Как работает электрический генератор

Функция любого электрического генератора — вырабатывать электрический ток. Но на самом деле генератор ничего не производит, а лишь преобразует один вид энергии — в другой (как это и свойственно всем энергетическим процессам в природе). Чаще всего, произнося словосочетание «электрический генератор», имеют ввиду машину, преобразующую механическую энергию — в электрическую.

Механическая энергия может быть получена от расширяющегося под давлением газа или пара, от падающей воды или даже вручную. В любом случае для получения от генератора электрической энергии, ему необходимо сначала передать эту энергию в приемлемой форме, чаще всего в механической.

— А откуда у вас электричество?
— Два гигантских хомяка крутят колёса в секретном бункере.

Остаться в живых (Lost)

Генераторы, работающие посредством механического привода, — доминирующий вид генераторов в современном мире. Такие генераторы работают на атомных и гидроэлектростанциях, в автомобилях, в дизельных и бензиновых генераторах, на ветряках, в ручных динамо-машинах и т. д. Пар, бензин, ветер — служат источниками механической энергии, вращающей ротор генератора.

Пример работы простого электрогенератора:

На роторе генератора закреплена обмотка намагничивания или постоянные магниты. В последние годы широкое распространение получают генераторы с неодимовыми магнитами на роторе, так как современные неодимовые магниты не уступают по своим характеристикам мощной обмотке намагничивания.

Принцип выработки электрической энергии в генераторе основан на явлении электромагнитной индукции, которое заключается в том, что изменяющийся в пространстве магнитный поток индуцирует вокруг этого пространства электрическое поле.

И если в область где присутствует это индуцированное электрическое поле поместить проводник, то в нем наведется (будет индуцирована) ЭДС — электродвижущая сила, и между концами проводника можно будет наблюдать (измерить, использовать для питания нагрузки) соответствующее напряжение.

Изменяющийся магнитный поток получается в генераторе при помощи движущихся вместе с ротором магнитов или полюсных наконечников, намагничиваемых специальными обмотками — обмотками намагничивания. Обмотки намагничивания обычно получают питание через щетки и контактные кольца.

Применение генератора для электрификации модели железной дороги:

Провода, в которых наводится ЭДС (электрическое напряжение) в генераторе, представляют собой обмотку статора, расположенную, как правило, в магнитопроводе, закрепленном на неподвижной части электрической машины. Эта обмотка у генераторов разного типа может быть выполнена различным образом.

В трехфазных генераторах переменного тока приняты обмотки статора, изготовленные по трехфазной схеме, — три части такой трехфазной обмотки могут быть соединены «звездой» или «треугольником».

Соединение звездой позволяет получить от генератора напряжение большей величины, чем при соединении треугольником. Разница в напряжениях составит корень из 3 раз (около 1,73). Чем больше напряжение — тем меньше максимальный ток, который можно получить от данного генератора на нагрузке.

Работа электрического генератора на электростанции:

Номинальная мощность генератора зависит от нескольких факторов, которые определяют его номинальные ток и напряжение. Напряжение на выходных клеммах генератора зависит от длины обмотки (провода) статора, от скорости вращения ротора и от индукции магнитного поля на его полюсах. Чем эти параметры больше — тем большее напряжение получается с генератора на холостом ходу и под нагрузкой.

Портативный генератор (мини-электростанция) для автономного электроснабжения:

Максимальный ток, который можно получить от генератора, теоретически ограничен его током короткого замыкания. Практически при номинальных оборотах он зависит от толщины провода обмотки статора и от общего магнитного потока ротора.

Если магнитного потока не достаточно, в некоторых случаях прибегают к увеличению оборотов. Но тогда генератор обязательно должен быть оснащен автоматическим регулятором напряжения, как это реализовано в автомобильных генераторах, которые способны выдавать приемлемый для зарядки аккумулятора ток в широком диапазоне оборотов.

Источник

Необычные электрические генераторы

Закон сохранения энергии поистине незыблем, и многовековой опыт науки и техники приучил ученых опираться на него как на основу. Колоссальное количество технических устройств, перечислять которые можно было бы бесконечно, создано человечеством на данный момент с опорой на фундаментальные законы природы и целой вселенной. Лишь единицы, из великого множества таких устройств, можно упомянуть в качестве примера.

Лук и стрелы, колесо, весло, парус, рычаг, компас, порох, микроскоп и телескоп, паровая машина, телеграф, динамит, электрический генератор и электрический двигатель, лампа накаливания, трансформатор, аккумулятор, атомная бомба, транзистор, лазер, искусственные спутники и космические аппараты.

