Переменный ток обозначение: Обозначение переменного и постоянного тока

Содержание

Переменный ток. Его характеристики — Студопедия

Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц. Количественными характеристиками тока являются его сила тока (отношение заряда переносимого через поперечное сечение проводника в единицу времени) и его плотность, определяемая соотношением. Единицей измерения силы тока является ампер (1А — характерное значение тока, потребляемого бытовыми электронагревательными приборами). Необходимыми условиями существования тока являются наличие свободных носителей зарядов, замкнутой цепи и источника ЭДС (батареи), поддерживающего направленное движение.

Электрический ток может существовать в различных средах: в металлах, вакууме, газах, в растворах и расплавах электролитов, в плазме, в полупроводниках, в тканях живых организмов. При протекании тока практически всегда происходит взаимодействие носителей зарядов с окружающей средой, сопровождающееся передачей энергии последней в виде тепла. Роль источника ЭДС как раз и состоит в компенсации тепловых потерь в цепях.

Электрический ток в металлах обусловлен движением относительно свободных электронов через кристаллическую решетку. Причины существования свободных электронов в проводящих кристаллах может быть объяснена только на языке квантовой механики.

Опыт показывает, что сила электрического тока, протекающего по проводнику, пропорциональна приложенной к его концам разности потенциалов (закон Ома). Постоянный для выбранного проводника коэффициент пропорциональности между током и напряжением называют электрическим сопротивлением. Сопротивление измеряют в омах (сопротивление человеческого тела составляет около 1000 Ом). Величина электрического сопротивления проводников слабо возрастает при увеличении их температуры. Это связано с тем, что при нагревании узлы кристаллической решетки усиливают хаотические тепловые колебания, что препятствует направленному движению электронов.

Во многих задачах непосредственный учет колебаний решетки оказывается весьма трудоемким. Для упрощения взаимодействия электронов с колеблющимися узлами оказывается удобным заменить их столкновениями с частицами газа гипотетических частиц — фононов, свойства которых подбираются так, чтобы получить максимально приближенное к реальности описание и могут оказываться весьма экзотическими.

Объекты такого типа весьма популярны в физике и называются квазичастицами. Помимо взаимодействий с колебаниями кристаллической решетки движению электронов в кристалле могут препятствовать дислокации — нарушения регулярности решетки. Взаимодействия с дислокациями играют определяющую роль при низких температурах, когда тепловые колебания практически отсутствуют.

Некоторые материалы при низких температурах полностью утрачивают электрическое сопротивление, переходя в сверх проводящее состояние. Ток в таких средах может существовать без каких-либо ЭДС, поскольку потери энергии при столкновениях электронов с фононами и дислокациями отсутствуют. Создание материалов, сохраняющих сверхповодящее состояние при относительно высоких (комнатных) температурах и небольших токах является весьма важной задачей, решение которой произвело бы настоящий переворот в современной энергетике, т.к. позволило бы передавать электроэнергию на большие расстояния без тепловых потерь.

В настоящее время электрический ток в металлах используется главным образом для превращения электрической энергии в тепловую (нагреватели, источники света) или в механическую (электродвигатели). В последнем случае электрический ток используется в качестве источника магнитных полей, взаимодействие с которыми других токов вызывает появление сил.

1. Переменный ток

Как известно, сила тока в любой момент времени пропорциональна ЭДС источника тока (закон Ома для полной цепи). Если ЭДС источника не изменяется со временем и остаются неизменными параметры цепи, то через некоторое время после замыкания цепи изменения силы тока прекращаются, в цепи течет постоянный ток.

Однако в современной технике широко применяются не только источники постоянного тока, но и различные генераторы электрического тока, в которых ЭДС периодически изменяется. При подключении в электрическую цепь генератора переменной ЭДС в цепи возникают вынужденные электромагнитные колебания или переменный ток.

Переменный ток – это периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника.

Переменный ток – это электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону.

Мы в дальнейшем будем изучать вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, гармонически меняющегося с частотой щ по синусоидальному или косинусоидальному закону:

где u – мгновенное значение напряжения, Um – амплитуда напряжения, щ – циклическая частота колебаний. Если напряжение меняется с частотой щ, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой, но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения.

Поэтому в общем случае:

где – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения.

Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.

2. Резистор в цепи переменного тока

Пусть цепь состоит из проводников с малой индуктивностью и большим сопротивлением R (из резисторов). Например, такой цепью может быть нить накаливания электрической лампы и подводящие провода. Величину R, которую мы до сих пор называли электрическим сопротивлением или просто сопротивлением, теперь будем называть активным сопротивлением. В цепи переменного тока могут быть и другие сопротивления, зависящие от индуктивности цепи и ее емкости. Сопротивление R называется активным потому, что, только на нем выделяется энергия, т.е.

Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным сопротивлением.

Итак, в цепи имеется резистор, активное сопротивление которого R, а катушка индуктивности и конденсатор отсутствуют (рис. 1).

Пусть напряжение на концах цепи меняется по гармоническому закону:

Как и в случае постоянного тока, мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения. Поэтому можно считать, что мгновенное значение силы тока определяется законом Ома:

Следовательно, в проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения (рис. 2), а амплитуда силы тока равна амплитуде напряжения, деленной на сопротивление:

При небольших значениях частоты переменного тока активное сопротивление проводника не зависит от частоты и практически совпадает с его электрическим сопротивлением в цепи постоянного тока.

1.1 Катушка в цепи переменного тока

Индуктивность влияет на силу переменного тока в цепи. Это можно обнаружить с помощью простого опыта. Составим цепь из катушки большой индуктивности и лампы накаливания (рис. 3). С помощью переключателя можно присоединять эту цепь либо к источнику постоянного напряжения, либо к источнику переменного напряжения. При этом постоянное напряжение и действующее значение переменного напряжения должны быть одинаковы. Опыт показывает, что лампа светится ярче при постоянном напряжении.

Следовательно, действующее значение силы тока в рассматриваемой цепи меньше силы постоянного тока.

Объясняется это самоиндукцией. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при нарастании силы тока вихревое электрическое поле тормозит движение электронов. Лишь по прошествии некоторого времени сила тока достигает наибольшего (установившегося) значения, соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет успевать достигать тех установившихся значений, которые она приобрела бы с течением времени при постоянном напряжении, равном максимальному значению переменного напряжения. Следовательно, максимальное значение силы переменного тока (его амплитуда) ограничивается индуктивностью L цепи и будет тем меньше, чем больше индуктивность и чем больше частота приложенного напряжения.

