Στοιχειώδης γεννήτρια συνεχούς ρεύματος 08. ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ - ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Στοιχειώδης γεννήτρια συνεχούς ρεύματος 08.10

ΣΤΟΧΟΙ Σ’ αυτό το μάθημα θα μάθουμε: Να περιγράφουμε την κατασκευή και να εξηγούμε την αρχή λειτουργίας της στοιχειώδους γεννήτριας συνεχούς ρεύματος.

Γεννήτριες ονομάζουμε τις μηχανές που μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Αρχή της ηλεκτρικής γεννήτριας είναι όταν ένας αγωγός κινείται μέσα σ'ένα μαγνητικό πεδίο, ώστε να "κόβει" τις γραμμές του, δημιουργείται τότε στα άκρα του αγωγού η.ε.δ. από επαγωγή.

Τη διεύθυνση αυτής της η. ε. δ Τη διεύθυνση αυτής της η.ε.δ. τη βρίσκουμε με το μνημονικό κανόνα του Φλέμινκ, των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού, όπου ο αντίχειρας δείχνει την κίνηση του αγωγού, ο δείκτης την διεύθυνση της μαγνητικής ροής και το μεσαίο δάκτυλο την διεύθυνση της η.ε.δ.. Το μέγεθος της παραγόμενης η.ε.δ. όταν ένας αγωγός κινείται κάθετα μέσα στο μαγνητικό πεδίο δίνετε από τον τύπο E = B L v Όπου B είναι η πυκνότητα της μαγνητικής ροής σε Τέσλα (T) L είναι το μήκος του αγωγού σε μέτρα (m) v είναι η ταχύτητα του αγωγού, κάθετη πάνω στις μαγνητικές γραμμές σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο (m/s) και Ε είναι η παραγόμενη η.ε.δ. από επαγωγή σε Βόλτς (V)

Για να κινείται συνεχώς ένας αγωγός μέσα σ'ένα περιορισμένο μαγνητικό πεδίο, πρέπει να περιστρέφεται. Έτσι, στην στοιχειώδη γεννήτρια συνεχούς ρεύματος, ο ρότορας (το μέρος της γεννήτριας που περιστρέφεται) αποτελείται από αγωγό σε σχήμα ορθογώνιου πλαισίου που περιστρέφεται μέσα σ'ένα μαγνητικό πεδίο το οποίο δημιουργείται από ένα μόνιμο μαγνήτη ή ένα ηλεκτρομαγνήτη στο στάτορα (το ακίνητο μέρος της γεννήτριας). Τα άκρα του πλαισίου καταλήγουν σε ένα δακτύλιο μοιρασμένο στη μέση που πάνω του τρίβονται δύο ψήκτρες από κάρβουνο. Οι ψήκτρες συνδέονται με το εξωτερικό κύκλωμα.

Ας υποθέσουμε ότι το πλαίσιο U-X στο σχήμα άρχισε την κίνηση του, με σταθερή περιφερειακή ταχύτητα v, από τη θέση ΥΥ αριστερόστροφα. Τη στιγμή αυτή η στιγμιαία η.ε.δ. από επαγωγή πάνω στον αγωγό U ισούται με e = B L v

Η ίδια στιγμιαία τιμή της η. ε. δ Η ίδια στιγμιαία τιμή της η.ε.δ. από επαγωγή δημιουργείται συγχρόνως και στον άλλο αγωγό X του πλαισίου, αλλά αντίθετης φοράς, διότι, όταν το πάνω μέρος του πλαισίου κινείται προς τ' αριστερά, το κάτω μέρος X κινείται προς τα δεξιά. Έτσι οι δυο η.ε.δ. προστίθενται και η ολική στιγμιαία τιμή της η.ε.δ. από επαγωγή που παρουσιάζεται στα άκρα του πλαισίου είναι ίση με e = 2 B L v

Αν τώρα το πλαίσιο του ενός αγωγού αντικατασταθεί με πλαίσιο n αριθμό αγωγών, η στιγμιαία τιμή της η.ε.δ. από επαγωγή που παρουσιάζεται στα άκρα του νέου πλαισίου είναι ίση με e = 2 n B L v Είναι φανερό ότι η στιγμιαία τιμή της η.ε.δ. στη θέση αυτή του πλαισίου, είναι η μέγιστη τιμή που μπορεί να δημιουργηθεί, αφού η διεύθυνση της ταχύτητας είναι κάθετη πάνω στις μαγνητικές γραμμές. Έτσι ο τύπος της στιγμιαίας τιμής της η.ε.δ. στη θέση αυτή γράφεται Emax = 2 n B L v

Ας υποθέσουμε ότι το πλαίσιο ευρίσκεται στη θέση Χ-Χ. Οι αγωγοί του πλαισίου δεν κόβουν τις μαγνητικές γραμμές και κατά συνέπεια η επαγωγική τάση στα άκρα των αγωγών U και Χ είναι μηδέν.

Αν τώρα το πλαίσιο αρχίσει την περιστροφική του κίνηση από τη θέση Χ-Χ από όπου η επαγωγική τάση στα άκρα των αγωγών U και Χ είναι μηδέν, με αριστερόστροφη κατεύθυνση, και μόλις δημιουργήσει γωνία θ με τον άξονα Χ-Χ, τότε το διάνυσμα της ταχύτητας V που ασκείται κάθετα πάνω στον αγωγό U έχει διανυσματική προβολή V1 στο οριζόντιο επίπεδο, το οποίον είναι κάθετο με τις μαγνητικές γραμμές. Το διάνυσμα V1 είναι που υπολογίζεται για να προσδιορίσουμε την επαγωγική τάση στα άκρα του αγωγού U.

