Введение в электронику

На рис. 9-14 изображена рамка (проводник), вращающаяся в магнитном поле. Рамка имеет светлую и темную стороны для удобства объяснения. В момент, показанный на (А), темная половина рамки движется параллельно силовым линиям, как и светлая половина. Напряжение не индуцируется. При повороте рамки в положение (Б) она пересекает силовые линии, и напряжение индуцируется.

В этом положении индуцированное напряжение максимально, так как плоскость рамки образует прямой угол с магнитным полем. При перемещении рамки в положение В количество пересекаемых силовых линий уменьшается, и индуцированное напряжение убывает от максимального значения до нуля. В этот момент рамка повернулась на 180 градусов или совершила пол-оборота.

Рис. 9-14. Индуцированное напряжение в генераторе переменного тока

Направление тока можно определить, применяя правило левой руки для генераторов. Направление тока в положении Б показано стрелкой. Когда рамка поворачивается в положение Г, направления перемещения меняются. Теперь темная половина рамки движется вверх через магнитные силовые линии, а светлая половина рамки движется вниз. Применение правила левой руки для генераторов показывает, что индуцированное напряжение изменяет полярность. Напряжение достигает максимума в положении Г и уменьшается до нуля, когда рамка возвращается в исходное положение. Индуцированное напряжение завершило один цикл с двумя сменами полярности.

Вращающаяся рамка называется якорем, причем якорь может иметь любое количество рамок. Термин «якорь» относится к детали, которая вращается в магнитном поле, независимо от того, из одной или из нескольких рамок она состоит. Частота переменного тока или напряжения — это число полных оборотов якоря в секунду, а скорость вращения определяет частоту. Такое устройство называют генератором переменного тока.

Генератор постоянного тока также преобразует механическую энергию в электрическую. Он работает подобно генератору переменного тока, за исключением того, что преобразует переменное напряжение в постоянное, и делает это с помощью устройства, называемого коллектором, как показано на рис. 9-15.

Рис. 9-15. Индуцированное напряжение в генераторе постоянного тока.

Выходное напряжение снимается с коллектора — расщепленного кольца. Когда рамка вращается из положения А в положение Б, индуцируется напряжение. Индуцированное напряжение максимально, когда направление движения рамки образует прямой угол с магнитным полем. Когда рамка перемещается в положение В, индуцированное напряжение уменьшается от максимального значения до нуля. Когда рамка продолжает перемещаться в положение Г, напряжение также индуцируется, но коллектор меняет его полярность, и оно остается таким же, как раньше. После этого рамка возвращается в исходное положение Д. Напряжение, генерируемое коллектором, является пульсирующим, но оно всегда направлено только в одном направлении, дважды изменяясь от нуля до максимума в течение каждого оборота.

Реле — это электромагнитный переключатель, который включается и выключается с помощью электромагнитной катушки (рис. 9-16).

Рис. 9-16. Примеры различных типов реле

Когда через катушку течет ток, он создает магнитное поле, притягивающее сердечник электромагнита. Когда сердечник притянут, он замыкает переключающие контакты. Когда ток не поступает в катушку, пружина отпускает сердечник, и он размыкает контакты.

Реле используется в тех случаях, когда необходимо с помощью одной цепи управлять другой цепью, причем эти цепи электрически изолированы. При этом малое напряжение или ток может управлять большим напряжением или током. Реле также может использоваться для управления несколькими цепями, находящимися на некотором расстоянии.

Дверной звонок является примером использования реле. Молоточек, ударяющий по чашке звонка, прикреплен к сердечнику. Когда нажимается кнопка, ток поступает в катушку, которая притягивает сердечник, и молоточек ударяет по чашке. Когда сердечник притягивается, он разрывает цепь, и ток перестает поступать в катушку.

Сердечник возвращается обратно пружиной и замыкает контакты, давая возможность току опять течь через катушку, и это все периодически повторяется пока нажата кнопка.

Соленоид (рис. 9-17) подобен реле.

Рис. 9-17. Пример соленоида.

_{А. Магнитное поле окружает отдельный проводник, когда по нему течет электрический ток.}

_{Б. Магнитные поля отдельных витков складываются и увеличенное магнитное поле окружает катушку, когда по ней течет электрический ток.}

_{В. Добавление металлического сердечника еще больше увеличивает магнитную силу.}

_{Г. Замыкающий сердечник обеспечивает путь через металл магнитного поля максимальной величины,}

_{Д. Положение нагруженного сердечника перед включением тока. Ток, текущий по катушке, создает магнитное поле, втягивающее сердечник внутрь катушки.}

Катушка, когда по ней течет ток, притягивает сердечник, производящий какую-либо механическую работу. Он используется в некоторых дверных звонках (колокольчиках), где сердечник электромагнита притягивает металлическую пластину, а также используется в автомобильных стартерах. Электромагнит притягивает стартерный механизм и приводит в действие маховик, запускающий двигатель.

Головки звукоснимателей также используют электромагнитный принцип. Магнитное поле создается постоянным магнитом, к которому прикреплена игла. Постоянный магнит помещен внутри небольшой катушки. Когда игла перемещается вдоль углублений в грампластинке, она перемещает магнит вверх и вниз и из стороны в сторону, в соответствии с записанным звуковым сигналом. Движение магнита в катушке индуцирует небольшое напряжение, которое изменяется в соответствии со звуковым сигналом. После этого индуцированное напряжение усиливается и подается на громкоговоритель, воспроизводящий звуковой сигнал.

Громкоговорители используются для всех типов усилителей звуковой частоты. Большинство современных громкоговорителей содержат катушку, перемещающуюся около постоянного магнита. Магнит создает постоянное магнитное поле. Когда через катушку проходит ток, он создает магнитное поле, изменяющееся в соответствии со звуковым сигналом. Изменяющееся магнитное поле катушки притягивается и отталкивается магнитным полем постоянного магнита. Катушка прикреплена к конусу, который двигается вперед и назад в соответствии со звуковым сигналом. Конус, двигаясь вперед и назад, перемещает воздух и воспроизводит звуковую волну.

Для магнитной записи используются магнитофоны катушечного типа, кассетные магнитофоны, 8-дорожечные магнитофоны, видеомагнитофоны, дисководы флоппи-дисков и дисководы жестких дисков. Все эти носители используют один и тот же электромагнитный принцип хранения информации. Сигнал записывается на ленту или диск с помощью записывающей головки и потом считывается с помощью головки воспроизведения. В некоторых изделиях головки записи и воспроизведения объединены в одном корпусе, или могут быть одной и той же головкой. Головка записи или воспроизведения является катушкой с ферромагнитнным сердечником. В крошечной щели между концами сердечника сосредоточено магнитное поле. Когда магнитный носитель, то есть материал, покрытый окисью железа, перемещается мимо записывающей головки, магнитное поле проникает в пленку и намагничивает ее. Информация записывается на ней в виде магнитного узора, соответствующего оригинальной информации. При воспроизведении или чтении информации носитель перемещается мимо щели головки воспроизведения. Изменяющееся магнитное поле индуцирует небольшое напряжение в витках катушки. Сигнал усиливается, и воспроизводится записанная информация.