Переменный ток. Переменный электрический ток
Электромагнитные колебания, как и механические, бывают двух типов: свободные и вынужденные.
Свободные электромагнитные колебания, всегда колебания затухающие. Поэтому на практике они почти не используются. В то время, как вынужденные колебания используются везде и повсеместно. Ежедневно мы с вами можем наблюдать эти колебания.
Переменный электрический ток
Все наши квартиры освещены с помощью переменного тока. Переменный ток есть не что иное, как вынужденные электромагнитные колебания. Сила тока и напряжение будут меняться с течением времени согласно гармоническому закону. Колебания, например, напряжения можно обнаружить, если подать напряжение из розетки, на осциллограф.
На экране осциллографа появится синусоида. Можно вычислить частоту переменного тока. Она будет равняться частоте электромагнитных колебаний. Стандартная частота для промышленного переменного тока принята равной 50 Гц. То есть за 1 секунду направление тока в розетке меняется 50 раз. В промышленных сетях США используется частота 60 Гц.
Изменение напряжения на концах цепи будет вызывать за собой изменение силы тока в цепи колебательного контура. Следует всё же понимать, что изменение электрического поля во всей цепи не происходит мгновенно.
Но так как это время, значительно меньше, чем период колебания напряжения на концах цепи, то обычно считают, что электрическое поле в цепи сразу же меняется как меняется напряжение на концах цепи.
Переменное напряжение в розетке создается генераторами на электростанциях. Простейшим генератором можно рассматривать проволочную рамку, которая вращается в однородном магнитном поле.
Магнитный поток, пронизывающий контур, будет постоянно меняться и будет пропорционален косинусу угла между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке. Если рамка вращается равномерно, то угол будет пропорционален времени.
Следовательно, магнитный поток будет изменяться по гармоническому закону:
Ф = B*S*cos(ω*t)
Скорость изменения магнитного потока, взятая с обратным знаком, согласно закону ЭМИ, будет равняться ЭДС индукции.
Ei = -Ф’ = Em*sin(ω*t).
Если к рамке подключить колебательный контур, то угловая скорость вращения рамки определит частот колебаний напряжения на различных участках цепи и силы тока. В дальнейшем мы будем рассматривать только вынужденные электромагнитные колебания.
Они описываются следующими формулами:
u = Um*sin(ω*t),
u = Um*cos(ω*t)
Здесь Um – амплитуда колебаний наряжения. Напряжение и сила тока меняются с одинаковой частой ω. Но колебания напряжения не всегда будут совпадать с колебаниями силы тока, поэтому лучше использовать более общую формулу:
I = Im*sin(ω*t +φ), где Im - амплитуда колебаний силы тока, а φ – сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения.
Переменный ток — это в широком смысле электрический ток, изменяющийся во времени. Чаще всего это измене-ние происходит по синусоидальному закону I = I 0 sin(ω t + φ). Именно такой ток генерируют промышленные источ-ники тока.
В разных сечениях линейного проводника сила тока одинакова, но во времени она меняется по периодическому закону. Каждое значение силы тока повторяется через про-межуток времени T = 2 π/ ω, который называется перио-дом , а величина ω — угловая частота . Стабильность час-тоты является важным качеством переменного тока. Аргумент у синуса — величина ω t + φ — называется фазой (полезно абстрагироваться от геометрического смысла си-нуса и не воспринимать аргумент у синуса как некоторый угол).
При постоянном токе электроны движутся в тонком про-воднике подобно воде в трубе, но при переменном токе ка-ждый из них совершает колебательное движение вдоль проводника как гармонический осциллятор. Амплитуда этих колебаний весьма мала, и в пределах отдельного про-водника все электроны колеблются в фазе, т. е. синхронно. Если к источнику с напряжением U присоединена цепь, включающая конденсатор, то (след-ствие закона Ома )
U = IR + (q / C) — ε.
Здесь первое слагаемое в правой час-ти — падение напряжения на сопро-тивлении, второе — на конденсаторе (q — заряд конденсатора), третье — ЭДС сторонних сил, действующих на рассматриваемом участке. Мощность, выделяемая в этой цепи, определяется равенством
N = UI.
Это работа, которую совершает источник за единицу вре-мени.
Если U — переменное напряжение, U = U 0 sin ω t, а ε — ЭДС самоиндукции, ε = - L(ΔI / Δt), по цепи течет переменный ток: I = I 0- sin(ω t + φ), причем
I 0 = U 0 / √ (R 2 + (L ω — 1 / ω C) 2),
tg φ = (1 / ω C — ω L) / R.
