Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели . Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели - для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.

В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции - паровой турбиной, .

Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.

Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.

Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразования энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со своими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Индуктор создает в машине магнитное поле. В обмотке якоря . и возникает электрический ток. При взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.

Об осуществлении в электрической машине энергопреобразовательного процесса

Из основных электроэнергетических теорем Пуанкаре и Баркгаузена вытекают следующие положения:

1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии возможно только в том случае, если электрическая энергия является энергией переменного электрического тока;

2) для осуществления процесса такого энергопреобразования необходимо, чтобы в системе электрических контуров, предназначаемых для этой цели, была либо изменяющаяся электрическая индуктивность, либо изменяющаяся электрическая емкость,

3) для осуществления преобразования энергии переменного электрического тока в энергию постоянного электрического тока, необходимо, чтобы в предназначаемой для этой цели системе электрических контуров имелось изменяющееся электрическое сопротивление.

Из первого положения следует, что механическая энергия может преобразоваться в электрической машине только в энергию переменного электрического тока или обратно.

Кажущееся противоречие этого утверждения с фактом существования электрических машин постоянного тока разрешается тем, что в "машине постоянного тока" мы имеем двустадийное преобразование энергии.

Так, в случае электромашинного генератора постоянного тока мы имеем машину, в которой механическая энергия преобразуется в энергию переменного тока, а эта последняя, вследствие наличия особого устройства, представляющего собой "изменяющееся электрическое сопротивление", преобразуется в энергию постоянного тока.

В случае электромашинного двигателя процесс идет, очевидно, в обратном направлении: подводимая к электромашинному двигателю энергия постоянного электрического тока преобразуется посредством упомянутого изменяющегося сопротивления в энергию переменного электрического тока, а последняя - в энергию механическую.

Роль упомянутого изменяющегося электрического сопротивления выполняет "скользящий электрический контакт", который в обычной "коллекторной машине постоянного тока" состоит из "электромашинной щетки" и "электромашинного коллектора", а в «униполярной электрической машине постоянного тока" из "электромашинной щетки" и "электромашинных контактных колец".

Так как для создания в электрической машине процесса энергопреобразования необходимо наличие в ней или "изменяющейся электрической индуктивности", или "изменяющейся электрической емкости", то электрическую машину можно выполнить либо на принципе электромагнитной индукции, либо на принципе электрической индукции. В первом случае получаем "индуктивную машину", во втором - "емкостную машину".

Емкостные машины не имеют пока практического значения. Применяемые в промышленности, на транспорте и в быту электрические машины представляют собой индуктивные машины, за которыми на практике укоренилось краткое наименование "электрическая машина", являющееся, по существу, более широким понятием.

Принцип действия электрического генератора.

Простейшим электрическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис. 1, а). В этом генераторе виток 1 представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3.

Рис. 1. Принципиальные схемы простейших генератора (а) и электродвигателя (б)

При вращении витка с некоторой частотой вращения n его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Ф и в каждом проводнике индуцируется э. д. с. е. При принятом на рис. 1, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно правилу правой руки направлена от нас, а э. д. с. в проводнике, расположенном под северным полюсом, - к нам.

Если подключить к обмотке якоря приемник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электрический ток I. В проводниках обмотки якоря ток I будет направлен так же, как и э. д. с. е.

Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле приходится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). При прохождении тока i по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый проводник действует электромагнитная сила F.

При указанном на рис. 1, а направлении тока согласно правилу левой руки на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная влево, а на проводник, расположенный под северным полюсом, - сила F, направленная вправо. Указанные силы создают совместно электромагнитный момент М, направленный по часовой стрелке.

Из рассмотрения рис. 1, а видно, что электромагнитный момент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, направлен в сторону, противоположную вращению проводников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора.

Для того чтобы предотвратить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент Мвн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электромагнитного момента М, созданного током нагрузки генератора.

Следовательно, для продолжения нормальной работы генератора к нему необходимо подводить извне механическую энергию - вращать его якорь каким-либо двигателем 5.

При отсутствии нагрузки (при разомкнутой внешней цепи генератора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе.

При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Рэл, увеличиваются ток I, проходящий по проводникам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механическая мощность Рмх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.

