В первой беседе мы коснулись переменного тока, - в цепях с активным сопротивлением переменный ток подчиняется всем законам которым подчиняется и постоянный ток, - однако, кроме активного сопротивления бывает еще и "реактивное", - индуктивное.
1. - Индуктивное сопротивление.
Если в цепи присутствует кроме активного сопротивления еще и индуктивное, то оно будет оказывать дополнительное воздействие на переменный ток в цепи.
Прямой проводник обладает кроме омического, активного сопротивления еще и индуктивным, однако значение этого сопротивления крайне мало. Если же взять проводник и свернуть его в катушку то индуктивное сопротивление увеличится.
Индуктивное сопротивление катушки переменному току зависит от индуктивности самой катушки и частоты тока протекающего через эту катушку. Индуктивное сопротивление при увеличении частоты тока или увеличении количества витков катушки увеличивается!
Рассмотрим схему.
На схеме мы видим генератор "G" переменного тока с функцией изменения частоты. Генератор соединён с лампой накаливания через индуктивность катушки "L", а так же измерительные приборы, - два вольтметра и амперметр.
Вольтметр Р1 измеряет напряжение на выходе генератора, вольтметр Р2 измеряет напряжение на нагрузке "Н" (лампа) и амперметр Р3 измеряющий ток в цепи.
Теперь давайте включим генератор и подадим в цепь переменный ток с частотой 500Гц. Лампа засветилась, вольтметр подключенный к генератору показывает 4В, вольтметр подключенный к лампе показывает 2,8В, а амперметр 380мА. Напряжение на лампе меньше чем на выходе генератора из за того, что индуктивность катушки оказывает сопротивление переменному току и чем выше частота, тем больше это сопротивление.
Давайте увеличим частоту генератора и посмотрим, что произойдет с напряжением на лампе и током в цепи.
Теперь частота генератора 2000Гц (музыкантов попрошу воздержаться....).
Теперь мы видим, что напряжение генератора не изменилось, что логично, а вот ток в цепи уменьшился до 140мА и напряжение на лампе упало практически до нуля.
Схема и параметры катушки не изменились, однако на более высокой частоте изменилось индуктивное сопротивление катушки.
Индуктивное сопротивление зависит от индуктивности катушки, единицей индуктивности является генри (Гн). Индуктивностью 1Гн обладает катушка у которой при изменении тока в ней на 1А в течении 1с развивается ЭДС самоиндукции равная 1В.
Катушки с индуктивностью в единицы Гн обычно больших размеров и применяются в устройствах с достаточно низкими частотами переменного тока, обычно в устройствах работающих на звуковых частотах.
Индуктивности в тысячных и миллионных долях Гн применяются в устройствах работающих с токами высоких частот, это всевозможные LC фильтры, колебательные контуры приёмников и дроссели импульсных источников питания. Тысячные доли Гн обозначаются как мГн (миллигенри), а миллионные мкГн (микрогенри).
Описанный опыт можно посмотреть в этом видеоролике.
2. - Трансформация переменного тока.
Переменный ток в энергетике выгоднее тем, что его легко трансформировать. Нужно это для передачи тока по линиям электропередач (ЛЭП) на большие расстояния, от электростанции к потребителю.
Из первой беседы нам известно, что от длины проводника зависит его сопротивление, а от сопротивления зависит ток в цепи, если мы попытаемся передать электроэнергию на большое расстояние, сотни или тысячи километров, используя при этом напряжение 230В как в бытовой сети то мы очень много энергии потеряем на нагреве провода. Например - если подключить к источнику напряжения 100В удлинитель с общим сопротивлением 50Ом и подключить на другом конце лампочку с рабочим током 1А то на проводе мы потеряем около 50В и 50Вт мощности. В итоге половину энергии мы потеряли. Но если напряжение повысить до 10 000В и предать его по этой же линии, а потом трансформировать обратно в 100В и запитать ту же лампочку то потери в линии составят всего 0,01Вт!!
