Чем больше будет разность давления жидкости, создаваемая насосом, и чем меньше будет сопротивление протеканию жидкости (чем больше будет сечение труб), тем больше жидкости пройдет по трубе.

В электрической цепи движение электронов происходит под воздействием электродвижущей силы (э. д. е.), создаваемой генератором электрического тока. Чем больше будет э. д. с. генератора, тем больше пройдет электричества в единицу времени.

Как в гидравлической системе при движении жидкости давление падает по мере удаления от водонапорного бака (часть давления расходуется на преодоление трения о стенки трубы), так и электродвижущая сила источника тока идет на преодоление сопротивления электрической цепи.

Рис. 2. Падение напора при протекании воды в трубе

Часть э. д. е., идущей на преодоление сопротивления отдельных участков цепи, в том числе и в самом генераторе, называют падением напряжения.

Чем больше удален генератор от потребителя, тем больше падение напряжения в питающей цепи, тем меньше величина напряжения у потребителя электрической энергии.

Падение напряжения измеряется, как и напряжение, в вольтах.

Закон Ома

Приложенное к цепи напряжение, протекающий по цепи ток и сопротивление цепи связаны между собой определенным соотношением, которое называется законом Ома, по имени открывшего его ученого.

Закон Ома гласит: сила тока, протекающего по цепи, прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению цепи.

Рис. 3. Соединение проводников:
а — последовательное; б — параллельное

Закон Джоуля — Ленца

При пропускании электрического тока через проводник последний нагревается.

Электромагнитное поле

Магнитами называют тела, способные притягивать и удерживать железные и стальные предметы.

Концы магнита, обладающие наибольшей силой притяжения, называют полюсами магнита. Каждый магнит имеет два полюса. Различают северный и южный полюсы магнита (соответственно магнитным полюсам земного шара). Северный полюс обозначают буквой N, южный полюс — буквой.

Пространство вокруг магнита, в котором обнаруживается действие магнитных сил, называется магнитным полем.

Магнитное поле условились характеризовать силовыми линиями, которые имеют следующие свойства:
1) магнитные силовые линии образуют замкнутые контуры;
2) внутри магнита эти линии идут от южного полюса к северному, а в окружающем магнит пространстве — от северного к южному;
3) магнитные силовые линии стремятся укоротиться по своей длине, т. е. обладают свойством продольного натяжения;
4) магнитные силовые линии стремятся воздействовать друг на друга в перпендикулярном к их длине направлении (обладают свойством бокового распора);
5) магнитные силовые линии никогда не пересекаются между собой.

В действительности силовых линий не существует: они условно принимаются лишь для того, чтобы наглядно представить картину поля и на основании этого определить поведение различных предметов в этом поле.

Плотность магнитного поля характеризуется магнитной индукцией. Обозначают магнитную индукцию буквой В. Условились считать величину магнитной индукции в данной точке поля равной числу силовых линий поля, проходящих через площадку 1 см2, расположенную в этой точке перпендикулярно силовым линиям.

При изучении магнитных явлений часто пользуются понятием «магнитный поток». Магнитный поток равен произведению магнитной индукции на величину площадки, расположенной перпендикулярно силовым линиям, через которую проходит данный поток. Обозначается магнитный поток буквой Ф, измеряется он в максвеллах (ж/сс).

Рис. 4. Правило штопора

Рис. 5. Правило правой руки

Чтобы определить направление магнитных силовых линий вокруг проводника с током, используют так называемое правило буравчика, которое читается так: если ввинчивать буравчик в направлении движения тока, то направление вращения рукоятки буравчика укажет направление магнитных силовых линий, создаваемых током.

Если перемещать в магнитном поле замкнутый проводник таким образом, чтобы он пересекал магнитные силовые линии, то в нем возникет э. д. е., под действием которой в проводнике потечет электрический ток. Такой же эффект будет, если перемещать поле относительно неподвижного проводника.

Для определения направления этого тока служит правило правой руки: если правую руку поместить в магнитное поле так, чтобы ладонь была направлена навстречу силовым линиям поля, а отогнутый большой палец совпадал с направлением движения проводника, то остальные вытянутые четыре пальца укажут направление наведенного электрического тока.

Величина наведенной э. д. с. тем больше, чем больше силовых линий будет пересекать проводник в единицу времени, т. е. чем больше скорость движения проводника, чем длиннее часть проводника, находящегося в поле, и чем сильнее поле.