Докажем это математически. Пусть в цепь переменного тока включена идеальная катушка с электрическим сопротивлением провода, равным нулю (рис. 4).

При изменениях силы тока по гармоническому закону:

в катушке возникает ЭДС самоиндукции:

где L – индуктивность катушки, щ – циклическая частота переменного тока.

Так как электрическое сопротивление катушки равно нулю, то ЭДС самоиндукции в ней в любой момент времени равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки, созданному внешним генератором:

Следовательно, колебания напряжения на катушке индуктивности опережают колебания силы тока на р/2, или, что то же самое, колебания силы тока отстают по фазе от колебаний напряжения на р/2.

В момент, когда напряжение на катушке достигает максимума, сила тока равна нулю (рис. 5). В момент, когда напряжение становится равным нулю, сила тока максимальна по модулю.

Произведение I_m⋅ L ⋅ щ является амплитудой колебаний напряжения на катушке:

Отношение амплитуды колебаний напряжения на катушке к амплитуде колебаний силы тока в ней называется индуктивным сопротивлением (обозначается X_L):

Связь амплитуды колебаний напряжения на концах катушки с амплитудой колебаний силы тока в ней совпадает по форме с выражением закона Ома для участка цепи постоянного тока:

В отличие от электрического сопротивления проводника в цепи постоянного тока, индуктивное сопротивление не является постоянной величиной, характеризующей данную катушку. Оно прямо пропорционально частоте переменного тока. Поэтому амплитуда колебаний силы тока в катушке при постоянном значении амплитуды колебаний напряжения должна убывать обратно пропорционально частоте. Постоянный ток вообще «не замечает» индуктивности катушки. При щ = 0 индуктивное сопротивление равно нулю (XL = 0).

Зависимость амплитуды колебаний силы тока в катушке от частоты приложенного напряжения можно наблюдать в опыте с генератором переменного напряжения, частоту которого можно изменять. Опыт показывает, что увеличение в два раза частоты переменного напряжения приводит к уменьшению в два раза амплитуды колебаний силы тока через катушку.

1.2 Конденсатор в цепи переменного тока

Рассмотрим процессы, протекающие в электрической цепи переменного тока с конденсатором. Если подключить конденсатор к источнику постоянного тока, то в цепи возникнет кратковременный импульс тока, который зарядит конденсатор до напряжения источника, а затем ток прекратится. Если заряженный конденсатор отключить от источника постоянного тока и соединить его обкладки с выводами лампы накаливания, то конденсатор будет разряжаться, при этом наблюдается кратковременная вспышка лампы.

При включении конденсатора в цепь переменного тока процесс его зарядки длится четверть периода. После достижения амплитудного значения напряжение между обкладками конденсатора уменьшается и конденсатор в течение четверти периода разряжается. В следующую четверть периода конденсатор вновь заряжается, но полярность напряжения на его обкладках изменяется на противоположную и т.д. Процессы зарядки и разрядки конденсатора чередуются с периодом, равным периоду колебаний приложенного переменного напряжения.

Как и в цепи постоянного тока, через диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора, электрические заряды не проходят. Но в результате периодически повторяющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора по проводам, соединенным с его выводами, течет переменный ток. Лампа накаливания, включенная последовательно с конденсатором в цепь переменного тока (рис. 6), кажется горящей непрерывно, так как человеческий глаз при высокой частоте колебаний силы тока не замечает периодического ослабления свечения нити лампы.

Установим связь между амплитудой колебаний напряжения на обкладках конденсатора и амплитудой колебаний силы тока.

При изменениях напряжения на обкладках конденсатора по гармоническому закону:

заряд на его обкладках изменяется по закону:

Электрический ток в цепи возникает в результате изменения заряда конденсатора: i = q’. Поэтому колебания силы тока в цепи происходят по закону:

Следовательно, колебания напряжения на обкладках конденсатора в цепи переменного тока отстают по фазе от колебаний силы тока на р/2 или колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на р/2 (рис. 7). Это означает, что в момент, когда конденсатор начинает заряжаться, сила тока максимальна, а напряжение равно нулю. После того как напряжение достигает максимума, сила тока становится равной нулю и т.д.

Произведение U_m⋅ щ ⋅ C является амплитудой колебаний силы тока:

Отношение амплитуды колебаний напряжения на конденсаторе к амплитуде колебаний силы тока называют емкостным сопротивлением конденсатора (обозначается Х_C):

Связь между амплитудным значением силы тока и амплитудным значением напряжения по форме совпадает с выражением закона Ома для участка цепи постоянного тока, в котором вместо электрического сопротивления фигурирует емкостное сопротивление конденсатора:

Емкостное сопротивление конденсатора, как и индуктивное сопротивление катушки, не является постоянной величиной. Оно обратно пропорционально частоте переменного тока. Поэтому амплитуда колебаний силы тока в цепи конденсатора при постоянной амплитуде колебаний напряжения на конденсаторе возрастает прямо пропорционально частоте.

1.3 Закон Ома для электрической цепи переменного тока

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора, конденсатора и катушки (рис. 8). Если к выводам этой электрической цепи приложить электрическое напряжение, изменяющееся по гармоническому закону с частотой щ и амплитудой Um, то в цепи возникнут вынужденные колебания силы тока с той же частотой и некоторой амплитудой Im. Установим связь между амплитудами колебаний силы тока и напряжения

В любой момент времени сумма мгновенных значений напряжений на последовательно включенных элементах цепи равна мгновенному значению приложенного напряжения:

Во всех последовательно включенных элементах цепи изменения силы тока происходят практически одновременно, так как электромагнитные взаимодействия распространяются со скоростью света. Поэтому можно считать, что колебания силы тока во всех элементах последовательной цепи происходят по закону:

Колебания напряжения на резисторе совпадают по фазе с колебаниями силы тока, колебания напряжения на конденсаторе отстают по фазе на р/2 от колебаний силы тока, а колебания напряжения на катушке опережают по фазе колебания силы тока на р/2.

Поэтому уравнение (1) можно записать так:

где U_Rm, U_Cm и U_Lm– амплитуды колебаний напряжения на резисторе, конденсаторе и катушке.

Амплитуду колебаний напряжения в цепи переменного тока можно выразить через амплитудные значения напряжения на отдельных ее элементах, воспользовавшись методом векторных диаграмм.

При построении векторной диаграммы необходимо учитывать, что колебания напряжения на резисторе совпадают по фазе с колебаниями силы тока, поэтому вектор, изображающий амплитуду напряжения U_Rm_,совпадает по направлению с вектором, изображающим амплитуду силы тока I_m Колебания напряжения на конденсаторе отстают по фазе на р/2 от колебаний силы тока, поэтому вектор

U_Cm отстает от вектора I_m на угол 90°. Колебания напряжения на катушке опережают колебания силы тока по фазе на р/2, поэтому вектор U_Lm опережает вектор I_m на угол 90° (рис. 9).