Για να υπολογίσουμε το διάνυσμα V1, το οποίον επενεργεί κάθετα πάνω στις μαγνητικές γραμμές, παίρνουμε το ημίτονο της γωνίας θ στο τρίγωνο που σχηματίζεται από τις πλευρές V και V1 που είναι ίσο με:

Τη στιγμή αυτή που το πλαίσιο ευρίσκεται στη γωνία θ, η στιγμιαία η. ε Τη στιγμή αυτή που το πλαίσιο ευρίσκεται στη γωνία θ, η στιγμιαία η.ε.δ. από επαγωγή πάνω στον αγωγό U ισούται με e = B L V1 όπου V1 είναι η κάθετος πάνω στο μαγνητικό πεδίο συνιστώσα της περιφερικής ταχύτητας V του αγωγού U. Τώρα αν το και αν το V1 αντικατασταθεί στο ποιο πάνω τύπο έχουμε e = B L v ημ θ

Η ίδια στιγμιαία τιμή της η. ε. δ Η ίδια στιγμιαία τιμή της η.ε.δ. από επαγωγή δημιουργείται συγχρόνως και στον άλλο αγωγό X του πλαισίου, αλλά αντίθετης φοράς, διότι, όταν το πάνω μέρος του πλαισίου κινείται προς τ' αριστερά, το κάτω μέρος X κινείται προς τα δεξιά. Έτσι οι δυο η.ε.δ. προστίθενται και η ολική στιγμιαία τιμή της η.ε.δ. από επαγωγή που παρουσιάζεται στα άκρα του πλαισίου είναι ίση με e = 2 B L v ημ θ Όταν το πλαίσιο έχει περισσότερους από δύο αγωγούς, ο τύπος μπορεί να γραφτεί και ως e = 2 n B L v ημ θ Μια και τα μεγέθη 2nBLv θεωρούνται σταθερά, έπεται ότι η η.ε.δ. που δημιουργείται στο πλαίσιο είναι συνεχώς ανάλογη με το ημίτονο της γωνίας θ, που διαγράφει το περιστρεφόμενο πλαίσιο πάνω στη κάθετη, προς τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου.

Τέλος τον τύπο, που δίνει την τιμή της παραγόμενης η. ε. δ Τέλος τον τύπο, που δίνει την τιμή της παραγόμενης η.ε.δ., μπορούμε να το γράψουμε ως εξής: e = Emax ημ θ Είναι φανερό, ότι η στιγμιαία τιμή της παραγόμενης η.ε.δ. μεταβάλλεται ημιτονικά και γι' αυτό λέγεται ημιτονική η.ε.δ. ή τάση. Τη γραφική παράσταση της ημιτονικής η.ε.δ. εύκολα μπορούμε να την εξαγάγουμε με βάση τον τύπο e = Emax ημ θ Με δύο βοηθητικούς άξονες, ένα κάθετο, που εκφράζει τη τιμή της η.ε.δ. και ένα οριζόντιο, που εκφράζει τη τιμή της γωνίας θ σε μοίρες, παίρνουμε όσο περισσότερα σημεία μπορούμε στον οριζόντιο άξονα μεταξύ των 00 και 1800 για να είναι πιο ακριβής η ημιτονική καμπύλη. Τα σημεία αυτά αντιστοιχούν με τη τιμή της γωνίας θ, τα οποία αντικαθιστούμε στο τύπο e = Emax ημ θ για να βρούμε τη στιγμιαία τιμή της η.ε.δ. για κάθε θέση του πλαισίου και να σχεδιάσουμε τη κυματομορφή της η.ε.δ..

Αν τα δύο άκρα του περιστρεφόμενου πλαισίου τα συνδέσουμε σε ένα δακτυλίδι που είναι χωρισμένο σε δύο τομείς και που ονομάζεται συλλέκτης, τότε η μορφή της τάσης που θα λαμβάνουμε δεν θα εναλλάσσει τιμές (θετικές – αρνητικές), αλλά θα έχει πάντα θετικές τιμές (ανορθωμένο Εναλλασσόμενο Ρεύμα)

Σε στοιχειώδη γεννήτρια Συνεχούς Ρεύματος ο αγωγός του πλαισίου ενώνεται σε συλλέκτη τύπου δακτυλιδιού χωρισμένου σε δύο τομείς όπως δείχνει το σχήμα. Παρακολουθώντας τις ψήκτρες που εφάπτονται στο συλλέκτη, θα δούμε ότι η τάση που παράγεται έχει πάντοτε θετική φορά σε μορφή μισού κύκλου ημιτονοειδούς κυματομορφής που επαναλαμβάνεται (ανορθωμένο Εναλλασσόμενο Ρεύμα).

Με τη χρήση πολλών ομάδων περιστρεφόμενων πλαισίων, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους, συνήθως σε σειρά και αντίστοιχων τομέων συλλέκτη, λαμβάνουμε τάση από τη γεννήτρια που πλησιάζει περισσότερο τη συνεχή (έχει μικρότερη κυμάτωση)

Το Συνεχές Ρεύμα χρησιμοποιείται σε ορισμένες εφαρμογές π. χ Το Συνεχές Ρεύμα χρησιμοποιείται σε ορισμένες εφαρμογές π.χ. την ηλεκτρική έλξη (τρολλεϋ, ηλεκτρικά τρένα κ.λ.π.), λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της συμπεριφοράς που εμφανίζουν οι κινητήρες, οι οποίοι λειτουργούν μ’αυτό.

ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ E = B L v ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Το πείραμα του Έρστεντ Μαγνητικό πεδίο πηνίου Μαγνητικό πεδίο ρευματοφόρου αγωγού Μαγνητικά πεδία παράλληλων αγωγών