Если же проводник неподвижен относительно силовых линий магнитного поля или движется вдоль силовых линий, то силовые линии не будут пересекаться и, следовательно, э. д. с. наводиться не будет. Э. д. с. появляется в проводнике не только при движении проводника в магнитном поле, но также во всех случаях изменения магнитного поля, когда силовые линии пересекают проводник. Можно сказать, что в контуре, образованном замкнутым проводником, всегда индуктируется (возникает) электродвижущая сила при изменении магнитного поля, охватываемого этим контуром.

Направление индуктированной э. д. с. можно определить по правилу, сформулированному Ленцем: направление индуктированной э. д. с. таково, что вызванный ею ток своим магнитным полем стремится препятствовать причине, порождающей эту индуктированную э. д. с.

При включении тока в катушку, состоящую из нескольких витков провода, создается магнитный поток, который при своем увеличении индуктирует в витках катушки э. д. е., направленную в соответствии с правилом Ленца, навстречу действующему внешнему напряжению. В результате действия этой э. д. с. ток в катушке ослабляется и достигает своего максимального значения не сразу, а постепенно, приближаясь к величине, определяемой законом Ома, по мере уменьшения индуктированной э. д. с. Индуктирование э. д. с. в витках катушки, по которой протекает ток под воздействием внешнего напряжения, называется самоиндукцией.

Если магнитный поток, образовавшийся при прохождении тока в одном проводнике, охватывает и другой проводник,то при изменении величины тока в первом проводнике появится э. д. с. во втором проводнике. Появление э. д. с. в проводниках, связанных лишь магнитным потоком, называют взаимоиндукцией.

Если в магнитное поле поместить проводник, по которому течет электрический ток, то на проводник будет действовать сила, выталкивающая его из магнитного поля. Эта сила возникает в результате взаимодействия магнитного поля, в которое внесен проводник, с полем, образовавшимся вокруг проводника при протекании по нему тока.

Результирующее поле, образованное в результате сложения магнитного поля, в которое внесен проводник, с полем проводника, будет с одной стороны проводника усилено, так как здесь силовые линии обоих полей имеют одно направление, а с другой стороны проводника — ослаблено в связи с тем, что силовые линии полей будут направлены навстречу друг другу. Появление силы, стремящейся переместить проводник, объясняется свойствами, которыми условно наделены силовые линии (свой-ство бокового распора).

Проводник будет стремиться переместиться от места наибольшого скопления силовых линий в сторону с наименьшей концентрацией силовых линий. На рис. 86 направление действующей силы показано стрелкой А.

Зная расположение полюсов магнитного поля, в которое внесен проводник, и направление тока в нем, можно определить направление движения проводника, пользуясь правилом левой руки: если расположить левую руку так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены в ту же сторону, что и протекающий ток, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника.

Рис. 6. Взаимодействие проводника с током и магнитного поля

Рис. 7. Правило левой руки

Принцип действия электрического генератора и двигателя постоянного тока

Электрическими генераторами называют вращающиеся электрические машины, которые служат для преобразования механической энергии в электрическую.

Машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую, называют электрическими двигателями.

Принцип действия генератора постоянного тока показан на рис. 8. Здесь N и S — неподвижные полюсы, создающие магнитный поток, который называют потоком возбуждения; Я — якорь, состоящий из одного витка; К — коллектор, служащий для передачи получаемого тока в электрическую цепь. При вращении якоря в указанном стрелкой А направлении в верхней части витка индуктируется э. д. с. указанного стрелкой Б направления (по правилу правой руки); в нижней части витка, в соответствии с этим же правилом, будет индуктироваться э. д. с. обратного направления. При горизонтальном положении витка э. д. с. его будет равна нулю. При дальнейшем движении витка направление э. д. с. изменится, так как изменилось направление

силовых линий по отношению к витку (верхняя часть витка стала нижней). Для того чтобы ток во внешней цепи не изменил своего направления, служит коллектор. Коллектор, как видно из рисунка, в соответствии с изменением положения витка переключает концы витка таким образом, чтобы направление тока во внешней цепи не изменилось. Ток с коллектора снимается щетками В и Г.

Двигатель 1 постоянного тока устроен так же, как и генератор. Если при неподвижном якоре щетками В и Г подать напряжение (на щетку Г плюс, а на щетку В минус), то по обмотке якоря потечет ток в направлении, указанном стрелкой Д.

Направление тока при работе машины в качестве двигателя противоположно направлению тока при работе машины в качестве генератора .при той же полярности тока на щетках. В результате взаимодействия магнитного поля полюсов и магнитного поля, образованного током, протекающим по обмотке якоря, якорь начнет вращаться по правилу левой руки в направлении, показанном стрелкой А.

