HARMADIK FEJEZET.
A váltakozó elektromos áram.15. A mágneses indukció. Faraday alapkísérlete. Az eddigiekben láttuk, hogy egy galvánelem energiája fémvezetékek mentén az áramforrástól nagy távolságokra szállítható, ahol hő- és chemiai energia készítésére felhasználható: a jelenséget úgy magyaráztuk, hogy a galvánelemben az anyagok chemiai energiája átalakul elektromos energiává, mely a vezeték mentén elektromos egyenáram alakjában tovaterjed és útjában ismét átalakulásokat szenved: átalakulhat hőenergiává, de elektrolitokon való áthatolása közben visszaalakulhat chemiai energiává.
Hát a mágneses hatás? Miért nem említjük a hő- és chemiai hatással egysorban a mágneses hatást is? Egyszerűen azért, mert a mágneses hatás egészen más természetű jelenség, amely éppen csak bekövetkezése, megindulása alkalmával jár energiaátalakulással, később azután, midőn az időben állandó állapot bekövetkezett, a mágneses hatást már nem kíséri energiaátalakulás. Valóban, mikor az áramot bekapcsoijuk, az áram a közelébe helyezett mágnestűt mozgásba hozza és egyensúlyi helyzetéből kitéríti: tehát az áram elektromos energiája mozgásenergiává változott át; ez a mozgásenergia azután átalakul a mágnestűnek helyzeti energiájává. Ez az energiaátalakulás az áram bekapcsolása alkalmával egy ízben végbemegyen, de azután a mágnestű helyzete többé nem változik, tehát sem mozgás-, sem helyzeti energiában több változás nem történik; a mágneses hatást tehát csak az áramzárás pillanatában kíséri energiaátalakulás, míg a hő- és chemiai hatás az idő folyamán állandó energiaátalakulással jár és az egyenáram az idővel arányos hő- és chemiai energiát halmoz föl. De szigorúan véve, az áram bekapcsolása alkalmával még nincs is egyenárammal dolgunk, hiszen az áramerősségnek a bekapcsolás előtti zérus-értékről, a bekapcsolás utáni véges értékig, mondjak 3 ampèreig kell növekednie, amit atermészeti jelenségek folytonosságába vetett hitünk szerint nem képzelhetünk ugrásszerű változásnak, hanem föl kell tennünk, hogy az áram erőssége bár rövid, de mindenesetre véges idő alatt fölveszi a 0 és 3 ampére közötti összes értékeket. De akkor az elektromos energiának mozgásenergiává való átalakulását nem is az egyenáramnak, hanem egy az idő folyamán változó elektromos áramnak kell tulajdonítanunk. Azt mondhatjuk tehát, hogy az egyenáramnak
mechanikai hatása nincs, egyenáram energiája közvetetlenül nem alakul át mozgásenergiává, csak hő- és chemiai energiává.
Latszolag ellentmond ennek az okoskodásnak az elektromos csengő jelensége és az egyenáramú elektromótorok nagy serege, amelyek mind amint mondani szokás egyenáram energiáját alakítják át mozgásenergiává. De a jelenség tüzetesebb megfigyelése meggyőz róla, hogy előbbi fejtegetésünk mégis helyes: az elektromos csengőnél ugyanis csak oly áramforrás szerepel, amely egyenáramot tud szolgáltatni, ha áramkörében az ellenállás változatlan marad, ámde a csengő működése éppen az áram bekapcsolását és megszakítását kísérő jelenségeken alapszik és eközben az áram nem egyenletes többé.
Sőt, ha a csengetés közben vannak rövidke időtartamok, amelyek folyamán az áram erőssége változatlan marad, ezek a mozgásenergia előállítása szempontjából elvesztek; ugyanazt fogjuk látni a legtökéletesebb egyenáramú elektromotoroknál is: csak az áramforrás egyenáramú, valójában a gépben változó aramok keringenek és ezek okozzák a mozgást. Az egyenáram csak melegít, a változó áram ezenkívül mozgat is.
Az áramerősség változása és a mechanikai hatások közti összefüggés fölismerése döntő fontosságú a technika, tudomány és az egész társadalmi élet fejlődésére, mert ez teszi lehetővé az elektromos energiának mechanikai úton való előállítását, és éppen így az elektromos energiának mozgásenergiává való visszaalakítását, továbbá az energiának elektromos úton való szállítását, amit igen helytelenül néha még szakkörökben is elektromos erőátvitelnek neveznek, pedig munkaátvitel a helyes elnevezés. Az áramerősség változása és a mechanikai hatások között ugyanis csodálatos és a legapróbb részletekig hű kölcsönösség tapasztalható: bekapcsoljuk az áramot egy tekercsbe, amely magához ránt egy mágnest: az elekromos áram erősségének a bekapcsolás folyamán történt megváltozását mozgásenergia keletkezése kíséri. Kapcsoljuk ki az áramforrást és zárjuk a tekercset üresen egy áramkörbe, egy galvánométerrel: közeledjünk most hirtelen egy mágnessel a tekercshez: és íme, az áramforrás nélküli körben a galvánométer gyorsan kibillen, de azután ismét visszatér egyensúlyi helyzetébe, mihelyt a mágnes is nyugalomban marad: mágnes mozgatása közben tehát a mechanikai energia átalakult egy időben változó áram elektromos energiájává, amely áram csak addig tart, ameddig a mozgás. Az ilyen mágnesek mozgása folytán keletkező változó erősségű áramot indukált áramnak nevezzük.
Az indukált áramok felfedezése jelöli az "elektromosság korának" kezdetét és az indukált áramok fölfedezője ennek az új kornak legérdemesebb úttörő bajnoka. Csodálattal és tisztelettel említjuk e bajnok nevét: Faraday Michael, Anglia szülötte. A legalacsonyabb sorból küzdötte fel magát az emberiség legnagyobbjai közé, minden sikerét éles megfigyelő tehetségé-
és józan, természetes eszejárásának köszönve, aki minden természettudományi feladat megoldását egy úton kereste: "Kérdezzük meg a természetet magát!" Ezt a jelszót azelőtt is, most sokan hangoztatták, de senki sem követte oly törhetetlen következetességgel, mint éppen Faraday. Világraszóló sikerei mutatják, hogy a természet válaszol, ha megkérdezik.
Az 52. rajzon látható Faraday szerény kísérletének vázlata; ennek köszönhetjük ama hatalmas dinamógépeket, amelyek a Niagara-vízesés eddig elfecsérelt 750.000 lóerejét is felhasználják az emberiség céljaira.
51. rajz. Faraday Michael (1791. szept. 221867. aug. 25).
A T tekercs a G galvánométerrel egy áramkörbe van kapcsolva, amelyben áramforrás nincs, a galvánométer tűje tehát állandóan a nullán marad; vegyünk azonban egy mágnesrudat és taszítsuk be gyorsan a tekercsbe: íme a tű gyors kitérést mutat, mintha egy lökést kapott volna; de amint a mágnes nyugalomban marad, a tű is esetleg egy-két lengés után visszatér egyensúlyi helyzetébe; hiába tartjuk továbbra is a mágnesrudat a tekercsben, több
áramot nem kapunk. Rántsuk azonban ki a mágnesradat! Ismét kibillen a tű, azonban most már ellenkező irányba és mihelyt a mágnest kihúzva új helyzetében meghagyjuk, a tű ugyancsak megnyugszik és többé áramot nem jelez. Fordítsuk meg a rudat kezünkben és ha előbb az északi sarkot dugtuk a mágnesbe, dugjuk most beé a délit; a galvánométer ellenkező irányú áramot jelez, mint amilyen az északi sark bedugásánál jelentkezett és a rúd kirántásánál ugyancsak ellenkező irányú áramot kapunk, mint a bedugásnál.
52. rajz. Indukált áram keletkezése. Faraday alapkísérlete.
Végezzük el most ugyanezeket a kísérleteket mégegyszer, úgy azonban, hogy a mágnest egészen lassan, óvatosan helyezzük a tekercsbe: az előbb észlelt hatás teljesen elmarad, a tű meg sem moccan. Próbáljuk a mágnes ki-bedugásának a sebességét változtatni és látni fogjuk, hogy minél gyorsabban végezzük a mozgást, annál nagyobb lesz az "indukált áram" erőssége. De ha gondosan észlelünk, még valami csodálatos jelenséget tapasztalhatunk. Szakítsuk meg a tekercs áramkörét és toljuk be igen gyorsan a mágnest a tekercsbe: a tű persze semmiféle kitérést nem mutat és a rúd gyors bedugása a legcsekélyebb erőlködés nélkül történhetik. Ámde zárjuk az áramkört és most toljuk be lehetőleg gyorsan a rudat: a tű jelentékeny kibillenést mutat, de a betolás nem ment oly könnyen; mintha valami láthatatlan rugó akadályozná a mágnest mozgásában; be is nézünk a tekercsbe, nem került-e valami akadály a mágnes útjába: semmi! rántsuk ki gyorsan a mágnesrudat! Ejnye! ismét milyen nehezen ment! Pedig a tekercs belseje teljesen üres, a mágnesrúd hozzá sem ért a tekercs falához. De ne is kutassunk a tekercsbe került idegen anyagok után! Ez a láthatatlan ellenállás a jelenségnek vele szorosan összeforrott, el nem engedhető járuléka. Hiszen ismerjük az áramok
elektromágneses hatását: a tekercsben a mágnesrúd mozgása folytán amint mondják "elektromos áram indukálódik", ezen áram hatása alatt a tekercs úgy viselkedik, mint egy mágnes, tehát a beléje helyezett mágnesrúdra is erőt fog gyakorolni. De miért akadályozza mindig az indukált áram elektromágneses hatása a mágnesrúd mozgását, miért törekszik, hálátlan gyermek módjára, megsemmisíteni a mozgást, amelynek létét köszönheti? Hogy ez valóban így van, arról a kísérlet közvetetlenül meggyőz bennünket, de hogy ez nem is lehetséges másképen, azt egy kis okoskodással be is bizonyíthatjuk.
Tegyük fel, hogy az indukált áram nem olyan hálátlan és ellenkező irányú azzal, amit tapasztaltunk, tehát a mágnesnek a tekercsbe való betolását nem akadályozza, sőt inkább elősegíti; akkor mi történnék? A tekercset csak igen kevéssé kellene meglöknünk, éppen csak kimozdítanunk helyéből, elég volna egy kilogramm-méter százezredrészével egyenlő munkát végeznünk, s íme a többi már mind magától menne tovább: a tekercsben ugyanis e csekélyke mozgás oly áramot indukálna, amely a mágnest még jobban közelítené a tekercshez, de e mozgás ismét áramot indukálna, mely a mágnes mozgását fokozná: egyidőben növekednék a mozgás sebessége, energiája és ezzel együtt az áramerősség, tehát az áram energiája is. De hiszen tudjuk, hogy energia semmiből nem lehet és az energiák legfeljebb átalakíthatók egymásba, de nem teremthetők semmiből: abból a százezred kilogramm-méterből, amelyet a mágnes legelső megmozgatására felhasználtunk, ugyancsak bő energiatermést szereztünk volna! Látható tehát, hogy a tapasztalt jelenségnek az ellenkezője lehetetlen. Az energia megmaradásának máig semmiféle tapasztalattal meg nem cáfolt, általános elve megköveteli, hogy az indukált áram olyan irányú legyen, amely elektromágneses hatásánál fogva az indukáló mozgást minden körülmények között megakadályozza.
Ennek alapján most már egészen világos képet alkothatunk magunknak az indukált áramok keletkezését kísérő energia-átalakulásról. Tulajdonképen a mágnesrúd mozgatása ellen fellépő akadály legyőzése a forrása az egész jelenségnek, az indukált áram energiájának. Ha a nyitott tekercsbe dugjuk bele a mágnest, semmi ellenállást nem tapasztalunk, munkát nem kell végeznünk, legfölebb a levegő ellenállását kell legyőznünk; természetes, hogy ez esetben áramot sem kapunk. Ha azonban a tekercset zárjuk és így toljuk be a mágnest, a mozgásnak legelső pillanatában már kapunk egy kis indukált áramot, amely akadályozza a mágnes mozgását: ezen akadály legyőzése közben munkát végzünk és ezen munka árán nyerjük az elektromos energiát az indukált áramban. A szülőok és okozat ilyenformán mindig egyidőben lépnek fel; az áramot a mozgás okozza, de azon munka árán, amely az áram által a mozgás elé gördített akadály legyőzésére szükséges. Minél gyorsabb a mozgás, annál erősebb lesz az indukált áram, annál nagyobb lesz a legyőzendő akadály, tehát több energiára
lesz szükség a nagyobb akadály legyőzésére, az erősebb áram előállításához.
Pontos mérésekkel sikerült bebizonyítani, hogy a mechanikai munka az indukció alkalmával tökéletesen és minden veszteség nélkül alakul át elektromos energiává. Ha az elektromos energia ugyancsak hasonló tökéletességgel alakítható vissza a vezetéknek egy másik pontján mechanikai energiává, akkor megvan az eszményi munkaátvitel, amelynél csak a vezetéknek szállítás közben való fölmelegedése számít veszteségnek.
Az elektromos energiának mechanikai munkává való teljes visszaalakítása valóban sikerül, ami már az előbbiek alapján igen közelfekvő. Ha ugyanazt az áramot, amelyet a vezeték egyik részében mágneses indukció útján előállítottunk, a vezetéknek egy másik részébe kapcsolt, az előbbihez hasonló tekercsbe vezetjük, e második tekercs mozgásba fogja hozni a közelébe elhelyezett mágnest, még pedig az áram elektromágneses hatása folytán olyan mozgást fog okozni, amely ugyan ellentett irányú az indukáló mozgással, de ugyanoly energiával történik, mint az indukáló mozgás, tehát ugyanolyan akadály legyőzésére lesz alkalmas, mint az indukáló mozgás.
53. rajz. Elektromos munkaátvitel elve.
A munkaátvitel ezen módjának könnyebb megértésére szolgáljon példa gyanánt a következő összeállítás (l. az 53. rajzot).
Egy áramkör egyik részébe az áramkeltő-állomáson van bekapcsolva a T1 tekercs, egy másik részében a fogyasztó állomáson a teljesen azonos szerkezetű T2 tekercs. A T1 tekercsben egy mágnesrúd mozog ide-oda; ezt a mágnest pl. egy gőzgép dugójára erősítjük, úgyhogy a mozgáshoz szükséges energiát a gőzgép szolgáltatja. Amint a mágnes a tekercsben ide-oda jár, a T1 tekercsben indukált áramok keletkeznek, amelyek a gőzgép minden lökése alkalmával, mikor a mágnesrúd mozgása közben visszafordul, ugyancsak megváltoztatják irányukat. A vezetékben tehat folytonosan változó erősségű és irányú áramok fognak végigfutni, amelyek a T2 tekercsben elhelyezett m2 mágnesrudat elektromágneses hatásuk folytán ugyanúgy fogják ide-oda mozgatni, mint ahogy az m1 mágnes mozog; és ha alkalmas géppel hozzuk összeköttetésbe az m2-et, ugyanazt a munkát fogjuk elvégezhetni, amelyet az m1 mágnes mozgatásához felhasználtunk. Van tehát
egy gőzgépünk az áramkeltő állomáson, amely két szál drót közvetítésével a tőle távol eső fogyasztó állomáson végez munkát.
Az imént elmondottak csak az elektromos úton való munkatel elvének megértésére szolgálnak; az áramkeltő és a fogyasztó állomásokon működő mai gépek más, célszerűbb szerkezetűek; az itt közölt vázlaton azonban megtaláljuk mindazt, ami az elektromos munkaátvitelt jellemzi és ezért a gyakorlatban használatos, nehezebben megérthető gépek leírását későbbre hagyjuk, mikor már a változó erősségű áramoknak tulajdonságaival és az indukció jelenségével jobban megbarátkoztunk.
16. A váltakozó elektromos áram. Az elektromos úton való munkaátvitel imént ismertetett példáján az elektromos áramlásnak oly alakja közvetíti az energiaszállítást, amelynél az áram erőssége az idő folyamán folytonosan változik. Vizsgáljuk kissé közelebbről ennek a változásnak lefolyását. Mindenekelőtt megjegyezzük, hogy ha az indukáló mozgás nem túlságosan gyors és a két állomás egymástól nincsen nagy távolságnyira, egyazon pillanatban az áram erőssége az egész vezeték mentén ugyanaz lesz, csak úgy, mint az egyenáram esetén. Egyelőre csupán ezzel az esettel óhajtunk foglalkozni, megjegyezvén, hogy már néhány kilométernél hosszabb vezeték esetén, különösen, ha az áram igen gyors változást szenved mint pl. telefonvezetékekben , az áram erőssége már nem lesz ugyanaz az egész vezeték mentén.
Ezekről az esetekről a továbbiakban szintén meg fogok emlékezni, de részletes tárgyalásuk már messze túllépné e mű kereteit.
Milyen tehát az áram lefolyása a leírt munkaátvitelnél abban az esetben, midőn az áram erőssége a vezeték mentén egyazon időben mindenütt ugyanoly irányú és nagyságú?
Kezdjük vizsgálatainkat abban a pillanatban, midőn az m mágnesrúd a gőzgép dugójának egy fordulópontjából éppen befelé indul a tekercs belsejébe. Minthogy ebben a pillanatban a mozgás sebessége zérus (a mágnes egy pillanatra megáll), zérus lesz az indukált áram erőssége is; amint azonban a mágnes megindul, megjelenik az indukált áram is, pl. a rajzon a T1 tekercs bal végétől fölfelé (ez az irány Ampére szabálya alapján meghatározható, ha megjegyezzük, hogy az indukált áram iránya ellenkezik azzal az iránnyal, amely mellett a tekercs a mágnest vonzaná). A gőzgép dugójának mozgása eleinte gyorsul, e közben az indukált áram, irányát megtartva, növekszik, a dugó mozgása azonban lassúdni kezd, mire az indukált áram még mindig változatlan irány mellett lecsökken egész nulláig; a nulla áramerősség a gőzgépdugó másik fordulópontjában következik be. Amint a dugó a mágnessel együtt mozgása irányát megváltoztatja, ellenkezőbe csap át az áram iránya is és most e mellett az ellenkező irány mellett ismétlődik az előbbi jelenség: az indukált áram eleinte erősbödik, azután elér egy felső értéket, innen kezdve csökken és végre egy pillanatig árammentes lesz a vezeték; mihelyt azonban a dugó mozgását újból megkezdi, az áramerősség változása a leírt
módon tökéletes hűséggel ismétlődik. Az áramlás e szerint kisebb, egymás közt egyenlő időszakokra bontható, amelyeken belül mindig ugyanaz a jelenség folyik le változatlanul: az áramerősség nullától kezdve növekszik, majd csökken, átcsap ellenkező irányba, ugyanakkorára növekszik, mint előbb, majd ismét fogy és végre visszatér a nullához.
Az ilyen áramot, amelynek erőssége egyenlő időközökben két egyenlő, de ellentett irányú szélső értők között ingadozik, váltakozó áramnak nevezzük; azt az időközt, amelynek eltelte után az áramerősség változása ismétlődik, az áram szakaszának, periodusának vagy rezgésidejének nevezzük, míg az a szám, amely megmondja, hány rezgés megyen végbe egy másodperc alatt, az áramlás rezgésszámának vagy szaporaságának nevét viseli.
Az áramerősségnek azt a legnagyobb értékét, melyet egy periódus alatt kétszer, ellenkező előjellel vesz fel, amplitudónak nevezzük.
54. rajz. A szabályos váltakozó áram görbéje.
Ha egymásra merőleges koordinátatengelyek közül a vízszintes koordinátatengelyre az időt, a függélyesre az áram erősségét mérjük fel, a váltakozó áram erősségét, mint az idő függvényét, pl. az 54. rajzon látható görbe tünteti elő. O-tól E-ig az áram egyik irányban halad a vezetőben, E-től F-ig az ellenkező irányban. O-tól E-ig terjed az áram egyik fázisa, E-től F-ig a másik fázis.
Az időtengely OF darabja egy periódusnak, egy teljes hullámnak felel meg, GD az amplitudó.