Таким образом, чем больше электрической энергии потребляется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного генератора, тем больше механической энергии забирает он от вращающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.

Из рассмотренных выше условий работы электрического генератора следует, что характерным для него является:

1. совпадение по направлению тока i и э. д. с. в проводниках обмотки якоря. Это указывает на то, что машина отдает электрическую энергию;

2. возникновение электромагнитного тормозного момента М, направленного против вращения якоря. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.

Принцип действия электрического двигателя.

Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток 1 (рис. 1,б), расположенный на якоре 3, который вращается в магнитном поле полюсов 2. Проводники витка образуют обмотку якоря.

Если подключить виток к источнику электрической энергии, например к электрической сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток I. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы F.

При указанном на рис. 1, б направлении тока на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом,- сила F, направленная влево. В результате совместного действия этих сил создается электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой n . Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством 7 (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приводить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент Мвн, создаваемый этим устройством, будет направлен против электромагнитного момента М.

Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, работающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направление которой определяется но правилу правой руки. Следовательно, при указанном на рис. 1, б направлении вращение э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Из рис. 1, б видно, что э. д. с. е, индуцированные в каждом проводнике, направлены против тока i, т. е. они препятствуют его прохождению по проводникам.

Для того чтобы ток i продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель продолжал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напряжение U, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. Е, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходимо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.

При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, приложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внешнего источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.

При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электродвигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдаваемой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает автоматически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.

Из рассмотренных выше условий работы электрического двигателя следует, что характерным для него является:

1. совпадение по направлению электромагнитного момента М и частоты вращения n. Это характеризует отдачу машиной механической энергии;

2. возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с., направленной против тока i и внешнего напряжения U. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.

Принцип обратимости электрических машин

Рассматривая принцип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего.

Процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнитных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током.

Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.

Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электродвигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин . Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.

Рис. 2. Направление э. д. с. Е, тока I, частоты вращения якоря n и электромагнитного момента М при работе электрической машины постоянного тока в двигательном (а) и генераторном (б) режимах

Для выяснения этого положения рассмотрим работу при различных условиях. Если внешнее напряжение U больше суммарной э. д. с. E. во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток I будет проходить в указанном на рис. 2, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую.

Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения U, то ток I в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 2, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электромагнитного момента М, который будет направлен против частоты вращения n . Совпадение по направлению э. д. с. Е и тока I означает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление тормозного электромагнитного момента М говорит о том, что она должна потреблять извне механическую энергию.

Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводниках обмотки якоря, становится больше напряжения сети U, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при E < U машина работает двигателем, при E > U - генератором.

Перевод электрической машины из двигательного режима в генераторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение U источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. E в обмотке якоря.

Демонстрационные опыты - см. т. II, §§ 2 и 50.
Упрощенные приборы - см. т. III, § 49.
Рисунки и чертежи на уроках - см. т. IV, § 68.

1. Содержание: а) Явление электромагнитной индукции. Связь между направлениями поля, движения проводника и тока. Правило правой руки. б) Получение переменного тока при вращении рамки в магнитном поле. Различие между переменным и постоянным токами, в) Коллектор, как прибор для выпрямления переменного тока. г) Понятие об устройстве динамомашины. Обратимость динамомашины. д) Значение открытия электромагнитной индукции и изобретения динамомашины.

2. Методические замечания . для связи с предыдущим отделом в начале изучения темы следует поставить вопрос, примерно, в том виде, в каком он возник у М. Фарадея . Если проводник с током в магнитном поле приходит в движение, то, в свою очередь, не может ли движение проводника в поле повести к возникновению тока? Другими словами, ставится вопрос о возможности превращения механической энергии в электрическую.

