III.3. Producerea curentului alternativ.

Descoperirea fenomenului de inducţie electromagnetică a pus bazele celui mai ieftin procedeu pentru obţinerea curentului electric. Astfel, generatoarele industriale funcţionează pe baza acestui fenomen.

Alternatoarele (generatoare de curent alternativ) din cadrul centralelor electrice funcţionează pe baza fenomenului de inducţie electromagnetică. Construcţia alternatorului cuprinde bobina rotorului care se învârte în câmpul magnetic produs de stator, producând curent electric prin fenomenul de inducţie electromagnetică. Colectorul alternatorului este alcătuit din doi cilindri.

În funcţie de tipul de centrală electrică din care face parte alternatorul, axul pe care se află rotorul este pus în mişcare de roţi ale diferitelor turbine.

La hidrocentrală, apa din barajul de acumulare ajunge printr-o conductă cu o înclinaţie mare şi prin cădere pune în mişcare roata turbinei de apă. Această roată, la rândul ei, antrenează în mişcare axul pe care se găseşte. Pe acest ax se află şi rotorul alternatorului, care învârtit în câmp magnetic generează curent electric.

La termocentrală, combustibilii (lignit, turbă, gaze naturale etc.) prin ardere, încălzesc un cazan cu apă (generator de aburi). Vaporii de apă rezultaţi ies printr-o conductă subţire, fiind dirijaţi spre turbina de aburi. Având o presiune foarte mare, aceştia pun în mişcare roata turbinei. Cu axa turbinei se cuplează rotorul generatorului.

La centrala nucleară, căldura necesară pentru încălzirea cazanului cu apă se obţine în urma reacţiilor de dezintegrare radioactivă a uraniului sau plutonului în reactorul nuclear. În rest, avem aceleaşi componente ca la termocentrală.

În afara centralelor electrice, alternatoarele mai sunt utilizate şi la biciclete (numite în mod greşit dinamuri, deoarece dinamul produce curent continuu), la autovehicule etc.

Construcția alternatorului

Părțile principale componente ale unui alternator sunt :

• Statorul (este partea fixă a alternatorului) format dintr-un electromagnet sau un magnet permanent, care are rolul de a produce câmpul magnetic.

• Rotorul este format dintr-o bobină ce se rotește în câmpul magnetic produs de stator și care produce curent alternativ prin fenomenul de inducție electromagnetică.

• Colectorul este format din două contacte cilindrice (inelele metalice C₁ și C₂) pe care sunt fixate capetele bobinei rotorului. Cele două inele alunecă pe două perii (lamele P₁ și P₂) la care sunt legate bornele unui miliampermetru (mA) ce formează circuitul exterior al dispozitivului.

Prin rotirea cadrului, laturile AB și CD (laturi active) intersectează liniile de câmp magnetic și în ele se induce o t.e.m. (e).

T.e.m. indusă în cadru (e_AD) este suma t.e.m.indusă în latura AB (e_AB) și t.e.m.indusă în latura CD (e_CD):

e_AD = e_AB + e_CD = B ∙ l ∙ v ∙ sin α + B ∙ l ∙ v ∙ sin (π – α) = 2 ∙ B ∙ l ∙ v ∙ sin α

unde:
B = inducția câmpului magnetic
l = lungimea conductorului rectiliniu
v = viteza constantă de deplasare a conductorului în câmpul magnetic

Pentru mișcarea de rotație uniformă α = ω ∙ t și v = a ∙ ω.

Aria cadrului este S = 2 ∙ a ∙ l.

Fluxul maxim, când α = 0, prin suprafața cadrului este Φm = B ∙ S.

Valoarea instantanee a t.e.m.induse este:

e = ω ∙ Φ_m ∙ sin ωt

E_m = ω ∙ Φ_m este valoarea maximă a t.e.m. induse

e = E_m ∙ sin ωt

Funcționarea alternatorului

Prin rotirea uniformă a spirei bobinei în câmp magnetic cu viteza unghiulară ω, fluxul magnetic Φ prin suprafața spirei S variază în timp conform relației:

Φ = B ∙ S ∙ cos α = B ∙ S ∙ cos ωt

S - suprafață străbătută de un câmp magnetic uniform B - inducția magnetică a câmpului magnetic

Fluxul magnetic este maxim când suprafața spirei este perpendiculară pe liniile de câmp, adică când α = 0 și Φ_m = B ∙ S.

Φ = Φ_m ∙ cos ωt

Din cauza variației fluxului magnetic prin spiră se produce fenomenul de inducție electromagnetică cu apariția unei tensiuni electromotoare e cu expresia:

e = ω ∙ Φ_m ∙ sin ωt

E_m = ω ∙ Φ_m este valoarea maximă a t.e.m. induse

e = E_m ∙ sin ωt

ω = pulsația t.e.m. induse = 2 ∙ π ∙ ν

T = perioada t.e.m. induse

ωt – faza t.e.m. induse

e – valoarea instantanee a t.e.m. induse

Dacă între periile P₁ și P₂ se leagă un rezistor cu rezistența mult mai mare decât a spirei, atunci prin circuit va trece un curent de intensitate I cu expresia:

i = I_m ∙ sin ωt

i -valoarea instantanee a intensității curentului alternativ

I_m – valoarea maximă a intensității curentului alternativ

r - rezistența interioară a generatorului

🔦 Observație

Variația t.e.m. induse este sinusoidală și curentul alternativ obținut este un curent alternativ sinusoidal. T.e.m. e și intensitatea curentului alternativ i trec prin aceleași valori și în același sens la intervale egale de timp, curentul alternativ fiind periodic.

• Valorile extreme +E_m, -E_m și +I_m, -I_m se obțin în pozițiile în care fluxul este nul, adică

Φ = Φ_m ∙ cos ωt = 0 pentru α = (2k + 1) ∙ π/2, unde k = 1,2,3,…

În aceste poziții, viteza de variație a fluxului magnetic ΔΦ/Δt este maximă, deoarece laturile active AB și CD ale cadrului intersectează cele mai multe linii de câmp în unitatea de timp.

• În pozițiile în care α = kπ, fluxul are valori extreme și e = 0, i = 0, deoarece laturile active nu intersectează liniile de câmp.

👀 Experiment: Alternatorul

Materiale necesare:
Bobină cu miez de fier, magnet, miliampermetru, fire de legătură.

Descrierea experimentului:

• Se leagă bornele bobinei la un miliampermetru.
• Se rotește uniform magnetul față de bobină
• Ce observi?

  Acul miliampermetrului oscilează alternativ stânga – dreapta în fața scalei gradate față de diviziunea 0.

Concluzia experimentului:

Prin rotirea uniformă a unui magnet în fața unei bobine legată la un miliampermetru se induce în bobină un curent alternativ sinusoidal.

Acest dispozitiv, numit alternator, stă la baza principiului de funcționare a generatorului de curent alternativ din centralele electrice.

La alternatorul din cadrul centralelor electrice, în locul magnetului, se rotește un electromagnet într-un câmp magnetic.