A váltakozó áramokat nem mindig ábrázolja oly szabályos hullámvonal, mint amilyen az 54. rajzon látható, sőt ez a szabályos vonal csak egy eszményi határeset, amelyet a gyakorlatban csak többé-kevésbbé lehet megközelíteni. Azok az áramforrások, amelyeket a gyakorlatban használnak váltakozó áramok előállítására, sokkal szabálytalanabb lefolyású áramot szolgáltatnak, amelyeknek azonban mindig megvan az a jellemző sajátságuk, hogy egyenlő szakaszok mulva ismétlődnek. Az 55. rajzon néhány nagyon szabálytalan lefolyású váltakozó áramgörbe alakja látható.
55. rajz. Szabálytalan lefolyású váltakozó áramok. Mindkét rajzon két áramgörbe látható. Wittmann Ferenc fölvételei.
Megemlítjük itt, hogy a váltakozó áramok éppen azt a két jelenséget nem mutatják, amelyek az egyenáramra kiválóan jellemzők: a váltakozó áram ugyanis nem téríti ki a galvánométer tűjét, és nem bontja fel az elektrolitokat. Mindkét hatás ugyanis az áramnak irányától függ és az áram irányának megváltozásával ellenkezőbe csap át; a váltakozó áramoknál azonban az áram gyorsan egymásután változtatja az irányát, amit a galvánométer tűje tehetetlenségénél fogva nem tud követni, az elektrochemiai hatás pedig azért marad el, mert az áram egyik fázisa által végzett bontást a másik fázis visszacsinálja. Míg tehát, ha egyenáram halad át elektroliton, az anyag kiválásával egybekötött polározás (!!!38. pont) befolyással van az áthaladó áram erősségére, addi váltakozó árammal szemben az elektrolitos cellák polározódása nem játszik szerepet.
A váltakozó áramnak azonban éppúgy van hőhatása, mint az egyenáramnak, fűteni és világítani lehet vele. Ez összefügg azzal, hogy ez a hatás nem függ az áram irányától, hanem az áramerősség négyzetével arányos; ha át is csap tehát az áram erőssége +1-ről 1-re, a négyzete pozitív marad, hő fejlődik.
17. Az indukált elektromindító erő. Láttuk, hogy indukált elektromos áramok zárt vezetékben akkor keletkeznek, ha egy
mágnest mozgatunk a vezeték közelében. Ez eddig még ugyancsak határozatlan utasítás, tehát iparkodjunk magunknak számot adni róla, miképen kell a mágnesnek mozogni, hogy indukált áramot kapjunk, azután pedig kísértsük meg felállítani a mágneses indukciónak mennyiségi alaptörvényeit, legalább oly részletességgel, amilyen a továbbiak megértéséhez föltétlenül szükséges.
Két tapasztalatot könnyűszerrel megállapíthatunk; az egyik a következő: tökéletesen ugyanarra az eredményre jutunk, akár a mágnest mozgatjuk el a nyugvó tekercshez képest, akár pedig a nyugvó mágnes környezetében, a mágnes terében mozgatjuk a tekercset; a tapasztalt jelenségek mindig csakis a tekercs és a mágnes viszonylagos helyzetének megváltozásától fognak függeni.
A másik dolog, amire az indukcióra vonatkozó kísérletek közben figyelmessé leszünk, az, hogy nem célszerű az indukált áram erőssége és az indukáló mozgás jellemzői között keresni összefüggést, mert hiszen az áramerősség nemcsak az indukáló mozgástól, hanem még az áramkör ellenállásától is függ. Ha ugyanis a Faraday-féle alapkísérletnél az áramkörbe ellenállást iktatunk be, azt tapasztaljuk, hogy ha a mágnessel pontosan ugyanazt az indukáló mozgást végezzük, mint előbb a kisebb ellenállású körnél, most kisebb áramerősséget kapunk, mint előbb. Ha az indukált áram átlagos erősségét (az indukált áram erőssége, mint tudjuk, pillanatról-pillanatra változik) a galvánométer tűjének legnagyobb kibillenésével arányosnak tekintjük, azt fogjuk tapasztalni, hogy ugyanazon indukáló mozgás mellett ez az átlagos áramerősség szigorúan fordítva arányos az áramkör ellenállásával, az ellenállás és az áramerősség szorzata tehát pontosan állandó ugyanazon indukáló mozgásnál, de már megváltozik, ha a mágnest gyorsabban, vagy mélyebbre dugjuk a tekercsbe. Az áramerősség és az áramkör ellenállásának szorzatát az egyenáramoknál elektromindító erőnek neveztük.
Ha ezt az elnevezést a változó áramoknál is megtartjuk és elektromindító erő alatt mindenkor az áramerősségnek és az áramkör ellenállásának szorzatát nevezzük, akkor azt mondhatjuk tapasztalataink alapján, hogy a mágnes és az áramkör viszonylagos helyzetváltozása határozza meg az áramkörben indukált elektromindító erőt.
A mágneses indukció alaptörvényei után kutatva, ilyenformán kell föltennünk a kérdést: Miképen függ a vezetékben indukált elektromindító erő a mágnesnek a vezetékhez viszonyított mozgásától?
A mágnes, mint láttuk, maga körül erőhatásokat fejt ki, egy mágneses erőteret létesít. A mágnes erőterében húzódnak a mágneses erővonalak (!!!18. rajz). Ha egy déli és északi mágneses pólus közé, e pólusok erőterébe egy kicsiny mágnestűt helyezünk, azt találjuk, hogy az erővonalakkal párhuzamosan helyezkedik el. Ha e helyzetéből kitérítjük, lengések után oda visszatér. Ebből
azt következtethetjük, hogy a tű északi és déli pólusain működő erők az erővonalakkal párhuzamosak. Az erővonalak tehát megadják a mágneses térben levő pólusra működő erő irányát. (Megjegyzendő itt, hogy egy mágneses pólust önmagában előállítani nem lehet, ha a tűt középen eltörjük, a keletkező két tű mindegyikének lesz egy déli és egy északi pólusa.) Az erővonalak tehát iránya szerint szemléltetik a mágneses erőteret. Egy erőnek, vagyis egy irányított mennyiségnek a tere azonban csak akkor teljesen ismert, ha az erő iránya mellett annak nagyságát is ismerjük a tér minden pontjában. Hogy a mágneses erőtér mennyiségi jellemzéséhez eljuthassunk, tovább kell menni elméleti meggondolásainkban.
A mágneses hatásokat a mágnesek pólusaiba koncentrálva képzelt északi és déli mágneses folyadéknak tulajdonítjuk. A mágnes összes mágneses folyadékmennyisége zérus, ha az északi és déli mágneses folyadéknak ellenkező előjelet tulajdonítunk, amit a tapasztalat szerint megtehetünk. A valóságban minimálisan két mágnestű, vagyis minimálisan négy pólus kölcsönhatásával van dolgunk és a tapasztalt kölcsönhatásoknak jó leírását nyerjük, ha bármely két pólus között működő erőt Coulomb szerint egyenlőnek tekintjük a pólusokban levő mágneses folyadékmennyiségek szorzatának és a pólusok közötti távolság négyzetének hányadosával.
Minthogy módunkban van a mágnesek által egymásra gyakorolt erőket és a mágnesek egyes pontjainak kölcsönös távolságait közvetetlenül lemérni, ezáltal meghatározhatjuk a mágnesekben levő mágneses folyadék mennyiségét is. A mágneses folyadék ezáltal kilép a föltevésszerű homályból és mint valóságos fizikai eljárásokkal lemérhető mennyiség, fizikai léttel ruházódik fel. Minden mérésnél azonban elsősorban mértékegységről kell gondoskodni. Az általánosan elfogadott megállapodás a következő: mágneses tömegegységként azt a mágneses tömeget fogjuk elfogadni, amely egy pontban összpontosítva, önmagával egyenlő, ugyancsak egy pontban összpontosított mágneses tömegre hatva, reá egy centiméter távolságból egységnyi erőt gyakorol.
Az itt széretlő erőegység nem a kilogramm súlya, hanem az abszolút (centiméter, gramm, másodperces ú. n. C. G. S.) rendszernek erőegysége az ú. n. din, amely a kilogramm súlyának kereken
* Annak az oka, hogy a tudományos fizikában a gyakorlati élet és a műszaki tudományoktól eltérően az erők mértékegységeül nem a kilogramm súlyát, hanem egy más egységet használnak, a következő: tudjuk, hogy földünkön a nehézségi erő egy helyről a másikra változik, tehát egy liter víz súlya más Szent Péterváron, mint Budapesten (Szent Péterváron körülbelül 1 ezrelékkel nagyobb). Az erőegység e szerint a föld különböző pontjaiban más és más volna, ami a gyakorlati életben, tekintettel arra hogy csak néhány ezrelék eltérésről lehet szó, nem zavar, azonban már igen kellemetlen tudományos vizsgálatoknál. A tudományos rendszer tehát az erőegység megállapításánál az erő fogalmi meghatározásából indul ki: egy testre ható erő egyenlő a test tömegének és az erő okozta gyorsulásának szorzatával; az erő egysége tehát az az erő lesz, amely a tömegegységnek (1 gramm = 1 cm2 víz tömege) egységnyi gyorsulást kölcsönöz, azaz nyugvó helyzetében kezdve meg hatását, egy másodperc alatt másodpercenkénti egy centiméternyi sebességgel ruházza fel. Ez az erőegység a din (görögül dinamisz = erő). Minthogy a nehézségi erő bármely testnek Budapesten 981 cm/sec2 gyorsulást kölcsönöz, érthető, hegy a din a grammra ható nehézségi erőnek 981-ed része, a kilogramm súlyának tehát kereken milliomod része.
milliomod része, tehát 1 milligramm súlyával egyenlő. A mágneses tömeg egysége tehát e tömegegységnek egy másik példányára 1 cm távolságból 1 milligramm súlyával egyenlő taszítóerőt gyakorol.
Ha ezt, a tömegegységet bárhová a térben elhelyezzük, a mágnes bizonyos erőt fog gyakorolni reá, amelyet a tér illető pontbeli erősségének fogunk nevezni. Tehát a mágneses tér erőssége egy pontban az az erő, amelyet a mágnes az illető pontban elhelyezett tömegegységnyi pozitív mágneses folyadékra gyakorol. Ilyen módon próbatestünkkel a mágnesnek egész környezetét, egész erőterét úgyszólván kitapogathatjuk és a tér minden pontjában meghatározhatunk egy erőt nagyság és irány szerint, amely a térerősséget jellemzi.
A tér valamely pontban egységnyi erősségíi, ha a tömegegységnyi mágneses folyadékra 1 din erő hat; ekkor azt mondjuk, hogy a tér erőssége az illető pontban 1 gauss. Az elnevezés Gauss német matematikus nevét örökíti meg, aki legelőször dolgozott ki oly kísérleti eljárásokat, amelyekkel valamely mágneses tér erősségét abszolút értékben le lehet mérni.
Ha ilyen módon a mágneses erőtér minden pontjában eljutunk a térerősség irány és nagyság szerinti ismeretéhez, akkor a mágneses erővonalakat nemcsak arra használhatjuk fel, hogy megadják a mágneses térerősségek irányát, hanem egyszerű megállapodással arról is gondoskodhatunk, hogy az erővonalak nagyság szerint is szemléltessék a mágneses erőteret.
Általában ugyanis tetszésünktől függ, hogy mily sűrüen rajzoljuk (vagy rajzoltatjuk a vasreszelékke]) az erővonalakat az erőtér ábrázolásánál. Megállapodhatunk tehát abban, hogy az erővonalakat oly sűrűen húzzuk, hogy ha a tér valamely pontjában a térerősség H gauss és azon a ponton keresztül egy az erővonalak irányára merőleges 1 cm2-nyi felületet fektetünk, akkor az ezt átdöfő erővonalak száma legyen H. A dolog természetéből következik, hogy az erővonalakat csak egy keresztmetszeten kell szám szerint, a térerősség figyelembevételével megszerkeszteni, azután csak az irány tekintetbevételével kell követni az egyes vonalakat, akkor önmagától úgy alakul az egész görberendszer, hogy minden pontban az erővonal irányára merőleges, 1 cm2 nagyságú felületen annyi erővonal fog áthaladni, ahány gauss erősségű a tér az illető pontban.
Ezentúl, ha bármilyen mágneses térről lesz szó, mindig azt fogjuk képzelni, hogy a teret a fenti utasítás alapján szerkesztett erővonalrendszer tölti be, úgyhogy a vonalak érintője mutatja
minden pontban a tér irányát, de a tér erősségét is megkapjuk gaussokban, ha a kérdéses pontban megolvassuk azt, hány erővonal döfi át azt az 1 cm1 nagyságú lapocskát, amelyet az illető pontban az erővonalakra merőlegesen elhelyeztünk. Azt kell képzelnünk, hogy minden mágneses sarkból, minden áram átfutotta tekercsből ily görberendszerek áramlanak ki, amelyek sűrűsödésükkel, ritkulásukkal pontosan számot adnak mindazon erőkről, amelyek a mágnes vagy a tekercs közelében föllépnek.
De miért volt szükségünk a mágneses tér erőviszonyainak eme mindenesetre érdekes, de első pillanatra sajátszerű és különös előtüntetésére? Hiszen mi a mágneses indukció alaptörvényeit kutattuk. Faraday lelki szemeivel látta legelőször a mágneses erővonalakat úgy, amint őket az imént ismertettük és bámulatos fizikai érzékével fölismerte, hogy a mágneseknek ezek a messze távolba nyúló, láthatatlan csápjai szabják meg az indukció összes jelenségeit is, még pedig csudálatosan egyszerű törvények szerint. Mindjárt kimondjuk a nevezetes alaptörvényt, amelynek segítségével ha egy mágneses teret erővonalakkal ábrázoltunk azonnal meg tudjuk mondani, hogy milyen elektromindító erő indukálódik egy vezetékben, amely az illető mágneses térben bizonyos mozgást végez. Ha ugyanis egy vezetőt a mágneses térben elmozdítunk, a vezető mozgása közben el fog metszeni bizonyos számú erővonalat. Az időegységben (1 mp alatt) elmetszett erővonalak száma egyenesen arányos a vezetékben indukált elektromindító erővel. Sőt mi több, az arányossági tényező minden anyagra, minden körülmények közt állandó számérték, amely pusztán az elektromindító erő egységének a mnegválasztásától függ; ha az elektronmindító erőt voltokban mérjük, akkor az arányossági tényező egy százmilliomod rész, tehát ha a vezető által egy másodperc alatt metszett erővonalak számát százmillióval osztjuk, megkapjuk voltokban az indukált elektromindító erőt.
A mágneses indukció minden jelensége ezen törvény alapján megyen végbe. A tekercs és mágnes előbb ismertetett példája is megérthető ezek alapján. A mágnes mozgása közben magával viszi erőterét, mintha az erővonalak merev drótból való hozzáerősített görbék volnának. Ha a tekercs a mágnes mozgása közben az erővonalakat elmetszi, indukált áramok keletkeznek, elektromótoros erő indukálódik a vezetékben. Látható ezekből az erővonalak fogalmának döntő fontossága és haszna az efajta vizsgálatoknál, és minél többet foglalkozunk indukált áramokkal, annál inkább megta.nuljuk csudálni Faraday-nek mély fizikai érzék vezette képzelőtehetségét, aki az erővonalakat gondolatban megalkotta és vizsgálataiban hű csatlósokként szerződtette. Annyira egyszerű és áttekinthető az indukció jelenségeinek erővonalak alapján való tárgyalása, hogy szinte hajlandók vagyunk az erővonalaknak valódi anyagi létet tulajdonítani: mert hiszen tudjuk, hogy elektromindító erő indukálásához bizonyos munkát kell végezni, amely munka állandó ellenállás mellett az elektromindító
erő négyzetével arányos (l. a 85.!!! lapot). Egészen olyanforma a jelenség, mintha az erővonalakat, mint a vezető mozgását akadályozó húrokat, a vezetőnek, el kellene szakítania és az elszakításhoz szükséges munka alakulna át az indukált áram elektromos energiájává. Vegyünk pl. egy párhuzamos erővonalakból álló erőteret, egy ú. n. egyenletes vagy homogén erőteret, melyben az erővonalak sűrűsége mindenütt ugyanaz és mozgassunk egyetlen egyenes vezetődarabot e térben az erővonalakra merőleges irányban. Bizonyos sebesség tellett 1 mp alatt a vezeték pl. 100 erővonalát metsz, akkor a benne indukált elektromindító érő 1 milliomod volt (1 mikrovolt); ha most a vezetéket kétszer akkora sebességgel mozgatjuk, mint előbb, a vezeték 1 mp alatt 200 erővonalat fog metszeni, az indukált elektromindító erő 2 mikrovolt lesz, az indukált áram erőssége is megkétszereződik, tehát az indukált uram energiája kétszeres sebességnél az előbbinek négyszeresére emelkedik, ugyancsak négyszer akkora munkát fog kelteni végezni a vezeték mozgatása, "az erővonalak elszakítása" közben. Az időegységben végzett munka tehát a sebesség négyzetével arányos, amit úgy képzelhetünk el, hogy az erővonalak, akárcsak valamely a sebességgel arányos akadályt gördítenek a vezeték mozgása elé, tehát a működő erő arányos a sebességgel, a befutott út is arányos vele, tehát a munka a sebesség négyzetével lesz arányos.
Világért sem akarunk az erővonalaknak valódi anyagi létet tulajdonítani, de nem hagyhattuk említés nélkül azt a nevezetes jelenséget, hogy a valódi anyagi léttel fölruházott erővonalak a jelenségek megértésében milyen jó szolgálatunkra tehetnek. Sokszor találkozunk fizikai kérdéseknél ilyen fölfogásokkal, amelyekről egészen jól tudjuk, hogy a valóságtól távol vannak, de szemléletünk rögzítésével gondolkodásunkban kiváló segédeszközeinkké lehetnek; természetesen az ily úton nyert eredményeket csak akkor szabad igazságok gyanánt; elfogadnunk, ha helyességükről kísérleti úton is meggyőződtünk. Találó elnevezése van az angoloknak az ilyen természetű föltevések számára: "working hypothesis" = munkaföltevés; ilyenforma gyümölcsöző munkaföltevés, hatalmas segédeszköz volt Faraday kezében az erővonalak fogalma.
*
Ha a mágneses indukció alaptörvényét gyakorlati esetekre akarjuk alkalmazni, nagyon óvatosan kell eljárnunk. Egy körülményre ugyanis mindeddig nem voltunk kellő figyelemmel: az indukált áramnak és ezzel együtt az indukált elektromindító erőnek irányára.
Eleinte idegenszerű az elektromindító erő irányáról beszélni, mikor megszoktuk az egyenáramoknál, hogy az elektromindító erőt mindig pozitív előjelű mennyiségnek tekintsük. Ámde az indukált áramoknál ez a megkülönböztetés nagyon kívánatos. Az elektromindító erő iránya mindig összeesik az indukált áram
irányával; egy vezeték különböző részeiben különböző irányú áramok indukálódhatnak, ennek megfelelően egyazon vezeték különböző részei különböző irányú (előjelű) elektromindító erők székhelyeinek tekintendők; mindazon elektromindító erők, amelyek egy vezeték mentén indukálódnak, előjeleikre tekintettel, összegezendők és a végeredmény szabja meg az indukált elektromindító erő nagyságát és irányát.
Az indukált áram legelső példáinál már láttuk, hogy a mágnest a tekercsbe bedugva, más irányú áramot kapunk, mint a mágnes kihúzásokor. Azt is tudjuk továbbá, hogy az indukált áram mindig az indukáló mozgás akadályozására törekszik és ennek alapján ismerve Ampére szabályát minden esetben meg tudjuk határozni az indukált áram és elektromindító erő irányát.
56. rajz. Fleming szabálya az indukált elektromindító erő irányának meghatározására. e a mágneses térnek, m a vezető mozgásának, á az indukált elektromindító erőnek iránya.
Mindezen meggondolások eredményét kényelmes gyakorlati szabályba lehet összefoglalni, mely megadja az indukált áram (elektromindító erő) irányát arra az esetre, midőn egyenes vezető mozog homogén mágneses térben az erővonalakra és saját irányára merőlegesen. Ez a szabály a Fleming féle három ujj szabálya, amely minden iudukcióra vonatkozó feladatnál igen hasznos szolgálatokat tesz.
A szabály megértését megkönnyíti az 56. rajz. Mutassunk jobb kezünk mutatóujjával a mágneses tér irányába (e), akkor, ha a vezetőt hüvelykujjunk irányában (m) mozgatjuk el, középujjunk mutatja meg az indukált elektromindító erő (á) irányát. Á három megnevezett ujjat úgy kell tartanunk, hogy mindegyik a másik kettőre merőleges legyen.