Методические затруднения при изучении, явления электромагнитной индукции и принципа устройства и действия динамомашины вызываются теми же причинами, которые были указаны в § 101, 2. Однако, их легче преодолеть, поскольку подобные вопросы уже рассматривались в предыдущем при изучении электромотора. В целях упрощения изложения и обеспечения доступности материала для учащихся приходится прибегать, кроме демонстрации опытов, к широкому использованию учебных пособий в виде рамок или контуров с кольцами и коллектором (см. т. II, § 50, 7, рис. 377, 389 и 390), а также к применению объяснительных картин. При рисовании на доске необходимо отказаться от чертежей в косоугольной проекции и давать условные изображения в виде разрезов, подобных показанному на рисунке 242. Поскольку учащиеся не имеют представления об электродвижущей силе, постольку, в целях упрощения изложения при рассмотрении явления электромагнитной индукции и последующих вопросов, приходится говорить об индуцированном в проводниках электрическом токе, а не об индуцированной электродвижущей силе, что является с научной точки зрения не совсем правильным.

Затруднения при изучении явления индукции возникают также по той причине, что демонстрационный гальванометр, применяемый в школе, оказывается недостаточно чувствительным. Поэтому явление приходится показывать в сильно осложнённом виде, возбуждая ток в катушке, а не в прямом проводнике.

Далеко не простым делом является создание у учащихся сколько-нибудь правильного представления о переменном электрическом токе не только как о токе, периодически изменяющем своё направление, но и о непрерывном изменении его величин в течение каждого полупериода. Желательно, чтобы учащиеся получили представление о графике переменного тока и могли дать соответствующие объяснения. Это оказывается возможным только в том случае, когда на построение всевозможных графиков преподаватель в течение всего курса обращал достаточное внимание.

3. Электромагнитная индукция. Изложение этого вопроса не только в школе, но и в учебниках является неудовлетворительным. Вследствие методического несовершенства аппаратуры на опытах удаётся обнаружить только возникновение индукционного тока, но не обосновать существующую связь между направлениями поля, механического движения и направлением тока. Подробное изложение методики эксперимента, ведущей к упрощению изложения вопроса и позволяющей ввести правило правой руки, а также описание соответствующих приборов даны в т. II, § 50, 2 и 5. Здесь же по отношению к эксперименту ограничимся следующими указаниями:

1) Индукционная катушка, имеющаяся обычно в школе, должна быть признана негодной с методической точки зрения. Следует применять специально изготовленную катушку, на которой ясно видны учащимся направление обмотки и у которой провода окрашены в различные цвета (см. т. II, рис. 40).

2) Внутри демонстрационного гальванометра надо, в случае надобности, сделать пересоединение проводов, ведущих к его клеммам, чтобы отклонение стрелки происходило по току (см. т. II, § 45, рис. 323).

3) При демонстрации пользоваться не прямым, а U-образным магнитом, так как картина поля у последнего проще, чем у первого (см. т. II, рис. 399 и 401).

4) Следует перемещать катушку, надвигая её на магнит, но не наоборот. В противном случае возникнут затруднения при введении правила правой руки .

Только при соблюдении указанных условий может быть сравнительно просто установлена на опыте связь, выражаемая правилом правой руки.

Явление индукции изучается в следующем виде:

1) Индукционный ток возникает при движении проводника поперёк силовых линий поля, но отнюдь не вдоль их (рис. 244).

2) Явление индукции наблюдается не только при движении перемещении катушки около полюсов проводника по отношению к полю, но и поля по отношению к проводнику, т. е. при относительном движении поля и проводника.

3) Четыре возможных случая движения проводника около магнитных полюсов сводятся к двум основным случаям относительного перемещения проводника поперёк силовых линий поля (рис. 245).

4) Направление индукционного тока в зависимости от направлений поля и перемещения определяется правилом правой руки.

Желательно рассмотреть правило Ленца, что рациональнее выполнить позднее - при постановке опыта, обнаруживающего сопротивление якоря динамомашины при её нагрузке.

Получение индукций электромагнитом можно не демонстрировать, так как это не вносит чего-либо принципиально нового. Демонстрация возникновения тока во вторичной катушке при перерывах тока в первичной служит введением к рассмотрению вопроса о трансформаторе и поэтому должна быть проведена в начале следующей темы.

При изучении правила правой руки следует, руководствуясь положениями, приведёнными в § 101, 3, провести тренировочные занятия со всем классом.

Зарисовки преподавателя на доске и учащихся в тетрадях должны соответствовать всем возможным случаям движения катушки относительно полюсов (рис. 244 и 245).

