+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Частота тока в розетке — 50 герц. Почему?

Почему в розетке частота тока 50 герц? Понятно, что это вовсе не случайно, а закономерно. А, значит, тому должно быть какое-то объяснение. И оно действительно есть. Сразу нужно подчеркнуть, что это – стандарт для Европы, России, Украины и прочих стран (скажем, бывших республик СССР), который выглядит как 220-240 В/ 50 Гц.

Но в некоторых странах действует другой стандарт напряжения и частоты. Например, так называемый североамериканский стандарт предусматривает 110-120 В с частотой 60 Гц. Непосредственно в США – тоже 60 Гц. Но все приборы рассчитаны на обе частоты. И все потому, что в США в розетке может быть и 53 Гц, и 56,3 Гц, то есть любое значение между 50 и 60. И в Японии действуют оба стандарта.

Но все равно частота должна быть не меньше 50 Гц, иначе начнется мерцание лампочек. При более низкой частоте необходимы особенно большие, даже гигантские трансформаторы, с повышенной индуктивностью. Из-за ёмкости и индуктивности длинных проводов возрастают потери на протяженных линиях электропередач. Все это и объясняет необходимость в таком стандарте.

И все-таки, прежде всего, ответ на этот вопрос необходимо искать в истории развития электросистем. Ранее (как, впрочем, и сейчас во многих случаях) электрогенераторы приводили в движение дизели и паровые турбины. И здесь есть такой нюанс: эти агрегаты удобно было производить из расчета на частоту вращения в районе 3000 об/мин.

А частота на выходе генератора напрямую определяется частотой вращения его ротора, как и количеством полюсов. А 3000 об/мин – это как раз 50 об/сек, то есть те самые 50 Гц, о которых мы и говорим.

В настоящее время это, вообще-то, уже не так важно – 50 Гц, 500 КГц или 10 МГц… Современные устройства способны какой угодно ток превратить в какой угодно. Однако не надо забывать, что системы электроснабжения были преимущественно спроектированы и построены в начале прошлого века. И тогда преимущества, о которых мы говорили выше, играли огромную роль.

И все электрооборудования было «заточено» именно под такие параметры питания. Мощь современной электроники, а также огромного количества работающих машин была настолько значительна, что уже не было никакого резона перестраивать систему электроснабжения.

Согласитесь, что менять то, что и так хорошо функционирует, неоправданно. Особенно, если подходить к проблеме чисто экономически. Вот почему мы привычно пользуемся стандартом в 220 В и 50 Гц. Так исторически сложилось.

Какова частота напряжения тока, а точнее частота электрического тока.

 

 

 

Тема: какая у электрического тока частота, что это (частота напряжения тока).

 

 

Выражение «напряжение тока» не верно по своему смыслу. Напряжение и ток, это две различные электрические характеристики. Если хотеть понять, какова частота у электрического тока, то стоит сначала разобраться с самим понятием этого тока. Потом уже стане ясно, что есть сила тока, его частота, напряжение. Итак, давайте сравним электричество с обычной водой. Вода течёт по трубам. Трубы бывают различной толщины. Когда краник в рукомойнике закрытый, то внутри труб имеется определённое давление воды, чем больше его отрываешь, тем больше поток воды начинает течь.

 

Так вот, воду мы будем сравнивать с самими электрическими частицами (электроны и ионы), их движение по электрическому проводнику будет схоже с движением воды в водопроводной трубе. Давление воды, имеющееся внутри труб будет в некотором смысле уподобляться электрическому напряжению. Ну, а о частоте напряжения тока чуть позже. Итак, у нас имеется электрический источник в виде обычной батарейки, у которой имеется плюс и минус. Если мы к ней подключим, допустим, обычную лампочки или моторчик, используя соединительные проводки, а ещё между ними поставим выключатель, то получится обычная электрическая цепь.

 

Когда мы замкнём выключатель заряженные частицы из одного полюса батарейки устремятся по проводам к противоположному её полюсу, преодолевая свой путь через провода, лампочку и выключатель. Это движение по создавшейся электрической цепи и есть электрический ток (то есть поток самих заряженных частиц). Когда мы разомкнём выключатель, то ток внутри проводников прервётся, а вместо него появиться (точнее говоря возрастёт) напряжение. Это как в кране с водой. Когда мы закрываем кран, то давление воды внутри труб возрастает.

 

 

 

 

Если же мы начнём постоянно то замыкать, то размыкать выключатель, мы получим периодическое течение электрического тока в цепи. Так вот, тут мы и можем обнаружить нашу частоту напряжения тока, точнее частоту электрического тока. Из физики известно, что частота измеряется в герцах. Один герц равен 1 колебанию в секунду. Следовательно, если у нас получиться за одну секунду замкнуть и разомкнуть нашу электрическую цепочку 3 раза в секунду, мы получим частоту электрического тока (не правильно выражаясь — частоту напряжения тока) в 3 герца. Ну думаю смысл понятен.

