Змінний струм. Змінний електричний струм
Електромагнітні коливання, як і механічні, бувають двох типів: вільні та вимушені.
Вільні електромагнітні коливання, що завжди затухають. Тому практично вони майже використовуються. У той час, як вимушені коливання використовуються скрізь та повсюдно. Щодня ми з вами можемо спостерігати ці вагання.
Змінний електричний струм
Всі наші квартири освітлені за допомогою змінного струму. Змінний струм є не що інше, як вимушені електромагнітні коливання. Сила струму та напруга змінюватимуться з часом відповідно до гармонійного закону. Коливання, наприклад, напруги можна виявити, якщо подати напругу з розетки на осцилограф.
На екрані осцилографа з'явиться синусоїда. Можна визначити частоту змінного струму. Вона дорівнюватиме частоті електромагнітних коливань. Стандартна частота для промислового змінного струму прийнята 50 Гц. Тобто за 1 секунду напрямок струму в розетці змінюється 50 разів. У промислових мережах США використовують частоту 60 Гц.
Зміна напруги на кінцях ланцюга буде викликати зміну сили струму в ланцюгу коливального контуру. Слід все ж таки розуміти, що зміна електричного поляу всьому ланцюзі не відбувається миттєво.
Але так як цей час значно менше, ніж період коливання напруги на кінцях ланцюга, то зазвичай вважають, що електричне полев ланцюзі відразу змінюється як змінюється напруга кінцях ланцюга.
Змінна напруга у розетці створюється генераторами на електростанціях. Найпростішим генератором можна розглядати дротяну рамку, що обертається в однорідному магнітному полі.
Магнітний потік, що пронизує контур, постійно змінюватиметься і буде пропорційний косинусу кута між вектором магнітної індукції та нормаллю до рамки. Якщо рамка обертається рівномірно, то кут буде пропорційним часу.
Отже, магнітний потік змінюватиметься за гармонійним законом:
Ф = B * S * cos (ω * t)
Швидкість зміни магнітного потоку, взята зі зворотним знаком, згідно із законом ЕМІ, дорівнюватиме ЕРС індукції.
Ei = -Ф '= Em * sin (ω * t).
Якщо до рамки підключити коливальний контур, то кутова швидкість обертання рамки визначить частоти коливань напруги на різних ділянках ланцюга і сили струму. Надалі ми розглядатимемо лише вимушені електромагнітні коливання.
Вони описуються такими формулами:
u = Um * sin (ω * t),
u = Um * cos (ω * t)
Тут Um – амплітуда коливань вбрання. Напруга і сила струму змінюються з однаковою частою? Але коливання напруги не завжди збігатимуться з коливаннями сили струму, тому краще використовувати більш загальну формулу:
I = Im*sin(ω*t +φ), де Im - амплітуда коливань сили струму, а φ – зсув фаз між коливаннями сили струму та напруги.
Змінний струм— це у широкому розумінні електричний струм, що змінюється у часі. Найчастіше ця зміна відбувається за синусоїдальним законом I = I 0 sin( ω t +φ). Саме такий струм генерують промислові джерела струму.
У різних перерізах лінійного провідника сила струму однакова, але в часі вона змінюється за періодичному закону. Кожне значення сили струму повторюється через проміжок часу T = 2π/ ω, який називається період-будинок, а величина ω — кутова частота. Стабільність частоти є важливою якістю змінного струму. Аргумент у синуса - величина ω t + φ - називається фазою(Корисно абстрагуватися від геометричного сенсу синусу і не сприймати аргумент у синуса як деякий кут).
При постійному струмі електрони рухаються в тонкому проводнику подібно до води в трубі, але при змінному струмікожен з них здійснює коливальний рух вздовж провідника як гармонійний осцилятор.Амплітуда цих коливань дуже мала, і в межах окремого проводника всі електрони коливаються у фазі, тобто синхронно. Якщо до джерела з напругою Uприєднаний ланцюг, що включає конденсатор, то (наслідок-ство закону Ома)
U =IR + (q /C) -ε.
Тут перше доданок у правій частині - падіння напруги на опір, друге - на конденсаторі ( q- заряд конденсатора), третє - ЕРС сторонніх сил, що діють на ділянці, що розглядається. Потужність,що виділяється в цьому ланцюгу, визначається рівністю
N =UI.
Це робота,яку здійснює джерело за одиницю часу.