Вопрос об этих рисунках подробно рассмотрен в т. IV, § 68, 1 (рис. 303-308).

4. Получение переменного тока вращением рамки . Для основного опыта, служащего для обнаружения возникновения переменного тока при поворотах рамки в магнитном поле, служит катушка, описанная в т. II, § 50, 6 (рис. 393). Суждение об изменении направления тока при прохождении рамки через нейтральное положение производится на основании отклонения стрелки демонстрационного гальванометра. Объяснение наблюдаемому явлению даётся на основании правила правой руки при помощи демонстрационного контура с кольцами (рис. 246 и см. т. II, рис. 389) и заранее изготовленных картинок, подобных рисунку 242. У этого контура, как и при изучении движения проводника, для упрощения объяснений необходима окраска его отдельных частей в различные цвета.

Учащихся следует ознакомить с основными отличиями переменного тока от постоянного:

1) Переменный ток через одинаковые промежутки времени меняет своё. направление на обратное.

2) Сила переменного тока в течение такого промежутка времени непрерывно возрастает до некоторой наибольшей величины и затем так же уменьшается до нуля.

3) Время, в течение которого переменный ток течёт как в том, так и обратном направлении, называется периодом переменного тока. Желательно дать график переменного тока (см. т. IV, рис. 306).

В заключение надо рассмотреть устройство магнитоэлектрической машины с кольцами и показать её действие, накаливая электрическую лампочку (см. т. II, § 50, 8 и рис. 394). При этом даются объяснения, с какой целью тело якоря делается из железа, а обмотка - из значительного числа витков.

Упомянув о замене магнитов электромагнитами, такую машину можно рассматривать как прообраз современных машин переменного тока (альтернаторов), употребляемых в технике. Название машин переменного тока динамомашинами неправильно .

5. Выпрямляющее действие коллектора. Динамомашина . Выпрямляющее действие коллектора выясняют, пользуясь контуром с коллектором и прибегая к заранее изготовленным рисункам вроде изображённых на рисунке 247 . Затем демонстрируют действие магнито-электрической машины с коллектором (см. т. II, рис. 394), накаливая лампочку и показывая при помощи демонстрационного гальванометра, что машина даёт прямой ток. Полезно рассказать также об устройстве карманного фонарика с магнито-электрической машиной (см. т. II, рис. 395, II). Указав, что в технических машинах вместо магнитов применяют для усиления действия электромагниты, учащихся знакомят с динамоэлектрическим принципом, состоящим в том, что ток для питания индуктора берётся от якоря динамомашины, что составляет её характерное свойство.

Учащиеся легко усматривают тождество в устройствах динамомашины и мотора постоянного тока. Поэтому вопрос об обратимости динамомашины, что показывается на опыте, не представляет затруднений.

6. Динамомашина как преобразователь механической энергии в электрическую . Важнейшее принципиальное значение имеет опыт, показывающий, что потребляемая динамомашиной механическая мощность зависит от электрической, даваемой динамомашиной. Такое явление обнаруживается по изменению скорости падающего груза, который приводит в действие динамомашину (см. т. II, § 50, 3) при её электрической нагрузке, по сравнению с работой вхолостую. В связи с этим опытом и явлением обратимости динамомашины, как было указано в разделе 3, должно быть выяснено правило Ленца. На основании сопоставления правил правой и левой руки и рисунков вполне возможно подвести учащихся к выводу, что индуктивный ток всегда имеет такое направление, что создаёт силу, противодействующую производимому движению. Далее вводится понятие о к.п.д. динамомашины и указывается его высокая величина для наиболее совершенных машин. Введение к.п.д. производят, отправляясь от закона сохранения энергии и тем самым подчёркивая всеобщность последнего.

В заключение рассматривается значение изобретения механического генератора электрической энергии, которое сделало возможным получение сильных токов и позволило ввести широкое использование электрической энергии в технике и быту.

7. Исторические сведения . Рассмотрение значения изобретения механического генератора электрической энергии должно сопровождаться сообщением соответствующих исторических сведений. К числу их принадлежат: 1) история открытия электромагнитной индукции М. Фарадеем; 2) биография М. Фарадея (§§ 9 и 10); 3) краткие сведения об изобретении динамомашины и 4) история открытия обратимости динамомашины. Изучение биографии М. Фарадея имеет весьма большое воспитательное значение.