 

Теперь, где мы можем обнаружить эту самую частоту электрического тока.

Думаю все слышали, что в обычной домашней розетки напряжение равно 220 вольтам, а частота этого тока (переменного) 50 герц. Это стандартная частота для обычной бытовой электрической сети 220 и 380 вольт. Она зависит от определённых параметров и характеристик, используемых в электроснабжении города. В других электрических и электронных устройствах и системах может применяться другая частота. К примеру, в обычных домашних компьютерах используется частота уже измеряемая в мегагерцах (средняя частота компьютерного процессора равна около 2.7 мегагерца, это довольно высокая частота электрического тока).

 

Если мы в примере с батарейкой просто замыкали и размыкали переключатель в цепи, получая при этом просто прерывистое течение тока, то в случае переменного тока всё иначе. Переменный ток имеет синусоидальную форму, периодически изменяя свою полярность. То есть, за свои 50 герц в секунду переменный ток в сети попеременно 25 раз плавно будет нарастать то в одной части графика (график зависимости напряжения, тока от времени) (на двух имеющихся проводах будет одна полярность), то 25 раз в противоположной части (другая полярность, + меняется на -, а — на +).

 

P.S. Из примеров выше думаю Вы поняли, что же такое частота электрического тока (частота напряжения тока, выражаясь неправильно). Это всего лишь периодичность колебаний движения электрических заряженных частиц, движущихся в проводнике. То есть, грубо выражаясь, скорость изменения состояния покоя-движения этих самых частиц (электронов).

Типы электрических розеток и напряжение в разных странах мира

При поездках за рубеж важное значение имеет формат розетки и напряжение в сети, ведь каждому из нас потребуется заряжать свой мобильный телефон,ноутбук или планшет. Большинство блоков питания для электронных устройств, таких как ноутбуки, зарядные устройства, мобильные устройства, видеокамеры и фотоаппараты имеют универсальное питание, поэтому они способны работать при напряжении питания от 100 до 240 Вольт, и частоте 50 или 60 Гц.

В мире существуют два стандарта напряжения: европейский — 220-240В и американский 100-127В. И два стандарта частоты переменного тока: 50 Гц и 60 Гц . США, Япония и большинство стран Южной Америки используют связку 100-127В 60 Гц. Остальной мир в основном использует европейские 220-240В 50 Гц. Кроме того, в мире есть несколько стран с разными вариациями напряжения и частоты, например Филиппины, там используется напряжение 220-240В с частотой 60 Гц.

Карта-схема использования в разных странах мира напряжения и частоты тока

Стандарты электрических розеток развивались в большинстве стран независимо друг от друга, поэтому в большинстве своем вилки и розетки разных стран не совместимы между собой.

Карта-схема использования в разных странах мира электрических вилок и розеток по типам

