Теория:
Электрический звонок и генератор переменного тока — два важных устройства, без которых сложно представить современный мир. Если трансформатор служит для изменения напряжения, то генератор предназначен для его создания, а звонок — для преобразования электрической энергии в механическую работу и звук.
Электрический звонок
Простейший электрический звонок является ярким примером автоматически прерываемой цепи. Принцип его работы основан на взаимодействии электромагнита и пружинящей пластины (якоря).
Устройство: основными элементами являются электромагнит, якорь (стальная пластина), молоточек и контактный винт. Цепь собрана так, что при подаче напряжения ток проходит через обмотку электромагнита, затем через контактный винт и якорь, после чего возвращается к источнику.
Принцип работы:
- При замыкании кнопки цепь замыкается, и ток начинает течь через катушку электромагнита.
- Сердечник электромагнита намагничивается и притягивает стальной якорь.
- Молоточек, закреплённый на якоре, ударяет по чаше звонка — раздаётся звук.
- В момент притягивания якоря цепь размыкается в месте контакта якоря с винтом (якорь отходит от винта).
- Ток прекращается, электромагнит теряет магнитные свойства, и пружинящий якорь возвращается в исходное положение.
- В исходном положении якорь снова касается контактного винта, цепь вновь замыкается, и процесс повторяется.
Цикл замыкания и размыкания происходит сотни раз в секунду, обеспечивая непрерывный звон. Таким образом, электрический звонок преобразует электрическую энергию в механические колебания и звук.
Генератор переменного тока
В то время как трансформатор изменяет параметры тока, генератор его производит. В основе работы любого генератора лежит явление электромагнитной индукции, открытое М. Фарадеем.
Устройство: простейший генератор переменного тока состоит из рамки (витка провода), вращающейся в магнитном поле постоянного магнита или электромагнита. Для съёма тока используются контактные кольца и скользящие по ним щётки.
Принцип работы
При вращении рамки с угловой скоростью \(\omega\) магнитный поток, пронизывающий её, непрерывно меняется. Согласно закону электромагнитной индукции, в рамке возникает ЭДС индукции.
Если рамка имеет площадь \(S\) и состоит из \(N\) витков, а вектор индукции магнитного поля равен \(B\), то магнитный поток определяется как , где \(\alpha\) — угол между нормалью к плоскости рамки и вектором \(B\). При вращении угол меняется по закону \(\alpha = \omega t\), следовательно, ЭДС индукции будет меняться по гармоническому закону:
где
\(E_{max}=BS\omega\) — амплитудное значение ЭДС.
Так как рамка замкнута на внешнюю цепь через кольцо и щётки, в цепи возникает переменный ток, сила и направление которого также меняются по гармоническому закону с частотой, равной частоте вращения рамки.
Промышленные генераторы устроены сложнее: вместо одной рамки используют множество витков (обмотка статора), а магнитное поле создают мощные вращающиеся электромагниты (ротор). Однако физический принцип остаётся тем же: преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока.