§ 61. Способы получения и передача электрической энергии

электрический ток, периодически меняющийся со временем по величине и направлению:

• 1. Промышленная частота — в России и большинстве стран мира стандартная частота составляет 50 Гц (электрический ток меняет направление 100 раз за 1 секунду: 50 раз течет в одну сторону и 50 раз в противоположную).
• 2. Преимущества — технологическая простота генерации мощными электромеханическими синхронными генераторами и исключительное удобство трансформации (повышения и понижения напряжения) для дальней передачи с минимальными потерями.
• 3. Способ получения — вращение проводящего замкнутого контура в постоянном магнитном поле либо непрерывное вращение электромагнита внутри неподвижной системы проводящих медных обмоток.

промышленная электрическая машина, в которой механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую энергию переменного тока на основе фундаментального явления электромагнитной индукции:

• 1. Статор — неподвижная часть генератора; представляет собой массивную цилиндрическую станину из электротехнической стали с внутренними продольными пазами, в которые уложена толстая изолированная медная обмотка.
• 2. Ротор — вращающаяся внутренняя часть генератора; представляет собой мощный электромагнит со стальным сердечником сложной формы, обмотка которого питается постоянным электрическим током.
• 3. Многополюсность ротора — тихоходные гидротурбины не могут вращаться с высокой скоростью (50 оборотов в секунду), поэтому роторы мощных гидрогенераторов конструируют с большим числом пар магнитных полюсов, что позволяет генерировать стандартную промышленную частоту 50 Гц при медленном вращении водяного колеса.

промышленное энергетическое предприятие, предназначенное для преобразования различных видов природной энергии в электрическую:

• 1. Тепловые электростанции (ТЭС) — вырабатывают электроэнергию за счет сжигания органического топлива (угля, природного газа, мазута); пар высокого давления вращает паровую турбину ротора генератора; выбросы дымовых газов загрязняют атмосферу.
• 2. Гидроэлектростанции (ГЭС) — преобразуют кинетическую и потенциальную энергию падающего потока воды в механическое вращение гидротурбин; экологические последствия включают затопление пойменных земель и заиливание водохранилищ.
• 3. Атомные электростанции (АЭС) — используют тепловую энергию деления тяжелых ядер урана в ядерном реакторе для получения пара; ключевой экологический риск заключается в угрозе радиационного заражения территорий при авариях.
• 4. Альтернативная энергетика — ветровые (ВЭС), солнечные (СЭС) и приливные (ПЭС) электростанции, использующие неисчерпаемые возобновляемые природные ресурсы и наносящие минимальный вред экосистемам.

природные источники энергии, используемые человечеством для производства тепла и электричества:

• 1. Невозобновляемые ресурсы — ископаемые энергоносители (каменный уголь, нефть, природный газ, урановая руда), геологическое образование которых длилось миллионы лет, а запасы в недрах строго ограничены.
• 2. Возобновляемые ресурсы — природные энергоносители органического происхождения (торф, древесная биомасса, биотопливо), способные быстро восстанавливаться в биосфере естественным путем.
• 3. Неисчерпаемые ресурсы — постоянные возобновляемые потоки природной стихии (лучистая энергия Солнца, кинетическая энергия ветра, гравитационные морские приливы).

1. Определение переменного тока:

Переменным током называют электрический ток, периодически меняющийся со временем по величине и направлению.

2. Простой опыт по получению переменного тока:

Для опыта используют катушку из медной проволоки, подключенную к чувствительному демонстрационному гальванометру со средней нулевой отметкой.

• Если взять постоянный полосовой магнит и начать периодически двигать его вверх и вниз относительно катушки (вдвигать и выдвигать в течение нескольких секунд), стрелка гальванометра будет непрерывно отклоняться от нулевого деления то в одну, то в другую сторону.
• Это экспериментально доказывает, что при периодическом изменении магнитного потока, пронизывающего витки катушки, сила наведенного индукционного тока и его направление непрерывно и периодически изменяются со временем.

