Попробуем объяснить особенности появления переменной ЭДС и электрического тока. Статья написана с упором на простоту и наглядность, без лишнего усложнения.
Создадим упрощённый генератор переменного тока и попробуем определить в какой момент начнёт появляться и изменяться во времени электродвижущая сила (ЭДС) в обмотке статора генератора.
Определять и наблюдать все изменения будем по цифровому осциллографу.
Генератор представляет собой двигатель на валу которого находится платформа, на которой находится постоянный магнит. В нашем эксперименте будет участвовать 1 магнит (собранный из нескольких магнитов). При вращении платформы этот магнит будет проходить возле соленоида (катушка индуктивности). К катушки будет подключён осциллограф, который будет отображать все изменения на ней (рис.1).
Синусоида.
В присутствии переменного магнитного поля, то есть в тот момент, когда вращающийся магнит приближается и далее отдаляется от катушки, в катушки появляется электродвижущая сила, которая измеряется в вольтах. У катушки также появляется магнитное поле. И если замкнуть цепь, подключив к катушке нагрузку, то потечёт электрический ток по внешней цепи, который можно измерить.
То, как именно электрические заряды будут двигаться и как именно электрический ток будет себя вести, зависит от ЭДС, которая связана с вращением магнита, что в свою очередь даёт переменное магнитное поле. В нашем случае сигнал будет в виде синусоидальной волны. Изобразим синусоиду, но не в одной плоскости, как обычно делают, а изобразим её в 3Д (рис.2).
На анимации видна синусоида, один полный период. Красным цветом показано пол периода (180 градусов), а синим, - другой пол периода (180 градусов). Полная синусоида, это 360 градусов. Красный цвет обозначает направление движения электрического тока в одну сторону, а синий цвет, - в другую. Высота волны, — это амплитуда. Чем больше амплитуда, тем больше величина электрического тока. Продолжительность периода зависит от того, как быстро вращается ротор с магнитами (в моём случае платформа с постоянным магнитом) или по-другому, от быстроты изменения магнитного поля возле катушки. От скорости вращения магнита возле катушки также зависит и амплитуда,- высота волны.
Генерация переменной электродвижущей силы и электрического тока.
На основе установки (рис.1) проведём эксперимент по обнаружению ЭДС в катушки, к которой подключён осциллограф. Фото с установкой на (рис.1) аналогично генератору переменного тока, упрощённое изображение которого показано на (рис.3). На этом рисунке-анимации показан статор/магнитопровод и ротор в виде постоянного магнита с двумя полюсами, - северный(N) и южный(S). А также присутствуют обмотки, на которых будет появляться ЭДС под действием переменного магнитного поля, по причине вращения постоянного магнита.
Так как в нашем эксперименте присутствует только одна обмотка, упростим (рис.3), уберём лишнее.
На (рис.4) показан генератор, который будет отражать все изменения реальной установки, на которой я буду проводить эксперимент. Мы видим только одну активную обмотку. А ротор находится в том положении, в котором будет начинаться эксперимент. В начальном положении магнитные полюса удалены от катушки и будем считать, что в этом положении они не оказывают никакого влияния на катушку. А сам статор можно считать неактивным или диэлектриком, к примеру пластик. При этом опираемся на реальный эксперимент (рис.1), у которого магнит так же удалён от катушки в начальном положении.
Смысл эксперимента не в том, чтобы включить двигатель, тем самым привести ротор во вращение и наблюдать синусоидальный сигнал на осциллографе.
Смысл эксперимента в том, чтобы понять в какой момент на катушке появляется электродвижущая сила и как она изменяется со временем, а также какая у неё полярность и какие магнитные полюса появляются у катушки в тот или иной момент времени. Пронаблюдаем начальный момент появления синусоиды. Для этого я не буду запускать двигатель, а приведу ротор с постоянным магнитом во вращение, рукой. Чувствительность осциллографа достаточна, чтобы даже при такой малой скорости зафиксировать появление ЭДС на катушки.
В данном эксперименте магнит будет взаимодействовать с катушкой только южным полюсом. Если посмотреть на (рис.1), то мы видим южный (S) полюс магнита.
Вращение ротора на определённый градус.
За начальное положение, возьмём положение ротора как на (рис.4). Южный полюс магнита с левой стороны, а северный - с правой. Вращать ротор-магнит будем по часовой стрелки.
Для начала проясним очевидное: если провернуть ротор-магнит по часовой стрелки на 360 градусов, то ориентация магнита вернётся в исходное положение. Если повернуть ротор-магнит на 180 градусов, то южный полюс магнита будет с правой стороны, а северный полюс - с левой. Если повернуть ротор-магнит на 90 градусов, то южный полюс магнита будет находится по центру катушки, с верху.
На данном этапе вращать будем на пол оборота, то есть на 180 градусов, от начального положения.
Соединим щуп осциллографа: сигнальный с низу катушки, а земля, которой является чёрный провод-крокодил с верху катушки (рис.5).
1. Постараемся как можно быстрее повернуть платформу с магнитом на 180 градусов по часовой стрелки (рис.6).
- Пронаблюдаем изменения на экране осциллографа (рис.7). Мы видим синусоиду, ровно один период, который длился примерно то время, которое мы затратили на поворот магнита на 180 градусов, от начального положения. Часть синусоиды ниже линии нуля, указывает на ЭДС отрицательной полярности. А другая часть синусоиды, которая находится выше линии нуля указывает на ЭДС положительной полярности.
(Так как вращение магнита происходит вручную, форма сигнала отличается от чистой синусоиды, но все примеры будут показаны на примере чистой синусоиды.)
2. Теперь повернём платформу с магнитом на 90 градусов от начального положения. В таком случае магнит должен оказаться ровно по центру катушки (рис.8 а, б).