Рис. 8. Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока

В реальных двигателях и генераторах обмотка якоря состоит из большого числа витков провода, уложенных в пазы стального якоря, состоящего из тонких листов электротехнической стали. Введение стального якоря уменьшает сопротивление магнитному потоку, в связи с чем значительно увеличивается магнитная индукция в воздушном зазоре машины.

Якорь изготовляют из изолированных друг от друга тонких стальных листов (шихтованный якорь). Такая конструкция якоря позволяет избежать появления вихревых токов, нагревающих якорь.

В связи с тем, что обмотку якоря машины постоянного тока выполняют многовитковой, с большим числом отдельных секций, коллектор этих машин состоит из большого числа медных пластин (ламелей), к которым припаяны концы секций.

Магнитное поле, в котором вращается якорь, создается в двигателях и генераторах постоянного тока при помощи специальных обмоток, называемых обмотками возбуждения. Эти обмотки расположены на стальных полюсах, укрепленных на станинах двигателей и генераторов.

Для изменения направления вращения двигателя постоянного тока нужно изменить направление тока или в якоре или в обмотке возбуждения (правило правой руки).

Если же изменить направление тока и в якоре и в обмотке возбуждения, то направление вращения двигателя не изменится.

Постоянный и переменный электрический ток

До сих пор при изучении законов электрического тока имелось в виду, что напряжение, приложенное к цепи, остается постоянным по величине и направлению. Такой ток называют постоянным.

График постоянного тока показан на рис. 9, а, где по вертикали отложено напряжение, а по горизонтали — время.

Переменный ток все время меняет свою величину и направление. График переменного тока показан на рис. 9, б.

Время Т, в течение которого переменный ток совершит полное колебание, называется периодом. Число периодов в секунду называется частотой. В СССР принята частота тока 50 периодов в секунду. Ценным качеством переменного тока является возможность трансформации его, т. е. изменения напряжения при помощи простого аппарата — трансформатора. Это дает возможность экономично передавать электрическую энергию на большие расстояния и расширяет область ее применения.

При протекании переменного тока в цепи, где самоиндуктируется ток, э. д. с. самоиндукции, по правилу Ленца, противодействует внешнему напряжению. Таким образом, цепь, где происходит самоиндукция, оказывает протеканию переменного тока большее соротивление, чем протеканию постоянного тока, за счет дополнительного сопротивления, появляющегося только при переменном токе.

Сопротивление электрической цепи протеканию постоянного тока называют активным сопротивлением. Дополнительное по сравнению с сопротивлением постоянному току сопротивление протеканию переменного тока, вызванное наличием е. д. с. самоиндукции, называют индуктивным, или реактивным сопротивлением. Полное сопротивление цепи протеканию переменного тока (активное и реактивное вместе) называют полным сопротивлением.

Рис. 9. Графики тока:
а — постоянного; б — переменного

Аналогично названию сопротивлений, ток и мощность, идущие на создание электромагнитного поля в электрических цепях, г^е происходит самоиндукция, называют, соответственно, реактивным током и реактивной мощностью; ток и мощность, производящие полезную работу, называют активным током и активной мощностью. Общая мощность (сумма активной и реактивной мощностей), действующая в цепи переменного тока, называется ‘полной мощностью.

В отличие от активной мощности, измеряемой в киловаттах, полную и реактивную мощность измеряют в вольтамперах и в киловольтамперах.

Трехфазный переменный ток

Рассмотренный нами переменный ток называют однофазным. Его можно, так же как и постоянный ток, передать по двум проводам. Обычно он используется для питания осветительных ламп

Рис. 10. Трехфазный ток:
а — схема соединений; б — график трехфазного тока

и мелких бытовых приборов. Для питания крупных двигателей, электропечей и трансформаторов применяется система из трех однофазных токов, соединенных вместе по схеме, изображенной на рис. 10. Каждый из этих токов протекает по двум проводам. При таком соединении три провода из шести можно объединить в один провод.

Таким образом, для передачи трехфазного тока необходимо иметь четыре провода. При равных нагрузках всех трех фаз в четвертом проводе токи трех фаз направлены навстречу друг другу и сумма их равна нулю. Поэтому при равномерной нагрузке фаз для передачи трехфазного тока достаточно трех проводов.

Принцип действия электрического генератора и двигателя переменного тока

Принцип действия генератора переменного тока показан на рис. 11. В отличие от генератора постоянного тока концы витка в этом случае выведены не на коллектор, а на кольца. Следовательно, вместе с изменениями направления тока в витке при его вращении будет изменяться и направление тока по внешней цепи. На практике строятся генераторы только трехфазного тока. Конструктивно генераторы выполнены следующим образом: обмотка возбуждения, питаемая постоянным током через кольца, расположена на вращающемся роторе, изготовленном из сплошной стальной болванки, а в пазах неподвижного статора уложена трехфазная обмотка переменного тока, соединенная с внешней сетью.