Кроме рассказа о Фарадее, учащихся надо ознакомить с жизнью и важнейшими открытиями русского учёного Эмилия Христиановича Ленца, посвятившего всю свою жизнь в основном изучению мгнито-электрических явлений. Наиболее важным следует считать открытие им закона, устанавливающего направление индуцированного тока (правило Ленца) и тем самым связывающего в одно целое явления движения проводника в магнитном поле и явления электромагнитной индукции (см. раздел 6). Это открытие имело огромное принципиальное значение и, дополненное ещё рядом других работ Ленца по электромагнетизму, являясь первой определяющей для мировой науки работой по теории электромагнитных машин. Поэтому осведомление учащихся об академикё Ленце только как об учёном, открывшем закон Джоуля-Ленца, является недостаточным.

8. Задачи. Задачи применяются с той же целью и такого же типа, как и в теме «движение проводника». Особые интерес и пользу представляют задачи-вопросы о переменном токе, предлагающие предсказать, как будут происходить: тепловые действия, электролиз сернокислой меди и подкислённой воды и притяжение электромагнитом железа (см. т. II, § 51, 2 и рис. 406).

9. Учебные пособия . Кроме казанных выше контуров с кольцами и коллектором, следует применить объяснительную картину: «Устройство генератора постоянного тока. Полезна демонстрация диапозитивов с изображением употребляющихся в технике машин (генераторов) постоянного и переменного токов. Ещё лучше показать соответствующие фрагменты из кинофильма: «Превращение механической энергии в электрическую».

Исключительно сильное впечатление на учащихся производит демонстрация действующей модели паросиловой электростанции.

10. Внеклассные занятия . Как было указано в § 49, 3, желательна организация вечера, посвящённого М. Фарадею, или выпуск соответствующей стенгазеты. Для кружковых занятий тема открывает широкиё возможности для изучения переменного тока на ряде опытов (см. т. II, § 51, 2 и т III, § 2,7).

Энергия (греческое — действие, деятельность ) понимается количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую .

Согласно представлениям физической науки, энергия — это способность тела или системы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная). Последние три вида относятся к внутренней форме энергии, т.е. обусловлены потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих тело, или кинетической энергией их беспорядочного движения.

Если энергия — результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической ; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.

Если энергия — результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной ; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.

Механическая энергия — проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах — транспортных и технологических.

Тепловая энергия — энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия — энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

Химическая энергия — это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.

Магнитная энергия — энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой. Электромагнитнаяэнергия — это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия — это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия — энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Бытует и старое название данного вида энергии — атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

Гравитационная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли — энергия силы тяжести.

Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира – гравитационную; энергию взаимодействия тел – механическую; энергию молекулярных взаимодействий – тепловую; энергию атомных взаимодействий – химическую; энергию излучения – электромагнитную; энергию, заключенную в ядрах атомов — ядерную.

Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят 1 Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен 1 ньютон метр (Нм). Если расчеты связаны с теплотой, биологической и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица — калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал = 4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт·час (Вт·ч, кВт·ч, МВт·ч), 1 Вт·ч = 3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м = 9,8 Дж.

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую называется первичной . В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости можно классифицировать и первичную энергию.

При классификации первичной энергии выделяют традиционные и нетрадиционные виды энергии. К традиционным относятся такие виды энергии, которые на протяжении многих лет широко использовались человеком. К нетрадиционным видам энергии относят такие виды, которые начали использоваться сравнительно недавно.

К традиционным видам первичной энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).

Энергия, получаемая человеком, после преобразования первичной энергии на специальных установках — станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.).

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указание на то, какой вид первичной энергии в какой вид вторичной преобразуется на них:

ТЭС – тепловая электрическая станция преобразует тепловую энергию в электрическую;

ГЭС – гидроэлектростанция преобразует механическую энергию движения воды в электрическую;

ГАЭС – гидроаккумулирующая электростанция преобразует механическую энергию движения предварительно накопленной в искусственном водоеме воды в электрическую;

АЭС – атомная электростанция преобразует атомную энергию ядерного топлива в электрическую;

ПЭС – приливная электростанция преобразует энергию океанических приливов и отливов в электрическую;

ВЭС – ветряная электростанция преобразует энергию ветра в электрическую;

СЭС – солнечная электростанция преобразует энергию солнечного света в электрическую, и т.д.