Везде строго соблюдается закон сохранения энергии: натягивая тетиву лука, человек совершает работу, при этом дуга лука запасает потенциальную энергию, которая затем преобразуется в кинетическую энергию летящей с большой скоростью стрелы; колесо, весло и рычаг ведут нас к передачам и редукторам, к преобразованию крутящего момента, сил и угловой скорости, и здесь снова имеет место преобразование энергии; аккумуляторная батарея позволяет преобразовывать химическую энергию в электрическую, а генератор – механическую энергию в электрическую и т.д.

Всюду происходит преобразование энергии. Безусловно, можно сказать, что механическая энергия расходуется, а электрическая энергия возникает, словно создается, если речь идет об электрическом генераторе, но ведь это непрерывный процесс именно преобразования энергии — непрерывного ее перехода из одного вида в другой.

Хотя нарушений закона сохранения энергии нигде в природе явным образом не проявлялось, многие изобретатели прошлого, включая великого Леонардо да Винчи, много раз делали, попытки построить такое устройство, которое могло бы совершать работу бесконечно, не потребляя при этом никаких энергетических ресурсов (так называемый вечный двигатель первого рода).

И современные исследователи продолжают делать такие попытки. Ученые же говорят, что это невозможно просто потому, что тогда бы нарушалось первое начало термодинамики, которое гласит: «в любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным». И действительно, представьте себе систему, полностью изолированную от окружающей среды так, что ни вещество, ни энергия в каком бы то ни было виде, не могут ни поступать в нее, ни выходить из нее.

Даже если элементарно попытаться представить, существующей в реальности, такую изолированную систему, внутри которой что-то происходит, преобразуется энергия, идут какие-то процессы, а снаружи все как было, так и есть без изменений, то какой был бы в этой системе смысл? Никакого.

Идея вечного двигателя второго рода также не состоятельна по причине противоречия второму началу термодинамики, которое гласит: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара».

В свое время на поприще поисков вечного двигателя прославился один европейский умелец Иоганн Эрнст Элиас Бесслер, известный как Орфериус. В 1717 году, вероятно, желая сыскать мировой славы и денег, он демонстрировал публике самодвижущееся четырехметровое деревянное колесо, которое непрерывно вращалось на оси, несмотря на видимое отсутствие снаружи приводных механизмов.

За раскрытие секрета изобретатель просил очень крупную, по тем временам, сумму денег. Многие ученые приходили и убеждались в том, что колесо без остановки вращалось, и продолжало вращаться даже спустя два месяца после первой демонстрации. Это был настоящий фурор, слухи разнеслись и за пределы Европы.

Даже Петр Первый запланировал поездку к изобретателю на 1725 год. Однако, еще до поездки Петра в Германию, на родине изобретателя со скандалом выяснилось, что колесо приводила во вращение его служанка, вместе с братом Орфериуса. Полая конструкция большого колеса все же имела скрытую передачу, шнурок от которой шел в специально приспособленную секретную комнату. После разоблачения изобретатель своими руками разрушил колесо и покинул свой город.

Вернемся к сегодняшнему дню. Если набрать в поисковике на Youtube «free energy» или «свободная энергия», то станет очевидным обилие в современном мире реализаций так называемых устройств свободной энергии. Как правило, это автономные конструкции, совершающие электрическую работу в виде питания ламп накаливания или электродвигателей.

Начиная примерно с 2011 года, в сеть Интернет регулярно попадают видеозаписи, на которых некий электрический или электромеханический преобразователь подключается на несколько секунд к аккумулятору, батарейке или к сети 220 вольт, после чего питание отключается, а устройство отдает мощность в нагрузку и буквально «питает само себя».

Бывают и совсем немыслимые варианты на постоянных магнитах, сообщающих непрерывное вращение ротору генератора с подключенной к нему нагрузкой в виде ламп. Это кажется невероятным, поскольку складывается впечатление, что либо устройство неведомым образом производит энергию, нарушая все известные физические законы, либо автор видеозаписи умышленно вводит публику в заблуждение, пытаясь таким образом развлечься или мошенническим путем получить доход.

Но невольно возникает вопрос о целесообразности таких поступков, ведь на роликах много не заработаешь, а публичные демонстрации фальшивок рано или поздно будут разоблачены. Кому и зачем нужно заниматься этими сомнительными трюками?

Зачастую изобретатели утверждают, что энергия, которую преобразуют их устройства – это энергия из окружающей среды, — та энергия, которую при определенных условиях можно собирать и преобразовывать хоть в постоянный, хоть в переменный ток нужного напряжения.

Большое значение уделяется явлению электрического резонанса, качеству заземления, и применению высокого напряжения, благодаря чему, как утверждают изобретатели, и создаются условия для поступления энергии в их устройства.