На векторной диаграмме мгновенные значения напряжения на резисторе, конденсаторе и катушке определяются проекциями на горизонтальную ось векторов _Rm_,_Cm_,_Lm вращающихся с одинаковой угловой скоростью щ против часовой стрелки. Мгновенное значение напряжения во всей цепи равно сумме мгновенных напряжений u_R, u_C_{, и}u_L на отдельных элементах цепи, т.е. сумме проекций векторов U_Rm, U_Cm и U_Lm на горизонтальную ось. Так как сумма проекций векторов на произвольную ось равна проекции суммы этих векторов на ту же ось, то амплитуду полного напряжения можно найти как модуль суммы векторов:

Из рисунка 9 видно, что амплитуда напряжений на всей цепи равна:

Или

Отсюда

Введя обозначение для полного сопротивления цепи переменного тока:

выразим связь между амплитудными значениями силы тока и напряжения в цепи переменного тока следующим образом:

Это выражение называют законом Ома для цепи переменного тока.

Из векторной диаграммы, приведенной на рисунке 9, видно, что фаза колебаний полного напряжения равна щt + ц. Поэтому мгновенное значение полного напряжения определяется формулой:

Начальную фазу ц можно найти из векторной диаграммы:

Величина cos ц играет важную роль при вычислении мощности в электрической цепи переменного тока.

1.4 Мощность в цепи переменного тока

Мощность в цепи постоянного тока определяется произведением напряжения на силу тока:

Физический смысл этой формулы прост: так как напряжение U численно равно работе электрического поля по перемещению единичного заряда, то произведение U?I характеризует работу по перемещению заряда за единицу времени, протекающего через поперечное сечение проводника, т.е. является мощностью. Мощность электрического тока на данном участке цепи положительна, если энергия поступает к этому участку из остальной сети, и отрицательна, если энергия с этого участка возвращается в сеть. На протяжении очень малого интервала времени переменный ток можно считать неизменным.

Поэтому мгновенная мощность в цепи переменного тока определяется такой же формулой:

Пусть напряжение на концах цепи меняется по гармоническому закону:

При этом мощность меняется со временем как по модулю, так и по знаку. В течение одной части периода энергия поступает к данному участку цепи (р > 0), но в течение другой части периода некоторая доля энергии вновь возвращается в сеть (р < 0). Как правило, во всех случаях нам надо знать среднюю мощность на участке цепи за достаточно большой промежуток времени, включающий много периодов. Для этого достаточно определить среднюю мощность за один период.

Чтобы найти среднюю мощность за период, преобразуем полученную формулу таким образом, чтобы выделить в ней член, не зависящий от времени. С этой целью воспользуемся известной формулой для произведения двух косинусов:

Выражение для мгновенное мощности состоит из двух слагаемых. Первое не зависит от времени, а второе дважды за каждый период изменения напряжения изменяет знак: в течение какой-то части периода энергия поступает в цепь от источника переменного напряжения, а в течении другой части возвращается обратно. Поэтому среднее значение второго слагаемого за период равно нулю.

Следовательно, средняя мощность Р за период равна первому члену, не зависящему от времени:

При совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения (для активного сопротивления R) среднее значение мощности равно:

Для того чтобы формула для расчета мощности переменного тока совпадала по форме с аналогичной формулой для постоянного тока (Р = IU = I²R), вводятся понятия действующих значений силы тока и напряжения. Из равенства мощностей получим:

Действующим значением силы тока называют величину, в √2 раз меньшую ее амплитудного значения:

Действующее значение силы тока равно силе такого постоянного тока, при котором средняя мощность, выделяющаяся в проводнике в цепи переменного тока, равна мощности, выделяющейся в том же проводнике в цепи постоянного тока.

Аналогично можно доказать, что действующее значение переменного напряжения в √2 раз меньше его амплитудного значения:

Заметим, что обычно электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает действующие значения измеряемых величин. Переходя к действующим значениям силы тока и напряжения, уравнение (10) можно переписать:

Таким образом, мощность переменного тока на участке цепи определяется именно действующими значениями силы тока и напряжения. Она зависит также от сдвига фаз цc между напряжением и током. Множитель cos цc в формуле называется коэффициентом мощности.

В случае, когда цc = ± р/2, энергия, поступающая к участку цепи за период, равна нулю, хотя в цепи и существует ток. Так будет, в частности, если цепь содержит только катушку индуктивности или только конденсатор. Как же средняя мощность может оказаться равной нулю при наличии тока в цепи? Это поясняют приведенные на рисунке 10 графики изменения со временем мгновенных значений напряжения, силы тока и мощности при цc = – р/2 (чисто индуктивное сопротивление участка цепи).

График зависимости мгновенной мощности от времени можно получить, перемножая значения силы тока и напряжения в каждый момент времени. Из этого графика видно, что в течение одной четверти периода мощность положительна и энергия поступает к данному участку цепи; но в течение следующей четверти периода мощность отрицательна, и данный участок отдает без потерь обратно в сеть полученную ранее энергию. Поступающая в течение четверти периода энергия запасается в магнитном поле тока, а затем без потерь возвращается в сеть.

Лишь при наличии проводника с активным сопротивлением в цепи, не содержащей движущихся проводников, электромагнитная энергия превращается во внутреннюю энергию проводника, который нагревается. Обратного превращения внутренней энергии в электромагнитную на участке с активным сопротивлением уже не происходит.

При проектировании цепей переменного тока нужно добиваться, чтобы cos цc не был мал. Иначе значительная часть энергии будет циркулировать по проводам от генератора к потребителям и обратно. Так как провода обладают активным сопротивлением, то при этом энергия расходуется на нагревание проводов.

Неблагоприятные условия для потребления энергии возникают при включении в сеть электродвигателей, так как их обмотка имеет малое активное сопротивление и большую индуктивность. Для увеличения cos цc в сетях питания предприятий с большим числом электродвигателей включают специальные компенсирующие конденсаторы. Нужно также следить, чтобы электродвигатели не работали вхолостую или с недогрузкой.

Это уменьшает коэффициент мощности всей цепи. Повышение cos цc является важной народнохозяйственной задачей, так как позволяет с максимальной отдачей использовать генераторы электростанций и снизить потери энергии. Это достигается правильным проектированием электрических цепей. Запрещается использовать устройства с cos цc < 0,85.