Электричество — очень удобный для применения и экономичный вид энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации.

Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть — в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля электрической энергии с каждым годом растет.

Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и в повседневной жизни человека. Ее очень просто превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.

При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать энергию упорядоченного движения, известную в технике под названием свободной энергии (механическая, химическая, электрическая, электромагнитная, ядерная) и энергию хаотического движения, т.е. теплоту.

Любая из форм свободной энергии может быть практически полностью использована. В то же время хаотическая энергия тепла при превращении в механическую энергию снова теряется в виде тепла. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Более того, в настоящее время практически нет способа непосредственного превращения химической и ядерной энергии в электрическую и механическую, как наиболее используемые. Приходится внутреннюю энергию веществ превращать в тепловую, а затем в механическую или электрическую с большими неизбежными теплопотерями.

Таким образом, все виды энергии после выполнения ими полезной работы превращаются в теплоту с более низкой температурой, которая практически непригодна для дальнейшего использования.

Развитие естествознания на протяжении жизни человечества неопровержимо доказало, какие бы новые виды энергии ни открывались, вскоре обнаруживалось одно великое правило. Сумма всех видов энергии оставалась постоянной, что, в конечном счете, привело к утверждению: энергия никогда не создается из ничего и не уничтожается бесследно, она только переходит из одного вида в другой.

В современной науке и практике эта схема настолько полезна, что способна предсказывать появление новых видов энергии.

Если будет обнаружено изменение энергии, которая не входит в список известных в настоящее время видов энергии, если выяснится, что энергия исчезает или появляется из ничего, то будет сначала «придуман», а затем найден новый вид энергии, который учтет это отклонение от постоянства энергии, т.е. закона сохранения энергии.

Закон сохранения энергии нашел подтверждение в различных областях — от механики Ньютона до ядерной физики. Причем закон сохранения энергии — это не только плод воображения или обобщения экспериментов. Вот почему можно полностью согласиться с утверждением одного из крупнейших физиков-теоретиков Пуанкаре: «Так как мы не в силах дать общего определения энергии, принцип ее сохранения означает, что существует нечто , остающееся постоянным. Поэтому, к каким бы новым представлениям о мире не привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем: в них будет нечто остающееся постоянным, что можно назвать ЭНЕРГИЕЙ».

Экзаменационные вопросы и ответы по дисциплине

«Энергетические установки и электрооборудование судна»,

для курсантов 2-го курса «Судовождение»,

3-й семестр.

1. Принципы преобразования механической энергии в электрическую и обратно.

Элект­рические машины предназначены для преобразования механичес­кой энергии в электрическую (генераторы) и электрической энергии в механическую (двигатели). Принцип действия всех элек­тромашин основан на законе электромагнитной индукции и возник­новении электромагнитной силы.

При перемещении прямолинейного проводника, замкнутого че­рез внешнюю цепь на нагрузку, с постоянной скоростью в одно­родном магнитном поле в проводнике индуктируется неизменяю­щаяся э.д. с. электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи возникает электрический ток (рис. 22, а) . Направление э. д. с. в про­воднике определяют по правилу правой руки (рис. 22,в), а ее вели­чину - по формуле

E = Blv sin а, (21)

где В - магнитная индукция, характеризующая интенсивность маг­нитного поля; l - активная длина проводника, пронизываемая силовыми линиями магнитного поля, м; v - скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с: а - угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то а=90°, a э. д. с. будет максимальной:

Направление тока в проводнике совпадает с направлением э. д. с.

На проводник с током действует электромагнитная сила (Н).Эта сила препятствует перемещению проводника в магнитном поле. Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки (рис. 22,г). Для ее преодоления необходима внешняя сила. Чтобы проводник перемещался с постоянной скоростью, не­обходимо приложить внешнюю силу , равную по величине и противоположно направленную электромагнитной силе.