Также постоянно фигурирует имя знаменитого ученого Николы Тесла. И действительно, электрический резонанс в электрическом преобразователе – это то условие, когда преобразователь работает с наибольшей эффективностью, именно так говорил и писал сам Тесла о своих преобразователях.

Кроме того, один из исследователей этого нового направления, на одной из первых, наделавших много шума, демонстраций, утверждал, что именно развивая схемы Тесла, ему удалось получить этот невероятный эффект. Он смог преобразовать энергию из окружающей среды в удобную для использования форму. Этот гениальный изобретатель из Грузии вдохновил своим успешным примером многих экспериментаторов по всему миру на самостоятельные исследования.

Еще одним последователем Тесла, развивающим его идеи относительно генерации, преобразования и передачи электрической энергии, был (совсем недавно умер своей смертью в возрасте около 90 лет) американский исследователь Дональд Ли Смит, который, много лет будучи работником нефтяной промышленности, занимался изучением всех доступных теоретических данных об энергии, электрическом и магнитном полях Земли, и строил на основе своих представлений высоковольтные резонансные устройства, которые могли также служить приемниками энергии из окружающей среды.

Развивая идеи Тесла, Смит построил более 200 различных устройств, каждое из которых могло питать электрическую нагрузку гораздо большей мощности, чем само устройство потребляло, например, от аккумуляторной батареи.

На публичной демонстрации в 1996 году Смит продемонстрировал широкой аудитории одно из таких устройств, которым он запитал 10 ламп накаливания по 100 Ватт, причем самому устройству требовалось лишь заземление и пусковой источник энергии в виде аккумулятора на 12 вольт, емкостью 6 ампер-часов.

Специалисты, проводившие замеры, констатировали, что если бы устройство работало просто по принципу повышающего инвертора, то батарея должна была бы давать ток силой 83 Ампера, что нереально для такой маленькой батареи, которая применялась для запуска.

Разработки Смита также вдохновляют многих экспериментаторов, и есть случаи успешных повторов его устройств во многих странах мира.

Как на территории бывшего Советского Союза, так и в Европе есть, ставшие уже известными, благодаря своим работам, экспериментаторы — радиолюбители, демонстрирующие подобные электрические установки, которые, будучи приведены в действие от батарейки, способны отдавать в нагрузку по несколько киловатт электрической энергии. Как и в предыдущих случаях, утверждается, что главное в устройствах – резонанс, высокое напряжение, и качественное заземление.

Здесь будет уместным вспомнить о том, что наша планета обладает очень большим отрицательным электрическим зарядом, а верхние слои атмосферы, ионосфера, вплоть до термосферы, в силу сильной ионизации космическими лучами, — большим положительным электрическим зарядом.

Вполне возможно, что именно эта энергия каким-то образом преобразуется устройствами в приемлемый для использования вид, ведь и у поверхности земли электрическое поле обладает некоторой реальной напряженностью. Демонстрации проводятся в самых обычных бытовых условиях, поэтому вполне закономерны и логичны сомнения и гневные комментарии к ним от многих пользователей Интернет, просматривающих эти видео.

Встречаются и механические варианты необычных генерирующих устройств, когда привод осуществляется посредством асинхронного или коллекторного двигателя, затем осуществляется понижение оборотов передачей, с увеличением крутящего момента, который затем передается на вал многополюсного (низкооборотного) генератора постоянного или переменного тока. Генератор питает нагрузку и приводной двигатель.

Это кажется невозможным, однако есть случаи очень убедительных свидетельств о том, что та или иная компания в той или иной стране выпускает такие системы, сдает их в аренду или даже продает. Примером может служить установка, недавно продемонстрированная в Румынии.

Автор произвел запуск механической системы от розетки, а затем воспользовался энергией, которую развило устройство, для питания болгарки, циркулярной пилы и мощного сварочного инвертора. Стабилизирующий маховик, вращение которого можно было отчетливо наблюдать, продолжал вращаться, показывая, что определенный уровень энергии все время поддерживается в процессе работы установки. Разумеется, шквал критики обрушился и на этого изобретателя.

Как утверждает сам румынский исследователь, его устройство работает благодаря механике.

Между тем встает вопрос о том, правомерно ли вообще считать разные виды энергии и работы полностью тождественными? Может быть, в этом кроется причина реальной возможности построения таких устройств альтернативной энергетики?

В прочем, здесь мнений может быть масса. Факт остается фактом – природа таит в себе еще много загадок, о которых не написано в учебниках, и которые человечеству еще предстоит изучить и направить в полезное русло. Верить или не верить – каждый пусть решает сам.

Источник