Тест с ответами: «Переменный ток»

1. Переменный электрический ток относится к:
а) вынужденным электромагнитным колебаниям +
б) свободным электромагнитным колебаниям
в) затухающим электромагнитным колебаниям

2. Сила переменного тока практически во всех сечениях проводника одинакова потому, что:
а) сечение проводника везде одинаково
б) время распространения электромагнитного поля превышает период колебаний +
в) все электроны одинаковы по размерам

3. Сила тока на активном сопротивлении прямо пропорционально напряжению. Это выражение справедливо:
а) только для мгновенных значений силы тока и напряжения
б) только для амплитудных значений силы тока и напряжения
в) для мгновенных и амплитудных значений силы тока и напряжения +

4. Бытовые электроприборы рассчитаны на напряжение 220 В. Это такое значение переменного напряжения:
а) действующее +
б) амплитудное
в) среднее

5. Показания амперметров в цепи переменного и постоянного тока одинаковы. Это означает, что на одинаковых сопротивлениях в цепи переменного тока выделяется мощность:
а) большая, чем в цепи постоянного тока
б) меньшая, чем в цепи постоянного тока
в) такая же, как в цепи постоянного тока +

6. Какое явление лежит в основе действия генераторов:
а) электролиз
б) электромагнитная индукция +
в) намагничивание

7. Как называется подвижная часть генератора:
а) трансформатор
б) статор
в) ротор +

8. Проводник находится в электрическом поле. Как движутся в нем свободные электрические заряды:
а) упорядоченно +
б) хаотично
в) совершают колебательное движение

9. Что принято за направление электрического тока:
а) направление упорядоченного движения отрицательно заряженных частиц
б) определенного ответа дать нельзя
в) направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц +

10. Как изменилась сила тока в цепи, если увеличилась концентрация заряженных частиц в 4 раза, а скорость электронов и сечение проводника остались прежними:
а) не изменилась
б) увеличилась в 4 раза +
в) уменьшилась в 4 раза

11. Реактивное сопротивление обозначается:
а) Х +
б) R
в) Z

12. Ёмкость определяется формулой:
а) Q= I 2 * Х
б) С =1/2f Хс +
в) L= Х L /2f

13. Полная мощность цепи определяется формулой:
а) S= U* I +
б) Q= I 2 * Х
в) Р = I 2 * R

14. Индуктивное сопротивление определяется формулой:
а) L= Х L /2f
б) Х L = 2f/ Х L
в) Х L = 2f L +

15. Выберите верное(-ые) утверждение(-я):
а) в электрических сетях нашей страны используется переменный ток +
б) в электрических сетях нашей страны используется постоянный ток
в) оба варианта верны

16. Где происходит промышленное получение, переменного тока:
а) на заводах
б) на электростанциях +
в) на фабриках

17. Какова роль источника тока в электрической цепи:
а) порождает заряженные частицы
б) создает и поддерживает разность потенциалов в электрической цепи
в) нет верного ответа +

18. Применение в осветительной сети напряжение переменного тока частотой в 10-15 Гц изменит характер работы устройств:
а) да
б) нет +
в) в редких случаях

19. Частота изменения переменного тока в промышленных цепях составляет:
а) 60 Гц
б) 70 Гц
в) 50 Гц +

20. Действующее значение силы переменного тока соответствует определенному значению силы постоянного тока, выделяющего такое же количество теплоты:
а) не соответствует
б) соответствует +
в) иногда

21. В цепи с емкостным сопротивлением колебания силы тока отстают от колебаний напряжения:
а) нет +
б) да
в) периодически

22. Переменный ток в цепи – это результат свободных электромагнитных колебаний:
а) да
б) нет +
в) периодически

23. Конденсатор создает бесконечное сопротивление постоянному току и определенное конечное значение для переменного тока:
а) не создает
б) время от времени
в) создает +

24. В цепи с индуктивным сопротивлением колебания напряжения отстают от колебаний силы тока:
а) не отстают
б) отстают +
в) периодически отстают

25. Возрастает ли индуктивное сопротивление с увеличением частоты колебаний:
а) сначала возрастает, потом падает
б) нет
в) да +

26. Действующее значение – это характеристика переменного тока:
а) нет
б) да +
в) в редких случаях

27. При совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура происходит резкое возрастание амплитуды колебаний силы тока:
а) происходит +
б) не происходит
в) когда как

28. Действующие значения силы тока и напряжения для данного переменного тока – постоянные величины:
а) периодически
б) нет
в) да +

29. В рамке, вращающейся в магнитном поле, индуцируется переменная ЭДС вследствие электромагнитной индукции:
а) индуцируется +
б) не индуцируется
в) периодически

30. Активное сопротивление поглощает энергию электромагнитного поля безвозвратно:
а) не поглощает
б) поглощает +
в) периодически

Активное сопротивление. Действующие значения силы тока и напряжения

Подробности: Просмотров: 416

«Физика — 11 класс»

Активное сопротивление

Сила тока в цепи с резистором

Есть цепь, состоящая из соединительных проводов и нагрузки с малой индуктивностью и большим сопротивлением R.

Сопротивление R называется активным сопротивлением, т.к. при наличии нагрузки, обладающей этим сопротивлением, цепь поглощает энергию, поступающую от генератора.
Эта энергия превращается во внутреннюю энергию проводников — они нагреваются.
Напряжение на зажимах цепи меняется по гармоническому закону:

u = U_m cos ωt

Мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения.
По закону Ома мгновенное значение силы тока:

В проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока совпадают по фазе с колебаниями напряжения, а амплитуда силы тока определяется равенством

Мощность в цепи с резистором

В цепи переменного тока промышленной частоты (v = 50 Гц) сила тока и напряжение меняются.
При прохождении тока по проводнику, например по нити электрической лампочки, количество выделенной энергии также будет меняться во времени.

Мощность в цепи постоянного тока на участке с сопротивлением R определяется формулой

Р = I²R

Мгновенная мощность в цепи переменного тока на участке, имеющем активное сопротивление R, определяется формулой

Р = i²R

Cреднее значение мощности за период (используем формулу для мгновенного значения силы тока и выражение ):

График зависимости мгновенной мощности от времени (рис.а):

Согласно графику (рис.б) среднее за период значение cos 2ωt равно нулю, а значит равно нулю второе слагаемое в формуле для среднего значения мощности за период.

Тогда средняя мощность равна:

Действующие значения силы тока и напряжения.