При отсутствии конденсатора следует положить 1 / C = 0 . Из формулы с учетом формулы найдем:
N = UI = U 0 sinω t × I 0 sin(ω t + φ ) = U 0 I 0 ( sin 2 ω t × cosφ + sinω t cosω t sinφ ).
Это значение мощности в момент времени t. Среднее за пе-риод значение мощности равно:
(Среднее за период значение квадрата синуса равно ½, а произведение синуса на косинус — нулю.) Величины U eff = U 0 / √2, I eff = I 0 / √2 называются эффективными зна-чениями напряжения и силы переменного тока. Именно эти величины имеются в виду, когда говорят о силе и напря-жении переменного тока. Материал с сайта
Пусть имеется ящик с не-известной начинкой. В точ-ке A в ящик входит про-водник с силой тока I, в точке B выходит провод-ник с такой же силой тока. Вольтметр показывает на-пряжение U eff между точ-ками A и B. Формула определяет мощность, вы-деляемую в ящике. Если эта мощность положи-тельна (cos φ > 0), то либо в ящике выделяется теп-лота, либо скрыт электро-мотор, совершающий со-ответствующую работу, либо то и другое вместе. Если cos φ < 0, то в ящике скрыт генератор тока. Ес-ли мощность близка к ну-лю, а ток не равен нулю, в ящике находится конден-сатор или катушка с большой индуктивностью. (Выделяемая мощность положительна, если в дан-ный момент ток течет в сторону меньшего потен-циала.)
При отсутствии нагрузки ток в первичной обмотке трансформатора опреде-ляется формулами , с учетом того, что 1 / C = 0, а потребляемая мощ-ность — формулой . Разность фаз φ близка к — π / 2, и потребляемая мощность мала. При под-ключении нагрузки во вторичной обмотке появ-ляется ток, который инду-цирует дополнительный ток в первичной. Раз-ность фаз меняется, и потребляемая мощность увеличивается.
На этой странице материал по темам:
Ниже на левой схеме показано включение двух диодов в цепь переменного тока. При этом верхние части синусоиды проходят через верхний диод (по направлению его «стрелочки»), а нижние части синусоиды не проходят через нижний диод (против его «стрелочки»). Таким образом получается пульсирующий однонаправленный ток , и ровно половина исходной мощности не попадает к потребителю, так как образуются «равнины» с нулевым значением силы тока. Для особо интересующихся физикой заметим, что точно такой же результат будет, если оставить только один диод, причём, любой.
На правой схеме показано включение четырёх диодов по так называемой мостовой схеме . Она более выигрышна по сравнению с предыдущей: диоды попарно пропускают как верхние, так и нижние части синусоиды соответственно к клеммам «+» и «–». В результате из исходного переменного тока, на графике кторого можно условно выделить «холмы и овраги», на графике получающегося однонаправленного тока образуются «не холмы и равнины», а «удвоенные холмы». Это означает, что теперь к потребителю попадает вся мощность исходного тока.
И в заключение рассмотрим, как к непостоянному току можно применить закон Джоуля-Ленца Q=I²Rt , описывающий тепловое действие тока. Как быть, если сила тока постоянно меняется? Нужно её заменить на условно-постоянную силу тока, которая производит такое же тепловое действие. Такое условно-постоянное значение силы тока в физике называют эквивалентным (эффективным, действующим) значением силы непостоянного тока.
Определение: эквивалентное значение непостоянного тока равно значению такого постоянного тока, который, проходя через то же сопротивление, выделяет в нём то же количество теплоты за то же время. Именно эквивалентное значение тока показывают нам все амперметры. Аналогично и по отношению к напряжению и вольтметрам. Итак, определить эквивалентные значения непостоянных токов позволяют калориметрические измерения (см. § 06-в).
- Полупроводниковый диод – электрический прибор, ...
- На левых половинах обеих схем присутствует...
- При подаче синусоидального тока на «вход» цепи с двумя диодами на левой схеме происходит следующее: ...
- Диоды, отделяющие цепь с синусоидальным током от правой части цепи, в итоге приводят к тому, что...
- Попарное пропускание обеих частей синусоиды реализуется в...
- Использование именно четырёх диодов в итоге приводит к тому, что...
- К переменным токам тоже можно применить...
- Для применения закона Джоуля-Ленца в случае непостоянной силы тока необходимо...
- Условно-постоянное значение тока, приводящее к такому же тепловому действию, называют...
- Запомним: эквивалентное значение непостоянного тока – такое значение...
- Экспериментально сравнить эквивалентные значения двух любых токов...