§ 46. Преобразование механической энергии в электрическую и обратно

На законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил основано действие электрических машин - генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую, и двигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую.

Обратимся к рис. 95. В магнитном поле между полюсами N и S помещен прямолинейный проводник. Если при помощи внешней механической силы F передвигать этот проводник перпендикулярно магнитным линиям поля, то в нем будет индуктироваться э.д.с. Е = Blυ.

Рис. 95. Преобразование механической энергии в электрическую

Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по цепи потечет ток I, совпадающий по направлению с э.д.с. Е.

Напишем уравнение 2-го закона Кирхгофа для этой цепи:

где U - напряжение на зажимах, в;

r - сопротивление проводника, ом;

I ⋅ r - падение напряжения в проводнике, в.

Умножая почленно выражение (а) на I, получим

Так как Е = Blυ, то

Учитывая, что ВIl = F и Fυ = Р_мех, имеем

где Р_мех = E ⋅ I - механическая мощность, преобразуемая в электрическую;

Р_эл = UI - электрическая мощность, отдаваемая во внешнюю цепь;

ΔP = I²r - потери мощности (в виде тепла) в сопротивлении проводника. Рассмотрим теперь процесс преобразования электрической энергии в механическую.

Пусть прямолинейный проводник АВ (рис. 96), по которому проходит ток I от источника напряжения, помещен во внешнее магнитное поле, образованное магнитом N - S. Если проводник неподвижен, то энергия источника напряжения расходуется исключительно на нагрев проводника:

Рис. 96. Преобразование электрической энергии в механическую

Затрачиваемая мощность будет равна

откуда определяем ток в цепи:

Однако известно, что проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать действие силы F со стороны поля, стремящейся перемещать проводник в магнитном поле в направлении, определяемом правилом левой руки. При своем движении проводник будет пересекать магнитные линии поля и в нем, по закону электромагнитной индукции, возникнет индуктированная э.д.с. Направление этой э.д.с., определенное по правилу правой руки, будет обратным току I. Назовем ее обратной э.д.с. E_обр. Величина E_обр согласно закону электромагнитной индукции будет равна

По второму закону Кирхгофа, для замкнутой цепи имеем

или

откуда ток в цепи

Сравнивая выражения (а) и (в), видим, что в проводнике, движущемся в магнитном поле при одних и тех же значениях U и r, ток будет меньше, чем в неподвижном проводнике.

Умножая почленно выражение (б) на I, получим

Так как E_обр = Blυ, то

Учитывая, что BlI = F и Fυ = Р_мех, имеем

или

Последнее выражение показывает, что при движении проводника с током в магнитном поле мощность источника напряжения преобразуется в механическую мощность и частично в тепловую. Аналогичный процесс преобразования электрической энергии в механическую происходит в электрических двигателях.

Рассмотренные выше примеры показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать как генератор и как двигатель.