Среднее за период значение квадрата силы тока:

Величина, равная квадратному корню из среднего значения квадрата силы тока, называется действующим значением силы переменного тока.
Действующее значение силы переменного тока обозначается через I:

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

Действующее значение переменного напряжения определяется аналогично:

Закон Ома для участка цепи переменного тока с резистором в действующих значениях:

В случае электрических колебаний важны общие характеристики колебаний, такие, как амплитуда, период, частота, действующие значения силы тока и напряжения, средняя мощность.
Именно действующие значения силы тока и напряжения регистрируют амперметры и вольтметры переменного тока.

Действующие значения непосредственно определяют среднее значение мощности Р переменного тока:

р = I²R = UI.

Итак:
Колебания силы тока в цепи с резистором совпадают по фазе с колебаниями напряжения, а мощность определяется действующими значениями силы тока и напряжения.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Электромагнитные колебания. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях — Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями — Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре. Период свободных электрических колебаний — Переменный электрический ток — Активное сопротивление. Действующие значения силы тока и напряжения — Конденсатор в цепи переменного тока — Катушка индуктивности в цепи переменного тока — Резонанс в электрической цепи — Генератор на транзисторе. Автоколебания — Краткие итоги главы

Выпрямление переменного тока

Переменное в постоянное

Выпрямление переменного тока

Цель: цель этого эксперимента — проиллюстрировать как диод может использоваться для выпрямления переменного тока. Студент будет использовать а гальванометр для определения направления тока, когда переменный ток или DC напряжение подается на цепь, содержащую диод, включенный последовательно с резистор и гальванометр.

Обзор научных принципов:

Чтобы ток протекал через диод, электроны должны двигаться вверх на холм энергии и через p-n переход. Поскольку напряжение подается в прямом направлении предвзятость, размер холма уменьшается, поэтому больше электронов имеют энергию необходимо переехать вверх по холму и через перекресток (заставляя ток течь). Однако если напряжение подается в обратном смещении, холм делается больше, поэтому очень мало у электронов есть энергия, необходимая для движения в гору.Таким образом, диод вообще проводит ток только в одном направлении.

Заявки:

Когда вы подключаете электрическое устройство или прибор к обычному стена розетки в вашем доме, вы используете 110 вольт переменного тока (переменный текущий). В электричество, вероятно, производилось на электростанции с использованием топлива производить пар, чтобы вращать турбину, чтобы вращать электрогенератор. Генератор вращается со скоростью 3600 об / мин, что составляет 60 оборотов в секунду (60 Гц).Многие домашние элементы предназначены для работы от переменного тока, однако некоторые элементы, такие как аккумулятор зарядные устройства, электропоезда и другие игрушки предназначены для работы на DC. Диоды используются в качестве выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный.

Время: 20-30 минут

Материалы и принадлежности:

Блок питания AC-DC

Провода свинцовые

Гальванометр

1 — резистор 1 кОм

Диод (германиевый, стабилитрон или светодиод)

Общие правила техники безопасности:

* Убедитесь, что шкала источника питания установлена на ноль при строительстве или корректировка цепь.

* Держите руки и рабочую зону сухими, чтобы избежать поражения электрическим током.

Экспериментальная установка:

Процедура:

1. Соберите схему, показанную в экспериментальной установке, и убедитесь, что соединить положительный

вывод диода к плюсовой клемме питания поставка.

2. Используйте клеммы постоянного тока источника питания.

3.Убедитесь, что шкала напряжения на блоке питания установлена на нуль.

4. Включите питание.

5. Медленно поверните шкалу напряжения по часовой стрелке и следите за стрелка гальванометра. Не

закопать иглу.

6. Запишите направление движения иглы.

7. Установите напряжение обратно на ноль.

8. Измените направление диода и повторите шаги 5-7. Не делайте увеличение напряжение выше 2В.

9. Отсоедините подводящие провода от клемм постоянного тока и подключите их в AC терминал

на блоке питания.

10. Повторите шаги 5-8.

Данные и анализ:

Тип тока	Направление тока	Направление гальванометра

Вопросы:
1.Будет ли ток течь через диод в обоих направлениях?
2. Как следует включить диод в цепь, чтобы ток был протекать Это?
3. Как диод влияет на переменный ток?
4. Нарисуйте график зависимости тока (вертикальная ось) от времени (горизонтальный ось) для переменного тока текущий.
5. Учитывая, как диод влияет на переменный ток, нарисуйте то, что вы думаете. график текущий
Время должно выглядеть так, как для схемы, построенной с использованием переменного тока. текущий и диод.
6. Нарисуйте график зависимости тока от времени для постоянного тока, например произведенный аккумулятор.
7. Чем отличается ток, производимый цепью переменного тока диода? из округа Колумбия текущий
производится аккумулятором?
8. Как увеличение напряжения влияет на способность диода разрешить текущий течь?
9. Почему диод с обратным смещением ограничить ток течь?
10.Изменит ли диод переменный ток на постоянный (например, электрический ток произведен на
аккумулятор)?
Добавочный номер:
1. Используйте ручной генератор, резистор и гальванометр, чтобы показать движение иглы с
переменный ток. Используйте резистор 1 кОм, чтобы защитить то гальванометр.
2. Используйте диод генератора частоты и осциллограф, чтобы показать форма волны
переменного тока и выпрямленного переменного тока.
3. Получите схему двухполупериодного выпрямителя, в котором используются диоды. а также конденсаторы к
производят примерно постоянный постоянный ток. Проконсультируйтесь с электроника Справочник для
Детали.
Заметки учителя:
* Время на подготовку учителя составляет примерно 30 минут.
* Если диод подключен неправильно, результаты будут быть отмененным.
* Учитель должен продемонстрировать правильную работу источник питания.
* Если используется цифровой мультиметр, используйте миллиампер или шкала микроампер. В Студент должен записать знак (+, -) текущего значения.
Ответы на вопросы:
1. №
2. Положительный вывод диода к положительному выводу сила поставка.
3. Диод будет выпрямлять переменный ток, то есть произведенный ток будет пульсирующий
постоянный ток.Он будет пульсировать с той же частотой, что и частота переменный
текущий.
4. График будет синусоидальным.
5.
6.
7. Ток, вырабатываемый батареей, постоянный, в то время как произведенный действие
диод на переменном токе пульсирует. Постоянный ток 5 А больше мощный чем ректификованный
Переменный ток от 0-5-0 ампер.
8. Увеличение напряжения уменьшает размер энергетического холма. что электронов приходится на
двигаться вверх, чтобы больше электронов могло двигаться вверх по холму и через п-п переход, позволяющий
больше тока течь.
9. Обратное напряжение увеличивает размер холма, поэтому мало электроны имеют необходимая энергия
двигаться в гору. Большинство измерителей не покажут текущий ток в обратное направление.
10. Нет, только с добавлением конденсатора ток начать выравнивать выкл.
Пример таблицы данных:
Тип тока Направление тока Направление гальванометра
DC + к — право
DC — к + нет
AC + к — правый
AC — к + левый
Следующая лаборатория
Полупроводники Содержание
MAST Home Page
Переменный ток — Образование в области энергетики
Переменный ток (AC) — это тип электрического тока, вырабатываемого подавляющим большинством электростанций и используемого в большинстве систем распределения электроэнергии.Переменный ток дешевле генерировать и имеет меньше потерь энергии, чем постоянный ток при передаче электроэнергии на большие расстояния. ^[1] Хотя для очень больших расстояний (более 1000 км) постоянный ток часто может быть лучше. В отличие от постоянного тока направление и сила переменного тока меняются много раз в секунду.
Недвижимость
Рис. 1. Анимация из моделирования ^[2] переменного тока в PhET, которое было значительно замедлено.См. Постоянный ток для сравнения.
Переменный ток меняет направление потока заряда (60 раз в секунду в Северной Америке (60 Гц) и 50 раз в секунду в Европе (50 Гц)). Обычно это вызвано синусоидально изменяющимися током и напряжением, которые меняют направление, создавая периодическое движение назад и вперед для тока (см. Рисунок 1). Несмотря на то, что этот ток течет назад и вперед много раз в секунду, энергия по-прежнему непрерывно течет от электростанции к электронным устройствам.{2} R [/ math]
Мощность, передаваемая по линии, однако, имеет другое выражение:
[математика] P_ {передано} = IV [/ математика]
Как видно из первого уравнения, мощность, потерянная при передаче, пропорциональна квадрату тока через провод. Следовательно, предпочтительно минимизировать ток в проводе, чтобы уменьшить потери энергии.Конечно, минимизация сопротивления также снизит потери энергии, но ток оказывает гораздо большее влияние на количество потерянной энергии из-за того, что его значение возводится в квадрат. Второе уравнение показывает, что если напряжение увеличивается, ток уменьшается эквивалентно для передачи той же мощности. Следовательно, напряжение в линиях передачи очень высокое, что снижает ток, что, в свою очередь, сводит к минимуму потери энергии при передаче. Вот почему переменный ток предпочтительнее постоянного тока для передачи электричества, так как намного дешевле изменить напряжение переменного тока.Однако существует предел, при котором более нецелесообразно использовать переменный ток по сравнению с постоянным током (см. Передачу HVDC).
Использование и преимущества
Большинство устройств (например, большие заводские динамо-машины), которые напрямую подключены к электросети, работают на переменном токе, а электрические розетки в домах и коммерческих помещениях также подают переменный ток. Устройства, которым требуется постоянный ток, например ноутбуки, обычно имеют адаптер переменного тока, который преобразует переменный ток в постоянный.^[5]
Переменный ток является предпочтительным во всем мире, поскольку он имеет много явных преимуществ по сравнению с постоянным током. Для полной разбивки различий между ними см. AC vs DC. Некоторые преимущества включают: ^[6]
Недорогое и эффективное повышение напряжения с помощью трансформаторов. Как объяснялось выше, это позволяет осуществлять энергоэффективную передачу электроэнергии по линиям электропередач. Эта эффективная передача энергии экономит энергетическим компаниям и потребителям много денег и помогает уменьшить загрязнение, поскольку электростанциям не нужно компенсировать потерю электроэнергии за счет использования большего количества топлива.
Низкие затраты на обслуживание высокоскоростных двигателей переменного тока.
Легко прервать ток (например, с помощью автоматического выключателя), поскольку ток естественным образом стремится к нулю каждые 1/2 цикла. Например, автоматический выключатель может прерывать примерно 1/20 постоянного тока, а не переменного тока.
Phet Simulation
Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета, которая исследует, как работает переменный ток.
Для дальнейшего чтения
Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:
Список литературы
Разница между переменным током (AC) и постоянным током (DC)
В проводящих материалах есть свободные электроны, которые перемещаются от одного атома к другому, когда к ним прикладывается разность потенциалов.Этот поток электронов в замкнутой цепи называется током. В зависимости от направления движения электронов в замкнутой цепи электрический ток в основном подразделяется на два типа: переменный ток и постоянный ток.
Одно из основных различий между переменным и постоянным током состоит в том, что в переменном токе полярность и величина тока меняются через равные промежутки времени, тогда как в постоянном токе они остаются постоянными.Некоторые различия объясняются ниже в виде сравнительной таблицы с учетом различных факторов;
Содержание: переменный ток (AC) против постоянного (DC)
Сравнительная таблица
Определение
Ключевые отличия
Запомните
Сравнительная таблица
Основа Переменный ток Постоянный ток
Определение Направление тока периодически меняется. Направление тока остается прежним.
Причины потока электронов Вращение катушки в однородном магнитном поле или вращение однородного магнитного поля внутри стационарной катушки Постоянное магнитное поле поперек провода
Частота 50 или 60 Гц Ноль
Направление потока электронов. Двунаправленный Однонаправленный
Коэффициент мощности Лежит от 0 до 1 Всегда 1
Полярность Имеет полярность (+, -) Не имеет полярности
Получено от Генераторы переменного тока Генераторы, батареи, солнечные элементы и т. Д.
Тип нагрузки Их нагрузка резистивная, индуктивная или емкостная. Их нагрузка обычно резистивная.
Графическое представление Оно представлено нерегулярными волнами, такими как треугольная волна, прямоугольная волна, прямоугольная волна, синусоида. Представлен прямой линией.
Передача Может передаваться на большие расстояния с некоторыми потерями. Его можно передавать на очень большие расстояния с незначительными потерями.
Трансформируемый Легко преобразовать в постоянный ток Легко преобразовать в переменный ток
Подстанция Для генерации и передачи требуется несколько подстанций Для генерации и передачи требуется больше подстанций
Пассивный параметр Импеданс Сопротивление
Harazdous Опасно Очень опасно
Приложение Заводы, промышленность и для бытовых целей. Гальваника, электролиз, электронное оборудование и т. Д.