Страны и территории Тип розетки Напряжение
В
Частота,
Гц
Дополнительно
Австралия I 230 50  
Австрия C, F 230 50  
Азербайджан C 220 50  
Азорские о-ва C, F 220 50  
Албания C, F 220 50  
Алжир C, F
230
50  
Американское Самоа A, B, F, I 120 60  
Ангилья A, B 110 60  
Ангола C 220 50  
Андорра C, F 230 50  
Антигуа A, B 230 60 в аэропорту 110 В
Аомынь (Макао) D, M, G, редко F 220 50  
Аргентина C, I 220 50  
Армения C, F 220 50  
Аруба A, B, F 127 60 в Лаго 115 В
Афганистан C, D, F 240 50 напряжение неустойчиво
Багамские о-ва
A, B
120 60 в некоторых отдаленных регионах 50Гц
Балеарские о-ва C, F 220 50  
Бангладеш A, C, D, G, K 220 50  
Барбадос A, B 115 50  
Бахрейн G 230 50 в Авали 110 В, 60Гц
Белоруссия C 220 50  
Белиз A, B, G 110, 220 60  
Бельгия C, E 230 50  
Бенин C, E 220 50  
Бермудские о-ва A, B 120 60  
Болгария C, F 230 50  
Боливия A, C 220 50 в Ла-Пасе 115 В
Босния C, F 220 50  
Ботсвана D, G, M 231 50  
Бразилия A, B, C, I 127, 220 60  
Бруней G 240 50  
Буркина-Фасо C, E 220 50  
Бурунди C, E 220 50  
Бутан D, F, G, M 230 50  
Вануату I 230 50  
Великобритания(Англия, Британия, Объединенное Королевство) G, редко D и M 230 50 ранее 240 В; иногда дополнительно низковольтная (110-115 В) розетка в ванной, похожая на тип C
Венесуэла A, B 120 60 также возможно 220 в с типом G для питания кондиционеров и т. п.
Венгрия C, F 230 50 ранее 220 В
Восточный Тимор C, E, F, I 220 50  
Вьетнам A, C 220 50 тип A — в Южном Вьетнаме, тип C — в Северном. В дорогих отелях также применяется тип G
Габон C 220 50  
Гаити A, B 110 60  
Гайана A, B, D, G 240 60  
Гамбия G 230 50  
Гана D, G 230 50  
Германия C, F 230 50 ранее 220 В; тип C давно не устанавливается
Гваделупа C, D, E 230 50  
Гватемала A, B 120 60  
Гвинея C, F, K 220 50  
Гвинея-Бисау C 220 50  
Гибралтар G, K 240 50 тип K только в Европорте
Гондурас A, B 110 60  
Гонконг G, M, D 220 50  
Гренада G 230 50  
Гренландия C, K 220 50  
Греция C, F 230 50 ранее 220 В
Гуам A, B 110 60  
Дания C, K, E 230 50 тип E добавляется с июля 2008 г.
Джибути C, E 220 50  
Доминика D, G 230 50  
Доминиканская Республика A, B 110 60  
Египет C 220 50  
Замбия C, D, G 230 50  
Западный Самоа I 230 50  
Зимбабве D, G 220 50  
Израиль C, H, M 230 50 в типе H плоские штырьки сменены круглыми; большинство новых розеток принимает вилки как H, так и C
Индия C, D, M 230 50  
Индонезия C, F, реже G 127, 230 50  
Иордания B, C, D, F, G, J 230 50  
Ирак C, D, G 230 50  
Иран F, реже C 220 50  
Ирландия D, F, G, M 230 50 ранее 220 В; иногда дополнительно 110 В
Исландия C, F 230 50  
Испания C, F 230 50 ранее 220 В
Италия C, F, L 230 50 ранее 220 В
Йемен A, D, G 230 50  
Кабо-Верде (о-ва Зеленого Мыса) C, F 220 50  
Казахстан C, F 220 50  
Каймановы о-ва A, B 120 60  
Камбоджа A, C, G 230 50  
Камерун C, E 220 50  
Канада A, B 120 60 иногда дополнительно 240 В
Канарские о-ва C, E, F, L 220 50  
Катар D, G 240 50  
Кения G 240 50  
Кипр G 240 50  
Киргизия C 220 50  
Кирибати I 240 50  
Китай (материковый) A, C, I 220 50  
КНДР C 220 50  
Колумбия A, B 120 60 иногда дополнительно 240 В
Коморские о-ва C, E 220 50  
Демократическая Республика Конго (Киншаса) C, D 220 50  
Республика Конго (Браззавиль) C, E 230 50  
Корея (Южная) A, B, C, F 220,110 60 типы A и B используются при напряжении 110 В (пережиток японской колонии) в старых сооружениях
Коста-Рика A, B 120 60  
Кот-д’Ивуар (Берег Слоновой Кости) C, E 230 50  
Куба A, B 110 60  
Кувейт C, G 240 50  
Лаос A, B, C, E, F 230 50  
Латвия C, F 220 50  
Лесото M 220 50  
Либерия A, B, C, E, F 120, 240 50 раньше 60 Гц, в частных электрических сетях возможно сохранение частоты 60 Гц, типы A и B используются при напряжении 110-120 В
Ливан A, B, C, D, G 110, 200 50  
Ливия D, L 127 50 в отдельных городах 230 В
Литва C, F 230 50 ранее 220 В
Лихтенштейн C, J 230 50  
Люксембург C, F 230 50 ранее 220 В
Маврикий C, G 230 50  
Мавритания C 220 50  
Мадагаскар C, D, E, J, K 127, 220 50  
Мадейра C, F 220 50  
Македония C, F 220 50  
Малави G 230 50  
