Преобразование электрической энергии в механическую

Как преобразовать

В разных сферах деятельности человек сталкивается с электричеством. Понять природу этого явления несложно, если ознакомиться с понятием электроэнергии, разобраться в принципах и механизмах ее проявления. К примеру, без электрической энергии невозможно представить себе быт современного человека и работу промышленных предприятий. Расшифруем термин, ориентируясь на основные положения науки физики.

Из теоретического курса физики всем хорошо знаком закон сохранения энергии. С помощью выведенных опытным путем закономерностей ученым удалось сформулировать принципы и разработать практические способы преобразования энергетического запаса из одного вида в другой. Ярким примером подобных технологий служит переход из электрической энергии в механическую.

Рассмотрим описание типичного практического опыта, который демонстрирует преобразование электроэнергии в механическую энергию. Представим, что имеется какой-то произвольный проводник, по которому пропустили электричество. Если расположить неподалеку магнит, то проводник под напряжением вступит с его магнитным полем во взаимодействие.

С целью определения сформированной электромагнитной силы целесообразно воспользоваться правилом левой руки. В процессе под эффектом этой силы проводник приводится в движение, меняя положение с некоторой скоростью, которую можно обозначить за v. Наблюдаемое явление лучшим образом демонстрирует, как электроэнергия трансформируется в механическую энергию, чему способствует сила Fэм.

Заметим, что в исследуемом процессе движущей служит электромагнитная сила. С другой стороны, этой силе может оказывать сопротивление, то есть действовать противоположно, какая-либо механическая энергия. Примером такой энергии является сила трения. В процессе передвижения проводник проходит сквозь линии магнитного поля. В результате формируется электромагнитная индукция. Рассчитать, как ориентирована эта величина несложно. Достаточно применить к ситуации правило правой руки.

Если провести практический опыт в описанных ранее условиях, то можно убедиться в том, что направление электромагнитной индукции противопоставлено силе тока I. В свою очередь электродвижущая сила ориентирована по направлению к электричеству. Такой встречный вектор свидетельствует о реализации процесса потребления электроэнергии какими-либо потребителями. Если принять сопротивление проводниковой конструкции за \(R_0\), то напряжение на крайних точках этого проводника при встречной электродвижущей силе допустимо вычислить, применяя такую формулу:

\(U = E + I \cdot R_0\)

Устройства

Когда речь идет о преобразовании электроэнергии в механическую энергию, сразу представляется электрический мотор. Такие силовые агрегаты обладают общим принципом действия, но отличаются по особенностям эксплуатации, техническим параметрам, целевому назначению, массе, габаритным размерам, конфигурации и другим характеристикам.

Особенность работы силового агрегата заключается в физическом  взаимодействии двух основных элементов конструкции:

• статичный статор;
• подвижный ротор.

В распространенных моделях конфигураций электродвигателя предполагается размещение ротора во внутренней области статора. В противном случае, то есть при наружном расположении ротора, мотор относят к обращенному типу. Рабочий режим электрического двигателя реализован на явлении электромагнитной индукции. К примеру, конструкция мотора постоянного тока с небольшими показателями мощности предполагает наличие двух постоянных магнитов, играющих роль индуктора. Модели роторов:

• короткозамкнутые;
• фазные.

Второй вариант роторов подходит для тех ситуаций, когда требуется снизить значение пускового тока и отрегулировать частоту вращения мотора. Как правило, фазные роторы устанавливают на двигатели крановой техники. Помимо разницы в конструкции составных компонентов, предусмотрен еще один критерий для классификации силовых агрегатов. Таким образом, моторы отличаются по типу тока:

1. В электродвигателе постоянного тока фазы переключаются непосредственно в моторе. Среди таких моделей выделяют несколько подтипов, в том числе, вентильные и коллекторные, машины с самовозбуждением и с независимым возбуждением от постоянных магнитов и электромагнитов.
2. Электродвигатели пульсирующего тока, где питание реализовано за счет пульсаций электричества. При рассмотрении конструкции таких моторов можно заметить массу сходств с предыдущим типом моделей силовых агрегатов, функционирующих на постоянном токе. Отличие заключается в присутствии дренирования вставки в остове, дополнительных шихтованных полюсах, увеличенном числе пар полюсов, компенсационной. Такие машины востребованы для установки на электровозах в комплекте с выпрямителями.
3. Электромоторы переменного тока с соответствующим типом питания. Асинхронные и синхронные машины отличаются принципом действия. Во втором случае первая гармоника магнитодвижущей силы статора перемещается так же быстро, как вращается ротор. Для асинхронных силовых агрегатов эти скоростные параметры отличаются.

В свою очередь синхронные электрические двигатели насчитывают множество модификаций и подразделяются на следующие группы:

• электромоторы с постоянными магнитами;
• реактивные;
• гибридные;
• шаговые;
• гистерезисные;
• реактивно-гистерезисные.

В основе классификации асинхронных электродвигателей количество фаз. В соответствии с этим критерием выделяют такие модели силовых агрегатов, как:

• однофазные;
• двухфазные;
• трехфазные;
• многофазные.