Из сказанного следует, что механическая мощность , затрачиваемая на движение проводника в магнитном поле, пре­образуется в электрическую мощность в цепи проводника.

В судовых генераторах внешняя сила создается первичными двигателями (дизелем, турбиной).

Преобразование электрической энергии в механическую . При пропускании электрического тока одного направления через прямо­линейный проводник, расположенный в однородном магнитном по­ле, возникает электромагнитная сила, под действием ко­торой проводник перемещается в магнитном поле с линейной ско­ростью V (рис. 22,б) Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем ин­дуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачива­ется на внутреннем сопротивлении проводника R.

Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в

механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе ос­нована работа электродвигателей.

2. Принципы получения переменного и постоянного тока.

В реальных электрических машинах проводники конструктивно изготовляют в виде рамок. Для уменьшения магнитного сопротивления машины, а следовательно, для увеличения значений э. д. с. и к. п. д. в гене­раторах, вращающего момента и к. п. д в электродвигателях ак­тивные стороны рамки укладывают в пазы цилиндрического сталь­ного сердечника (якоря), который совместно с закрепленной на нем рамкой может свободно вращаться в магнитном поле. Для этой же цели полюсам магнита придают особую форму, при которой сило­вые линии поля всегда направлены перпендикулярно направлению движения активных сторон рамки, а магнитная индукция в воздуш­ном зазоре между полюсами и якорем распределена равномерно (рис. 23,а).

Если при помощи сторонней силы якорь вместе с рамкой вра­щать в магнитном поле полюсов, то в соответствии с законом элект­ромагнитной индукции в активных сторонах аЬ и cd рамки индук­тируются э. д. с, направленные в одну сторону и суммируемые.

При переходе активных сторон через плоскость, перпендикуляр­ную магнитному полю, индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление. В рамке будет действовать э д. с, переменная как по величине, так и по направлению. Если концы рамки через кон­тактные кольца соединить с внешней целью, то в цепи будет протекать переменный ток.

Рис 23 Принцип получения переменного тока

1 - щетки. 2 - контактные кольца, 3 - стальной сердечник; 4 -рамка

Для выпрямления тока электрическая машина снабжена специ­альным устройством - коллектором . Простейший коллектор пред­ставляет собой два изолированных полукольца, к которым присое­диняют концы вращающейся в магнитном поле рамки (рис. 24,а).

С внешней цепью коллекторные пластины соединены при помо­щи неподвижных щеток, рабочие поверхности которых свободно скользят по вращающемуся коллектору 2. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в рамке э. д. с. равна нулю. При повороте на 90°, когда рамка займет горизонтальное положе­ние, в ее проводниках э. д. с. не индуктируется, так как они не пе­ресекают магнитного поля. Ток в контуре также равен нулю.

Рис 24. Принцип получения постоянного тока

При перемещении еще на 90* рамка снова займет вертикальное поло­жение, ее проводники поменяются местами и направление э. д. с и тока в них изменится. Так как щетки неподвижны, то к щетке 3 (+) по-прежнему подходит ток от рамки и далее через приемник направляется к щетке 1(-). Таким образом, во внешней цепи на­правление тока не изменяется.

График выпрямленных э д с и тока изображен на рис. 24,6. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Пульсацию то­ка можно уменьшить увеличением числа рамок, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно числа коллекторных пластин.

Превращение механичевкой энергии в электрическую. Возникновение разности потенциалов на концах проводника, движущегося в магнитном поле, дает возможность использовать это явление для получения электрического тока. По такому принципу действуют промышленные генераторы электроэнергии на тепловых, ядерных и гидроэлектростанциях. В них поступательное движение проводников заменено более удобным вращательным.

Откуда же берется энергия для разделения зарядов и появления ЭДС в генераторе? Ведь магнитное поле не совершает работы над движущимися зарядами, так как работа силы всегда перпендикулярной вектору скорости, равна нулю. Работа по разделению зарядов в движущихся проводниках электромагнитного генератора на тепловых электростанциях производится за счет механической энергии пара, давящего на лопатки паровой турбины, на гидроэлектростанциях эта работа совершается за счет механической энергии воды, вращающей гидротурбины, имеющие общий вал с генератором. В этом процессе магнитное поле является только посредником, вызывающим разделение зарядов. Не сила действующая со стороны магнитного поля, выполняет роль сторонней силы, а силы, приводящие во вращение ротор генератора.