Почему так? По тому, увеличивая напряжение в линии уменьшается ток, а из закона Ома известно, - чем меньше ток в цепи тем меньше падение напряжения на участке цепи (в нашем случае на проводах удлинителя).
Таким образом, увеличив напряжение и уменьшив ток - мы не меняя передаваемой мощности получаем меньше потерь.
Устройство трансформатора показано на рисунке ниже.
Трансформатор состоит из двух катушек на общем магнитопроводе, катушки называют обмотками и изображают на схемах как обычные катушки индуктивности, а магнитопровод - линией между ними. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток протекая в одной из обмоток трансформатора создает вокруг неё и в магнитопроводе переменное магнитное поле. Это поле пересекает витки второй обмотке и индуцирует в ней переменное напряжение той же частоты. Если к этой обмотке подключить нагрузку то в цепи потечет ток. Обмотку к которой подводится напряжение, называют первичной, а обмотку в которой индуцируется переменное напряжение - вторичной.
Напряжение которое получается на концах вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом количестве витков в обмотках, напряжение вторичной обмотки будет примерно равно напряжению подведенному к первичной, если во вторичной обмотке больше или меньше витков то и напряжение получаемое на её концах будет больше или соответственно меньше подведенного к первичной обмотке. В первом случае, трансформатор называют повышающим, во втором - понижающим.
Напряжение индуцируемое во вторичной обмотке, легко подсчитать по соотношению витков обмоток, - во сколько раз вторичная обмотка имеет больше или меньше витков чем в первичной, во столько же раз напряжение на ней будет больше или меньше чем подводимое к первичной обмотке. Если первичная обмотка имеет 1000 витков а вторичная 2000 витков, то, подведя к первичной обмотке 230В из розетки, на выходе вторичной мы получим 460В переменного напряжения. Если этот же трансформатор, подключить к розетке обмоткой содержащей 2000 витков, то, на концах обмотки содержащей 1000 витков мы получим 115В. В первом случае трансформатор был повышающим, во втором - понижающим.
Нужно понимать, что трансформация напряжения не изменяет мощность тока, если мы увеличиваем напряжение, то, неизбежно уменьшается ток, если напряжение уменьшается, то ток увеличивается в любом случае формула P=UI говорит нам, что мощность не изменилась.
Мощность трансформатора зависит от его габаритов, и сечения проводов обмоток, чем массивнее магнитопровод трансформатора, тем большую мощность он может обеспечить.
Магнитопроводы для трансформаторов работающих на низких частотах, выполняют из электротехнической стали, в виде пластин собранных в стопку.
На схемах низкочастотные трансформаторы обозначают буквой Т, а обмотки римскими цифрами - I, II, III, IV, и так далее.
Трансформаторы работающие на высоких частотах выполнены на магнитодиэлектрических магнитопроводах - например из феррита, могут вовсе не иметь магнитопровода или даже быть образованы двумя и более катушками на разных но расположенных рядом каркасах. На рисунке изображены ВЧ трансформаторы, - слева на общем каркасе, справа на разных.
В центре рисунка изображено схемное начертание ВЧ трансформатора.
Независимо от формы и конструкции магнитопровода высокочастотного трансформатора, на схемах он обозначается линией между обмотками, так же как и у низкочастотного трансформатора, а вот обмотки в отличии от низкочастотного трансформатора обозначаются так же как катушки индуктивности, - латинской L, L1, L2 и так далее.
Принцип работы высокочастотных трансформаторов не отличается от работы своих низкочастотных собратьев.
Трансформируется трансформатором только переменный ток, переменный ток может быть и пульсирующим и присутствовать в постоянном, то есть - если подключить к первичной обмотке трансформатора источник постоянного напряжения и изменять ток через обмотку, к примеру реостатом, то это изменение силы тока будет изменять и магнитное поле вокруг обмотки и в сердечнике трансформатора и это изменение будет неизбежно индуцировать ЭДС во вторичную обмотку. Вот тут есть задачка по этой теме, а вот тут правильный ответ на неё.
В следующей беседе поговорим о резисторах и конденсаторах.