Ámde a valóságban soha sincsen szó egyenes vezetődarabban indukált áramról, hiszen csakis zárt körökben keletkezhetik indukált áram, a vezeték továbbá nem mindig merőleges a mágneses tér iránnyára és nem is mozog mindig merőlegesen reá, azonkívül a legritkább esetben van dolgunk homogén mágneses térrel, a tér erőssége rendszerint pontról-pontra változik, végre a mozgás sem egyenletes, hanem sebessége az időben változik. Mindez azonban nem okoz nehézséget: először is minden mágneses tér egy elég kis részében homogénnek tekinthető, tehát Faraday és Fleming szabályainak alkalmazásakor vezetőnket több kicsiny, egyenesnek képzelhető darabból összerakva kell gondolnunk, amelyekben indukált elektromindító erőket összegeznünk kell, mindig tekintettel az elektromindító erők irányára (előjelére). Sőt a mozgást is apró szakaszokból kell összeraknunk, amely szakaszok közben a vezeték minden egyes részecskéje homogénnek tekinthető térben egyenletes sebességgel, mozog. Végre azt az esetet is könnyűszerrel elintézhetjük, midőn a vezetékdarab nem merőleges a tér irányára, vagy pedig nem mozog a tér irányára merőlegesen. Egyszerűen az indukció szempontjából csakis a térre merőleges elmozdulás számít, éppen úgy, mint a mechanikai munkánál csak az erő irányában megtett út, mert hiszen a vezető csak az erővonalakra merőleges elmozdulása közben metszi át az erővonalakat; ha az elmozdulás az erővonalakkal párhuzamosan történik, akkor a vezető az erővonalak között elsiklik és egyiket sem metszi át. Éppen így magát a vezetődarabot is mindig oly másik vezetődarabbal helyettesíthetjük, amely a darabnak az erővonalakra merőleges vetülete, hiszen a vezetődarab mindig ugyanannyi erővonalat fog átmetszeni, mint az említett vetület.
Megismertük tehát az indukció alaptörvényét, mely egy vezetődarabra vonatkozik. Minket azonban most elsősorban az érdekel, hogy szól az indukció törvénye egy zárt vezetőre vonatkozólag? Vegyünk tekintetbe egy ilyen zárt vezetőt és fektessünk rajta keresztül egy felületet (57. rajz). A zárt vezető e felületet egy b belső és k külső részre osztja. A mágneses erővonalak haladjanak a nézővel szembe. Akkor Fleming szabálya szerint belát-
57. rajz.
hatjuk, hogy ahhoz, hogy pl. felülről nézve az óramutató járásának irányával egyező irányú indukált elektromotoros erőt kapjunk, a vezető egyes darabjait a nyilak irányába, kifelé kell mozgatni. Ezáltal tehát szaporodni fog a vezető belsejében lévő mágneses erővonalak száma. Minthogy a hatás csak a vezetődarabok és a mágneses tér relatív mozgásától függ, az eredmény ugyanaz, ha a vezetőt nem mozgatjuk, de pl. a mágneses tér erősségének változtatása következtében szaporodik a vezető belsejében lévő erővonalak száma. Ekkor úgy képzelhetjük, hogy a kívülről b-be belépő erővonalak metszették a vezetőt és ez okozta az elektromótoros erő indukcióját. A zárt vezető által körülfogott erővonalak számának az indukálási folyamat alatt előálló megváltozása egyenlő az egyes vezetődarabok által e folyamat közben metszett erővonalak számának összegével. Minthogy az egyes vezetődarabokban indukált eletromótoros erő arányos az egyes vezetődarabak által 1 mp alatt metszett erővonalak számával, az egész zárt vezetőben indukált elektromótoros erő arányos lesz ezeknek összegével, vagyis a zárt vezető által körülfogott mágneses erővonalak számának 1 mp alatti megváltozásával. Ha a zárt vezető valamely darabját az indukálás folyamata közben az erővonalak nem belépve, hanem kilépve metszik, úgy ezeknek száma az indukálási folyamat alatt a körülfogott erővonalak számában beálló változás megállapításánál negatív előjellel veendő tekintetbe megfelelően annak, hogy az általuk metszett vezetődarabban ellenkező irányú elektromótoros erő indukálódik, mely a többi vezetődarabokban keletkezett elektromótoros erők összegéből levonódik.
Az indukciónak zárt vezetőre vonatkozó törvénye még más szavakkal is kifejezhető. Nevezetesen bevezetve a zárt vezető által körülfogott mágneses erővonalak számának jelölésére a zárt vezetőn áthaladó mágneses erőfolyam kifejezést és az 1 mp alatti változást a változás sebességének nevezve azt mondhatjuk, hogy a zárt vezelőben indukált elektromótoros erő egyenlő a zárt vezetőn áthaladó máneses erőfolyam változásának sebességével.
18. Váltakozó áramok előállítása. Az eddigiek alapján most már könnyű szerrel megérthetjük mindazon eljárásokat, amelyek indukált áramok, különösen pedig váltakozó áramok előállítására szolgálnak. A főszempont mindenesetre az lesz, hogy a mágneses erőteret és a vezetőt egymáshoz viszonyítva úgy mozdítsuk el, hogy mozgás közben lehetőleg gyorsan változzék a vezető körülzárta erővonalak száma. A vezetőt így mozgatva munkát kell végeznünk. Ennek egy része általában a surlódás, egy másik része talán a nehézségi erő legyőzésére fordíttatik, egy harmadik része pedig az erővonalak elmetszéséhez szükséges. Csakis ezt az utóbbi energiát, amelyet az erővonalak átmetszésére használtunk fel, kapjuk vissza az indukált áram energiájában. A végzett munka többi része tehát elveszett az indukció szempontjából. A váltakozó áram előállítására szolgáló gépnek tehát olyannak kell lennie, hogy a tekercs vagy a mágnes anyagának mozgatásá-
hoz lehetőleg kevés, de az erővonalak átmetszéséhez lehetőleg sok energiát kelljen felhasználni. Igen jó ismertetőjele a jó indukciós gépnek a következő: ha a vezetéket megszakítjuk, ha tehát indukalt áram nincs, a gépnek igen könnyen kell mozognia, de igen nehezen, mihelyt a vezetéket zárjuk.
Igen célszerű kihasználása az indukció jelenségének az, midőn egyenletes mágneses térben forgatunk egy tekercset, melyben a menetek síkja párhuzamos a tér irányára merőleges forgástengellyel. Az 58. rajzon egyetlen ilyen menetet látunk; a tekercs többi menetei vele párhuzamosak lévén, hasonló jelenségek székhelyei, tehat az elektromindító erőt a menetek számával arányosan sokszorozzák.
58. rajz. Elektromindító erő indukálása forgó tekercsben.
Kísérjük figyelemmel a tekercs forgása közben indukált elektromindító erőt. A viszonyokat könnyebben követhetjük, ha ismét a koordinátaábrázoláshoz folymodunk és a vízszintes tengelyre felmérjük a vezeték elfordulásának szögeit, a mi állandó szögsebességű forgatásnál mindjárt az idővel arányos és minden szögnek megfelelően függőlegesen fölfelé a megfelelő indukált elektromindító erőt (59. rajz).
Induljunk ki a tekercsnek ama helyzetéből, midőn síkja az arővonalakra merőleges. Ebben az "1" helyzetben, a mozgásnak igen kicsiny darabját véve tekintetbe, meggyőződhetünk róla. hpgy a vezetéken átmenő erővonalak száma alig változik, hiszen a vezeték mozgása első pillanatában az erővonalak irányában, erővonalak átszelése nélkül mozdul el. Ebben a pillanatban tehát az elektromindító erő zérus. (A rajzon O pont.) Tovább haladva
azonban észrevesszük, hogy a "2" helyzetben az erőáramlás fogy; fogyás következtében a vezetékben elektromindító erő indukálódik, az ily irányú elektromindító erőt nevezzük pozitívnak és az ilyet a rajzon a vízszintes tengelytől fölfelé rakjuk föl. A vezeték síkján áthaladó erővonalak száma mind gyorsabban változik mindaddig, amíg a tekercs nem lesz párhuzamos az erővonalakkal; e helyzetben (90°-os elfordulás mellett) az erőáramlás változásának sebessége a legnagyobb, tehát legnagyobb az elektromindító erő is. Ámde, amint e helyzeten áthaladtunk, a vezetéken átmenő erővonalak száma megint növekedni kezd, hiszen a párhuzamos helyzetben egyáltalában nem ment rajta át erővonal, elfordulás közben azonban ismét szelni fogja az erővonalakat. Itt tehát mondanánk felületes vizsgálat után az elektromindító erőnek ellenkező irányúvá kell átcsapnia. De hogyan volna ez lehetséges? Hiszen képtelenség az, hogy az elektromindító erő pozitív véges értékűből egyszerre negatívvá váljék! Valóban nem jól okoskodtank; az elektromindító erő iránya nem függ csupán attól, vajjon növekszik-e az erővonalak száma a vezetéken belül, avagy sem, hanem attól is, mely oldaltól érik az erővonalak a vezeték síkját; és íme a "2" helyzetben (l. a rajzot) az erővonalak alulról érték a vezeték síkját, a "3" helyzetben azonban fölülről, eszerint a 90°-nyi elfordulás alkalmával két körülmény változott meg, amelyek mindegyike egymagában megváltoztatta volna az elektromindító erő irányát, de minthogy együttesen léptek föl, az elektromindító erő iránya megmaradt pozitívnak. 90°-tól 180°-ig az erővonalak száma folyton nő, de számuk változásának sebessége fokozatosan nulláig száll le; így kapjuk az elektromindító erő görbéjének második részét, amely az első darabbal részarányos A90°-ra nézve, 180°-os elfordulás után az elektromindító erő valóban ellenkező irányú (negatív) lesz, mert anélkül, hogy a vezeték és a mágneses tér viszonylagos irányításában a jelen kérdésre nézve lényeges változás következett volna be, a vezetéken átmenő erővonalak elkezdenek fogyni és fogynak egészen a 270°-os elfordulásig (a görbe BC ága); a 270°-os elfordulásnál ismét növekszik az erővonalak száma, de a tér ismét fölülről metszi a tekercset, tehát az elektromindító erő iránya marad és görbéje az OE ággal részarányos darab után visszatér a vízszintes tengelyhez. A vezeték visszajutott kiinduló helyzetébe; ha tovább forgatjuk, az előbbi játék ismétlődik.
59. rajz. Elektromindító erő görbéje.
Elég rápillantanunk az 59. rajzon látható görbére, azonnal
észrevesszük, hogy egészen olyan alakú, mint az !!!54. rajzon látható áramerősség görbéje; csakhogy itt nem az időt, hanem az idővel arányos szögelfordulásokat raktuk föl a vízszintes tengelyre, ami egyáltalában nem lényeges különbség. Ha tehát a forgó tekercs végződéseit az xy levezető gyűrűkön át zárt vezetékké zárjuk, olyan áramot kapunk benne, mint amilyet a mágnesnek a tekercsbe való ki-bedugása alkalmával nyertünk, tehát váltakozó áramot. Eszerint, ha a leírt módon forgatunk egy tekercset mágneses térben, oly váltakozó áramot kapunk, amely a tekercs minden körülforgása alkalmával egy teljes szakaszt fejez be. Ahányszor a tekercs másodpercenként körülfordul, annyi lesz az áram rezgésszáma.
A leírt berendezés valóban előnyös váltakozó áramoknak gyakorlati előállítására, mert egy tekercs forgatásánál éppen csak a csapágyaknál föllépő, aránylag kicsiny surlódást kell legyőzni; ami munkát ezenkívül fölhasználunk, azt az indukált áram energiájában mind visszanyerjük. A gyakorlatban alkalmazást találó váltakozó áramú gépek ugyancsak mágneses térben forgó tekercsek, sőt az egyenáramú gépeknél is előbb hasonló tekercsekben váltakozó áramot termelnek és ezt megfelelő áramfordítókkal gyűjtik össze egyenárammá. Az ilyen berendezések részleteiről majd az alkalmazások tárgyalásánál!!! szólunk bővebben, most még az előállítás-móddal kapcsolatban a váltakozó áramoknak egy tulajdonságára fogunk rámutatni.
Az elektromindító erő amint látjuk eleinte növekszik, elér egy legnagyobb értékig, megint fogy s í. t., szóval az elektromindító erőnek vannak különböző állapotai, amelyek minden szakaszban ugyanoly sorrendben ismétlődnek. Ezeket az állapotokat az elektromindító erő fázisainak szokás nevezni; láttuk, hogy az elektromindító erő fázisa attól függ, hogy az áram előállításához szükséges tekercs bizonyos kezdő helyzettől kezdve a kérdéses pillanatig hány fokos elfordulást végzett; a fázist tehát egyszerűen ezzel a fokokban kifejezett elfordulással lehet jellemezni és ilyen értelemben beszélünk az elektromindító 0°-os, 10°-os, 90°-os s í. t. fázisáról és ez alatt mindig az elektromindító erő értékét és viselkedését értjük a vezeték 0°, 10°, 90°-os elfordulása alkalmával. De az elnevezést arra az esetre is megtartották, mikor az elektromindító erőt egészen más úton gerjesztették, nem egy tekercs elforgatása által. Mindig úgy jelöljük fokokkal az elektromindító erő fázisát, mintha forgás által keletkezett volna, tehát úgy, amint az 59. rajzon látható.
Egész hasonlóképen beszélhetünk a váltakozó áram erősségének fázisairól is, ismét 0°-kal jelölve egy oly helyzetet, amelyben az áramerősség 0 és növekedni kezd, 90°-kal a pozitív irányú áramerősség maximumát, 180°-nál a második 0 helyzetet, 270°-kal a negatív maximumát (minimumot) és 360°-kal azt az állapotot, amelyben a szakasz újból kezdődik. A fázis fogalma azért igen fontos, mert amint később látni fogjuk egyazon pilla-
natban az elektromindító erő és az áramerősség nincs mindig szükségképen egyenlő fázisban. A szakaszok időtartama az elektromindító erő és az áramerősség között mindig pontosan ugyanaz, a fázisok között azonban eltolódás lehetséges; sőt az egyiknek maximuma lehet ugyanakkor, mikor a másik a 0 értéket ér el. Ilyenkor azt mondjuk, hogy az áramerősség és az elektromindító erő között fáziskülönbség lép fel, vagy az áramerősség fázisban késik vagy siet az elektromindító erőhöz képest. Ilyen fázisban egymáshoz képest eltolódott áram- és elektromindító erő görbéje látható a 60. rajzon, ahol ugyanazon időtengelyre rajzoltuk fel az áram- és elektromindító erő összetartozó értékeit. Látjuk, hogy a görbéken a fáziskülönbség abban nyilvánul, hogy a görbék az időtengely mentén egymáshoz képest eltolódtak; az eltolódás hoszúsága (fokokban mérve, úgy hogy egy egész hullám nagysága 360°) szolgáltatja a fáziskülönbséget. A rajzon a fáziskülönbség 90°, az áram 90°-kal előzi meg az elektromindító erőt.
60. rajz. Fáziskülönbség az áramerősség és az elektromindító erő között.
A fáziskülönbségnek igen nagy fontossága van az áram energiájának meghatározásánál; látni fogjuk ugyanis, hogy a váltakozó áramok energiája nem csupán az elektromindító erő és áramerősségnek legnagyobb értékeitől függ, hanem az áram- és elektromindító erő közötti fáziskülönbségtől, annyira, hogyha a fáziskülönbség pl. 90°, akármekkora áram- és elektromindító erő mellett is az áram energiája zérus. Az ily áramot, minthogy semmi munkát nem szolgáltat, wattnélküli áramnak nevezik.
*
40. Egyenáramot fejlesztő gépek. Igen sokszor említettük a megelőző pontban a töltőáramforrást és az összes példákban töltőáramforrásként a városi egyenáramú világítóvezeték szerepét: hát ezt a világítóvezetéket mi táplálja? Ha a vezeték útját követjük, azt fogjuk látni, hogy az egy nagy telephez vezet, a középponti telephez, amelyben hatalmas gépek szolgáltatják a villamos energiát, melyet ezerkarú vezetők az egész városban oszt szét.
Gyakran a gépek segítségére akkumulátor-battéria is szolgál, hogy az esti világítási időszakban megkívánt nagyobb megterhelést egyenletesen eloszthassák a nap többi óráira (165. rajz).
A központi telep gépei mechanikai munkát alakítanak át elektromos energiává. E gépek feltalálása jelzi a kezdetét az elektromosság diadalútjának, minthogy ezáltal lehetséges mindennemű energiának értékesítése. A vízesések mechanikai energiája, a kőszén, kőolaj, benzin és egyéb robbanóanyagok chemiai energiája egyaránt átalakítható e gépek segítségével elektromos energiává, mert hiszen mindezen energiaforrások a dinamógép forgatására szolgálhatnak. A dinamógépek alapelvét az előbbiekből már ismerjük, megérthetjük tehát azt, hogy a forgó fémtekercsek,
melyekben az áram keletkezik, igen csekély ellenállásúak, eszerint a dinamógépekben a jó hatásfokkal dolgozó áramforrásnak főfeltétele, a csekély belső ellenállás, kielégítésre talál.
A másik óriási előnye a dinamógépeknek megfordíthatóságuk: ha a gépet forgatjuk, áramot kapunk, ha pedig áramot bocsátunk belé, a gép forogni kezd, a mechanikai munka szállítása tehát e géppekkel közvetlenül megoldható.
A dinamógép feltalálása a kiindulópontja ama gyökeres átalakulásnak, melyen az ipar, közlekedés és az egész társadalmi élet a mult század végén keresztülment; ez az átalakulás még ma is folyik és általa az elektromosság mind több és több teret hódít magának; sőt ha a jövőbe pillantunk, azokba a talán már nem is oly távoli időkbe, mikor már a kőszén, a "bepalackolt fényenergia" nem lesz elegendő az emberiség szükségleteinek fedezésére, a dinamógépekben látjuk hű szövetségeseinket, melyek minden egyéb, a földön található energiaforrást, vizet, kőolajat, napfényt, szelet elektromos energiává alakítanak át; ez mér könnyű szerrel szállítható a fogyasztás helyére.
Jogos büszkeséggel említjük azt, hogy az emberiség történetében ezen új korszaknak, az elektromosság korának egyik legelső úttörője magyar ember volt, magyar ember készítette ugyanis a legelső, a szó szoros értelmében vett dinamógépet (255. lap!!!), Jedlik Ányos gépét. 1851 és 1853 között tervezte a budapesti egyetem fizikai intézetében, melynek akkor, mint az egyetem fizikatanára, igazgatója volt. Jedlik e találmányában, mely ma is látható a budapesti egyetem fizikai szertárában, több mint tíz esztendővel megelőzte a külföldet, ahol Siemens a mult század hatvanas éveiben készített hasonló működésű gépet. A világ azonban sajnos mégsem tud Jedlik fölfedezéséről, ami tisztán csak a magyar tudós soha világi dicsőségre és földi javakra nem szomjazó egyéniségének, páratlan szerénységének tudandó be. Ő a fizikával azért foglalkozott, mert mérhetetlen gyönyörűséget talált a természeti jelenségek megfigyelésében, a jelenségeket kormányzó törvények kifürkészésében: ő már magában a munkában megtalálta fáradozásának gyümölcsét, a munkáért más jutalmat nem várt és nem keresett, sőt felfedezései egy részét még írásban sem örökítette meg az utókor számára: megelégedett azzal, ha ama meghitt körnek, amellyel együtt munkálkodott, eredményeit elmondotta, kísérleteit bemutatta.* Az ily egyéniség mindenesetre fölkelti tiszteletünket és bámulatunkat, azonban mégsem nyomhatunk el egy fájó érzést: ha Jedlik nem lett volna ennyire szerény, ha csak egy kissé értett volna ahhoz, amit a mai kor emberei ugyancsak jól megtanultak, hogyan kell eredményeiket ország-
* Jedlik tudományos munkálkodásának és egyéniségének mesteri méltatását olvashatjuk amaz emlékbeszédben, amelyet Eötvös Loránd báró tartott felette a Magyar Tudományos Akadémiában 1897-ben. (Akadémiai Értesítő, 8. kötet 173. l.)
világgá kürtölni, bizony ma magyar ember nevéhez fűződnék a dinamógépnek történeti nevezetességű föltalálása.
