Come funziona un generatore a corrente continua?

Come funziona un generatore DC?

Definizione di generatore DC

Un generatore DC è un dispositivo che converte l'energia meccanica in energia elettrica diretta utilizzando il principio dell'induzione elettromagnetica.

Legge di Faraday

Questa legge afferma che quando un conduttore si muove in un campo magnetico, taglia le linee di forza magnetiche, inducendo una forza elettromotrice (FEM) nel conduttore.

L'entità della FEM indotta dipende dal tasso di variazione del flusso magnetico legato al conduttore. Questa FEM causerà un flusso di corrente se il circuito del conduttore è chiuso.

Le due parti essenziali di un generatore sono:

• Il campo magnetico

• Conduttori che si muovono all'interno di quel campo magnetico.

Ora che comprendiamo i principi di base, possiamo discutere il principio di funzionamento di un generatore DC. Potrebbe essere utile anche imparare sui tipi di generatori DC.

Operazione a singolo anello

In un generatore DC a singolo anello, la rotazione dell'anello in un campo magnetico induce una FEM, e la direzione della corrente è determinata dalla regola della mano destra di Fleming.

Nella figura sopra, un singolo anello di conduttore di forma rettangolare è posizionato tra due poli opposti di un magnete.

Consideriamo l'anello rettangolare del conduttore ABCD, che ruota all'interno del campo magnetico attorno al suo asse ab.

Quando l'anello ruota dalla sua posizione verticale alla sua posizione orizzontale, taglia le linee di flusso del campo. Durante questo movimento, i due lati, cioè AB e CD dell'anello, tagliano le linee di flusso, quindi ci sarà una FEM indotta in entrambi i lati (AB e BC) dell'anello.

Poiché l'anello è chiuso, ci sarà una corrente che circola attraverso l'anello. La direzione della corrente può essere determinata dalla regola della mano destra di Fleming.

Questa regola dice che se si estendono il pollice, l'indice e il medio della mano destra perpendicolari l'uno all'altro, allora il pollice indica la direzione del movimento del conduttore, l'indice indica la direzione del campo magnetico, cioè dal polo N al polo S, e il medio indica la direzione del flusso di corrente attraverso il conduttore.

Ora, se applichiamo questa regola della mano destra, vedremo che in questa posizione orizzontale dell'anello, la corrente scorre dal punto A al B e sull'altro lato dell'anello, la corrente scorre dal punto C al D.

Ora, se permettiamo all'anello di muoversi ulteriormente, tornerà alla sua posizione verticale, ma ora il lato superiore dell'anello sarà CD, e il lato inferiore sarà AB (esattamente l'opposto della precedente posizione verticale).

In questa posizione, il movimento tangenziale dei lati dell'anello è parallelo alle linee di flusso del campo. Quindi non ci sarà taglio di flusso, e conseguentemente, non ci sarà corrente nell'anello.

Se l'anello ruota ulteriormente, torna in una posizione orizzontale. Ma ora, il lato AB dell'anello si trova davanti al polo N, e CD si trova davanti al polo S, cioè esattamente l'opposto della precedente posizione orizzontale come mostrato nella figura accanto.

Qui il movimento tangenziale del lato dell'anello è perpendicolare alle linee di flusso; quindi il tasso di taglio del flusso è massimo qui, e secondo la regola della mano destra di Fleming, in questa posizione la corrente scorre da B ad A e sull'altro lato da D a C.

Ora, se l'anello continua a ruotare attorno al suo asse. Ogni volta che il lato AB si trova davanti al polo S, la corrente scorre da A a B. Di nuovo, quando si trova davanti al polo N, la corrente scorre da B ad A.

Analogamente, ogni volta che il lato CD si trova davanti al polo S, la corrente scorre da C a D. Quando il lato CD si trova davanti al polo N, la corrente scorre da D a C.

Se osserviamo questo fenomeno in modo diverso, possiamo concludere che ogni volta che un lato dell'anello si trova davanti al polo N, la corrente scorre in quella direzione, cioè verso il basso rispetto al piano di riferimento.

Analogamente, ogni volta che un lato dell'anello si trova davanti al polo S, la corrente scorre in quella direzione, cioè verso l'alto rispetto al piano di riferimento. Da questo, arriveremo al principio di funzionamento del generatore DC.

Ora l'anello viene aperto e collegato con un anello diviso come mostrato nella figura sottostante. Gli anelli divisi, realizzati con un cilindro conduttore, vengono tagliati in due metà o segmenti isolati l'uno dall'altro.

Colleghiamo i terminali di carico esterni con due spazzole di carbonio che riposano su questi segmenti di anello diviso.

Commutatore e spazzole

Gli anelli divisi (commutatori) e le spazzole di carbonio assicurano che la corrente rimanga unidirezionale invertendo le connessioni mentre l'anello ruota.

Posizionamento delle spazzole

Le spazzole sono posizionate in modo che la FEM sia zero quando la bobina è perpendicolare al campo magnetico, consentendo un flusso di corrente uniforme.

Principio di funzionamento del generatore DC

Possiamo vedere che nella prima metà della rivoluzione, la corrente scorre sempre lungo ABLMCD, cioè la spazzola n. 1 è in contatto con il segmento a.Nella seconda metà della rivoluzione, nella figura, la direzione della corrente indotta nella bobina è invertita. Ma allo stesso tempo, la posizione dei segmenti a e b è anche invertita, il che fa sì che la spazzola n. 1 venga a contatto con il segmento b.

Pertanto, la corrente nella resistenza di carico scorre nuovamente da L a M. L'andamento della corrente attraverso il circuito di carico è come mostrato nella figura. Questa corrente è unidirezionale.

Il contenuto sopra è il principio di funzionamento di base del generatore DC, spiegato tramite il modello del generatore a singolo anello.

Le posizioni delle spazzole del generatore DC sono tali che il cambio dei segmenti a e b da una spazzola all'altra avvenga quando il piano della bobina rotante è ad angolo retto rispetto al piano delle linee di forza. In questa posizione, la FEM indotta nella bobina è zero.