2. Электростанции

Генераторы переменного тока

Создание переменного тока

Изменение магнитного поля внутри катушки позволяет создать индукционный ток. На самом деле, вместо того чтобы использовать батареи, лучше генерировать ток в электрической цепи.

На практике, для того чтобы поддерживать ток, необходимо постоянно менять магнитное поле в катушке. Вместо того чтобы приближать и удалять магнит, двигая его, лучше на расстоянии заставить его вращаться вокруг своей оси, так магнит будет поворачиваться к катушке то северным, то южным полюсом.

На рис. 16.4.а, когда северный полюс приближается, южный полюс удаляется, это способствует расширению магнитного поля вправо: индукционный ток направлен таким образом, чтобы создать магнитное поле, ориентированное влево.

Рис. 16.4 – Переменный ток, созданный вращающимся магнитом

(а) – северный полюс приближается, а южный удаляется: магнитное поле, направленное вправо, увеличивается, появляется индукционный ток и создает поле, направленное влево.

(b) – после полуоборота ситуация изменилась: магнитное поле, направленное влево, увеличивается, а ток поменял направление, чтобы создать поле, направленное вправо.

В конце полуоборота южный полюс, в свою очередь, приближается, а северный полюс удаляется (➙ рис. 16.4.b): индукционный ток направлен в противоположную сторону.

Мы отмечаем отрицательные или положительные значения силы тока в катушке в зависимости от направления тока. Сила тока меняется с положительной на отрицательную во время вращения магнита, нейтрализуясь между ними двумя.

Точнее сказать, если магнитное поле равномерно вращается в катушке, можно продемонстрировать, что сила тока меняется по синусоиде (➙ рис. 16.5). Таким образом, с помощью этого метода мы создали «переменный ток», тогда как с помощью батареи мы получали постоянный ток. Устройство, которое мы только что описали, называется генератором переменного тока.

Рис. 16.5 – Сила тока, вырабатываемого генератором переменного тока

Мы взяли пример индукционного тока, вызванного полем магнита, который вращается перед катушкой со скоростью 50 оборотов в секунду: сила тока приобретает ту же величину в конце оборота магнита, то есть через 20 миллисекунд. Ток, питающий все наши электрические приборы, колеблется именно с такой частотой.

Создание переменного напряжения

Изменение магнитного поля в катушке вызывает появление силы электрического типа (ЭДС индукции): это значит, что в катушке появляется электрическое поле, и именно оно приводит электроны в движение.

Когда мы подсоединяем к катушке провод (или амперметр, как в предыдущих опытах), это электрическое поле создает ток, который проходит по цепи (➙ рис. 16.6.а)

Но предположим, что мы не подсоединили катушку ни к какому другому компоненту (➙ рис. 16.6.b). Электроны накапливаются на зажимах катушки, не имея выхода, и создают на этих зажимах положительный и отрицательный заряды. Эти заряды создают электростатическое поле, направленное в противоположную сторону относительно индукционного электрического поля (➙ рис. 16.6.с). Почти мгновенно оба поля нейтрализуют друг друга, и движение электронов в катушке прекращается (ток исчезает).

Рис. 16.6 – Напряжение генератора

Вращение магнита создает ток в катушке (а). Если зажимы катушки не подключены, значит, заряды накапливаются (b), пока электростатическое отталкивание не станет достаточно сильным, чтобы противодействовать силе индукции (с). То есть в неподключенном генераторе существует напряжение.

Это напряжение присутствует, даже когда мы включаем генератор, как в части (а), потому что катушки подпитываются по мере поступления тока.

Наконец, мы видим, что ток движется внутри от «минуса» к «плюсу» (вынужденное направление), в то время как в остальной части цепи он идет от «плюса» к «минусу» (естественное направление).

Возникшие положительные и отрицательные заряды соответствуют положительному и отрицательному потенциалам соответственно: таким образом, мы создали разницу потенциалов на зажимах катушки, то есть напряжение. По мере того как магнит вращается вокруг своей оси, это напряжение направлено в ту или другую сторону: мы создали чередующееся напряжение, очень близкое к переменному.

Таким образом, у вас дома переменное напряжение присутствует на концах электрических розеток, даже когда к ним ничего не подключено. Но чтобы появился переменный ток, необходимо в построенную таким образом цепь подключить электроприбор.

Мимоходом заметим, что внутри генератора ток движется от отрицательного полюса к положительному (➙ рис. 16.6.а): противоположно естественному направлению тока, который всегда движется в цепи от «плюса» к «минусу». Мы уже отмечали это свойство у батареи: вообще, это свойство любого электрогенератора. Это позволяет «подзаряжать» зажимы по мере того, как движется ток.

Получается, что почти все электричество, которое питает наши дома, сгенерировано таким способом. В самом деле, вращение магнитного поля в катушках лежит в основе работы большинства электростанций – гидроэлектростанций, работающих на нефти, газе или угле, а также атомных и ветряных. Это объясняет, почему напряжение 220 V, поставляемое Electricité de France, переменное: переменное напряжение распространено гораздо больше, чем постоянное, потому что его легче вырабатывать. Более того, его передача на большие расстояния дешевле, чем в случае с постоянным током, благодаря использованию трансформаторов (см. следующую главу).

Энергия электростанций

Принцип работы

В основном необходимое магнитное поле создается на электростанциях с помощью электромагнитов, а не просто магнитов. Электромагнит представляет собой катушку, по которой проходит постоянный ток. Мы видели, что при этом образуется магнитное поле, как и у магнита.

Мощность электрической энергии, необходимой для питания электромагнита, гораздо ниже той, которую вырабатывает генератор переменного тока, – таким образом, вырабатывается электричество без использования магнита.

Электрическая энергия не может быть создана из ничего, откуда-то она обязательно должна браться: на практике она вырабатывается при вращении электромагнита (ротора), который обладает кинетической энергией. То есть целью электростанции является заставить ротор вращаться.

Обычно применяется газ под давлением, который нажимает на лопасти турбины, чтобы заставить ее вращаться. Лучший способ получить газ под давлением – вскипятить воду в устройстве, напоминающем скороварку: давление водяного пара поднимается до тех пор, пока жидкая вода не переходит в газ.

То есть сначала нужно нагреть воду… Это можно сделать, сжигая уголь или нефть или используя атомное топливо (теплоцентрали). Что касается ветровых и гидроэлектростанций, они напрямую используют ветер и воду под давлением в плотинах, чтобы заставить турбины вращаться.

Перечислим этапы передачи энергии в электростанции, работающей на угле:

• Уголь содержит химическую энергию (= потенциальную микроскопическую энергию).

• Реакция горения преобразует эту энергию в тепловую (= кинетическую микроскопическую). Именно эта энергия поднимает давление водяного пара.

• Толкая лопасти турбины, водяной пар преобразует эту энергию в кинетическую (макроскопическую), связанную с вращением ротора.

• Наконец, с помощью магнитного поля в генераторе эта энергия превращается в электрическую.

Отметим, что первые три этапа в точности повторяют работу парового двигателя: электростанция – это всего лишь «машина на паровом двигателе», а уголь только греет воду, чтобы создать пар под давлением, который будет вращать колеса. Таким образом, мы видим, что человечество и сегодня использует старые, проверенные технологии.

Сохранение энергии

В генераторе переменного тока кинетическая энергия (вращение магнита) превращается в энергию электрическую. Это значит, что кинетическая энергия ротора должна уменьшаться по мере того, как создается электрическая энергия. Проверим это.

Индукционный ток катушки создает магнитное поле, противодействующее увеличению магнитного поля магнита, то есть когда северный полюс магнита приближается к катушке во время вращения ротора, катушка, в свою очередь, становится магнитом, чей северный полюс направлен к ротору (➙ рис. 16.7). Между тем два северных полюса отталкиваются: индукционный ток препятствует вращению магнита и тормозит его. Кинетическая энергия уменьшается, а электрическая энергия создается: общая энергия сохраняется.

Это объясняет, почему так трудно жать на педали с включенными фарами: дело не в трении, а в магнитном отталкивании внутри динамо-машины (которая работает как генератор переменного тока). Таким образом, вы прекрасно «чувствуете» энергию, необходимую для включения фар, потому что вы ее и вырабатываете.

Рис. 16.7 – Энергетические аспекты генератора переменного тока

Вращающийся магнит создает индукционный ток в катушке. Этот ток создает магнитное поле, которое препятствует увеличению поля магнита: катушка сама становится магнитом, чей северный полюс повернут в сторону ротора. Магнитное отталкивание тормозит вращение ротора: кинетическая энергия ротора уменьшается и полностью переходит в электрическую энергию цепи.

Предположим, наконец, что к генератору ничего не подключено: что же происходит с энергией? Ток не может идти, значит, электрическая мощность равна нулю (не будем забывать, что она выражается P = UI: мощность требует присутствия напряжения и тока). Это должно означать, что ротор не теряет никакой кинетической энергии. Так ли это?

Ответ «да», потому что в этот раз, поскольку тока нет, катушка не создает магнитное поле и не ведет себя как магнит: ничто не тормозит вращение ротора. Конечно, остается трение, но оно поглощает энергию в тепловом виде, а не в электрическом.

В конечном итоге, пока вы не подключаете никаких приборов к вашим розеткам, электрическая энергия не расходуется, хотя переменное напряжение присутствует постоянно. Генераторы электростанций продолжают вращаться, но вхолостую. Единственная энергия, затраченная на электростанции, та, что позволяет компенсировать трение ротора.