165. rajz. Világításra szolgáló akkumulátor-telep. Berendezte a Tudor-gyár.
Ámde a multat megváltoztatni nem tudjuk és a külföld teljes joggal azt tartja az igazi feltalálónak, aki a találmány fontosságát teljes mértékben felismerve, széleskörű értékesítését és fölhasználását is megkísérelte. A külföld tehát Jedlik érde-
meit nem ismeri el, tartsuk tehát legalább mi tiszteletben emlékét és igyekezzünk az általa megkezdett munkát folytatni, továbbfejleszteni. Megelégedéssel mondhatjuk, hogy a csíra hazánkban termékeny talajra talált és azóta terebélyes fává növekedett: az elektromosság és alkalmazásainak terén a magyar kutatók oly figyelemreméltó eredményeket értek el, amelyeket az egész világ elismer és méltányol: a nagyobb távolságokra való munkaátvitelt és a váltakozó áram takarékos elosztását a Zipernovszky, Déry, Bláthy-féle transzformátorok tették lehetővé, az első telefon-hírmondó magyar elme elgondolása (Puskás Tivadar); magyar mérnök nevéhez fűződik egy egészen eredeti vasútvontatási módszernek, az Olaszországban kitűnően bevált és elterjedt háromfázisú váltakozó áramú rendszernek kidolgozása, a megfelelő nagy teljesítményü, indukciós motorokkal fölszerelt villamos mozdony tervezésével együtt (Kandó Kálmán) és általában a dinamógépek és elektromotorok gyártásában bármely külföldi országgal fölvehetjük a versenyt; végre az eddig legtökéletesebb gyorstávíró (a Pollák-Virág-féle) ugyancsak magyar találmány; valóban kivettük tehát részünket az elektromossag terjesztésének úttörő munkájából, bár az érte járó dicsőséget csak részben élvezhetjük.
*
Az egyenáramú gépek elve a következő: tekercset forgatunk mágneses térben, úgy hogy a tekercs meneteinek síkja lehetőleg sok erővonalat messen mozgása közben. A tekercsben ezáltal váltakozó áram indukálódik; ha ezen áramot közvetlenül leszedjük a gépről és elvezetjük, a gép váltakozó áramú forrásként működik, ha azonban megfelelő áramfordítókkal a váltakozó áramot, még keletkezése pillanatában egyenárammá alakítjuk át, egyenáramú gépünk lesz. Az egyenáramú gép tehát áramfordítóval ellátott váltakozó áramú gép, ennél tehát mindenesetre bonyolultabb, csak egy további lépés a váltakozó áramú gép után. Annál csudálatosabb tehát, hogy az egyenáramú gép mégis megelőzte időben szülőanyját, a váltakozó áramú gépet, aminek a magyarázata az, hogy régebben a váltakozó áram értékesítésének módjait még nem ismerték tehát nem is törekedtek váltakozó áramú gépek előállítására. A leírt elv alapján működő oly gépeket, amelyeknél a mágneses teret állandó mágnesek keltették, ma mágneselektromos gépeknek szokták nevezni, a később ismertetendő dinamógépektől való megkülönböztetés végett. E gépek eredetét még 1832-re kell viszavezetnünk, akkor készítettek hasonló berendezéseket Dal Negro és Pixii: ez utóbbi gép látható a 166. rajzon. Két tekercs alatt forog függőleges tengely körül a patkómágnes, mire a tekercsben váltakozó áram indukálódik; ezt az áramot azonban a két egymástól elszigetelt félhengerhez vezetik, amelyek a mágnessel együtt forognak és az áram irányát minden félfordulat után megfordítják; az ff' drótokhoz kapcsolt áramkörben tehát az áram iránya már nem változik.
Pixii gépe még igen tökéletlen szerkezet; fogaskerekekkel kell a nehéz patkómágnest forgatni és a gépbe fektetett munka legnagyobb része súrlódások legyőzésére fordítandó.
Már valamivel kedvezőbbek a munkaviszonyok a Clarke-féle gépnél, melynél két tekercs forog erős függőleges patkómágnes sarkai előtt.
A 167. rajz csak a forgótekercseket mutatja az áramfordítóval (kommutátorral); a patkómágnes, amelynek sarkai előtt a tekercsek forogtak, a rajzon nem látható. A tekercsekben forgás közben váltakozó elektromos áram indukálódik, még pedig minden körülforgás alatt az áramnak egy teljes szakasza keletkezik, a körülforgás egyik felében tehát az áram egyirányú, másik felében ellenkező irányú. Az áram egyirányítására szolgál az áramfordító, a kommutátor. Az áramfordító a tekercsekkel együtt forog és két egymástól elszigetelt fél fémhengerből áll (E és E'); az egyik félhengerhez erősítik a tekercs egyik végét, a másikhoz a másik drót végét: a két fémszelet tehát a váltakozó áramforrás sarka: ezekből az áramot az r és r' rugókkal szedhetjük le, amelyek a forgásban nem vesznek részt és odasimulnak a félhengerekhez. A hengereket elválasztó szigetelőréteget úgy kell elhelyezni, hogy abban a pillanatban érintse a rugókat, mi dőn az indukált áram éppen megváltoztatja irányát, akkor az r rugó, amely előbb az E félhengerrel volt vezető összeköttetésben, most az E'-el (*) kapcsolódik össze, tehát az áram az r rugóban nem fogja megváltoztatni irányát. A 168. rajz mutatja az áramfordító hatását: az
166. rajz. Pixii első mágnes elektromos gépe.
167. rajz. Clarke mágnes elektromos gépének forgótekercsei és áramfordítója.
(*) A régi szóhasználatban E'-re nem azt mondták: "e-vessző," hanem: "e-jelzett." [NF]
ABCDEFGH hullámvonal jelzi az EE' fémszeletekben keringő áramot, az AC félszakasz letelte után az áramfordító az áram irányát a rugókban, tehát a külső áramkörhen. megváltoztatja és a CDE darabot átalakítja a CD'E darabbá; EG-ben az áramfordító helyzete ugyanaz, mint az AC darabon, G-ben ismét visszafordul az áram és GHI-ből GH'I lesz. A végeredmény ABCD'EFGH'I eszerint korántsem egyenáram, hanem egyirányú áram, melynek nagysága azonban szakaszosan ingadozik, ú. n. lüktetőáram. Az ily áram bár éppen úgy, mint a váltakozó áram, sokféle célra alkalmazható, még távol van az egyenáramtól és pl. önindukciós tekerccsel szemben sem viselkedik úgy, mint az egyenáram, hanem úgy, mint egy egyenáram és oly váltakozó áram összege, amelynek rezgésszáma a lüktetések számával egyenlő. Több ily lüktetőáram egymásra fektetésével azonban mér kevésbbé változó áramlásokat kaphatunk és ezáltal az eszményi egyenáramot mind jobban és jobban megközelíthetjük.
168. rajz. Az áramfordító hatása.
Több lüktetőáram termelésére többtekercsű gépeket készítenek, ezek működését később!!! fogjuk részletesen tárgyalni.
A legelső többtekercsű gépet az olasz Pacinotti készítette a mult század hatvanas éveiben, azonban találmánya hosszabb ideig ismeretlen maradt és eközben a francia Gramme ugyanezt az eszközt Pacinotti-tól függetlenül újból föltalálta (l. 169. rajz).
A Pacinotti-Gramme-féle gyűrű elve alapján még maga Gramme több elektromos gépet készített; amíg azonban a mágneses tér előállítására állandó mágneseket használtak, a gépek munkaképességét nem lehetett jelentékeny mértékben fokozni, mert a mágnesek óriási méretekben való előállítása nagy nehézségekkel járt volna és a gépet felette megdrágította volna. A legelső mágnes-elektromos gépekkel körülbelül egyidejűek ama javaslatok is, amelyeknek célja a mágneses tér erősítése a mágnesek méreteinek szertelen növelése nélkül: pl. már 1848-ban Brett J. szabadalmat vett a következő eljárásra: állandó acélmágnes terében forog egy tekercs, amelynek árama megfelelő kommutátorral egyenáramú lökésekké alakul át; ezt az áramot egy tekercsen kell átvezetni, amely az acélmágnes száraira csavarodik és erősíti a mágneses tér erősségét. Arról azonban nincs tudomásunk, hogy valaha ily gép el is készült volna. 1851-ben
Sinstedten a Poggendorff-féle "Annalen der Physik und Chemie" 84. kötetében (186. lap) azt ajánlja, hegy egy mágnes-elektromos gép áramával elektromágnes gerjesztendő, ennek terében egy második tekercs forgatandó, amelyben immár erősebb áram fog keletkezni, ezt az áramot ismét egy elektromágnesbe vezetjük, amelynek terében egy tekercs forgatásával még erősebb áramot kaphatunk s í. t. Wilde H. 1866-ban valóban készített is ily egymással összekapcsolt gépeket és már jó erős áramokat tudott előállítani.
169. rajz. A Pacinotti-Gramme-féle gyűrű vázlata.
A kérdés végleges megoldását azonban az öngerjesztés feltalálása szolgáltatta; a legelső ilyen önmagától gerjesztett elektromos gépet, az első a szó szoros értelmében vett dinamógépet pedig Jedlik Ányos készítette még a tizenkilencedik század ötvenes éveiben. Az öngerjesztés elve a következő: használjunk a mágneses tér előállítására az elektromos gépben elektromágnest, amelynek fegyverzetét (tekercsét) kapcsoljuk össze a forgótekerccsel; az elektromágnes vasmagjának csekély mágnessége, melyet akárcsak a földmágnesség kelt benne, elegendő arra, hogy a forgótekercsben gyenge elektromos áram indukálódjék; ezt a kollektor egyenirányítja. Ez az így nyert gyenge áram az elektromágnest kevéssé gerjeszti és most már erősödni fog az indukált áram; ámde a nyert áram ismét átfut az elektromágnes tekercsén és a gerjesztést fokozatosan növeli, mindaddig, amíg az elektromágnes vasmagja a telítésig nem mágneseződött. Ime tehát a dinamógépnél semmi szükség nincs arra, hogy a mágneses tér előállításáról külön gondoskodjunk, mert a kezdetben még igen gyenge áram maga állítja elő a mágneses teret és ezzel együtt fokozatosan növekszik. Ezt az elvet, amely azóta is minden nagyobb egyenáramú dinamógép alapja, alkalmazta gépén Jedlik, több mint tíz esztendővel megelőzve Siemens Wernert, aki 1867 január l7-én fejtette ki a berlini tudományos akadémia előtt ugyanezt az elvet, természetesen anélkül, hogy Jedlik Ányos idevágó vizsgálatairól távolról is tudomása lett volna. Azt hisszük, hogy Jedlik találmányának elsőbbségét nem bizonyíthatjuk meggyőzőbben, mintha szó szerint idézzük Eötvös Loránt [!] bárónak említett emlékbeszédéből az idevágó részletet (Akad. Értes. 8. k., 282. lap):
"A budapesti egyetem fizikai szertárában van egy elektromos motor és elektromos áramkeltő gyanánt használható gép, mely
256
az intézet leltárában Jedlik kézírásával a következő módon van bevezetve:
'Egy sarki villámindító (Unipolar-induktor) célszerű használhatás végett az eszköz rövid leírása és kezelési módja az alapdeszka alá csatolt írásban olvasható. Kigondolva lőn Jedlik Ányos által, elkészítve pedig Nuss pesti gépész műhelyében. Beszerzési ideje 1861. Ára 114 forint 94 kr.'
A használati utasításban pedig, melynek három első pontja a gépnek motor gyanánt való használatára vonatkozik, a negyedik pont így szól:
,4. Ha a és c szorítók egymásközt rézhuzallal összeköttetnek, b és d szorítók közé pedig Bunsen-féle elemek helyett egy Galvanometer vagy érintői tájoló foglaltatik, akkor a delej forgatása folytán a sokszorozó huzalban villamfolyam indíttatik, mely a forgatott delej tekercsén átmenvén, a delejt erősebbé teszi, az pedig ismét erősebb villamfolyamot indít stb.'
Ime a dinamógép elve tisztán és világosan kifejezve.
A leltár adata oklevélszerűen bizonyítja, hogy Jedlik Siemenst legalább is hat évvel előzte meg, de az ő saját visszaemlékezései és a mechanikusnak állítása szerint valószínű, hogy a gép sokkal előbb, már az ötvenes évek elején munkában volt és csak teljes befejezése és kipróbáltatása után iktattatott a leltárba".
Míg Jedlik gépét csak mintegy saját gyönyörűségére készítette és fölfedezésének gyakorlati fontosságával nem törődött, addig Siemens az elv óriási fontosságát azonnal felismerve, előadását a berlini akadémiában következő szavakkal fejezte be:
"Ime a technika birtokába jutott ama segédeszközöknek, amelyekkel olcsón és kényelmesen állíthat elő korlátlan erősségű elektromos áramokat mindenütt, ahol munkaerővel rendelkezik". Nem jogtalanul tartják tehát a németek Siemenst az igazi feltalálónak, mert ő a fölfedezés gyakorlati értékével is mindjárt tisztában volt.
Hogy a dinamógépek ezen alapelvét, az ú. n. dinamóelvet az akkori vizsgálatok mennyire előkészítették, azt mi sem bizonyítja jobban annál, hogy négy héttel Siemens előadása után Wheatstone Ch. tartott egészen hasonló tartalmú előadást a londeni tudós társaságban a "Royal Society"-ban: Wheatstone azonban azt ajánlja, hogy az elektromágnes fegyverzetét kapcsolják párhuzamosan a forgó tekercsekhez, ezáltal tehát a mellékáramú (sönt-) dinamók alapját vetette meg, szemben a Siemens-féle főáramkörű dinamógépekkel, amelyeknél az elektromágnes fegyverzetét és a tekercset egymásután kapcsolják.
-------------------HETEDIK FEJEZET.
Az elektromos munkaátvitel.48. A tárgy körvonalozása. A megelőző fejezetben megismerkedtünk ama berendezésekkel, amelyek különféle energiafajtákat, főképen pedig mechanikai energiát alakítanak át elektromos energiává. Legközelebb leírjuk azt, miképen szállítható az így termelt elektromos energia különböző távolságokra, az ú. n. fogyasztó helyekre és miképen alakítható vissza oly energiafajtákká, amilyenre az embernek éppen szüksége van. Az elektromosság tanának azt a fejezetét, amely az elektromos energia szállításával és különböző energiákká való átalakításával foglalkozik, általában munkaátvitelnek szokták nevezni. Ez az elektromos energiának úgyszólván minden alkalmazását magában foglalja, mert hiszen az elektromosság rendszerint, mint a szállításra legalkalmasabb energiaalak, közvetítőként szerepel az energiaforrás és az energiafogyasztó között. Ez a fejezet tehát a következő alfejezetekre oszlik:
a) Az elektromos energia szállítása.
b) Az elektromos energia átalakítása mechanikai energiává: elektromos mótorok és elektromos vasutak.
c) Az elektromos energia átalakítása fény- és hőenergiává: elektromos világítás és fűtés, az elektromos hőipar.
d) Az elektromos energia átalakítása chemiai energiává: elektrochemia.Ide sorolandó tulajdonképen még az elektromos úton való jelzés és üzenetváltás is, mert itt is lényegben energiaátvitellel van dolgunk, minthogy azonban itt az eljárás főcélja nem egy bizonyos energiamennyiség tovaszállítása, hanem valamilyen jel kiváltása, amelynél a fogyasztóállomáson elhelyezett áramforrások (helyi telepek) esetleg nagyobb energiamennyiségeket is szolgáltatnak, mint a jelenséget megindító áramforrás, ezeket az alkalmazásokat !!!külön fejezetben tárgyaljuk; ebben a telegráfiát és telefoniát írjuk le, természetesen úgy a fémvezetékek közvetítésével történő közhasználatú eljárásokat, mint korunk legújabb vívmányait, a telefotográfiát, végre a drótnélküli telegráfot és telefont stb. Külön !!!fejezet tárgyalja az elektromosság orvosi alkalmazásait is.
a) Az elektromos energia szállítása.
49. A nagy feszültség előnyei. Az elektromos munkaátvitelre szolgáló berendezés három főrésze: 1. az áramforrás, 2. a vezeték, 3. a fogyasztás. Az áramforrás állandóan termeli az
elektromos energiát; ez az energia tovaterjed a vezeték mentén és úgy érkezik a fogyasztóhoz: ha a fogyasztóhoz érkező energiamennyiséget lemérjük, azt fogjuk tapasztalni, hogy másodpercenként kevesebb érkezik meg, mint amennyit az áramforrás szolgáltatott. A hiányzó rész a fogyasztóra nézve elveszett, fölemésztette a szállításra szolgáló vezeték; a fogyasztó tehát drágábban kapja az energiát, mint amennyibe az áramforrásban való előállítása került, csak úgy, mint ahogy a kőszén árát a szállítás költségei megnövelik. Az elektromos energiaszállítás tehát csak akkor lesz gazdaságos, ha a vezeték mentén végbemenő energiaveszteség lehetőleg kicsiny a szállított energiához képest, ha tehát "a szállítás költsége" a szállított értékhez viszonyítva kicsiny.
Hogy a vezeték mentén végbemenő veszteséget csökkenthessük, meg kell ismerkednünk e veszteségek okaival: a legfőbb ok, amelyhez képest a többi legtöbbször elenyészik, a vezetéknek fölmelegedése a szállított áram hatása alatt. Egyenáramú vezetésnél más veszteség nincs, legföljebb az energia szétszóródása a vezetéknek tökéletlen szigetelése folytán, aminek azonban kellő gonddal készült vezetéknél elhanyagolhatónak kell lennie. Váltakozó áramoknál már egyéb veszteségek is vannak: a minduntalan változó erősségű áram a környezet vezetőiben áramokat indukál, állandóan átmágnesezi a szomszédos vasat, továbbá az áramerősség egy része a vezetéket magát tölti és kisüti, akár egy sűrítőt; mindezen hatások azonban megfelelően választott rezgésszám és kisebb távolság mellett a melegedéshez képest kicsinyek, úgyhogy váltakozó áram vezetésénél is elsősorban a drótmelegedés okozta veszteség csökkentéséről kell gondoskodnunk.
234. rajz. Az elektromos energia szállítása.
Legyen az áramforrás egyik sarkán (234. rajz) a feszültség a másik sarkán V2, a feszültség a vezeték mentén esik és a fogyasztó egyik sarkán pl. V1-re száll le, a fogyasztó másik sarkán pedig legyen a feszültség V'2. Minthogy az egész vezetékben ugyanaz az áram kering, az áramkör egyes darabjain egyenlő idők alatt elhasznált elektromos energiák arányosak lesznek a feszültség esésével az illető darab mentén. A vezeték AB darabjában elhasznált (hővé átalakított) energia tehát arányos lesz V1V'1-
vel, a CD darabban elhasznált energia pedig V'2V2-vel, míg a fogyasztó által felhasználható energia V'1V'2-vel arányos. Az energiaszállítás tehát gazdaságos lesz akkor, ha a feszültségesés az áramfogyasztóban aránytalanul nagyobb a vezeték mentén végbemenő feszültségesésnél. Ámde tudjuk, hogy az elektromos áramkörben a feszültségesés az áramkör egyes darabjain e darabok ellenállásával arányosan oszlik el,* tehát az energiaszállítés hatásfoka a fogyasztó ellenállásának viszonya az egész áramkör ellenállásáhez és az energiaszállítás akkor gazdaságos, ha a vezeték ellenállása kicsiny a fogyasztó ellenállásához képest.
