извлачи или ако се прекидач примарног кола стално укључује и искључује – у секундарном колу слободни електрони се крећу кроз проводник час у једном час у другом смеру – наизменично мењају смер кретања.

При увлачењу магнета јавља се електрична струја једног смера
При извлачењу магнета јавља се електрична струја другог смера

Електрична струја чија се јачина и смер наизменично (периодично) мењају назива се наизменична струја.

Наизменична струја се добија помоћу индукционих генератора. Индукциони генератори су уређаји у којима се помоћу електромагнетне индукције производи наизменична струја.

Индукциони генератор се састоји од металног рама (ротор) који ротира у хомогеном магнетном пољу сталног магнета (статор).

При окретању рама његове стране пресецају линије магнетног поља, пролазећи наизменично поред једног и другог магнетног пола. При овоме у раму се индукује струја час једног, час другог смера.

Магнетно поље је стално али се мења угао између линија поља и површине кроз коју пролазе, што је довољно за промену флукса. Магнетни флукс је највећи када је површина обухваћена рамом нормалана на линије магнетног поља (прва слика), а једнак је нули када је површина паралелна са линијама магнетног поља (друга слика).

Рам ротира у хомогеном магнетном пољу сталном угаоном брзином w (угаона брзина – кружна фреквенција) и својим страницама АВ (a) и CD (c) пресеца линије магнетног поља. Том приликом се мења магнетни флукс кроз површину обухваћену рамом. Највећа промена флукса је када рам пролази кроз положај када је површина обухваћена рамом паралелна са линијама магнетног поља (друга слика). У том тренутку је највећа и индукована електромоторна сила. Индукована електромотрана сила је најмања у положају када је површина обухваћена рамом нормална на линије магнетног поља (прва слика).

Када се рам обрне за пола круга странице АВ (a) и CD (c) замене место. Даљим окретањем рама кроз странице АВ (a) и CD (c) добија се струја супротног смера и знака индуковане електромоторне силе.

Окретањем рама у хомогеном магнетном пољу у њему се индукује наизменична електрична струја. Њена јачина расте од нуле (прва слика) до максималне вредности (друга слика), затим пада на нулу (трећа слика), расте у супротном смеру до максималане вредности (четврта слика) и пада на нулу (прва слика). Описана промена јачине електричне струје догађа се у току једног обртања рама. Даљим обртањем рама циклус се понавља.

Промена индуковане електромоторне силе у раму у току једног обртаја:

Индукована електромоторнa сила у проводнику који је нормалан на линије магнетног поља, а помера се кроз поље брзином која заклапа угао j са линијама поља:

$\varepsilon =Blv sin\varphi$

$\varepsilon =B2lv sin\varphi$

Угао $\varphi$ се мења у току времена и зависи од угаоне брзине којом ротира рам и од времена:

$\varphi =\omega t$

Веза између угаоне брзине и брзине проводника – странице рама је

$v =r\omega$

Заменом у формулу за индуковану електромоторну силу добија се:

$\varepsilon =B2lr\omega sin\omega t$

површина рама је: $S =2rl$

$\varepsilon =B\omega S sin\omega t$

Када је $sin \omega t =1$ индукована електромоторна сила има највећу вредност. Највећу вредност индуковане електромоторне силе ћемо означити са $\varepsilon _{0}$ .

$\varepsilon =\varepsilon _{0} sin\omega t$

где је: $\varepsilon _{0}=B\omega S$

График зависности електромоторне силе од времена:

Видимо да је индукована електромоторана сила наизменична односно периодично променљива.

Ако је у струно коло прикључен неки потрошач, напон на његовим крајевима се, такође, мења периодично:

$u =U _{0} sin\omega t$

$u$ – тренутна вредност напона наизменичне струје

$U _{0}$ – максимална (амплитудна) вредност напона наизменичне струје

Променљива електромоторна сила даје променљиву електричну струју. Наизменична струја прати промене електромоторне силе, па се тренутна вредност јачине наизменичне струје може представити сличном формулом:

$i =I _{0} sin\omega t$

$i$ – тренутна вредност јачине наизменичне струје

$I _{0}$ – максимална (амплитудна) вредност јачине наизменичне струје

Ова врста генератора – која за ротор има жичани рам, а за статор сталне магнете – назива се динамо машина.

Постоји и обрнут принцип, где је ротор магнет, тј. електромагнет, а статор има намотаје жице у којима се индукује струја. Оваква врста генератора назива се алтернатор. Код електрана се за производњу електричне енергије углавном користе алтернатори.

За покретање ротора у генератору потребна је енергија. Ротор се обично налази на једном крају осовине, док се на њеном другом крају налази турбина. У хидроелектрани на лопатице турбине пада вода са велике висине и окреће осовину. У овом случају кинетичка енергија ове воде се претвара у електричну енергију. У термоелектранама и нуклеарним електранама турбину окреће снажан млаз водене паре који потиче из парног котла. Код њих се једино разликује извор енергије потребне да изазове кључање воде у котлу. У термоелектранама та енергија се добија сагоревањем неког фосилног горива: угља нафте… У нуклеарним електранама ова енергија се добија фисијом уранијума или плутонијума у нуклеарном реактору. Постоје још електране које користе енергију плиме и осеке или енергију ветра.

Време трајања једног обртаја назива се период наизменичне струје ( $T$ ).

Број обртаја проводника у једној секунди назива се фреквенција ( $f$ ).

$\omega =\frac{2\pi }{T}$ $f =\frac{1}{T}$

$\omega =2\pi f$

У електранама се ротор окреће одређеном фреквенцијом, док се вредност електромоторне силе подешава бројем намотаја на ротору (већи број намотаја већа електромоторна сила).

У Европи наизменична струја има фреквенцију 50Hz. Фреквенција 50Hz значи да електрони у проводнику осцилују лево – десно том фреквенцијом, тј. да они праве 50 пуних осцилација у једној секунди. Ово се постиже тако што се ротор генератора обрће са 50 обртаја у секунди, тј. 3000 обртаја у минути. Као и електрони и наизменична струја мења смер кретања 100 пута у секунди.

Додатак:

Ефективне вредности напона и струје

Физика

Генератори наизменичне струје

Садржај

Часописи