Значение сдвига фаз φ весьма важно. Ведь мощность тока равняется произведению силы тока на напряжение. Если синусоиды тока и напряжения совпадают, это значение будет максимальным, а если сдвинуты так, как это будет в цепи, обладающей одним емкостным или одним индуктивным сопротивлением, то мощность будет равняться нулю. В этом нетрудно убедиться, нарисовав две синусоиды, сдвинутые на девяносто градусов, перемножив их ординаты и сложив эти произведения за один период. Можно строго доказать, что в общем случае в среднем за период мощность переменного тока равна

W = I∙U∙cos φ.

Увеличение cos φ — задача инженера-электрика.

Вы приобрели холодильник ЗИЛ. Продавец вас предупредил, что холодильник рассчитан на напряжение в сети 220 вольт. А у вас в доме сетевое напряжение 127 вольт. Безвыходное положение? Ничуть. Просто придется сделать дополнительную затрату и приобрести трансформатор.

Трансформатор — очень простое устройство, которое позволяет как повышать, так и понижать напряжение. Он состоит из железного сердечника, на который надеты две обмотки (катушки). Число витков в катушках разнос.

Подключим к одной из катушек сетевое напряжение. С помощью вольтметра мы убедимся в том, что на концах другой обмотки появится напряжение, отличающееся от сетевого. Если первичная обмотка имеет w₁ витков, а вторичная w₂, то отношение напряжений будет:

U₁/U₂ = w₁/w₂

Таким образом, трансформатор будет повышать напряжение, если первичное напряжение подведено к катушке с меньшим числом витков, и понижать в обратном случае.

Почему так получается? Дело в том, что весь магнитный поток проходит практически через железный сердечник. Значит обе катушки пронизаны одинаковым числом силовых линий. Трансформатор будет действовать лишь в случае, если первичное напряжение переменное.

Синусоидальное изменение тока в первичной катушке будет вызывать синусоидальную ЭДС индукции, во вторичной катушке. Виток первичной и виток вторичной катушек находятся в одинаковых условиях. ЭДС одного витка первичной катушки равна ЭДС сети, поделенной на число витков первичной катушки, U₁/w₁, а ЭДС вторичной катушки равна произведению U₁/w₁ на число витков w₂.

В принципе каждый трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий — в зависимости от того, к какой катушке подключено первичное напряжение.

В житейской практике часто приходится иметь дело с трансформаторами (рис. 4.4).

Кроме тех трансформаторов, которыми мы пользуемся волей-неволей из-за того, что торговые приборы рассчитаны на одно напряжение, а в городской сети используется другое, кроме них приходится иметь дело с бобинами автомобиля. Бобина — это повышающий трансформатор. Для создания искры, поджигающей рабочую смесь, требуется высокое напряжение, которое мы и получаем от аккумулятора автомобиля, предварительно превратив постоянный ток аккумулятора в переменный с помощью прерывателя.

Нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, идущей на нагревание трансформатора, при повышении напряжения уменьшается сила тока, и наоборот.

Для сварочных аппаратов требуются понижающие трансформаторы. Для сварки нужны очень сильные токи, и трансформатор сварочного аппарата имеет всего лишь один выходной виток.

Вы, наверное, обращали внимание, что сердечник трансформатора изготовляют из тонких листков стали. Это сделано для того, чтобы не терять энергии при преобразовании напряжения. Как мы говорили выше, в листовом материале вихревые токи будут играть меньшую роль, чем в сплошном.

Дома вы имеете дело с маленькими трансформаторами. Что же касается мощных трансформаторов, то они представляют собой огромные сооружения. В этих случаях сердечник с обмотками помещен в бак, заполненный охлаждающим маслом.

Машины, превращающие механическое движение в электрический ток, были созданы всего лишь каких-то полтораста лет назад.

Первым генератором тока была машина Фарадея, в которой проволочный виток вращался в поле постоянных магнитов. Достаточно быстро пришла в голову (но не Фарадею!) мысль заменить один виток катушкой и таким образом суммировать все ЭДС, создаваемые во всех витках. Лишь в 1851 г. постоянные магниты были заменены электромагнитами, т. е. катушками, надетыми на железный сердечник. Возник термин «возбуждение машины», ибо для того, чтобы машина начала давать ток, нужно было «оживить» электромагнит. Сначала для возбуждения машины в обмотку электромагнита подавали ток от постороннего источника питания.

Следующим этапом явилось открытие принципа самовозбуждения машины, согласно которому не обязательно иметь дополнительный источник питания для возбуждения электромагнитов. Достаточно обмотку возбуждения электромагнитов соединить тем или иным способом с основной обмоткой машины. К концу 80-х годов прошлого столетия электрическая машина приобрела основные черты, сохранившиеся до сегодняшнего дня. Простейшая модель генератора постоянного тока изображена на рис. 4.5. Если вращать рамку в поле постоянных магнитов, в ней будет наводиться синусоидальная ЭДС.

Если пожелать получить из переменного тока постоянный, то придется снабдить машину специальным устройством, которое называется коллектором. Коллектор представляет собой два полукольца А и В, изолированных друг от друга и надетых на общий цилиндр (рис. 4.5). Цилиндр вращается вместе с рамкой. На полукольца наложены контакты Р и Q (щетки), с помощью которых ток отводится во внешнюю цепь. При каждом полуобороте рамки концы ее переходят с одной щетки на другую. Поэтому, несмотря на изменение направления тока в самой рамке, ток во внешней цепи своего направления не меняет. Так как вращающаяся часть реальной машины состоит из большого числа рамок — секций, сдвинутых на определенный угол друг относительно друга, а коллектор состоит из соответствующего числа пластин, то на щетках, машины получаем практически постоянную ЭДС.

В настоящее время строятся генераторы постоянного тока на мощности от долей киловатта до нескольких тысяч киловатт. Крупные генераторы применяются для электролиза в химической промышленности и цветной металлургии (производство алюминия, цинка). Они рассчитаны на большие токи и относительно низкие напряжения (120–200 В, 1000—20 000 А). Машины постоянного тока используются также для электросварки.

Но генераторы постоянного Тока не являются основными производителями электрической энергии. В СССР для производства и распределения электроэнергии принят переменный ток частотой 50 Гц. Генератор переменного тока создается таким, чтобы от него можно было получить одновременно три ЭДС одинаковой частоты, но отличающиеся одна от другой по фазе на угол 2π/3.

Такой трехфазный генератор схематически изображен на рис. 4.6. На рисунке каждая из катушек заменена одним витком.

На нашем рисунке провода одного из витков помечены С₁—С₄, второго С₂—С₅ и третьего C₃—C₆. Если ток входит в C₁, то он выходит в С₄, и т. д. (Разумеется, в моменты, соответствующие разным расположениям ротора и статора, любой из концов может быть входом или выходом тока.) ЭДС в неподвижных витках обмотки статора наводится, в результате пересечения их магнитным полем вращающегося электромагнита — ротора. При вращении ротора с равномерной скоростью в обмотках фаз статора возникают периодически изменяющиеся ЭДС одинаковой частоты, но отличающиеся друг от друга по фазе на угол 120° вследствие их пространственного смещения.