Tegyük föl most már, hogy egy bizonyos munkaátviteli berendezést eme követelményeknek megfelelően valóban összeállítottunk és pl. 100 voltos áramforrással világítunk 20 darab egymás mellé kapcsolt 16 gyertyás (200 ohmos) izzólámpát, amelyek eszerint együttesen 10 ohm ellenállást képviselnek, úgyhogy 10 ampére az áram erőssége, 1000 watt tehát a teljesítmény; tegyük föl, hogy olyan vastag rézvezetéket használtunk, hogy a vezeték összes ellenállása csak 0.1 ohm, tehát a vezeték mentén az energiaveszteség mely a vezeték és a fogyasztó ellenállásának viszonyával egyenlő összesen egy százalék. Gondoljuk most azt, hogy ezt a berendezést ki akarjuk bővíteni és pl. 10-szer annyi lámpát akarunk vele világítani, tehát tízszer annyi energiát akarunk fogyasztani; természetesen az energiatermelést kell növelnünk, ami többféleképen történhetik: megmaradhatunk a száz volt mellett és 100 ampéret termelő áramforrást használhatunk; a 200 lámpa egymás mellé kapcsolva azonban most már csak egy ohm ellenállást fog képviselni. Ha tehát az előbbi 99 százalékos hatásfokot meg akarjuk tartani, most tizedrész akkora ellenállású, tehát tízszer akkora keresztmetszetű vezetékre lesz szükségünk, mint előbb. Ha azonban a 100 voltos áramforrás helyett 1000 voltosat használunk, megmaradhatunk a 10 ampére mellett és tíz-tíz lámpát egymás után, a tizes csoportokat pedig ismét egymás mellé kapcsolva, a fogyasztásnak 10 ohmnyi ellenállása megmarad, a régi vezeték tehát változatlanul használható és a veszteség megint csak egy százaléka lesz a termelt energiának.
Ha tehát nagyobb energiamennyiségeket úgy akarunk szállítani, hogy az áramerősséget növeljük, akkor növelnünk kell a vezeték vastagságát, míg ha a feszültséget növeljük, a vezeték vastagságának növelésére nincs szükség; minthogy pedig a vastagabb vezetők drágább, azonkívül súlyosabb lévén, megfelelő fölfüggesztése is körülményesebb, belátható, hogy minél nagyobb energiamennyiség szállításáról van szó, annál inkább érezhetőa nagy feszültségnek föltétlen előnye a kicsiny feszültségekkel szemben.
Egyszerű számítás meggyőz bennünket róla, hogy nagyobb energiamennyiségek gazdaságos szállítása kis feszültség mellett
* Váltakozó áramnál a "látszólagot ellenállással" arányosan.
egyszerűen lehetetlen. Egy kilométer hosszú és 1 mm átmérőjű vörösrézvezetéknek (a legalkalmasabb vezetőanyagnak) ellenállása, kettős drótot számítva (az áramforrástól a fogyasztóig és vissza) kb. 42.5 ohm, általában pedig egy d mm átmérőjű, 1 km hosszú részvezeték ellenállása 42.6/d2. Ha pl. 1 km távolságra akarjuk vezetni az előbb említett 1000 wattnyi energiát a 10 ohm ellenállású fogyasztóhoz, akkor, hogy a vezeték ellenállása 0.1 ohm legyen, körülbelül 20 mm átmérőjű drótot kellene használnunk. A 20 mm vastag rézvezeték értéke pedig már igen jelentékeny, hiszen súlya kb. 2800 kg és 1 kg vörösréz értéke 3 P[engő]. Ha pedig tízszer annyi energiát (10.000 wattot) akarunk szállítani ugyancsak egy százalék veszteséggel, akkor tízszer akkora keresztmetszetű (háromszor akkora átmérőjű) drótra volna szükségünk, amelynek súlya méterenként majdnem 28 kg. Elképzelhetjük, milyen óriasi keresztmetszetet kapnánk a vezetők számára, ha több ezer kilowattnak mondjuk 100 km távolságra való szállításáról van szó. Érthető tehát ezek után, hogy az újabb elektrotechnika teljesen a nagy feszültségek jegyében fejlődütt, aminek közvetlen következménye volt a váltakozó áramoknak előrenyomulása az egyenáram rovására.
Már több ízben említettük ugyanis ama nehézségeket, amelyekkel egyenáramú gépeknél a nagyfeszültség előállításánál küzdenünk kell: a főnehézségeket semmiféle mesterkedéssel kiküszöbölni nem sikerült, úgyhogy a gazdaságos egyenáramú dinamógépek legfelsőbb határa 23000 voltra becsülhető; a kollektornélküli váltakozó áramú gépeknél ellenben ezek a nehézségek egyáltalában nem lépnek föl.
Azonban nem ez az egyedüli és nem ez a döntő oka az egyenáramú gépek vereségének a nagyobb távolságra való munkaátvitelben. A váltakozó áramot ugyanis igen egyszerűen és igen gazdaságos eljárással lehet átalakítani tetszés szerint kicsiny vagy nagyfeszültségű árammá, úgyhogy a gépnek magának nem kell igen nagy feszültségű áramot szolgáltatnia, hanem a gép áramát átalakítják nagyobb feszültségű árammá, e nagyobb feszültség mellétt szállítják, a fogyasztó állomáson pedig visszaalakítják kisfeszültségű árammá es úgy használják föl.
50. Transzformátorok. Az oly berendezéseket, amelyekkel az áram feszültsége megváltoztatható, transzformátoroknak nevezik. Egyenáram feszültségének transzformálásáról is szó lehet akkumulátorok segítségével: kisfeszültségű áramforrással egymás mellé kapcsolt akkumulátorokat tölthetünk és a megtöltött akkumulátorokat egymás után kapcsolva nagy feszültséget állíthatnuk elő; viszont a fogyasztó állomáson is fölállíthatnánk egy akkumulátortelepet, amelyet egymás után kapcsolva tölthetnénk a nagyfeszültségű érkező árammal, azután egymás mellé kapcsolva az elemeket, kisebb feszültséget bocsáthatnánk a
fogyasztó rendelkezésére. Ámde ez az eljárás bár laboratóriumi kísérleteknél nagyobb feszültségű egyenáram előállításánál valóban alkalmazást talál nagyobb üzemben egyáltalában nem használható, egyrészt, mert mint láttuk, az akkumulátor a beléfektetett energiának csak egy részét (körülbelül 7080 százalékát) adja vissza, másrészt ily óriási 1015.000 darabból álló akkumulátortelepek berendezése rendkívül költséges, kezelésük igen nehézkes.
235. rajz. Transzformátor elrendezése.
Ezzel szemben a váltakozó áramok transzformálása, az indukció jelenségeinek fölhasználásával, a gyakorlat igényeinek teljesen megfelelően történhetik. A nagyobb távolságra való elektromos munkaátvitel csak azóta lehetséges, mióta a feszültségnek eme tetszésünk szerinti szabályozása megfelelő gazdaságos eljárásokkal érhető el. E feladat megoldásánál is örömmel említjük Zipernowsky, Déry és Bláthy magyar kutatók érdemeit és sikereit, akik legelőször készítettek a mult század nyolcvanas éveinek elején oly transzformátorokat, amelyek a legkülönbözőbb kényes igényeket is kielégítik; nekik köszönhető, hogy a budapesti Ganz-gyár vezető szerepet visz a világ elektrotechnikai gyárai között és oly munkaátviteli berendezéseket állít föl hazánk messze határain kívül is, amelyek az egész világ elismerését kiérdemelték és amelyeket messze földön utánzásra érdemesnek találtak.
A váltakozó áramok előállításának tárgyalása alkalmával említettük a Ruhmkorff-féle induktort (108. lap!!!): Ez tulajdonképen a transzformátornak legegyszerűbb mintája. Lágyvasmagra két tekercset csévélünk: ha az egyik tekercsbe szaggatott, vagy váltakozó áramot bocsátunk, váltakozni fog a második tekercsen átmenő mágneses erővonalak száma, tehát a második tekercsben váltakozó feszültség fog indukálódlni. Az első és a második tekercs menetszámainak megfelelő változtatásával elérhető, hogy a második tekercsben indukált feszültség céljainknak megfeleljen.
A transzformátor vasmagja nem készülhet tömör vasból, mert a vasmag arra való, hogy a mágneses erővonalaknak kedvező elhelyezkedést biztosítson, de anélkül, hogy magában a vasmag
tömegében áramok indukálódhassanak. Igen jól felel meg ennek a célnak a gyűrű alakú, lemezekből összerakott vasmag, amint az a 235. rajzon látható.Itt a gyűrűre rágombolyított I. és II. tekercsek jelzik az
első: primér és a második: szekunder tekercseket. Primér (első) tekercsnek mindig azt nevezzük, amelyik az áramforrásra kapcsolható, szekunder (második) tekercsnek pedig azt, amelyik a fogyasztónak szolgáltatja a villamos energiát.
A transzformátor működése a már több ízben tárgyalt elektromágneses indukció jelenségével, a következőképen magyarázható.
Ha váltakozó áramot vezetünk az első (I) tekercsen át, ez mágnesező hatásával a vasgyűrűben folyton változó mágnességet (mágneses erővonalakat) fog gerjeszteni. Amint pedig valamely tekercs síkján átmenő mágneses erővonalak száma (röviden: a mágnesség erőssége) változik, akkor abban a tekercsben feszültség keletkezik, amely feszültség mindaddig tart, amíg a mágnesség erősödik, vagy gyengül, és annál nagyobb, minél gyorsabb ez a változás és minél többmenetű a tekercs. A vasgyűrű változó mágnessége tehát a második (II) tekeresben e törvény szerint feszültséget indukál, úgyhogy most már a szekunder tekercs kapcsairól akár valamely áramforrás kapcsairól elvezethetjük az áramot.
Ez is váltakozó áram, mert az irányát folyton változtató mágnesség majd növekvő, majd csökkenő, tehát váltakozó feszültséget indukál.
A szekunder-tekercsben indukált feszültség annál nagyobb, minél több menettel készítjük a tekercset. Ugyanoly primérfeszültség mellett tetszés szerinti szekunder feszültséget érhetünk el.
Ha pl. az első tekercsnek 100 menete van, a másodiknak 1000, és az első mentén a feszültségesés 100 volt, akkor a második mentén 1000 volt feszültséget kapunk; megfordítva ha a második tekercsbe kapcsolnók a 100 volt esésű áramforrást, az első tekercsben 10 volt feszültségesést kapnánk; az első esetben azt mondjuk, hogy a feszültséget föltranszformáltuk a másodikban letranszformálásról beszélünk.
Ha a transzformátor szekunder kapcsairól nem vezetünk el áramot, úgy mondjuk, hogy "üresen jár." Érdekes megfigyelni, hogy ilyenkor a primér oldalon a hálózatból csak egészen csekély áramot vesz fel és ez az áram fázisban elmarad a kapocsfeszültség fázisa mögött. Ezt az áramot "mágnesező áramnak" is szoktuk nevezni, mert ennek köszönhetjük azt a váltakozó mágnességet, amelynek indukáló hatását megbeszéltük. !!!
A mágnesezőáram zárt gyűrűalakú vasmag esetén a legkisebb.
A váltakozó áram munkakifejtése amint azt már tudjuk W = E·J·cosφ, ha tehát a mágnesező áram J, egy negyed periódussal elmarad az E kapocsfeszültség fázisa mögött, akkor munkakifejtés nincs; így is mondhatjuk, hogy a mágnesező áram wattnélküli áram.
A mágnesező áramtól létesített váltakozó mágnesség a már többször idézett indukciótörvény alapján minden a vasmag körül elhelyezett vezetőkörben feszültséget indukál.
Eddig csak a szekunder tekercsben indukált feszültségről volt szó, de természetes, hogy a primér tekercs meneteiben is éppen úgy keletkezik indukált feszültség; az áramforrás tehát csak úgy hajthat áramot a primér tekercseken át, ha a feszültsége: a kapocsfeszültség, legalább is akkora mint ez az indukció útján létrejött feszültség, amely megakadályozza az áram behatolását és amelyet ezért "ellenelektromindító erőnek" szoktak elnevezni.
Ezzel a meggondolással most már megérthetjük, miért kicsiny a mágnesező áram zárt vasmaggal készült transzformátorban?
Ugyanis amint a primér tekercs akkora áramot vesz fel a hálózatból, amekkora áram a fentemlített váltakozó mágnességet létre tudja hozni, akkor létre jön már akkora ellenelektromindíté
erő is, amely az áram további megnövekedósének útját állja.Fentebb említettük, hogy a mágnesező áram wattnélküli; vagyis, hogy a váltakozó mágnesség létesítése munkakifejtés nélkül lehetséges. Ámde a fizika azt tanítja, hogy mágneses mező létesítéséhez egészen határozott munkakifejtést kell végezni, igaz, hogy ez a munka a mágnesség megszünésekor ismét felszabadul. Ha fázisban nem egyező feszültség és áramerősség sinus hullámainál pontonként szerkesztjük meg a pillanatnyi szorzatokat; azokat összekötve oly munkadiagrammot kapunk, amelyben pozitív és negatív munkaterületek váltakoznak.
A negatív munkaterületek felelnek meg azoknak a pillanatoknak, antikor a mágnesség megszünésekor a lekötött munka felszabadul. Ha tehát a transzformátor üresen jár, akkor van ugyan energiaszállítás a vezetékben, de mindkét irányban ide-oda, úgyhogy végeredményben a mágnesező áram tényleg wattnélküli.
Mindeddig nem voltunk tekintettel bizonyos veszteségekre, amelyek az imént tárgyalt jelenségekkel természetszerűleg együtt járnak és amiket a transzformátor viselkedésénél ugyancsak figyelembe kell vennünk.
A transzformátor vasmagja a folytonos átmágnesezéstől melegszik, ami azt bizonyítja, hogy ez az átmágnesezés veszteséget jelent; ezt vasveszteségnek nevezzük. A transzformátor bekapcsolásának egész ideje alatt, éjjel nappal, energiát fogyaszt, természetes ezért a szerkesztő ama törekvése: ezt minél inkább csökkenteni A mai transzformátorokban a vasmagot rendszerint siliciummal ötvözött vasból hengerelt igen vékony, kb. 1/3 mm-nyi lemezekből állítják össze.
Úgy, amint a terheletlen transzformátor viselkedését tanulmányoztuk, úgy kell most a megterhelés alatti jelenségekkel is foglalkoznunk.
Terheljük meg a transzformátort például oly módon, hogy egyre több lámpát kapcsolunk a szekunder tekercs végeire. Azt tapasztaljuk hogy amint a szekunder áram nagyobbodik, azzal
arányban növekszik a primér áram erőssége is. Ennek a jelenségnek magyarázatát a következőkben találjuk:
A szekunder áram iránya minden pillanatban ellentétes a primér áram irányával és így csakhamar lerontaná azt a mágnességet, amit a primér áram létrehozott. Ezáltal azonban gyengül az az ellenelektromindító erő is, amely a primér áram növekedésének gátat vetett, érthető tehát a primér áram megnövekedése. A tanulmányok azt mutatják, hogy a primér áram mágnesező hatása minden megterhelésnél annyival nagyobb a szekunderénél, amennyi a vasmag mágnességének fentartására szükséges, mert csak akkor lesz az ellenelekromándító erő ismét akkora, hogy az áram további növekedését meggátolja.
A transzformátor fokozatos megterhelése közben azt is tapasztaljuk, hogy változatlan primér kapocsfeszültségnél a szekunder kapcsokon mérhető feszültség, ha csak kis mértékben is, de fokozatosan csökken.
Ezt a feszültségcsökkenést két jelenség okozza; az egyik a vezetékek ellenállása, amellyel már ismételten találkoztunk, a másik pedig az erővonalak szóródása.
Amíg ugyanis csak terheletlen állapotban vizsgáltuk a transzformátort, az összes, a primér tekercs áramától létesített erővonal a szekundér tekercs valamennyi menetén is áthaladt, mert az a gyenge mágnesező áram csakis a jó permeabilitású vastestben hozta létre a mágnességet és bátran elhanyagolhattunk minden más olyan erővonalat, amely talán a levegőn át záródhatott volna a tekercsek körül. Amikor azonban a terhelés folytán úgy a primér, mint a szekunder tekercsekben az áramerősség megnagyobbodott, már mind több és több olyan erővonal is keletkezett, amely nem a vastestben helyezkedett el. Számolnunk kell tehát olyan erővonalak létesítésével is, amelyek a primér tekercsen áthaladnak, de amelyek nem jutnak el a szekunder tekercsek belsejébe, vagyis ott nem indukálhatnak elektromindító erőt. Könnyen érthető, hogy most már a szekunder kapocsfeszültség nem adódik ki a menetszámok arányában átszámított primér feszültségből, hanem ennél kisebb lesz.
Nem lehet feladatunk ezt a feszültségcsökkenést számszerűen megállapítani, de már az eddigiekből láthatjuk, hogy a terhelés-okozta feszültségcsökkenés annál nagyobb lesz, minél nagyobb a "szóródás", vagyis azoknak az erővonalaknak a száma, amelyek nem kapcsolódnak mindkét tekerccsel.
A szóródás pedig annál nagyobb, minél nagyobb áram kering a vezetékekben és minél több és kedvezőbb hely kínálkozik ilyen szóródási erővonalak elhelyezkedésére; általánosságban tehát minél távolabb van a primér tekercs a szekundertől.
A jó transzformátortól megkívánjuk, hogy feszültségcsökkenése legfeljebb néhány százalékot tegyen ki, ezért a tekercseket lehetőleg közel helyezik egymás mellé.
Érdekes, hogy a jó transzformátor kellékei: a kis mágnesező áram, kevés szóródás és jó hatásfok már a legelső Zipernovsky-Déri-Bláthy-féle transzformátoroknál megvolt és hogy ma 40 év mulva is az akkor megállapított elvek szerint készülnek a transzformátorok az egész világon.
Tudjuk azonban azt is, hogy nagyfeszültségnél igen gondosan kell a vezetőket egymástól elszigetelni, mert különben a villamos szikra áttöri, átlyukasztja a szigetelő réteget. A nagyfeszültségű transzformátoroknál tehát a szerkesztő két ellentétes követelménnyel áll szemben: távol tenni a tekercseket, hogy jól szigetelhesse, vagy közel tenni, hogy kicsiny legyen a szórás.
Szerencsénkre itt is akadt kivezető út és ez a folyékony szigetelő anyag: az olaj.
Olajba süllyesztjük az egész transzformátort, ezzel egy csapásra megvan a jó szigetelés és a kis feszültségcsökkenés és még harmadiknak szintén igen lényeges előnyt érünk el: a vasmagban és a tekercsben fejlődő meleget a felmelegedő olaj sokkal tökéletesebben veszi át, mintha a lehűtést csak a környező levegőre bíztuk volna.
Meg kell még említenünk a transzformátor hatásfokát is.
Minden szerkezetnél, amely arra hivatott, hogy az energiát átalakítsa: fontos kérdés, hogy ezt az átalakítást mekkora tökéletességgel végzi el. A transzformátoroknál ez az átalakítás tökéletesebb, mint bármely gépben. A transzformátortól leadott teljesítmény csak néhány százalékkal kisebb a bevezetettnél, ami azt jelenti, hogy a transzformátor hatásfoka a 98 sőt 99 százalék fölé emelkedik. Tehát a vasveszteség és a tekercsekben keringő áraam okozta veszteség együttesen, a nagyobb méretű transzformátorokban, alig egy százalékát teszi ki annak a villamos energiának, amelyet a transzformátor átalakít egyik feszültségű alakjáról más feszültségűvé. A 236. rajzunkban bemutatjuk a Ganz-gyárben készült. első típusú transzformátort. Az eleinte használt nehezen előállítható gyűrűalak (236. rajz) helyett később négyszögű keret-
236. rajz. Zipernovsky, Déry és Bláthy-féle transzformátor. Eredeti gyűrűalak, Ganz villamossági r.-t. gyárából.
alakú vasmagra csévélik az első tekercset és reá a másodikat (237. rajz). Más transzformátorminták a 238242. rajzokon láthatók.
237. rajz. A budapesti Ganz Villamossági rt. transzformátor mintái.
A 238. rajz a gyűrűtranszformábor kifordítása: a köpenytranszformátor. Ennél a két tekercs gyűrűalakú és ezek köré csavarodnak a vashéj lemezei (13). Hasonló elveken épül föl a Westinghouse-transzformátor, amelynek kész mintáját a 239. rajz mutatja; itt a tekercsek gyűrűalakúak és a vasbádog lemezek négyszögalakúak, két ablakkal a tekercsgyűrű szamara. A 240. rajzon a Ferranti-féle transzformátor látható vízszintes tekercsgyűrűvel és két függőleges O alakú "vasmaggal", amely a gyűrűt körülveszi. Különös figyelmet érdemel a Swinburne-féle transzformátor, amelyet sajátságos alakjánál fogva igen találóan süntranszformátornak neveznek; keresztmetszetét a 241. rajz mutatja: tulajdonképen közönséges hengeralakú Ruhmkorff-tekeres, amelynek vasmagja egy kéve vékony lágyvasdrót; a drótvégeket azonban, amint a hengerből kiérnek, sugarasan kihajlítják úgy, hogy a henger alapján sündisznóra emlékeztető domborulatot alkotnak. E különös szerkezet célja megakadályozni az erővonalaknak mesz-
238. rajz. Köpenytranszformátor.
239. rajz. Westinghouse-féle transzformátor.
szebbi elszóródását úgyhogy lehetőleg rövid úton záródva erős mágneses erőáramlás keletkezzék. Ezzel az egyszerű fogással igen jó eredményeket lehetett elérni és a Swinburne-féle transzformátor hatásfoka alig marad 12 százalékkal a zártvasmagú transzformátorok mögött.
240. rajz. Ferranti-féle transzformátor.
241. rajz. Swinburne-féle süntranszformátor.
A kisebb transzformátoroknál jól bevált elrendezés az, ha abroncsokkal könnyen guríthatóvá tesszük mint pl. a 242. rajzon látható a Ganz-féle Vill. Rt. 50 KVA teljesítményű háromfázisú transzformátora.
242. rajz. Gurítható háromfázisú transzformátor a Ganz Vill. rt. gyárából.
Az olajtranszformátor szokásos alakja az, amelynél hullámlemezből készült tartányba [!] süllyesztjük a transzformátort (243. rajz); itt nagyobb felület megkönnyíti a melegátadást.
Ezen a rajzon egy kis hengeres edényt látunk a tartány tete-
jén, amelynek célja az, hogy a tartány mindig színig telve legyen olajjal és az olaj felmelegedésével és lehűlésével járó térfogatváltozás csak a kis hengeres edényben változtassa meg a felszín magasságát.
Azt tapasztalták ugyanis, hogy hosszú üzemben a transzformátor olaja megsűrűsödött, ha a meleg olaj felülete a levegővel érintkezett. Ennél az elrendezésnél bár a két edény természetszerűleg közlekedik egymással csak a kis edény hideg olaj-felszíne érintkezhet levegővel.
243. rajz. Olajtranszformátor.
Még nagyobb teljesítményű transzformátoroknál külön kell a meleg elvezetéséről gondoskodni. Ennek egyik módja pl. az, hogy az olajtartányba sűrű bordázással borított kígyócsöveket merítünk és a kígyócsövön vizet vezetünk át. Igy az olajat folytono-
san hűtjük, az olaj viszont a transzformátor vasmagját és tekercseit hűti.
A budapesti Ganz-gyár már 1911-ben szerkesztette a 244. és 245. rajzban bemutatott akkoriban óriás, 21.000 KVA teljesítményű, háromfázisú transzformátorokat. Egy ilyen transzformátor súlya 38 tonna.
A transzformátor fedelén látható emelőszerkezet nem tartozik a transzformátorhoz, az csak szerelés és szállítás célját szolgálja.
244. rajz. A Ganz-gyár 21.000 KVA. teljesítményű 38 tonnás transzformátora.
Megemlítjük, hogy a háromfázisú áramrendszer éppen úgy transzformálható, mint az imént tárgyalt egyszerű áram, és nem is kell külön transzformátor minden egyes fázis számára, hanem mindjárt oly transzformátorokat építenek, melyek mind a három fázist transzformálják. A 246a. rajzon látható a három keretből álló vasmag, melynek külső száraira csévélik a három fázis első és második tekercseit; a középső a vasoszlopban, amelyben a három keret találkozik a háromfázisú rendszer ismert részarányos tulajdonságai alapján , a mágneses erőáramlás minden
245. rajz. Az előbbi transzformátor hűtőberendezése
246. rajz. Háromfázisú transzformátorok vasmagjai.
pillanatban zérussal egyenlő, tehát e vasoszlop elhagyható; így kapjuk a 246b. rajzon látható vasmagalakot, melyet tekercsekkel fölszerelve és védőházikóval ellátva a 247. rajzon látunk.
Ilyen háromszögben elhelyezett oszlopokkal készült transzformátorokat csak régebben gyártottak, mert csakhamar tapasztalták, hogy az egysíkba helyezett három oszlopnál a keletkező asszimetria oly csekély, hogy az üzemet egyáltalában nem zavarja. Az előbb bemutatott háromfázisú transzformátoroknál mindenütt egysíkban van a három oszlop.
A 248. rajzban bemutatjuk a transzformátorok közvetítésével való munkaátvitel vázlatos képét: A D áramfejlesztő aránylag kis feszültségű áramot küld az a transzformátor 1. tekercsébe, amely a sokkal több menetű 2. tekercsben nagy feszültségű áramot indukál; ezt a nagy feszültségű áramot most csekély veszteséggel elszállítják a vezetéken át a b transzformátorba, ahol az 1. igen sok menetű 2-höz képest,tehát a feszültség letranszformálódik és ebben a kezelhető alakban kerül fogyasztásra.
247. rajz. Háromfázisú transzformátor.
Minél nagyobb a leküzdendő távolság és minél nagyobb teljesítményt viszünk át, annál nagyobb feszültséget alkalmazunk. Ma már több telep van üzemben 200.000 volt feszültséggel és természetes, hogy az egyes nagyfeszültségű jelenségek tandmányozására ennél még lényegesen nagyobb feszültségeket is kell kísérletképen előállítani.
Az amerikai kutatóintézetek már 2 millió volt fölött rendelkeznek ilyen célból.
248. rajz. Munkaátvitel transzformátorok közvetítésével.
NYOLCADIK FEJEZET.
b) Mechanikai munka átvitele.58. Elektromótorok. Már rámutattunk az elektromágneses indukció jelenségeinek ama jellemző sajátságára, hogy mind e jelenségek megfordíthatók, ami annyit jelent, hogy ok és okozat szerepet cserélhetnek: ha mágnest közelítünk a tekercshez, áram fog benne keletkezni, viszont a tekercsbe bocsátott áram mozgásba fogja hozni a mágnest. Csak a jelenség irányára kell ügyelnünk: az az áram, amely a mágnes közelítésekor keletkezett, taszítani fogja a mágnest.
Ez az alapelve az összes elektromótoroknak, ama berendezéseknek, amelyek célja elektromos energiát mechánikai munkává alakítani át.
Az indukció-jelenségek megfordíthatósága annyira tökéletes, hogy nem is kell oly külön eszközökről gondoskodnunk, amelyek elektromossággal táplálva mechanikai munkát végeznek, hiszen összes áramfejlesztő gépeink alkalmasak e célra.
Valóban, bocsássunk csak egyenáramot bármely egyenáramú gép keféibe, az armatúra el kezd forogni: ezt a forgást most már mindenféle áttétellel céljainkra felhasználhatjuk.
Az elektromótor legelső föltalálói között is magyar embert kell fölemlítenünk: Jedlik Ányos még 1827-ben készített oly gépet, amely forgásba jött, ha árammal táplálták. Bár találmányát a német természetvizsgálók és orvosok bécsi nagygyűlésén is bemutatta 1856-ban, a találmány terjesztésére nem került sor és ma már csak a tudomány története szentel neki néhány sort, csak úgy, mint Dal Negro Salvatore mótorának (1831), mely Jedlik mótoránál jóval silányabb szerkezet volt; mig ugyanis Jedlik gépében az elektromos áram közvetetlenül forgást idézett elő, addig Dal Negro gépe csak ide-oda járó, himbáló mozgást végzett, melyet csak megfelelő csuklózerkezettel lehetett forgó mozgássá alakítani.
Már nem megvetendő gyakorlati eredményt ért el Jacobi, 1839-ben Szentpétervár közönségét azzal ejtette bámulatba, hogy 12 személlyel terhelt ladikon órahosszat csónakázott le s fel a Néván; igaz, hogy a ladik lapátos kerékkel volt felszerelve, de a lapáthoz a bennülők közül senki sem nyúlt, a lapát "magától forgott". A közönség ugyanis akkor még nem tudta, mily energia rejlik abban a 128 darab Grove-elemben, amely a ladik
fenekén volt elhelyezve és amely sajátságos szerkezetet, "elektromótort" hozott mozgásba. A 128 Grove-elem együtt háromnegyed lóerőt fejtett ki: Du Moncel szerint ez a csekély hatás elkedvetlenítette a föltalálót, ki azóta az elektromosságnak ezt az alkalmazását ipari munkálatokra célszerűtlennek tekintette. Pedig egy kis számítás meggyőz róla, hogy a hiba nem a mótorban, hanem az áramforrásban keresendő: láttuk (235. lap!!!), hogy a legtöbb teljesítmény, amit a Grove-(Bunsen-)elemtől várhatunk, elemenként 9 watt; 128×9 = 1152 watt kb. 1 1/2 lóerő és ha Jacobi első kísérletre 3/4 lóerőt kapott, gépe hatásfokával meg lehetett elégedve.
Valóban a gazdaságos áramforrások föltalálásával az elektromótorok napja is felvirradt: nem követjük az egyébként igen érdekes történeti fejlődést, melyet az olvasó pl. Guillemin munkájában is megtalálhat * és mely eleinte külön szerkezetekkel, a dugattyus gőzgép mintájára dolgozó himbáló gépekkel törekedett a feladat megoldására; e helyett mindjárt rátérünk a mai elektromótorok ismertetésére.
Valóban használható elektromótorokat akkor készítettek, mikor belátták, hogy az elektromótor és az áramfejlesztő gép azonos szerkezet, mely két különböző célra használható.** E megjegyzéssel azonban még egyáltalában nincs elintézve a kérdés; nagyon téves volna az ily okoskodás: ismerjük az áramfejlesztőket, tehát ismerjük a mótorokat is. Igen, ismerjük az alapelveket, melyek szerint gazdaságos mótort szerkeszthetünk, ámde tekintettel kell lennünk a mótor céljaira és ezeknek megfelelően kell a szerkesztést irányítanunk. Láttuk, hogy az áramfejlesztőt hajtó energiaforrás mily hatással volt az áramfejlesztő fejlődésére (300. lap), éppen úgy nem lehet közömbös a mótorra som a cél, melynek szolgálatában működik. Azután pedig igaz, hogy a már áramot szolgáltató áramfejlesztőnek és a már forgó mótornak időben állandó végállapota egymásnak híven megfelelő két jelenség, ámde eme végállapot bekövetkezésének ideje és módja egészen eltérő lehet, ami a gyakorlat szempontjából igen fontos. Pl. hogyan történik a mótor indítása? Ha áramot bocsátunk a nyugvó mótorba, ez még nem megfordítása az üzemben lévő dinamógépnek, csak akkor lesz azzá, ha már a mótor forog. E kérdések tisztázása még sok szellemi munkát tett szükségessé és sok fáradságba került, míg az elektromótor oly tökéletes és megbízható szerkezetté lett, mint a mai elektromos vasutak, emelődaruk és egyéb remekei az újkori elektrotechnikának.
Lássuk a szellemi munka főbb eredményeit.
* Guillemin: Az elektromosság és mágnesség, ford. Bartoniek és Czógler. Kiadja a Term.-tud. Társulat, Budapest, 1885.
** Lenz mutatott rá legelőször 1838-ban, hogy minden gép, mely forgatva áramot ád, árammal táplálva forgásba jön; gondolatát azonban csak a XIX. század ötvenes és hatvanas éveiben értékesítették Siemens, Pacinotti és Gramme.
375
59. Egyenáramú mótorok. Az áramfejlesztő gépeknél két főrészt különböztetünk meg, az elektromágnesek koszorúját és az armatúrát; ugyane két rész természetesen a mótoroknál is megvan, csakhogy itt mivel a figyelem főképen a mozgásra irányul más elnevezések szokásosak. A mótor ama részét, amely a mótor működése közben állva marad, nemzetközi mesterszóval sztátor-nak nevezik, a forgó részt rótor-nak; (*) mi ezen elnevezéseken kívül az "álló rész" és "forgó rész" elnevezéseket is használni fogjuk. Egyenáramú gépnél (főképen a kefékre való tekintettel) mindig az elektromágnesek koszorúja az álló rész, az armatúra a forgó rész. Az egyenáramú dinamógépeknél három főosztályt különböztetünk meg: főáramkörű, mellékáramkörű es vegyeskapcsolású gépeket. Vizsgáljuk meg, mit tapasztalunk, ha e gépekbe áramot bocsátunk. Valamennyinél óvatosan kell eljárnunk, mert az áramzárás pillanatában még a mótor semmi munkát nem végez, semmi ellenelektromindító erő nem lép fel benne, a gépben keringő áram túlerős lesz és a gépet megrongálhatja; az áramot tehát csak ú. n. indító ellenálláson keresztül szabad zárnunk, melyet fokozatosan kapcsolunk ki.
A főáramkörű dinamónál ugyanaz az áram kering az elektromágnesekben, mint a külső áramkörben, tehát a gépet kívülről tápláljuk árammal, az indukció alaptörvényei értelmében az armatúra ellenkező irányú forgást végez, mint mikor a gép fejleszti az áramot. A mellékáramú gépnél azonban a mótor forgásiránya megegyezik a dinamó forgásirányával. Ennek az a magyarázata, hogy főáramkörű mótornál, ha ugyanoly irányú áramot vezetünk bele, mint a milyet a dinamó szolgáltat, az elektromágnesekben nem változik az áram iránya, ha azonban mellékáramkörű gépnél végezzük ugyanezt a műveletet, az elektromágnesekben megváltozik az áram iránya, míg az armatúrában a viszonyok mindkét esetben változatlanok: egy pillantás a 188.!!! és 189. rajzokra meggyőz ezen okoskodás helyességéről.
Vegyes kapcsolású gépnél az elektromágnesek két tekercselése ellenkező irányú forgás keltésére törekszik, aminek következménye, hogy a gép leggyakrabban meg sem indul. Ime jó példa arra, hogy oly gép, amelynek mint dinamónak igen becses tulajdonságai vannak, mint mótor nem mindig használható, pedig ha oly irányba indítják, amelybe a teljes sebesség mellett az "erősebb" tekercselés hajtaná, akkor tovább jár. A vegyes kapcsolású gépeket eszerint másképen tekercselik, ha mótorról és másképen, ha dinamógépről van szó; egyébként a vegyes kapcsolású mótorok sohasem vittek kiváló szerepet a gyakorlatban, éppen mert egyszerűbb testvéreik már igen kielégítően oldották meg a nekik kiszabott feladatot.
Mi történik már most akkor, ha egyenáramú gépnél a külső áram irányát megfordítjuk? Megfordul az áram iránya az elektromágnesekben, de ugyancsak megfordul az armatúrában is, tehát
(*) A XXI. század elején ezeket a szavakat (mótor, rótor) csupa rövid O-val írjuk és mondjuk [NF]
az áramoknak egymásra gyakorolt elektrodinamikus ereje minthogy a kölcsönhatásban résztvevő mindkét áram megváltoztatta irányát nem változik (78. lap). Az egyenáramú mótor forgásiránya tehát független a tápláló áram irányától. (*) Ennek a szabálynak közvetlen folyománya a következő nevezetes jelenség: Egyenáramú mótor akkor is forog, ha váltakozó árammal tápláljuk; valóban az elektromágnesek és az armatúra közt fellépő forgató erő iránya független az áram irányától, tehát bármily gyorsan változik az áram iránya, a forgató erő iránya változatlan marad és forgásba fogja hozni a mótort. Ezt az eljárást valóban alkalmazták váltakozó áramokkal való munkavégzésre és a legközelebbi pontban!!! az ily gépekre még visszatérünk.
Az egyenáramú mótornál eszerint ha a gép forgásirányát meg akarjuk változtatni nem érünk célt a tápláló áram irányának megváltoztatásával, ellenben azonnal megváltozik a forgásirány, ha az áramot külön az elektromágnesekben vagy külön az armatúrában fordítjuk meg. Ennek az átkapcsolásnak persze éppen úgy, mint az indításnak nem szabad rohamosan történnie, mert hiszen a gyorsan átkapcsolt áram hatalmas lökéssel rántja visszafelé az armatúrát, ami a gépekben kárt okozhat; az átkapcsolásnak ugyancsak az indító ellenállás fölhasználásával kell történnie. A tápláló áramot fokozatosan kell csökkenteni; mikor erőssége már igen csekély, akkor átkapcsolható az áram az armatúrában, mire az indító ellenállás fokozatos kikapcsolásával a mótor ellenkező irányú forgásba hozható. A forgásirány változtatására különösen elektromos vasutaknál van szükség.
Fontos az egyenáramú mótor viselkedését a fordulatszám szempontjából is megvizsgálni.
Az áramforrás feszültségét állandónak tételezhetjük fel, hiszen központi telepeinket már állandó feszültségre építjük.
Külön kell tárgyalnunk a főáramú és külön a mellékáramú mótorokat. Az egyszerűbb eset a mellékáramkörű mótor fordulatszámának megbeszélése, azért ezzel kezdjük.
Amíg a mótor nyugalouiban van, Ohm törvénye alapján könnyen kiszámítjuk a rajta áthaladó áram erősségét az ia = V / ra egyenletből.
Csakhogy, amint már láttuk az armatúrának ra ellenállása oly kicsiny szokott lenni, hogy a "V" kapocsfeszültségből ez alapon kiszámított "i" áramerősség oly óriási nagy volna, hogy tönkretenné berendezésünket. Ezért kell az armatúra ellenállását u. n. indító ellenállással megtoldani.
Legyen az indító ellenállás értéke: ri, akkor induláskor az áramerősség
ia =
V
ra + ri
(*) Ez természetesen nem lesz igaz, ha a motorban elektromágnes-koszorú helyett állandó mágnesek vannak. [NF]
Figyelni kell arra, hogy csakis az armatúra körébe tegyük az ellenállást és ne a mágnes körébe is, mert ezáltal gyengítenők a mágneses mezőt is, holott éppen az indításnál nagy szükségünk van az erős mágnességre.
A fizika egyik alaptörvénye szerint ugyanis valamely H erősségű mágneses térben (az erővonalak irányára merőlegesen) elhelyezett l hosszúságú vezetőre, ha abban i áramerősség kering: P=Hli mozgató erő hat, amelynek iránya a vezető és az erővonalak irányára merőleges.
A mótor tehát annál nagyobb nyomatékkal fog forgásnak indulni, minél erősebb a mágneses tér és minél nagyobb az armatúra drótjaiban keringő áramerősség.
289. rajz. Indító ellenállás kapcsolása mellékáramú mótorhoz.
Amint azonban armatúránk a mótor mágneses terében forgásnak indul, már nem marad érvényben fenti egyenletünk, ia = V/ra hiszen a forgó armatúra ellenelektromindító erőt fejt ki és ezáltal csökkenti az áramerősséget. Hogy a mótort tovább gyorsítsuk, most már az indító ellenállást lassanként kiiktatjuk, vagyis rövidre zárjuk. (289. rajz.) Indításnál a rajzon látható kilincs "K" egészen jobb oldalt áll, az ellenállás tehát csak az armatúra elé van kapcsolva. A kilincset az indítás alatt fokozatosan balra forgatjuk, mire az armatúrába kapcsolt ellenállás fokozatosan fogy, az elektromágnesek ellenállása azonban változatlan marad. Ha a kilincset a mótor megállítása végett hirtelen jobbra csapjuk (a fehéren hagyott fémszeletekre), akkor a külső áramforrást lekapcsoltuk, de az elektromágnesek az armatúrával még zárt áramkört alkotnak. Ha az elektromágneseket egyszerűen kikapcsolnók, az önindukció folytán nagy feszültségű megszakítási áram lépne fel, mely a szigetelést veszélyeztetné.
Vajjon az indítóellenállás rövidrezárása után mekkora fordulatszámnál fog megállapodni a mótor, ha nem fékezzük teherrel, vagyis ha, mint mondjuk, üresen jár?
Előbbi egyenletünket most úgy kell írnunk:
ia =
Ve
ra
ahol e lesz forgása közben az armatúrában indukált ellenelektromindító erő. A nevezőben csak ra-t írtunk, mert az indító ellenállást már egészen kiiktattuk az indítás folyamán.
A forgás okozta ellenelektromótoros erő egy bizonyos armatúránál annál nagyobb, minél erősebb a mágneses tér "H" és minél gyorsabban forog az armatúra.
Ha tehát a percenkénti fordulatszám "u", akkor e = cuH egyenletbon c arányossági tényezőt jelent, amely egyazon gépnél ugyanaz marad.