Двигатели переменного тока разделяются на синхронные и асинхронные.

Синхронные двигатели имеют постоянную скорость вращения, не зависящую от нагрузки на валу. В связи со сложностью пуска синхронных двигателей и несоответствием их эксплуатационных характеристик условиям работы крановых механизмов синхронные двигатели на кранах не применяют.

Рис. 11. Принцип действия генератора переменного тока

Асинхронные двигатели, наоборот, широко применяются на кранах. Эти двигатели состоят из двух основных частей: неподвижной— статора и вращающейся — ротора. В асинхронном двигателе переменный трехфазный ток включается в обмотку статора, состоящую из трех самостоятельных частей. Как видно из графика изменений трехфазного тока, напряжение достигает максимального значения не одновременно во всех трех фазах, а попеременно, через равные промежутки времени, то в одной, то в другой, то в третьей фазе. Следовательно, если включить такой ток в три обмотки, расположенные так, как это показано на рис. 12, а, то максимальное значение магнитного потока будет создаваться то в первой, то во второй, то в третьей обмотке, соответственно максимальным значениям тока в фазах, подключенных к этим обмоткам. Магнитное поле, перемещающееся таким образом по замкнутому кругу, называется вращающимся магнитным полем.

Рис. 12. Образование вращающегося магнитного поля

Описанное создание вращающегося магнитного поля поясняется рис. 92, б. Если подключить фазу 1 к первой катушке обмотки двигателя, фазу 2 ко второй катушке, а фазу 3 к третьей катушке обмотки, то в момент времени t\ максимальный поток ;будет в первой катушке, так как в это время сила тока в фазе 1, подключенной к первой катушке, будет иметь максимальное значение. Затем сила тока в фазе 1 постепенно ослабевает и, переходя через нуль, меняет направление, в это время увеличивается значение силы тока в фазе 2 и к моменту времени t2 сила тока в фазе 2 достигает максимального значения, поэтому максимальный поток уже создается не первой катушкой, а второй. Это в свою очередь означает, что магнитное поле повернулось на 120°. К моменту времени t3 максимум тока будет в фазе 3, а максимум потока будет создаваться третьей катушкой — магнитное поле повернулось еще на 120°.

Обмотка ротора асинхронного двигателя замкнута на себя или на сопротивление. При неподвижном роторе и наличии тока в обмотке статора силовые линии вращающегося магнитного поля пересекают неподвижные витки обмотки ротора, в результате чего в обмотке ротора появляется э. д. с. и ток. Этот ток, взаимодействуя с полем статора, создает вращающий момент, стремящийся повернуть ротор в сторону вращения поля. Ротор двигателя начнет вращаться. По мере увеличения скорости ротора уменьшаются число пересекаемых силовых линий и э. д. с. и, следовательно, ток ротора асинхронного двигателя. Однако ротор никогда не достигает скорости поля, а всегда вращается медленнее. Это отставание ротора от поля статора называют скольжением. Чем больше нагрузка на валу двигателя, тем больше скольжение. Выражается скольжение в процентах или в относительных единицах.

Обычно асинхронные двигатели имеют при полной нагрузке скольжение 2—4%.

Асинхронные двигатели бывают короткозамкнутые и с фазовым ротором. У короткозамкнутых двигателей обмотка ротора замкнута накоротко («беличья клетка»),

Короткозамкнутые двигатели имеют сравнительно небольшой пусковой момент при значительном пусковом токе в статоре и роторе. Пусковой ток статора короткозамкнутого двигателя в 6—7 раз превышает ток статора при нормальной работе его с полной нагрузкой.

Большим достоинством асинхронных короткозамкнутых двигателей является простота их устройства.

Двигатели с фазовым ротором, в отличие от короткозамкнутых двигателей, имеют на роторе трехфазную обмотку, концы которой выведены на контактные кольца. Кольца позволяют за счет сопротивления, включаемого в цепь ротора, уменьшать пусковой ток двигателя и увеличивать его пусковой момент.

В процессе пуска сопротивление постепенно выводят, и при достижении полной скорости вращения ротора замыкают кольца накоротко; в дальнейшем двигатель работает аналогично ко-роткозамкнутому.

Для изменения направления вращения трехфазного двигателя переменного тока достаточно поменять местами любые два питающих конца из трех, подводимых к статору двигателя.