Определение переменного тока
Ток, который периодически меняет свое направление, такой вид тока называется переменным током. Их величина и полярность также меняются со временем. В таких типах тока свободные электроны (электрический заряд) движутся как в прямом, так и в обратном направлении.
Частота (количество циклов, завершенных за одну секунду) переменного тока от 50 до 60 Гц, зависит от страны.Переменный ток легко преобразуется из высокого значения в низкое и наоборот с помощью трансформатора. Таким образом, он в основном используется для передачи и распределения.
Определение постоянного тока
Когда электрический заряд внутри проводника течет в одном направлении, такой тип тока называется постоянным током. Величина постоянного тока всегда остается постоянной, а частота тока равна нулю. Он используется в сотовых телефонах, электромобилях, сварке, электронном оборудовании и т. Д.
Графическое представление переменного тока показано на рисунке ниже.

Ключевые различия между переменным током и постоянным током
Ток, который периодически меняет свое направление, такой вид тока называется переменным током. Постоянный ток однонаправлен или течет только в одном направлении.
Заряды в переменном токе протекают либо за счет вращения катушки в магнитном поле, либо путем вращения магнитного поля внутри неподвижной катушки.При постоянном токе заряды текут, поддерживая постоянный магнетизм вдоль провода.
Частота переменного тока составляет от 50 до 60 Гц в зависимости от стандарта страны, тогда как частота постоянного тока всегда остается нулевой.
Коэффициент мощности переменного тока находится в пределах от нуля до единицы, тогда как коэффициент мощности постоянного тока всегда остается равным единице.
Генератор переменного тока вырабатывает ток генератора. Постоянный ток вырабатывается генератором, батареей и элементами.
Нагрузка переменного тока бывает емкостной, индуктивной или резистивной. Нагрузка постоянного тока всегда носит резистивный характер.
Переменный ток может быть графически представлен в виде волны различной неправильной формы, такой как треугольная волна, прямоугольная волна, периодическая волна, пилообразная волна, синусоида и т. Д. Постоянный ток графически представлен прямой линией.
Переменный ток передается на большие расстояния с некоторыми потерями, тогда как постоянный ток проходит на очень большие расстояния с незначительными потерями.
Переменный ток преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя, а постоянный ток преобразуется в переменный ток с помощью инвертора.
Немногие подстанции требуют производства и передачи переменного тока. Для передачи постоянного тока требуются дополнительные подстанции.
Переменный ток используется в промышленности, на фабриках и в быту. Постоянный ток в основном используется в электронном оборудовании, импульсном освещении, гибридных транспортных средствах, гальванике, электролизе, для возбуждения обмотки возбуждения ротора и т. Д.
Запомните
Постоянный ток опаснее переменного тока. При переменном токе величина тока становится высокой и низкой через равные промежутки времени, а при постоянном токе величина остается неизменной. Когда человеческое тело подвергается электрошоку, переменный ток входит в тело и выходит из него через равные промежутки времени, тогда как постоянный ток воздействует на тело непрерывно.
переменного тока | Определение и факты
Переменный ток , аббревиатура AC , периодически меняющийся поток электрического заряда.Он начинается, скажем, с нуля, растет до максимума, уменьшается до нуля, меняет направление, достигает максимума в противоположном направлении, снова возвращается к исходному значению и повторяет этот цикл бесконечно. Интервал времени между достижением определенного значения в двух последовательных циклах называется периодом, количество циклов или периодов в секунду — частотой, а максимальное значение в любом направлении — амплитудой переменного тока. Низкие частоты, такие как 50 и 60 циклов в секунду (герц), используются для бытовой и коммерческой энергетики, но переменные токи с частотой около 100000000 циклов в секунду (100 мегагерц) используются в телевидении и несколько тысяч мегагерц в радарах или микроволновая связь.Сотовые телефоны работают на частотах около 1000 мегагерц (1 гигагерц).
Подробнее по этой теме
электричество: переменные электрические токи
Многие приложения электричества и магнетизма связаны с изменяющимися во времени напряжениями. Электроэнергия передается на большие расстояния от …
Переменный ток (AC) имеет явное преимущество перед постоянным током (DC; постоянный поток электрического заряда в одном направлении), поскольку он может передавать мощность на большие расстояния без больших потерь энергии на сопротивление.Передаваемая мощность равна току, умноженному на напряжение; тем не менее, потеря мощности равна сопротивлению, умноженному на квадрат тока. С появлением первых электрических сетей постоянного тока в конце 19-го века изменение напряжения было очень трудным. Из-за потерь мощности эти сети использовали низкое напряжение для поддержания высокого тока и, таким образом, могли передавать полезную мощность только на короткие расстояния. Передача энергии постоянного тока вскоре была вытеснена системами переменного тока, которые передают мощность при очень высоких напряжениях (и, соответственно, низком токе) и легко используют трансформаторы для изменения напряжения.Существующие системы передают мощность от генераторов в сотни тысяч вольт и используют трансформаторы для понижения напряжения до 220 вольт (как в большинстве стран мира) или 120 вольт (как в Северной Америке) для индивидуальных клиентов. См. Также электрический ток.
Переменный ток против постоянного
Почему в электронике переменный ток и постоянный ток?
В этом разделе вы можете выучить и попрактиковаться в вопросах по электронике на основе «переменного тока и постоянного тока» и улучшить свои навыки, чтобы пройти собеседование, конкурсные экзамены и различные вступительные испытания (CAT, GATE, GRE, MAT, банковский экзамен, железнодорожный Экзамен и т. Д.) с полной уверенностью.
Где я могу получить вопросы и ответы с пояснениями для электроники переменного тока и постоянного тока?
IndiaBIX предоставляет вам множество полностью решенных вопросов и ответов по электронике (переменного и постоянного тока) с пояснениями. Решенные примеры с подробным описанием ответов, даны пояснения, которые легко понять. Все студенты, первокурсники могут загрузить вопросы викторины «Электроника переменного тока и постоянного тока» с ответами в виде файлов PDF и электронных книг.
Где я могу получить вопросы и ответы на собеседовании «Электроника переменного тока и постоянного тока» (тип цели, множественный выбор)?
Здесь вы можете найти объективные вопросы и ответы для собеседований и вступительных экзаменов. Также предусмотрены вопросы с множественным выбором и вопросы истинного или ложного типа.
Как решить проблемы электроники переменного тока и постоянного тока?
Вы можете легко решить все вопросы по электронике, основанные на переменном токе и постоянном токе, практикуя упражнения объективного типа, приведенные ниже, а также получите быстрые методы для решения проблем электроники переменного и постоянного тока.
Упражнение: переменный ток против постоянного — общие вопросы
Генератор переменного тока
Генератор переменного тока
Далее: Генератор постоянного тока Up: Магнитная индукция Предыдущая: Вихревые токи

Генератор переменного тока
Электрический генератор или динамо-машина — это устройство, преобразующее механическую энергию в электроэнергия.Самый простой практичный генератор состоит из прямоугольного катушка вращается в однородном магнитном поле. Магнитное поле обычно подается постоянным магнитом. Эта установка проиллюстрирована на рис. 38.
Рисунок 38: Генератор переменного тока.