В настоящее время предприятия промышленного сектора заинтересованы в использовании электромоторов асинхронного типа. Такие силовые агрегаты функционируют на переменном электрическом токе с частотой вращения ротора, которая не совпадает с аналогичными характеристиками магнитного поля, сформированного напряжением электропитания.

Примеры, как из механической энергии получить электрическую и наоборот

Закономерности, характерные для процессов электромагнитной индукции и электромагнитных сил, составляют основу функционирования электрических агрегатов, которые называют генераторами. Подобные устройства направлены на преобразование механической энергии в электрическую. Обратное явление подразумевает переход электрической энергии в механическую. Такие процессы реализованы посредством электродвигателей.

Рассмотрим типичный пример. Представим, что имеется некоторое магнитное поле. В промежуток между полюсами магнита установили проводниковый элемент линейного типа. Попробуем переместить проводник. При этом на него будет воздействовать механическая сила извне. Обозначим ее за F. В случае ориентации направления движения проводника по траектории, которая является перпендикуляром к магнитным линиям поля, в результате индукции электродвижущая сила составит величину, которую можно рассчитать по формуле:

\(Е = В \cdot I \cdot v\)

После замыкания начала и конца проводникового элемента можно наблюдать прохождение тока I по замкнутой цепи. Направление силы тока ориентировано так же, как электродвижущая сила Е. Запишем формулу второго закона Кирхгофа для рассматриваемого примера:

\(Е = U + I \cdot r\)

В записанном соотношении использованы параметры напряжения на зажимах, сопротивление, характерное для токопроводящего элемента, а также \(I \cdot r\)  для отслеживания уменьшения величины напряжения в проводнике. Найдем произведение представленного соотношения и силы тока:

\(Е\cdot I = U\cdot I + I^{2} \cdot r\)

Выполним необходимые преобразования:

\(B \cdot l \cdot v \cdot I = U\cdot I + I^{2} \cdot r\)

\(B \cdot l \cdot I = F\)

\(F \cdot v = P_{мех}\)

\(P_{мех} = Р _{эл} + \triangle Р\)

В последнем математическом соотношении \(P_{мех}\) обозначает механическую мощность, которая трансформируется в электрическую. С другой стороны, \(Р _{эл}\) подразумевает электрическую мощность, передаваемую во внешнюю цепь. \(\triangle Р\) соответствует потери мощности в сопротивлении токопроводящего элемента, выделяемые в виде тепловой энергии.

Аналогичным образом можно рассмотреть процесс трансформации электроэнергии в механическую энергию. Представим, что имеется некоторый линейный токопроводящий элемент с током I, который генерирует источник напряжения, расположенный во внешнем магнитном поле, сформированном с помощью магнита. Когда проводник статичен, энергетический запас источника напряжения расходуется на повышение температуры токопроводящего элемента, что можно выразить через математическое соотношение:

\(А = U \cdot I \cdot t = I^{2} \cdot r\cdot t\)

В процессе расход мощности несложно вычислить с помощью формулы:

\(Р _{эл} = U\cdot I = I^{2} \cdot r\)

Из записанного равенства допустимо вывести соотношение, определяющее ток в цепи:

\(I = \frac{U}{r}\)

С другой стороны, неоспоримым фактом служит воздействие силы F извне, источником которой является электромагнитное поле, на токопроводящий элемент. Данная сила способствует движению проводника в магнитном поле, которое ориентировано по правилу левой руки. В процессе передвижения токопроводящий элемент пересекает магнитные линии, что приводит к возникновению электромагнитной индукции и формированию электродвижущей силы. Как ориентирована эта сила, можно определить, воспользовавшись правилом правой руки. Запишем справедливое соотношение:

\(Е_{обр} = В \cdot l \cdot v\)

Здесь стоит воспользоваться вторым законом Кирхгофа, который применим для замкнутой цепи:

\(U - Е_{обр} = l \cdot r\)

\(U = Е_{обр} + l \cdot r\)

Таким образом, можно определить значение силы тока:

\(I = \frac{U - Е_{обр}}{r}\)

Путем сравнения нескольких математических соотношений можно прийти к выводу о том, что в токопроводящем элементе, который перемещается в магнитном поле при стабильных характеристиках U и r, ток будет меньше, чем в статичном проводнике. Путем почленного умножения получим следующее уравнение:

\(U\cdot I = Е_{обр}\cdot I + I^{2} \cdot r\)

Таким образом:

\(U\cdot I = В\cdot I \cdot v \cdot I + I^{2} \cdot r\)

Выполним соответствующие преобразования:

\(U\cdot I = F \cdot v + I^{2} \cdot r\)

\(Р _{эл} = P_{мех} + \triangle Р\)

Записанное соотношение демонстрирует преобразование мощности источника напряжения в механическую энергию, когда токопроводящий элемент перемещается в электромагнитном поле. Частично энергетический запас расходуется на формирование тепловой энергии. По такому же принципу электроэнергия преобразуется в механическую в электромоторе. На основании вышесказанного можно заключить, что электрическая машина обратима, то есть может использоваться в качестве генератора и двигателя.