Prądnica-Informacje ogólne, budowa, rodzaje i zasada działania

Prądnica- to urządzenie, wytwarzające energię elektryczną kosztem dostarczonej jej energii mechanicznej.

Pierwszą prądnicę skonstruował w 1831 roku odkrywca indukcji elektromagnetycznej Michael Faraday. Jego prądnica, zwana dyskiem Faradaya lub maszyną jednobiegunową, wytwarzała prąd w wyniku obrotu miedzianego dysku w polu magnetycznym podkowiastych magnesów trwałych. Prądnica ta wytwarzała prąd stały o dużym natężeniu, lecz niewielkim napięciu.
W 1832 roku francuski fizyk Hippolyte Pixii skonstruował prądnicę prądu przemiennego, w której prąd elektryczny był wytwarzany w wyniku obrotu magnesu w pobliżu zwojnicy. Po wprowadzeniu zwojnicy obracającej się w polu magnetycznym magnesu oraz po zastosowaniu komutatora uzyskano prądnicę, w której prąd płynął w jednym kierunku.

Budowa prądnicy:

Podstawowymi a zarazem głównymi częściami prądnicy są:

~stojan (nieruchoma część związana z obudową)

~wirnik (rotor, część wirująca wewnątrz stojana)

~zwoje przewodnika (nawinięte na wirnik i przecinające pole magnetyczne)

~magnes (wytwarza zwoje przewodnika i powoduje indukowanie zmiennej siły elektromotorycznej.)

~komutator (w prądnicy prądu stałego zamontowany na wirniku, prostuje przebieg wzbudzanego prądu)

Aby wykonac model prądnicy prądu zmiennego należy uzyc takich materiałów jak:
~dwa magnesy neodymowe
~100m drutu miedzianego emaliowanego
~dioda luminescencyjna
~buteleczka po "activi"
~patyk do szaszłyków
~taśma izolacyjna
~lutownica
~nóż


Rodzaje prądnic:

Ze względu na rodzaj wytwarzanego napięcia prądnice dzieli się na:
~prądnice prądu przemiennego (alternatory)
~prądnice prądu stałego (dysk Faradaya)


Ze względu na budowę i zasadę działania prądnice (generatory) dzieli się na:
~generatory synchroniczne
~generatory asynchroniczne

Ze względu na rodzaj zastosowania i uzwojenie prądnice dzieli się także na:
~prądnice obcowzbudne
~prądnice bocznikowe
~prądnice szeregowe
~prądnice szeregowo bocznikowe
~prądnice pracujące równolegle
~turbogenerator
~dynamo



Zasada działania prądnicy:

Zasada działania prądnicy jest następująca: Uzwojenie cewki  umieszczonej w wirniku prądnicy przecina linie pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie wzbudzające i dzięki temu indukuje się w nim zmienna siła elektromotoryczna.

Zasadę działania prądnicy prądu stałego można najprościej wyjaśnić na przykładzie prostoliniowego przewodnika poruszającego się w niezmiennym w czasie polu magnetycznym. Podczas gdy wirnik maszyny pod wpływem zewnętrznych sił wiruje w polu magnetycznym w uzwojeniu twornika indukuje się siła elektromotoryczna rotacji o wartości (korzystając z prawa Faraday’a):
 

E = - dΦ/dt

 Jak wiadomo strumień dΦ możemy zamienić na iloczyn skalarny wektora B indukcja magnetyczna) i ds, gdzie powierzchnia ds jest powierzchnią zakreśloną przez przewodnik w czasie dt, a więc nasz wzór przyjmie postać:

E = - Bds/dt

 Rozkładając teraz powierzchnię S na dwie składowe lw (długość) i dx (drogę przebytą w czasie dt) możemy zapisać:

E = - Blwdx/dt = - Blwv

Gdzie v jest prędkością liniową przewodników.

Napięcie powstające na zaciskach maszyny jest sumą sił elektromotorycznych indukowanych w poszczególnych cewkach wirnika połączonych szeregowo. Ponieważ osie cewek są wzajemnie przesunięte w przestrzeni i w danej chwili każda z nich znajduje się w innych warunkach magnetycznych, napięcie powstające na zaciskach twornika jest sumą wartości chwilowych sił elektromotorycznych indukowanych w każdej z cewek.
Wartość siły elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu twornika wynosi:

E = k Φ n

Gdzie Φ jest wartością strumienia magnetycznego, n prędkością obrotową (obr/min), a k stałą konstrukcyjną maszyny. W trakcie pracy prądnicy napięcie na zaciskach obwodu jest mniejsze od całkowitej siły elektromotorycznej o spadek napięcia na rezystancji wszystkich elementów obwodu, a więc wynosi
U = E - ItRt It jest wartością prądu przepływającego przez uzwojenie twornika, Rt wartością oporu czynnego twornika.

Zasadę działania prądnicy prądu przemiennego najłatwiej wyjaśnić na przykładzie ramki obracającej się w stałym polu magnetycznym. 

Całkowity strumień magnetyczny przenikający przez ramkę wyraża się wzorem :



Ponieważ kąt alfa jest zależny od czasu i wyraża się wzorem: Nasz wzór na strumień przyjmie ostatecznie postać: Z prawa Faraday’a wiemy że siła elektromotoryczna e wyraża się wzorem : Więc siła elektromotoryczna wytwarzająca się w ramce po scałkowaniu będzie równa : Jak wynika ze wzoru, siła elektromotoryczna zmienia się sinusoidalnie, a największą wartość przyjmuje wówczas gdy ramka jest prostopadła do linii pola magnetycznego (linie sił są równoległe do wektora normalnego powierzchni ramki).
Z modelu prądnicy prądu przemiennego można łatwo przejść do prądnicy prądu stałego poprzez założenie komutatora na trzpień wirnika, prostującego przebieg prądu. Siła elektromotoryczna wytwarzana przez taką prądnicę będzie się wyrażała wzorem :
  

FILM prezentujący prosty model prądnicy prądu zmiennego:

 http://www.youtube.com/watch?v=1JBU7Z1Nu5A&feature=player_embedded