A fenti
ia =
Ve
ra
egyenletből látjuk, hogy amint a mótor olyan gyors forgásnak indulna, hogy e = V volna, vagyis az ellenelektromindító erő elérné a kapocsfeszültség értékét, akkor az armatúraáram zérusra csökkenne. De akkor megszűnnék a forgató nyomaték is a P = Hli kifejezésnek megfelelően.
Az áram tehát zérusra nem csökkenhet, mert akkor még azt a csekély forgató nyomatékot sem tudná a mótor kifejteni, amely az üresjáráshoz szükséges. Minthogy azonban az üresjáráshoz valóban csekély munkakifejtés, tehát csak kis ia áramerősség kell, és mint már többször említettük ra is kis érték; iara = Ve egyenlet azt is jelenti, hogy Ve nagyon kis mennyiség, vagyis az üresen járó mótor mindaddig fog gyorsulni, amíg a benne keletkező ellenelektromindító erő meg nem közelíti a kapocsfeszültséget.
Ha pedig a forgásban levő mótor mágneses mezejét "H"-t egy kevéssé csökkentjük, a mótor fordulatszáma emelkedik, mert csakis fokozott fordulatszánnnal állhat helyre a régi egyensúly, amelynél az indukált ellenelektromindító erő ismét közel egyenlő a kapacsfeszültséggel.
Ha már most a mótorral mechanikai munkát végeztetünk, vagyis megterheljük, az áramerősségnek növekednie kell, hiszen csak azáltal növekszik a bevezetett villamos teljesítmény. Az
ia =
Ve
ra
egyenletben V és ra állandók, nagyobb ia csak kisebb
"e"-nél, vagyis valamivel lassúbb fordulatnál fog mutatkozni. De ha ra kicsiny, igen kis fordulatcsökkenéssel már tekintélyes munkakifejtést kapunk.Ezekből azt látjuk, hogy a mellékáramú egyenáramú mótor igen változó megterhelésnél csak kevéssé változó fordulatszámmal jár, ami ennek a típusnak kiváló előnye ott, ahol állandó sebességgel kívánjuk gépeinket forgásban tartani, pl. mindenféle szerszámgépek, esztergapadok és szivattyúk hajtásánál.
A fordulatszám állandósága annál tökéletesebb, minél kisebb az armatúra ra ellenállása.
Valamivel több figyelmet igényel a főáramú mótor viselkedése.
Itt is a fordulatszám azt az értéket éri el, amelynél az ellenelektromótoros erő egyensúlyt tud tartani a kapocsfeszültséggel. Csakhogy amíg a mellékáramú mótor mágneses mezejét "H"-t állandónak vehettük, (hiszen az állandó kapocsfeszült-
ségre kapcsolt ú. n. sönttekercsek mágnesezték), addig a főáramú mótor mágnesező tekercsein az armatúra-áram kering; ennek minden változása a mágneses mező erősségét is megváltoztatja. Az erősen megterhelt főáramú mótorokban az előbbi egyenletet így írhatjuk:
ia =
Ve
ra + rm
ahol rm a mágnesező tekercsek ellenállását jelenti. A Vm = ia(ra+rm) egyenletből látjuk, hogy e és V között már nagyobb eltérés lesz, mint a mellékáramú mótornál, de e értéke most már nem csak az "u" fordulatszámtól, hanem az ia-val változó H értékétől is függ. Ha ia nagy áramot jelent, akkor H is nagy, tehát már csekély "u" fordulatszám megadja az e ellenelektromindító erőt. A terhelt főáramkörű mótor aránylag lassan jár. Amint azonban a terhelés csökken, gyengül a mező es az armatúrának fokozottan gyorsabban kell forognia, hogy a folyton nagyobbodó "e"-t létesítse, hiszen ia csökkenésével ia(ra+rm) is csökken, e mindinkább közelebb jut V-hez.
De látjuk azt is, hogy "üresjárást" a főáramú mótoron el sem tudunk képzelni, mert igen kis ia áram csak olyan gyenge H mágnességet létesít, amelynél óriási nagy fordulatszám kellene a V-hez közeljáró "e" indukálására. A gyakorlatban úgy mondjuk, hogy a főáramú mótor terheletlenül "megszalad" vagyis oly óriási fordulatot ér el, amelynél a középpontfutó erő a legjobban gyártott armatúrát is szétveti és elpusztítja.
Ezért főáramú mótort csak ott alkalmazhatunk, ahol a megterhelés soha sem szállhat le zérusra, pl. szellőztetőknél, vagy ahol a mótor állandó felügyelet alatt van mint pl. a villamos vasutakon.
A főáramú mótornak azonban az itt említett hátrányos tulajdonságával szemben igen előnyös sajátsága az, hogy nagy nyomatékkal indít. Gondoljunk csak újra a P = Hli egyenletre és H és i összefüggésére, amely szerint a mótorban keringő áramerősség a mágnesező mezőt is befolyásolja: akkor látjuk, hogy ha a mótorba menő áramot az indító ellenállás fokozatos csökkentésével erősítjük, a P = Hli kifejezés vagyis a mótor indító nyomatéka nem csak i növekedésével arányosan, hanem "H" egyidejű nagyobbodása miatt fokozott mértékben növekszik.
Messze vezetne, ha a tekercseken átmenő áram és a létesített mágneses tér összefüggését is tanulmány tárgyává akarnók tenni, de meg kell említenünk, hogy ez nem egyszerű arányosság; mert kezdetben, tehát gyenge áramoknál a mező a gerjesztő árammal arányosan növekszik, de erősebb mágnesezésnél a vas mágneses telítődése miatt a mező növekedése mindjobban visszamarad az áram növekedésével szemben.
A főáramú mótor indító nyomatéka még erősen telített mágneseknél is jóval nagyobb a mellékáramú mótorénál, azért fő-
áramú mótort használunk mindig ott, ahol erélyes indításra van szükség, pl. elektromos vasutaknál, emelődaruknál, azonban semmi esetre sem használható gépeknél szíjjal való hajtásra, mert ha a szíj véletlenül lepattan, az üresen járó mótor tönkremehet.
Az e = cuH egyenlet az egyenáramú mótorok fordulatszám-változtatására is ad útmutatást. Ha így írjuk:
u =
e
cH
akkor látjuk, hogy egyrészt az e változásával arányosan, másrészt H változásával fordított arányossággal fog a mótor fordulatszáma megváltozni.
Állandó kapocsfeszültség esetén (ezt V-vel jelöltük) "e" mindig közel jut V-hez [láttuk, hogy a mellékáramú mótornál e = Viara, a főáram[ú]nál e = Via(ra+rm)]. Ha fordulatszámcsökkentés céljából ellenállást kapcsolunk az armatúra elé, akkor csökkentjük ugyan a fordulatszámot, azonban az ellenállásban az energia egy része meleggé alakul át; mozgatás szempontjából elvész, ez a módszer tehát nem gazdaságos.
Ha módunkban van az armatúrát külön olyan áramforrásról táplálni, amelynek feszültségét szabályozhatjuk, akkor tetszésszerinti fordulatszámmal járathatjuk mótorunkat. Ezt a szabályozási módot csak igen nagy teljesítményű mótoroknál alkalmazzuk, pl. hengerlőművekben vagy bányafelvonóknál.
A "H" mágneses mező gyengítése a fordulatszám növelésével jár, amint ezt a mellékáramú mótornál már említettük.
Gépeink gazdaságos működését azok hatásfokával szoktuk jellemezni. Hatásfok alatt azt a viszonyszámot értjük, amely a gép által szolgáltatott és a gépbe bevezetett teljesítmény között fennáll. A dinamógépek hatásfoka tehát a szolgáltatott villamosáram másodpercenkénti munkája elosztva a forgatásra fordítandó másodpercenkénti munkával. Mótoroknál viszont: a teljesített mechanikai munka elosztva a bevezetett elektromos munka egyenértékével.
Természetesen egyenlő mértékkel kell mérnünk; azért a lóerőt 736-szor vesszük, hogy a villamos teljesítményt wattokban mérhessük.
Mótoraink hatásfokát úgy is értelmezhetjük, hogy a bevezetett elektromos teljesítményből levonjuk mindazt, ami a mótorban veszendőbe megy és az így talált hasznos teljesítményt elosztjuk a bevezetettel.
Hatásfok =
V×i veszteség
V×i
A veszteségeket kutatva, először is tudjuk, hogy minden vezetőben az áram négyzetével és a vezető ellenállásával arányos meleg fejlődik. Igy pl. ia2ra lesz azoknak a wattoknak a száma, amik az armatúra drótjaiban meleggé változnak. De fejlődik meleg az armatúra lemezekből összerótt "vastestekben" is a folyton vál-
tozó irányú mágnesezés folytán is, hiszen azért kell vékony lemezekből felépíteni azt, hogy "foucault"!!! veszteségek csekélyek maradjanak. Ezeket vasveszteség címén könyvelhetjük el. Végül súrlódási veszteségeket is találunk. Surlódik a csap a csapágyban, még a leggondosabb olajozásnál is, surlódik a kefe a kollektoron, de súrlódik a levegő is a gyorsan forgó armatúra felületén. A gépszerkesztők gondosságát dícséri, hogy mindezek együttvéve alig teszik ki a gép teljesítményének tizedrészét. Valóban nagyobb mótorok legjobb hatásfoka fölülmúlja a 9094%-ot és még az 12 lóerős gépeknél is 7585% hatásfokkal számolhatunk.
A jó hatásfok elérésére éppen az armatúra ellenállását kell kis értéken tartani, tehát újra látjuk, hogy miért jár közel az armatúra ellenelektromindító ereje a kapocsfeszültségéhez.
A jó hatásfokkal járó mótorban aránylag kevés a fejlődő meleg. Egyenlő méretek és egyenlő teljesítmény mellett a jobb hatásfokú gép kevésbbé melegszik, de gépeink anyagkihasználását folyton fokozva, ma már a nagy teljesítményű gépek is oly kis méretekkel készülhetnek, hogy még legjobb hatásfok mellett is sok gondot ad a szerkesztőnek a fejlődő meleg elvezetése, vagyis a gépek hűtése.
Az elektromótornak még egy sajátságáról akarok megemlékezni, az önfékezésről; ha forgásban lévő mótorból kikapcsoljuk az áramot és az armatúra körét megszakítva gondoljuk, a mótor, mint a meglendített kerék, tehetetlenségénél fogva tovább fut és semmiféle elektromos jelenség nem megyen végbe. Ha azonban az armatúrát kikapcsolás után önmagában zárjuk, a mótor úgy működik, mint egy dinamógóp és forgásával áramot kelt; ez az áram azonban az őt keltő mozgás akadályozására törekszik és erélyes fékként a forgó armatúrát előbb-utóbb megállítja. Ha gyorsan forgó mótor armatúráját egyszerre önmagában rövidre zárjuk, az aránylag kis ellenállású körben indukált áram oly erős lesz, hogy heves lökéssel állítja meg a gépet, amiért is a gép megállításánál úgy szokás fékezni, hogy az armatúrát előbb az indító ellenálláson keresztül zárjuk, hogy a fékező áram gyöngébb legyen és fokozatosan zárjuk rövidre az armatúrát. Ez a berendezés is fő képen vonatokon szokásos. Főáramkörű gépek alkalmasabbak a fékezésre, mint a mellékáramú gépek, mert az egészen rövidre zárt mellékáramú gép nem tudja önmagát gerjeszteni. Ez okból is alkalmasabbak a főáramkörű gépek vasúti vontatáshoz, mint a söntmótorok. A söntmótorok azonban, ha a rendesnél nagyobb sebességgel járnak, mint a dinamógépek, áramot szolgáltatnak vissza a hálózatba.
290. rajzunk kis egyenáramú mótornak armatúráját mutatja gyártás közben és teljesen elkészítve.
290. rajz. Kis egyenáramú mótor armatúrája gyártás közben és teljesen elkészítve.
az a körülmény, hogy a váltakozó áramú gépek kollektor nélkül dolgoznak és szikrázásnak nincsenek kitéve, másrészt a váltakozó áramok gazdaságos vezetése fölkeltette ama kívánságot, hogy a közvetetlenül váltakozó árammal hajtott mótorokat is kidolgozzák a gyakorlat igényeinek megfelelően.
Ám itt ismét mindjárt a legelső kísérletünk látszólag ellentmond az indukcióhatások megfordíthatóságának. Ha ugyanis egyszerű egyfázisú áramfejlesztőbe ugyanoly váltakozó áramot bocsátunk, azt fogjuk tapasztalni, hogy a gép nem indul meg. Némi meggondolással megmagyarázhatjuk magunknak a jelenséget: az áram fejlesztése alkalmával abban a pillanatban, amikor az armatúra egy tekercse elfut agy elektromágnessark közelében, a benne indukált elektromindító erő tetőpontját éri: ebből már most az következik, hogy éppen az indukcióhatások megfordít-
hatósága értelmében csak akkor várhatunk tömegmozgató erőket az árammal táplált fejlesztőben, ha a gép már pontosan oly ütemben forog, hogy a tápláló áram elektromindító ereje tetőpontját éri ugyanabban a pillanatban, melyben az armatúratekercs éppen elvonul az elektromágnes előtt. Egy bizonyos rezgésszámú árammal táplált egyfázisú áramfejlesztő eszerint csak akkor működik mótor gyanánt, ha már a megfelelő forgásszámmal jár. Az ily mótor magától nem indul meg, a mótort előbb külön segédeszközökkel addig kell forgatni, míg a forgásszám pontosan meg nem felel a tápláló áram rezgésszáma által támasztott igényeknek. A gép csak akkor fog tovább forogni, ha a forgás úgy történik, hogy minden sarkpárváltozás időtartalma egyenlő a tápláló áram egy szakaszával és ha a forgásszám vagy az áram rezgésszáma bármily okból megváltozik, a gép "kiesik az ütemből" és megáll.
291. rajz.; 292. rajz
Szinchrón mótor forgása üresen és megterheléssel.Az ily mótor neve éppen az időbeli megegyezés (szinchronizmus) ezen föltétele miatt szinchrón (egyenlő idejű) mótor. Minthogy az áramfejlesztőnél a rezgésszám egyenlő az elektromágnessarkpárok és a forgásszám szorzatával (198. lap!!!), a szinchronizmus föltétele a következő: a gép forgásszáma legyen egyenlő a tápláló áram rezgésszáma és az elektromágnesek sarkpárszáma hányadosával.
A szinchrón mótor eme sajátsága alkalmazhatóságának körét minden esetre lényegesen megszorítja, azonban sok esetben a pontosan betartott, állandó forgásszám igen becses szolgálatokat tehet; minthogy az üzemből kiesett gép megáll, kisebb teljesítményű szinchrón mótorokat csak oly berendezéseknél használnak, ahol az állandó forgásszám elegendhetetlen föltétel (pl. multiplex telegráfia), nagyobb ipari üzemben azonban a kedvező hatásfok miatt a szinchrón mótor igen kedvelt hajtómű.
Érdekes a szinchrón mótor viselkedése változó megterhelés mellett: az üresen járó gép helyzete a 291. rajzon látható abban a pillanatban, midőn az áram az armatúrában tetőpontját éri: a külső koszorú a sztátor, a belső a rótor; a belső kört egyenárammal kell táplálni, a külsőt váltakozó árammal. Az üresen járó gépnél az áram a rótorban majdnem pontosan abban a pillanatban éri tetőpontját, amikor a rótortekercs a sztátortekercs előtt elvonul (a kis késés a mindig jelenlévő csapágysurlódásnak tulajdonítandó). A megterhelés növekedésével, amely a rótort forgásában akadályozza, a rótor mindinkább visszamarad a forgás irányában (292. rajz), anélkül, hogy a forgásszám megváltoznék; az áram legnagyobb értékét előbb éri el, még mielőtt a sztátortekercs előtt elvonult volna. Ez a késés, amelyet a rajzon a ψ szög tüntet föl, nem lehet nagyobb, mint két egymást követő tekercs szögtávolságának a fele. Ha a megterhelés még ezentúl is növekszik, a gép megáll és a tápláló áram ütemében reszket, de magától meg nem indul többé.
A szinchrón mótor megindításához külön hajtógépekre van szükségünk, melyekkel a mótornak a szinchronizmus megszabta forgásszámot megadjuk. Mindenféle berendezés használatos: rendszerint akkumulátor hajtotta egyenáramú segédmótor, vagy a később ismertetendő!!! aszinchrón mótorok valamelyike talál alkalmazást. Fontos a megfelelő pillanat eltalálása a tápláló áram bekapcsolásához, mert nem elegendő a szinchronizmus, még a forgás megfelelő fázisát is el kell találni. Egy egyszerű izzólámpa mely a tápláló áram kétszeres feszültségére készült igen jó szolgálatokat tehet.
293. rajz. A szinchronizmus beállítása fázislámpával.
Az eljárás a következő: az armatúra egyik szorítócsavarjába bevezetik a tápláló áramot, a másik csavart pedig a "fázislámpán" keresztül összekötik a tápláló forrás másik sarkával (293. rajz). Most megindítják a segédgépet: a lámpán átmegyen úgy a tápláló áram, valamint az áramfejlesztőként működő mótor árama; míg a szinchronizmus be nem állott, a két áram rezgésszáma különböző, az áramok tehát egymást nem zavarva átmennek a lámpán; a lámpa egyenletes, közepes fénnyel világít. Amint a szinchronizmushoz közeledünk, a mótor fejlesztette elektromindító erő a fázisok szerint hol növeli, hol pedig csökkenti a tápláló áramot, úgy hogy a lámpa hol fényesen világít, hol elhomályosodik. Minél jobban megközelítjük a szinchrón járást, annál rit-
kábban fognak az elhomályosodások a fényes világítással vállakozni és annál tökéletesebb lesz a sötétség: a sötétség azt jelenti, hogy a tápláló elektromindító erő a mótor ellenelektromindító erejével egyenlő, de fázisa 180°-kal különböző; ez felel meg a szinchronizmus föltételének, hiszen a külső elektromindító erőnek éppen le kell küzdenie az armatúra ellenelektromindító erejét. Egy ily tartós elsötétülést felhasználva a K-t gyorsan zárjuk, lekapcsoljuk a segédhajtóművet és a mótor változatlan forgásszámmal fog tovább futni.
Szinchrón mótor gyanánt minden változtatás nélkül használható bármely egyfázisú áramfejlesztő, hacsak megfelelően gondoskodnak az indításról; a sztátor lehet akár az armatúra, akár az elektromágnesek koszorúja a különböző elrendezések szerint, de éppen így működik szinchrón mótorkónt minden többfázisú áramfejlesztő is, ha többfázisú árammal táplálják. A többfázisú szinchron motorok, még sokkal könnyebbek, mint az egyfázisú szinchrón mótorok.
A szinchronizmusnak gyakran nehezen betartható föltétele és a külön egyenáramú forrás szükséglete az elektromágnesek táplálásához a kutatókat más váltakozó áramú mótorminták keresésére ösztönözte; így születtek meg a különböző, egyéb szerkezetű váltakozó áramú motorok, melyeket közös néven aszinchrón (nem szinchrón) mótoroknak szokás nevezni.
Említettük már, hogy a váltakozó árammal táplált egyenáramú dinamógép ugyancsak forgásba. jön, ha a váltakozó árammal tápláljuk.
Ilyen alapelven is készítenek aszinchrón mótorokat és azokat kollektoros mótoroknak nevezhetjük.
A legegyszerűbb kollektoros mótort úgy készíthetjük, ha a főáramkörű egyenáramú mótor egész vas vázát, tehát az armatúra testen kívül a pólusokat és a külső koszorút is lemezekből készítjük, hogy alkalmassá tegyük a folyton váltakozó mágneses mező befogadására. Ez az egyszerű mótor azonban sem teljesítmény sem szikrázás szempontjából nem elégíti ki igényeinket. A pólusok és főleg az armatúra tekercsek mágneses mezeje szabad kifejlődésében oly nagy önindukciöt okoznak, hogy a mótor teljesítménytényezője igen rossz, és azonkívül még a kefék szikrázása is erősebb, mint az egyenáramú üzemben.
Ezerszámra találunk javaslatokat és szabadalmi igényeket főleg amióta ezt a mótortípust a villamos nagy vasutak vontatására is alkalmazzák a bajok elhárítására és sok évi kísérletezés eredménye az, hogy megfelelő kompenzáló tekercsekkel és segédpólusokkal felszerelt kollektoros mótoraink ma már a vasútüzem szempontjából is kielégítő módon oldják meg a nehéz feladatot.