Якщо U— змінна напруга, U =U 0 sin ω t,а ε - ЕРС самоіндукції, ε = - L(ΔI /Δt),по ланцюгу тече змінний струм: I =I 0- sin (ω t + φ), причому
I 0 = U 0 /√ (R 2 + (Lω — 1 / ω C) 2),
tgφ = (1 / ω C -ω L)/R.
За відсутності конденсатора слід покласти 1 / C = 0. З формули з урахуванням формули знайдемо:
N = UI = U 0 sin ω t × I 0 sin (ω t +φ ) = U 0 I 0 ( sin 2 ω t × cos φ + sin ω t cos ω t sin φ ).
Це значення потужності на момент часу t.Середнє за період значення потужності дорівнює:
(Середнє період значення квадрата синуса дорівнює ½, а добуток синуса на косинус — нулю.) Величины U eff =U 0 /√2, I eff = I 0 /√2 називаються ефективними значенняминапруги та сили змінного струму. Саме ці величини маються на увазі, коли говорять про силу і напругу змінного струму. Матеріал із сайту
Нехай є ящик з невідомою начинкою. У точціA в ящик входить провідник з силою струму I, в точціBвиходить провідник з такою ж силою струму. Вольтметр показує напругуU effміж точкамиAіB.Формула визначає потужність, що виділяється в ящику. Якщо ця потужність позитивна (cosφ > 0), то або в ящику виділяється теп-лота, або прихований електро-мотор, що здійснює відповідну роботу, або те й інше разом. Якщоcosφ < 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.)
За відсутності навантаження струм у первинній обмотці трансформаторавизначається формулами , з урахуванням того, що 1 /C = 0, а споживана потужність - формулою. Різниця фазφ близька до -π/2, і споживана потужність мала. При підключенні навантаження у вторинній обмотці з'являється струм, який індукує додатковий струм у первинній. Різність фаз змінюється, і споживана потужність збільшується.
На цій сторінці матеріал за темами:
Нижче на лівій схемі показано включення двох діодів у ланцюг змінного струму. При цьому верхні частини синусоїди проходять через верхній діод (у напрямку його стрілочки), а нижні частини синусоїди не проходять через нижній діод (проти його стрілочки). Таким чином виходить пульсуючий односпрямований струм, І рівно половина вихідної потужності не потрапляє до споживача, тому що утворюються «рівнини» з нульовим значенням сили струму. Для тих, хто особливо цікавиться фізикою, зауважимо, що такий самий результат буде, якщо залишити тільки один діод, причому будь-який.
На правій схемі показано включення чотирьох діодів за так званою бруківці. Вона більш виграшна проти попередньої: діоди попарно пропускають як верхні, і нижні частини синусоїди відповідно до клем «+» і «–». В результаті з вихідного змінного струму, на графіку якого можна умовно виділити «пагорби і яри», на графіку однонаправленого струму, що виходить, утворюються «не пагорби і рівнини», а «подвоєні пагорби». Це означає, що тепер споживачу потрапляє вся потужність вихідного струму.
І насамкінець розглянемо, як до непостійного струму можна застосувати закон Джоуля-Ленца Q=I²Rt, що описує теплову дію струму Як бути, якщо сила струму постійно змінюється? Потрібно її замінити на умовно-постійну силу струму, яка справляє таку ж теплову дію. Таке умовно-постійне значення сили струму у фізиці називають еквівалентним(ефективним, чинним) значенням сили не постійного струму.
Визначення: еквівалентне значення непостійного струмудорівнює значенню такого постійного струму, який, проходячи через той самий опір, виділяє в ньому ту саму кількість теплоти за той же час.Саме еквівалентне значення струму показують нам усі амперметри. Аналогічно і по відношенню до напруги та вольтметрів. Отже, визначити еквівалентні значення непостійних струмів дозволяють калориметричні виміри(Див. § 06-в).
- Напівпровідниковий діод – електричний прилад, ...
- На лівих половинах обох схем...
- При подачі синусоїдального струму на «вхід» ланцюга із двома діодами на лівій схемі відбувається наступне: ...
- Діоди, що відокремлюють ланцюг з синусоїдальним струмомвід правої частини ланцюга, в результаті призводять до того, що...
- Попарне пропускання обох частин синусоїди реалізується в...
- Використання саме чотирьох діодів у результаті призводить до того, що...
- До змінним струмамтеж можна застосувати...
- Для застосування закону Джоуля-Ленца у разі непостійної сили струму необхідно...
- Умовно-постійне значення струму, що призводить до такої ж теплової дії, називають...
- Запам'ятаємо: еквівалентне значення непостійного струму – таке значення.
- Експериментально порівняти еквівалентні значення двох будь-яких струмів.