Позвольте быть длиной катушки вдоль оси вращения, а ширина катушки, перпендикулярная этой оси. Предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью в равномерном магнитное поле напряженности.Скорость, с которой двое длинные стороны катушки ( т.е. , стороны и) движутся через магнитное поле, это просто продукт угловой скорости вращения и расстояния каждого сторону от оси вращения, поэтому . Двигательная ЭДС индуцированный в каждую сторону задается , где составляющая магнитного поля, перпендикулярная мгновенному направлению движения рассматриваемой стороны. Если направление магнитного поля составляет угол с нормальным направлением к катушку, как показано на рисунке, затем .Таким образом, величина двигательной ЭДС, генерируемой в сторонах и является
(209)

где площадь катушки. ЭДС равна нулю, когда или, поскольку направление движения сторон и составляет параллельно к направлению магнитного поля в этих случаях. ЭДС достигает максимального значения, когда или, поскольку направление движения сторон и находится на перпендикулярно направлению магнитного поля в этих случаях.Между прочим, из симметрии ясно, что нет чистого двигательного ЭДС генерируется в сторонах и катушки.
Предположим, что направление вращения катушки такое, что сторона перемещается на страницу на рис. 38 (вид сбоку), тогда как сбоку перемещается со страницы. Двигательная ЭДС, индуцированная в побочных действиях от к. Точно так же двигательный ЭДС индукции в побочных действиях от до. Видно, что обе ЭДС действуйте по часовой стрелке вокруг катушки. Таким образом, чистая ЭДС действует вокруг катушка .Если в катушке есть витки, то чистая ЭДС становится равной . Таким образом, общее выражение для ЭДС, генерируемой вокруг устойчиво вращающаяся многооборотная катушка в однородном магнитном поле
(210)

где мы написали для постоянно вращающейся катушки (при условии, что в ). Это выражение также можно записать
(211)

где
(212)

— пиковая ЭДС, создаваемая генератором, и — количество полных оборотов, выполняемых катушками в секунду.Таким образом пиковая ЭДС прямо пропорциональна площади катушки, количеству витков в катушке частота вращения катушки, и напряженность магнитного поля.
На рисунке 39 показана ЭДС, указанная в формуле. (211) в виде функции времени. Видно, что изменение ЭДС во времени равно синусоидальный по природе. ЭДС достигает максимальных значений, когда плоскость катушка параллельна плоскости магнитного поля, проходит через ноль, когда плоскость катушки перпендикулярна магнитному полю, и меняет направление подписывать каждые полупериоды вращения катушки.ЭДС периодическая ( т.е. , он постоянно повторяет один и тот же образец во времени), с период (который, конечно же, период вращения катушки).
Рисунок 39: ЭДС, генерируемая постоянно вращающимся генератором переменного тока.

Предположим, что некоторая нагрузка ( например, , лампочка или электрическое отопление элемент) сопротивления подключается к клеммам генератор.На практике это достигается соединением двух концов катушка к вращающимся кольцам, которые затем подключаются к внешней цепи с помощью металлических щеток. По закону Ома ток, протекающий в нагрузка дается
(213)

Обратите внимание, что этот ток постоянно меняет направление, как и ЭДС генератора. Следовательно, тип генератора, описанный выше, является обычно называется или , генератор переменного тока.
Ток, протекающий через нагрузку, также должен течь вокруг катушки. Поскольку катушка находится в магнитном поле, этот ток вызывает крутящий момент на катушке, который, как легко продемонстрировать, замедляет ее вращение. Согласно разд. 8.11, действующий тормозной момент на катушке дается выражением
(214)

где — составляющая магнитного поля, которая лежит в плоскости катушки.Как следует из уравнения. (210) что
(215)

поскольку . Внешний крутящий момент, равный разрывному моменту и противоположный ему, должен быть приложен к катушка, если она должна вращаться на равномерно на , как предполагается над. Скорость, с которой этот внешний крутящий момент действительно работает, равна произведение крутящего момента и угловой скорости катушки. Таким образом,
(216)

Неудивительно, что скорость, с которой работает внешний крутящий момент, точно соответствует скорость, с которой электрическая энергия генерируется в цепи, состоящей из вращающейся катушки и нагрузки.
Уравнения (210), (213) и (215) дают
(217)

где . На рисунке 40 показан разрыв крутящий момент, построенный как функция времени, согласно Уравнение (217). Видно, что крутящий момент всегда одного знака ( т.е. , он всегда действует в одном и том же направление, чтобы постоянно противостоять вращение катушки), но не постоянный во время. Вместо этого пульсирует периодически с периодом.Нарушение крутящий момент достигает максимального значения, когда плоскость катушки параллельна плоскость магнитного поля и равна нулю, если плоскость катушки перпендикулярна к магнитному полю. Понятно, что внешний крутящий момент нужен чтобы катушка вращалась с постоянной угловой скоростью, она также должна пульсировать вовремя с периодом. Постоянный внешний крутящий момент приведет к неравномерно вращающемуся катушки, и, следовательно, к переменной ЭДС, которая меняется со временем в более сложнее, чем .
Рисунок 40: Тормозной момент в стабильно вращающемся генераторе переменного тока.

Практически все коммерческие электростанции вырабатывают электроэнергию с помощью генераторов переменного тока. Внешнее питание, необходимое для вращения генерирующей катушки, обычно подается от паровая турбина (продувка паром по вентиляторным лопаткам, которые принудительно вращается). Вода испаряется, чтобы произвести высокое давление пара, сжигая уголь, или используя энергию, выделяемую внутри ядерной реактор.Конечно, на гидроэлектростанциях мощность нужна на поворот катушки генератора подается водяная турбина (аналогичная к паровой турбине, за исключением того, что падающая вода играет роль пара). Недавно был разработан новый тип электростанции, в которой мощность, необходимая для вращения генераторной катушки, вырабатывается газовой турбиной (по сути, большой реактивный двигатель, работающий на природном газе). В Соединенных Штатах и Канаде переменная ЭДС, генерируемая электростанциями, колеблется на Гц, что означает, что катушки генератора на электростанциях вращаются точно шестьдесят раз в секунду.В Европе и в большей части остального мира частота колебаний коммерчески производимой электроэнергии составляет Гц.

Далее: Генератор постоянного тока Up: Магнитная индукция Предыдущая: Вихревые токи
Ричард Фицпатрик 2007-07-14
.

Журнал "Дизайнер"