Переменный электрический ток находит всеобъемлющее применение во всех сферах жизни современного общества:

• В осветительной и бытовой сети жилых домов и общественных зданий: именно переменный ток со стандартной частотой 50 Гц и действующим напряжением 220 В питает домашнее освещение, бытовые приборы, нагреватели и электронику.
• В промышленности и на транспорте: переменный ток приводит в движение мощные электродвигатели станков, прокатных станов, насосов, компрессоров, строительных кранов и вентиляционных установок на заводах и фабриках.
• В магистральных энергосистемах: переменный ток используется для передачи колоссальных мощностей на сотни и тысячи километров, поскольку он технологически прост в генерации мощными генераторами и исключительно удобен для повышения и понижения напряжения с помощью трансформаторов.

(Примечание: в России и большинстве стран мира промышленный переменный ток меняет направление 100 раз за одну секунду — 50 раз течет в одну сторону и 50 раз в противоположную, что соответствует частоте 50 Гц).

1. Устройство промышленного электромеханического индукционного генератора:

• Статор (неподвижная часть машины): массивная цилиндрическая стальная станина (основная несущая конструкция машины), на внутренней цилиндрической поверхности которой прорезаны продольные пазы. В эти пазы плотно укладываются витки толстого медного провода, образующие обмотку статора, в которой индуцируется переменный ток.
• Ротор (вращающаяся часть машины): представляет собой мощный многополюсный электромагнит. Он состоит из стального сердечника сложной формы, на который надета обмотка возбуждения. По этой обмотке пропускается постоянный электрический ток (от отдельного источника — возбудителя), создающий сильное магнитное поле.
• Приводной вал: ротор насажен на общий массивный стальной вал с приводной турбиной (водяной на ГЭС или паровой на ТЭС и АЭС).

2. Принцип действия:

• В основе работы генератора лежит фундаментальное явление электромагнитной индукции.
• Внешняя механическая сила (напор падающей воды или струя пара высокого давления) вращает турбину, которая приводит во вращение ротор с постоянной скоростью.
• Создаваемое ротором постоянное магнитное поле начинает вращаться в пространстве вместе с ним.
• При этом вращающийся магнитный поток непрерывно пересекает витки медной обмотки статора, в результате чего магнитный поток сквозь эти витки периодически изменяется во времени.
• По закону электромагнитной индукции в неподвижной обмотке статора возбуждается переменная ЭДС индукции и возникает мощный переменный электрический ток, отводимый в электрическую сеть через неподвижные шины.

1. Замыкание ключа К1 при разомкнутом ключе К2 (режим электродвигателя):

• При замыкании ключа К1 образуется замкнутая электрическая цепь между гальваническим источником питания и проводящей рамкой. По виткам рамки начинает течь постоянный электрический ток.
• Рамка находится в магнитном поле постоянного магнита. На проводники рамки с током со стороны магнитного поля действуют механические силы Ампера.
• Силы Ампера, приложенные к противоположным сторонам рамки, направлены в противоположные стороны (согласно правилу левой руки) и создают вращающий момент сил. Под действием этого момента сил рамка начинает непрерывно вращаться — установка работает как электродвигатель.

2. Размыкание ключа К1, замыкание ключа К2 и внешнее вращение рамки (режим электрогенератора):

• В этом случае гальванический источник отключен, а проводящая рамка образует замкнутую цепь с электрической лампочкой.
• При принудительном механическом вращении рамки в магнитном поле постоянного магнита магнитный поток, пронизывающий плоскость рамки, непрерывно и периодически изменяется (от максимального значения, когда плоскость рамки перпендикулярна магнитным линиям, до нуля, когда плоскость параллельна им).
• Вследствие электромагнитной индукции в проводниках рамки возбуждается индукционный электрический ток. Протекая по цепи, этот ток нагревает вольфрамовую нить лампочки, и лампочка загорается — установка работает как электрогенератор.

3. Изменение направления тока через лампочку:

• Да, направление тока непрерывно меняется на противоположное.
• При повороте рамки на каждые 180° (пол-оборота) характер изменения магнитного потока сменяется: магнитный поток сквозь контур сначала нарастает ($\Delta\Phi > 0$), а затем убывает ($\Delta\Phi < 0$). Согласно правилу Ленца, направление наведенного индукционного тока при этом также меняется на противоположное дважды за каждый полный оборот рамки. Следовательно, через лампочку протекает именно переменный электрический ток.