Könnyen megérthetjük a feladat nehézségét, ha elgondoljuk, hogy az egyenáramú gépek szikrázását okozó jelenségeken kívül
a folyton változó mágnesség is vált ki önindukciós feszültségeket és azonkívül a mindenkor a kefék által rövidrezárt armatúra tekercsekben a változó mágnesség ú. n. rövidzárási áramokat kelt, amelyek úgy a gép felmelegedését, mint a kefék szikrázását fokozzák.
Ma már a vasúti mozdonyokon egy-két ezer lóerős ilyen mótorokat találunk forgalomban, igaz, hogy kedvükért a tápláló váltakozó áramú rezgésszámát az ú. n. periodusszámot a szabványos 50 periodusról annak egy harmadára: 16 2/3-ra szállították le.
Ez sok más kellemetlenséggel jár, mert mint tudjuk a 16 2/3 periodusú váltakozó áram nem alkalmas a világításra; ezért külön hálózat és külön központi telep kell a vasútak számára és külön a villamos energia többi alkalmazására.
A kommutátoros mótorok között találunk olyan kapcsolásúakat is, amelyeknél a forgórész keféi nincsenek az áramforrással összekötve, hanem csak egymás között rövidrezárva. Ezeknél az állványban elhelyezett tekercs transzformátor módjára indukál áramot a szekunder armatúratekercsekben és ennek segítségével hozza forgásba a mótort. Ez a repulziós mótor elve.
A kommutátoros mótorok legnagyobb része változó fordulatszámmal jár, akárcsak a főáramú egyenáramú mótorok, azért sok helyen nem használhatjuk őket.
Sokkal tökéletesebb megoldásai a váltakozó áramok mechanikai munkává való közvetlen átalakításának az ú. n. indukciós mótorok, amelyeknél csak a sztátor kap áramot, míg a rótor rövidre zárt tekercsekből áll, különösen a többfázisú indukciós motorok, amelyek a "forgó mágneses tér" sajátságait használják fel.
Eltekintve Aragó-nak a fizikai alapjelenségre vonatkozó első kísérleteitől (1824) és Baily (1879), Deprez (1880), Thomson Elihu (1884) még kiforratlan javaslataitól, a forgó mágneses tér gyakorlati kiaknázásának föltalálója az olasz Ferraris Galileo, turini tanár (1885).
A forgó mágneses tér jelensége a következő:
Helyezzünk el két elektromágnest egy kör átmérője körül részarányosan, ahogy a 294. rajzon látható; a tekercseket tápláljuk kétfázisú áramrendszernel, úgyhogy a szemben lévő tekercseket ugyanaz a fázis táplálja. Egy bizonyos pillanatban a vízszintes tekercsekben az áram tetőpontját éri, míg ugyanakkor a függőleges tekercsekben nincsen áram; baloldalt keletkezik egy déli sark, jobbról egy északi, a C középpontban tehát a térerősség pl. az egytollú "1" nyíllal ábrázolható. A legközelebbi időpontban a vízszintes tekercsek mágneses hatása gyöngül, de erősbödik a függőleges tekercseké; kétféle mágneses tér lép tehát fel, egy vízszintes és egy függőleges (a rajzon a kéttollú nyilak). E két térerősséget az erők összetevésének közismert szabályai szerint a "2" eredővé egyesíthetjük; a "2" nyíl ugyanakkora, mint az "1",
csak iránya más. Még valamivel későbben már a vízszintes tekercsekben nem lesz áram, de legnagyobb lesz az áram a függőleges tekercsekben, tehát a térerősséget az egytollú "3" nyíl ábrázolja s í. t.; észrevesszük, hogy az áram váltakozása közben a térerősség C-ben megtartja nagyságát, azonban irányát folytonosan változtatja, a térerősség forog a C pont körül, egy körülforgást végezve egy áramszakasz alatt. Ámde nemcsak a C pontbeli térerősségről mondhatjuk ezt; az egész erőtér, mely az "1" pillanatban közel vízszintes vonalrendszer, az összes erővonalak alakjának csekély változtatásával mindenestül forog a C tengely körül. Az így keletkező tér a forgó mágneses tér.
294. rajz. Forgó mágneses tér.
Egészen hasonlóan forgó mágneses tér keletkezik, ha nem két elektromágnest helyezünk részarányosan a C pont körül és az elektromágneseket háromfázisú rendszer áramaival tápláljuk.
295. rajzunk egy nagyobb háromfázisú motor álló részének tekercselését mutatja. Jól látható a hornyokba helyezett rudak csoportosítása a három fázisnak megfelelően. Könnyű elképzelni, hogyha az áram az 1, 2, 3, 1, 2, 3, 1, 2 stb. csoportokban egymásután éri el legnagyobb értékét, akkor az általa létesített mágneses erő mindig egy kevéssel tovább fog megjelenni, vagyis körül fog forogni a motorban.
Helyezzünk most mán a forgó mágneses térbe kis ellenállású
zárt tekercset, medynek síkja párhuzamos a mágneses tér forgástengelyével.
295. rajz. Nagyobb háromfázisú mótor tekercselése.
A tekercsben a forgó mágneses tér erővonalai elektromindító erőt fognak indukálni, éppen úgy, mintha a mágneses tér állana nyugodtan a térben és a tekercs forogna ellenkező irányban. A tekercs azonban önmagában zárt és kicsiny ellenállású, tehát erős indukált árarnok fognak benne keletkezni s ezen áramok elektrodinamikai hatást gyakorolnak az elektromágnesek áramára; a hatás eredője itt is állandóan egyirányú forgató erőt ád eredményül, mert az elektromágnesekben és a zárt tekercsben az áram iránya egyidőben változik meg. A zárt tekercsre tehát oly erő hat, mely a tekercs forgatására törekszik; a forgatás irányát is könnyen meghatározhatjuk. Ha a tekercs a mágneses tér forgásával ellenkező irányban forogna, az erővonalak még gyorsabban váltakoznának benne, az elektromindító erő és a forgató erő még megnövekednék, ez fokozná a forgás sebességét, a forgató erő még tovább nőne s í. t. a forgássebesség a végtelenig növekednék. Ez nem lehetséges, tehát a forgás a térrel egyirányban történik. Azt szokták mondani, hogy a mágneses tér magával ragadja a tekercseket.
Éppen úgy, ahogy a forgó mágneses tér magával ragadja a tekercset, forgatni fog egyetlen menetű vezetéket is, sőt üres fémhengert és korongot is. Üres, zártfödelű fémhengert alkalmazott Ferraris is legelső forgóteres mótorán, korongot pedig Bláthy az imént kifejtett elvek alapján készült elektromos energiaszámlálón.
296. rajz. Háromfázisú mótor forgó része. Ganz Vill. rt. gyárából.
Mótoroknál azonban kedvezőbb eredményt lehet elérni, ha a rótort Tesla szerint tekercsekből állítják össze, még pedig kétfázisú forgó térnél két, háromfázisúnál három tekercsből, amelyek síkjai az első esetben 90°, a másik esetben 6O°60°-os szögeket zárnak be egymással; a tekercsekre ható forgató erők mindig összeadódnak. A tekercseket úgy készítik, hogy vashengerbe rézrudakat ágyaznak, melyeket azután a henger alapjain vont drótokkal tekercsekké egyesítenek, csak úgy, mint a többfázisú áramfejlesztők armatúráját (296. rajz). A legújabb minta azonban már ismét közeledik a Ferraris-féle hengerhez: a vashenger palásfjába ágyazott rézrudakat két végükön egyszerűen egy-egy rézgyűrűvel rövidre zárják (297. rajz).
297. rajz. Westinghouse-féle háromfázisú mótor gyűrűkkel rövidre zárt forgó része.
Heinke "Handbuch der Elektrotechnik"-jéből.Az így összeállított mótor valóban csudálatosan egyszerű: sem áramvezető gyűrűk, sem kefék nem kellenek hozzá, a sztátor maga is vashengerbe ágyazott rézrudakból áll, melyeket végeiken tekerccsé egyesítenek, ebbe kell bevezetni a két- vagy háromfázisú áramot.
298. rajzunk egy sorozat ilyen egyszerű háromfázisú mótort mutat, amint azt a nagyobb gyárak ma készítik.
298. rajz. Háromfázisú mótorok.
Megindításnál a háromfázisú mótor igen nagy erőkifejtésre képes, akárcsak a főáramkörü mótor, azonban az a kiváló tulajdonsága is megvan, hogy még üresen sem szalad el, hiszen, amint a rótor sebessége növekszik, folyton lassúbb lesz az erővonalak váltakozása a rótorban, tehát csökken a forgató erő. Üres járásnál tehát legfeljebb ugyanoly gyorsan foroghat körül a rótor, mint a mágneses tér; ez esetben a rótor többé nem metsz erővonalakat, tehát a mótor nem is végez munkát, a sztátor összes energiafogyasztása a sztátor fölmelegítésére és a súrlódó erők legyőzésére szolgál. Ámde ha a mótort megterheljük, a forgás lassúbb lesz, a rótor már nem követi a forgó teret, az erővonalak váltakozása a rótorban gyorsul, a legyőzendő indukált elektromindító erő megnövekszik és a sztátor energiafogyasztása megnő.
Á rótor forgásszámának mindamellett soha sem szabad jelentékenyen elmaradni a tér forgásszáma mögött, mert hiszen akkor igen jelentékeny indukált áramok keletkeznek, amelyek melegítő hatása veszteségszámba megyen, a mótor működése tehát csak akkor gazdaságos, ha a rótor forgásbeli elmaradása a tér mögött aránylag csekély. Ámde az átlag használatos váltakozó áramok
rezgésszáma 4050, úgyhogy a rótornak 24003000 forgást kellene végezni percenkint, ami sokszor túlságos nagy sebesség; ezen úgy segítenek, hogy a két vagy három fázist a sztátor kerületén nem egyszer, hanem kétszer, háromszor, sőt többször osztják el, akkor a mágneses tér lassabban forog és a rótornak egy rezgésszakasz tartama alatt csak 1/2, 1/3 vagy még kisebb körülfordulást kell végeznie. Igy lehet kis forgásszám mellett a mótor gazdaságos működését biztosítani. A többfázisú mótorokat éppen úgy indító ellenállással hozzák forgásba, mint az egyenáramú gépeket.
A többfázisú mótor indítását kétféle módon végezhetjük.
Azokat a mótorokat, amelyeknek forgórésze egyszersmindenkorra rövidre van zárva, egyszerű háromsarkos kapcsolóval kötjük össze a hálózat három vezetékével.
A mótor az első pillanatban igen erős áramot vesz fel, mert a rövidre zárt forgórész rúdjaiban a gyorsan elsurranó mágneses mező igen erős áramokat gerjeszt, mely áramok a mágneses mező kialakulását gátolják (akárcsak a megterhelt transzformátorban is) és ezért az állórész tekercseiben is nagy áram kering.
Amint azonban a forgórész közelítőleg azzal a sebességgel forog körül, mint a forgó mágneses mező, ez a hatás elmarad és az áram lecsökken arra az értékére, amely a megterhelésnek megfelel.
A nagy indulási áramerősség miatt rövidre zárt forgórészes mótorokat csak néhány lóerős teljesítményig szoktak készíteni, a nagyobbaknál a forgórész tekercselésének végeit 3, a tengelytől elszigetelt fémgyűrűhöz kötik. Ezeken a fémgyűrűkön kefék súrlódnak és azok közvetítésével változtatható ellenállásokat kapcsolhatunk a rótor tekercselés körébe.
Az indításnak ez a második módozata abban áll, hogy amíg a mótor áll, addig nagy ellenállást kapcsolunk be és ha a mótor már forgásba jött, ezt az ellenállást fokozatosan lecsökkentjük zérus értékéig. Ezáltal elérhetjük azt, hogy a mótor közelítőleg állandó árammal jön forgásba.
Említettük már, hogy a rótor forgásbeli elmaradása a tér mögött aránylag csekély. Teljes terhelésnél kis mótoroknál ez a mótor fordulatszámának 35 százaléka, nagyobb mótoroknál pedig csak 23 százaléka szokott lenni.
A nagy kezdeti forgató erő, továbbá a forgásszámnak lassú növekedése a megterhelés csökkenésével, kapcsolatban a többfázisú aszinchrón mótor bámulatos szerkezeti egyszerűségével, biztosítják az elsőségét e gépnek mindenféle más mótor fölött. A többfázisú aszinchrón mótor, különösen pedig a háromfázisú áram kiváló részarányos sajátságai alapján a háromfázisú aszinchrón mótor a máig ismert legtökéletesebb mótor, mely a háromfázisú áramfejlesztővel és transzformátorral együt a mechánikai munka szállítását legtökéletesebben oldja meg.
299. rajz. Háromfázisú aszinchrón mótor; balról látjuk az inditó ellenállást, jobbról a kapcsolót és a szíjtárcsát. Ganz Vill. rt. gyárából.
Rajzainkon látjuk a modern technika ezen jellemző képviselőit. A 299. rajzon látunk egy háromfázisú mótort, előtte balról az indító ellenállást, jobbról a kapcsolót. A 300. rajzon látjuk, mily különböző méretekben gyártják e mótorokat.
300. rajz. Háromfázisú mótorok. Ganz Vill. rt. gyárából.
Az a körülmény, hogy a többfázisú gépekhez külön többfázisú áramfejlesztőkre van szükség, továbbá a kettőnél több vezeték szükséglete arra indította a kutatókat, hogy még más egyfázisú aszinchrón mótorok után kutassanak. Bár e megoldások egyike sem versenyezhet egyszerűség dolgában a többfázisú mótorokkal, egynéhányról röviden mégis megemlékezünk.
Megemlítjük elsősorban az egyfázisú aszinchrón mótort: ha többfázisú mótor rövidre zárt rótorát egyszerü váltakozó mágneses térbe (egyfázisú váltakozó árammal táplált elektromágnesek sarkai közé) helyezzük, nem fog forgásba jönni, ha azonban megindítjuk, mozgása mindinkább gyorsul és addig fokozódik, amíg egy áramszakasz alatt egy körülfordulást nem végez, sőt ily forgásszám mellett megterhelve még munkavégzésre is képes. A jelenség megértéséhez csak azt kell megjegyeznünk, hogy minden egyszerűen váltakozó mágneses tér mint két ellenkező irányba forgó tér eredője tekinthető, amiről egy kis szerkesztés útján bárki meggyőződhetik: hiszen az egyik forgó tér két egymásra merőleges7 90°-kal eltolt egyszerű váltakozás eredője, a vele ellenkező forgó tér egyik összetevője ugyanaz, másik összetevője pedig egy 90°-kal eltolt egyszerű váltakozás: a két forgó teret összetéve, a két +90° és 90°-kal eltolt összetevő egymást megsemmisíti, a megmaradó két összetevő azonban növeli egymást: így lesz két forgó térből egy egyszerűen váltakozó tér. Ha most a rótor nyugszik, a két ellenkező irányba forgó tér hatása egymást kölcsönösen lerontja, ha ellenben a rótor már forog, akkor az egyik térhez képest a késés már nagyobb, mint a másikhoz képest, tehát az egyik tér keltette indukcióhatás nagyobb a másik forgó tér indukcióhatásánál; a két hatás e különbsége okozza a forgást.
Bár a mótor működése nem nagyon gazdaságos, a szerkezet egyszerűsége végett szívesen gyártják az ilyen egyfázisú indukciós mótorokat, bár ezeknek is külön indító szerkezetre van szükségük, de mégsem kell a gépet szinchronizmusra beállítani, mint a szinchrónmotorokat, ami lényeges egyszerűsítés.
Egyik módja az indításnak az, hogy a gépet kezdetben két segédtekercs közvetítésével, mint kétfázisú mótort hozzák forgásba: e célból persze a segédtekercs áramát a főtekercséhez képest 90°-kal el kell tolni. Az eltolás történhetik pl. azáltal, hogy a tápláló áramot sűrítőn keresztül ágaztatjuk el a segédtekercshez; a sűrítő ugyanis 90° fáziseltolódást okoz.!!! A gyakorlatban természetesen nem használhatjuk a lemezes sűrítőket, mert igen drágák és nagyobb feszültség könnyen átüt rajtuk, e helyett egyes fémek ama sajátságát használjuk fel, hogy elektrolitba mártva felületükön gázréteget alkotnak és sűrítő gyanánt működnek: rendesen szódaoldatot használnak vaselektródokkal. A 301. rajzon egy indítószerkezet látható a Ganz Vill. rt. budapesti gyárából; ennél azonban önindukciós tekercs segítségével létesítik a fáziseltolódást.
301. rajz. Indítószerkezet egyfázisú aszinchrón mótorhoz. Ganz Vill. rt. gyárából.
302. rajz. Thomson Elihu repulziós mótora.
Magától meginduló egyfázisú aszinchrón mótor Thomson Elihu ú. n. repulziós mótora (1887): tulajdonképen egyenáramú dinámógép, melynél az elektromágnesek vasmagja lemezekből áll és melynél az armatúrát a keféken át rövidre zárják; a keféket Thomson szerint úgy helyezik el, hogy összekötő vonaluk 45°-ot alkosson a mágneses tér irányával (302. rajz). Az elektromág-
nesbe váltakozó áramot bocsátanak: a Gramme-gyűrűben váltakozó áramok keletkeznek, melyek a rövidre zárt keféken át kiegyenlítődnek. Egy bizonyos pillanatban a Gramme-gyűrű oly mágnessel egyenértékű, amelynek pl. déli sarka a fölső, az északi sarka pedig az alsó kefénél van, ugyanakkor a baloldali elektromágnessark pl. déli, a másik északi lesz: a sztátor tehát a gyűrűt az óramutató irányában fogja taszítani. Ha legközelebb megváltozik a tápláló áram iránya, akkor vele együtt megváltozik az indukált áram iránya is és a forgató erő iránya változatlan marad. A Gramme-gyűrű tehát egyirányú forgásba kezd; ámde a gyűrű forgása közben a kefék helyükön maradnak, tehát a gyűrű mindig oly mágnest képvisel, amely ferdén keresztben áll az elektromágnes sarkai között, tehát a forgató erő mindig megmarad. Ha a rótor egyszer már forog, akkor a keféket egyszerűen le is emelhetjük, mert ekkor az előbb ismertetett egyfázisú aszinchrón mótorral van dolgunk: forgó, rövidre zárt gyűrű, váltakozó árammal táplált elektromágnes sarkai között. A kefékre eszerint kezdetben csak azért volt szükség, hogy a gyűrű teljes részarányossá-
gát megszüntetve, a rótor megindulását lehetővé tegyük. Befejezésül még itt közöljük néhány közhasználatú, 100 kilowattot fogyasztó elektromótor átlagos súlyát. Oly mótorokat sorolunk fel, amelyeknek hatásfoka 9092%, amelyek tehát 100 kilowattal táplálva, 9092 kilowattot (= 122125 lóerőt) szolgáltatnak és ezt a munkát hosszú időn át egyhuzamban végzik:
egyfázisú szinchrón mótor
egyfázisú aszinchrón mótor
többfázisú szinchrón mótor
egyenáramú mótor
többfázisú aszinchrón mótor1700 kg
1530 "
1400 "
1100 "
1080 "Látható e kimutatásból, hogy az egyenáramú mótor és a többfázisú aszinchrón mótor mennyivel előnyösebbek súly tekintetében az egyéb mintáknál. Megjegyzendő, hogy megszakított üzem mellett kedvezőbb súlyviszonyokat is elérhetünk, pl. vasúti mótor 100 kilowattonkint alig nyom. 800 kg-ot, ámde a 100 kilowattos megterhelést csak fél vagy háromnegyed óráig bírja ki, különben nagyon fölmelegszik.
Megjegyezzük végre, hogy 1/16 lóerős mótor akkora, mint az öklöm: 1/4 lóerős szokott lenni a szellőztetőknek gyermekfejnagyságú mótora (303. rajz).
303. rajz. Elektromótorral hajtott szellőztető. Ganz Vill. rt. gyárából.
Ezeken kívül még egyéb mótorokat is gondoltak ki (reakciós mótor, hiszterézis mótor, hőmágneses mótor); ezek azonban bár tudományos szempontból igen érdekesek és tanulságosak máig semmiféle gyakorlati fontossággal nem bírnak és ezért nem is foglalkozunk velük tovább.