Для школьников.
Генераторы переменного тока, о принципе работы которых говорилось ранее, вырабатывают переменный синусоидальный ток.
Характеристики переменного тока
Как любая колеблющаяся величина переменный ток характеризуется периодом и частотой.
Периодом переменного тока Т называется промежуток времени, в течение которого сила тока совершает одно полное колебание:
Частотой переменного тока называется число периодов за единицу времени:
Частота переменного тока всех электростанций равна 50 Гц или период промышленного тока равен 0,02 с.
Круговая или циклическая частота переменного тока:
Так как величина и направление мгновенных значений переменного тока всё время меняются, то введено понятие действующего значения тока, путём сравнения теплового действия постоянного и переменного токов.
Действующее значение силы переменного тока численно равно такому постоянному току, который проходя через одинаковое сопротивление, что и переменный, выделяет в нём за время периода одинаковое количество теплоты.
Например, если говорим, что сила переменного тока равна 2 А - это значит, что тепловое действие этого переменного тока такое же, как и постоянного тока силой 2 А. За равные промежутки времени они выделяют одинаковое количество теплоты.
Действующие значения силы переменного тока, а также действующие значения ЭДС и напряжения переменного тока связаны с их максимальными (амплитудными) значениями, обозначенными с индексом "нуль", следующими соотношениями:
В генераторах, установленных на электростанциях, всегда возникает переменная ЭДС, изменяющаяся во времени по синусоидальному закону. Если принять начальную фазу за нуль, то мгновенные значения ЭДС связаны с её максимальными (амплитудными) значениями следующей зависимостью:
Такая же зависимость существует между мгновенными значениями напряжений на зажимах источника и его максимальным значением:
Если к генератору переменной ЭДС, на зажимах которого существует напряжение
подключить внешнюю цепь, то в ней будет течь синусоидальный ток, мгновенные значения которого связаны с амплитудным значением тока следующей зависимостью:
Здесь угол "фи" есть разность (сдвиг) фаз между током и напряжением.
Разность фаз может быть положительной и отрицательной величиной - это зависит от вида нагрузки во внешней цепи (от того, содержит ли внешняя цепь активное, индуктивное, емкостное сопротивления).
Для цепи только с активным сопротивлением угол "фи" равен нулю, то есть колебания тока и напряжения совпадают по фазе (показано на рисунках ниже).
Какой физический смысл имеет активное сопротивление?
Вспомним электрическую цепь постоянного тока.
К понятию электрического сопротивления и к закону Ома для участка цепи (не содержащего источника тока) пришли через опыты.
А именно, к участку цепи прикладывали постоянное напряжение U и измеряли проходящий по участку ток. Оказалось, что ток всегда пропорционален напряжению.
Коэффициент пропорциональности между ними назвали сопротивлением R участка цепи прохождению по нему тока.
Так опытным путём был получен один из основных законов постоянного тока - закон Ома.
Сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, от температуры и определяется его размерами.
Для однородного проводника в виде проволоки, трубки, бруска, пластины
Электронная теория сопротивление проводника току объясняет столкновениями упорядоченно движущихся электронов с ионами кристаллической решётки проводника.
При изучении цепей постоянного тока R называли просто сопротивлением.
При переходе к цепям переменного тока его стали называть активным сопротивлением, потому что оно активно (постоянно) потребляет электрическую энергию от источника тока, превращая её в другие виды энергии, преимущественно в тепловую.
Так, при прохождении тока (постоянного или переменного) через нить лампочки накаливания, выделяется тепло, нить накаляется и излучает свет.
В цепях переменного тока, кроме активного сопротивления R, имеют место индуктивное и емкостное сопротивления, которые в отличие от активного сопротивления, не поглощают энергию, а лишь передают её от электрического поля магнитному, и наоборот.
Индуктивному и емкостному сопротивлениям будут посвящены следующие две статьи.
Теперь рассмотрим случай, когда в цепи переменного тока содержится только активное сопротивление:
В цепи, содержащей только активное сопротивление, ток и напряжение колеблются в одинаковой фазе, то есть ток следует за напряжением, проходя одновременно с ним через максимумы и нулевые значения.
На рисунке ниже показаны кривые зависимости мгновенных значений тока и напряжения от времени за период.
Величины с нулевыми индексами в формулах соответствуют максимальным значениям тока и напряжения.
Связь между действующими (эффективными) значениями тока и напряжения (без индексов) и максимальными значениями тока и напряжения подчиняется закону Ома:
(Хотя закон Ома был установлен для цепей постоянного тока, но он справедлив и для переменного тока небольшой частоты. Для тока, имеющего частоту 50 Гц, используемого на производстве и в быту, закон Ома справедлив.)
На следующем рисунке показаны графики изменения во времени мгновенных значений напряжения, силы тока и мощности переменного тока для цепи, содержащей только активные сопротивления:
(О мощности тока прочтёте, пройдя по этой ссылке)
На рисунке выше оси времени отложены положительные значения тока и напряжения (когда ток течёт в направлении от источника к потребителю энергии), а ниже оси времени - их отрицательные значения (когда ток течёт в обратном направлении).
Мгновенная мощность получается путём перемножения мгновенных значений напряжения и тока, она всегда положительна (произведение отрицательным мгновенных значений тока и напряжения даёт положительную мощность).
Это означает, что цепи переменного тока, имеющие только активное сопротивление, всё время потребляют электроэнергию. Заштрихованная площадь пропорциональна мощности, потребляемой активным сопротивлением цепи за период.
(Для сведения - если мощность отрицательна, то это означает, что энергия из цепи поступает обратно в источник. К активному сопротивлению это не относится.)
Напряжение на активном сопротивлении (активное напряжение) равно произведению тока на активное сопротивление:
Активная мощность равна произведению тока на активное напряжение в этом сопротивлении:
Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую, световую и др.)
Пример
Активное сопротивление 4 Ом включено в цепь переменного тока напряжением 120 В. Определить силу тока, активное напряжение и активную мощность для этого сопротивления.
Решение.
В условии задачи дано действующее напряжение. Тогда действующее значение тока в цепи:
Активное напряжение:
По расчётам активное напряжение в данном примере получается равным 120 В. Это значит, что всё приложенное к зажимам цепи напряжение является активным напряжением.
Активная мощность, найденная по формуле данной ниже, равна 3600 Вт.
Ответ: 30 А; 120 В; 3600 Вт.
Таким образом, если внешняя цепь состоит только из активных сопротивлений, то колебания тока и напряжения в ней совпадают по фазе, а мощность цепи всегда положительна. Это значит, что активное сопротивление активно поглощает мощность (электрическую энергию) источника, превращая её в тепло или работу (если цепь содержит двигатель).
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись : Двигатели постоянного и переменного тока. Вращающееся магнитное поле.
Следующая запись : Конденсатор в цепи переменного тока. Емкостное сопротивление.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