- Пронаблюдаем изменения на катушке, которые покажет осциллограф (рис.9). Мы можем наблюдать одну полуволну синего цвета, которая находится ниже линии нуля. Это значит, что если мы замкнём цепь, соединив проводом низ и верх катушки, и подключим нагрузку к этой цепи, то ток в таком случает потечёт в одну сторону, от плюса к минусу. На минус указывает сигнальный провод осциллографа, и он находится с низу катушки. Значит плюс будет с верху катушки, что в свою очередь значит, что ток потечёт с верху в низ, по внешней цепи. Электрический ток всегда течёт от плюса к минусу.
3. Следующий опыт. За начальное положение возьмём положение магнита, как на (рис.10а). То есть магнит находится по центру катушки, южным полюсом в верх. В последнем опыте он остановился в этом положении.
Быстро повернём магнит на 90 градусов по часовой стрелки (рис.10б).
- Пронаблюдаем изменения, который покажет осциллограф. Мы можем наблюдать одну полуволну красного цвета, которая находится выше линии нуля (рис.11). В этом случае ЭДС будет иметь положительную полярность в том месте, куда подключён сигнальный провод осциллографа, относительно провода-крокодил и верха катушки. Это значит, что если мы замкнём цепь, соединив проводом низ и верх катушки, то электрический ток в таком случает потечёт также в одну сторону, и также от плюса к минусу. На плюс указывает сигнальный провод осциллографа, и он находится там же, с низу катушки. Значит минус будет с верху катушки, что в свою очередь значит, что электрический ток потечёт с низу в верх, по внешней цепи.
Итог.
- При приближении магнитного полюса к неподвижной катушке, ЭДС будет указывать на одну полярность, а при удалении этого же магнитного полюса от катушки, ЭДС будет указывать на другую полярность.
- Направление вращения магнита не меняет картины. Если мы будем вращать магнит в обратную сторону, то ничего не поменяется. Главное это то, приближается ли магнитное поле к катушке или отдаляется от неё, от этого будет зависеть полярность ЭДС, а значит и направление электрического тока, в итоге.
- Если провести те же опыты, но с другим магнитным полюсом, а именно с северным, то выводы, сделанные выше, останутся. Но полярность ЭДС поменяется на противоположную тому, что было в опыте с вращающимся южным полюсом.
Появление магнитного поле у статора, при вращении магнитного поля ротора.
Выяснилось, что при приближении магнита к катушки южным полюсом, с низу катушки осциллограф фиксирует отрицательную полярность, значит с верху катушки будет положительная полярность. Это указывает на то, магнитное поле с какими полюсами будет у катушки индуктивности. При этом, если поменять направление намотки катушки, то полярность, которую покажет осциллограф, поменяется на обратную. Магнитное поле у катушки при этом будет тем же, оно не изменит свои полюса. В данном эксперименте, при приближении постоянного магнита к катушке, при любом направлении намотки этой катушке, с низу катушки всегда будет южный магнитный полюс.
Получается следующее: при приближении постоянного магнита к катушке индуктивности, мы имеем переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле в пространстве возле катушки. При появлении катушки в этом электрическом поле в ней появляется своё магнитное поле, по внутренней цепи течёт ток. Так как с низу катушки у нас уже имеется южный полюс от постоянного магнита, то появившееся магнитное поле у катушки, со своим южным полюсом, будет препятствовать приближению постоянного магнита к катушке.
При отдалении постоянного магнита от катушки, осциллограф показывает уже положительную полярность с низу катушки, значит с верху катушки, будет отрицательная полярность. Это позволяет определить полюса у магнитного поля катушки, наведённые электрическим полем. В данном случае снизу катушки будет северный полюс, а с верху южный полюс. Так как с низу катушки уже есть южный полюс постоянного магнита, то созданный северный полюс катушки будет препятствовать вращению постоянного магнита, то есть его удалению от катушки, в этот момент времени.
Выходит, что в генераторах переменного тока с вращающимся ротором, на котором установлены постоянные или электромагниты, на обмотках статора такого генератора появляется магнитное поле, которое всегда противодействует вращению ротора.
Дополнение:
В целом ситуация такая как описано выше, но есть один дополняющий момент, который я опишу отдельно.
Как было показано, при вращении ротора с постоянным магнитом, при приближении одного полюса к катушке и дальнейшем отдалении этого полюса, на экране осциллографа мы получим синусоиду, один период. При этом мы получаем переменную ЭДС и колебание электрического тока, сначала в одну сторону, потом в другую. Далее эти колебания могут повторяться, так как ротор постоянно вращается. Но если рассмотреть вариант, к примеру, с приближением магнита к катушке и последующего его быстрой остановки, то как было показано, мы увидим только половину синусоиды, одну полуволну. В целом ситуация такая, как и было описано. При приближении одного полюса, мы имеем одну полуволну, при отдалении этого же магнитного полюса мы имеем уже другую полуволну. Но это пока ротор с магнитами находится в движении. Так как в нашем эксперименте есть остановка ротора/магнита, значит эта остановка, это есть отсутствие переменного магнитного поля. Значит нет причины для появления вихревого электрического поля, что в свою очередь значит, что в тот момент, когда магнит остановился и мы пронаблюдали одну полуволну на осциллографе, то следом, после остановки магнита появится более слабая полуволна другого знака. Это связано с тем, что нет динамических сил, которые влияют на катушку, после остановки магнита. После того, как пропало переменное магнитное и электрическое поля, катушка должна прийти в своё равновесное состояние. Заряды в катушки и созданные ими поля приходят в равновесие, и мы получаем импульс противоположной полярности, который покажет осциллограф.
Автор: Spin360