Самые мощные в мире генераторы электроэнергии изготовляются и используются в нашей стране.

МГД-генератор. Наиболее распространенный способ получения электроэнергии на тепловых электростанциях довольно сложен. Сначала топливо сжигается в топке парового котла, и получается пар. Затем пар направляется на лопатки турбины и приводит ее в действие. Наконец электромеханический генератор превращает полученную от турбины механическую энергию в энергию электрического тока. На каждом из этапов преобразования одного вида энергии в другой происходят значительные потери энергии. В результате кпд тепловых электростанций обычно не превышает 35-40%. Это значит, что около 60-65% угля, нефти или газа сжигается в топках впустую.

Так как КПД любой тепловой машины в идеальном случае не превышает величины

где - температура нагревателя, а -температура холодильника, то важнейшей задачей при разработке новых способов преобразования энергии является повышение температуры рабочего тела.

Значительного повышения температуры рабочего тела удается добиться в магнитогазодинамических генераторах электроэнергии, сокращенно называемых МГД-генераторами.

Схема устройства МГД-генератора показана на рисунке 90. В камере сгорания при сжигании нефти, керосина или природного газа создается высокая температура (2000-3000 К), при которой газообразные продукты сгорания ионизируются, образуя электронно-ионную плазму. Для повышения электропроводности плазмы в камеру сгорания вводят легкоионизирующиеся вещества: кальций, натрий, цезий. Раскаленная плазма движется по расширяющемуся каналу длиной в несколько метров, в котором ее внутренняя

Рис. 90. Схема устройства МГД-генератора

энергия превращается в кинетическую энергию и скорость возрастает до 2000 м/с и более. Так же как и металлический проводник, плазма в целом нейтральна, но, влетая в область сильного магнитного поля, составляющие ее частицы разных знаков под действием силы разделяются, как показано на рисунке 90. Электроны, достигнув нижнего электрода, движутся во внешней цепи по сопротивлению нагрузки к другому электроду, где нейтрализуют положительные ионы. Мощность, выделяемая во внешней цепи, может быть использована для различных практических нужд.

В режиме холостого хода, когда внешняя цепь разомкнута между электродами возникает наибольшая разность потенциалов, равная ЭДС. В зависимости от конструкции генератора она может достигать нескольких сотен или тысяч вольт.

В МГД-генераторе сильно нагрета только плазма и отсутствуют движущиеся детали, подвергаемые, подобно лопаткам турбин, одновременному воздействию больших механических напряжений и высоких температур. Возможность использовать огнеупорные материалы и применять охлаждение неподвижных металлических детален, соприкасающихся с плазмой, позволяет повысить температуру рабочего тела, а значит, и КПД установки. Для температуры плазмы, равной на входе а на выходе теоретическое значение КПД составляет примерно 90%. Однако в реальных условиях температура отработанных газов на выходе из канала больше 300 К. Но если отработанные и уже не ионизированные продукты сгорания использовать для получения пара и приведения в действие турбины обычного электромашинного генератора, то реальный КПД всей такой установки будет равен 50-60%. А это почти вдвое превышает реальный КПД тепловых электростанций. Следовательно, при том же расходе топлива с помощью МГД-генераторов можно получить вдвое больше электроэнергии.

Еще одним преимуществом МГД-генераторов является то, что они могут развивать полную мощность, измеряемую сотнями миллионов ватт, всего за несколько секунд после запуска. Поэтому МГД-генераторы выгодно применять как резервные источники электроэнергии на случай резкого увеличения потребления энергии в энергосистемах.

Высокий КПД, простота конструкции, малые габариты МГД-генераторов при большой мощности позволяют надеяться, что с преодолением их основного недостатка - сравнительно небольшого срока службы, вызванного износом стенок сопла, - они начнут широко применяться для получения электроэнергии в промышленных масштабах.

Первая опытно-промышленная электростанция с МГД-генера-тором мощностью 25 000 000 Вт была запущена в нашей стране в 1971 г.