Малайзия G, редко M, C 240 50 тип M используют для подключения кондиционеров, сушилок и пр. C — дя аудио-видеотехники
Мали C, E 220 50  
Мальдивы A, D, G, J, K, L 230 50  
Мальта G 230 50  
Марокко C, E 127, 220 50 продолжается переход на 220 В
Мартиника C, D, E 220 50  
Мексика A, B 120 60  
Микронезия (Федеративные Штаты Микронезии, Яп, Чуук, Понпеи и Косрае) A, B 120 60  
Мозамбик C, F, M 220 50 тип M используют у границы с ЮАР, в т. ч. в столицце, Мапуту
Монако C, D, E, F 127, 220 50  
Молдавия C, F 220-230 50  
Монголия C, E 230 50  
Монсеррат A, B 230 60  
Мьянма (Бирма) C, D, F, G 230 50 тип G используется только в дорогих отелях
Намибия D, M 220 50  
Науру I 240 50  
Непал C, D, M 230 50  
Нигер A, B, C, D, E, F 220 50  
Нигерия D, G 240 50  
Нидерландские Антильские о-ва A, B, F 127, 220 50  
Нидерланды(Голландия) C, F 230 50 ранее 220 В
Никарагуа A, B 120 60  
Новая Зеландия I 230 50  
Новая Каледония E 220 50  
Норвегия C, F 230 50  
Нормандские острова C, G 230 50  
ОАЭ C, D, G 220 50  
Окинава A, B 100 60 на военных объектах 120 В
Оман C, G 240 50  
О. Мэн C, G 240 50  
О-ва Кука I 240 50  
Пакистан C, D, M, редко G 230 50 тип M используется длф подключения кондиционеров и пр.
Панама A, B 110 60  
Папуа-Новая Гвинея I 240 50  
Парагвай C 220 50  
Перу A, B, C 220 60 в Таларе также 110 В, в Арекипе 50Гц
Польша C, E 230 50  
Португалия C, F 220 50  
Пуэрто-Рико A, B 120 60  
Реюньон E 220 50  
Россия C, F 220 50 На всей территории бывшего СССР, а также в нек. странах Восточной Европы распространены советские розетки по ГОСТ — подобны типу C, но диаметр штырьков вилки снижен с 4,8 до 4 мм; в результате «евровилка» может не влезть в гнезда «советской» розетки, а контакт «советской» вилки с «евророзеткой» может быть очень ненадежным; промышленный стандарт питания — трехфазная сеть 380 В, 50 Гц
Руанда C, J 230 50  
Румыния C, F 230 50 ранее 220 В, местами сохранились розетки советского стандарта (ГОСТ), см. примечание к России
Сальвадор A, B 115 60  
Сан-Томе и Принсипи C, F 220 50  
Санта-Лючия G 240 50  
Сейшельские о-ва G 240 50  
Саудовская Аравия A, B, F, G 127, 220 60  
Сектор Газа C, H, M 230 50  
Сенегал C, D, E, K 230 50  
Сент-Винсент и Гренадины A, C, E, G, I, K 230 50  
Сербия C, F 220 50  
Сингапур G, M, A, C 230 50 типы A и C используются для подключения аудио-видеотехники, тип M — для кондиционеров, сушилок и т. д.; в отелях широко распространены различные адаптеры
Сирия C, E, L 220 50  
Словакия C, E 230 50  
Словения C, F 230 50  
Сомали C 220 50  
Судан C, D 230 50  
Суринам C, F 127 60  
США A, B 120 60  
Сьерра-Леоне D, G 230 50  
Таджикистан C, I 220 50  
Таиланд A, B, C 220 50  
Тайвань A, B 110, 220 60 220 В используется для питания кондиционеров и т. п.
Танзания D, G 230 50  
Того C 220 50 в Ломе 127 В
Тонга I 240 50  
Тринидад и Тобаго A, B 115 60  
Тунис C, E 230 50  
Туркменистан (Туркмения) B, F 220 50  
Турция C, F 230 50  
Уганда G 240 50  
Узбекистан C, F 220 50  
Украина C, F 220 50  
Уругвай C, F, I, L 230 50 ранее 220 В
Фарерские о-ва C, K 220 50  
Фиджи I 240 50  
Филиппины A, редко B 220 60 в некторорых регионах, например, в Багио 110 В
Финляндия C, F 230 50  
Фолклендские о-ва G 240 50  
Франция C, E 230 50 ранее 220 В; тип C запрещен к установке более 10 лет
Французская Гвиана C, D, E 220 50  
Французская Полинезия(Таити) A, B, E 110, 220 60 , 50  
Хорватия C, F 230 50  
Центральноафриканская Республика C, E 220 50  
Чад D, E, F 220 50  
Черногория C, F 220 50  
Чехия C, E 230 50  
Чили C, L 220 50  
Швейцария C, J 230 50  
Швеция C, F 230 50  
Шри-Ланка (Цейлон) D, M, G 230 50 в новых домах и дорогих отелях чаще тип G
Эквадор A, B 120 60  
Экваториальная Гвинея C, E 220 50  
Эритрея C 230 50  
Эстония C, F 230 50  
Эфиопия C, E, F, L 220 50  
ЮАР M 220 50 в некоторых городах 250 В
Ямайка A, B 110 50  
Япония A, B 100 50 , 60 50 Гц в Восточной Японии (Токио, Саппоро, Йокогама, Сэндай), 60 Гц — в Западной (Окинава, Осака, Киото, Кобэ, Нагоя, Хиросима)
  • 24. 02.21 — Исп. директор АТОР Майя Ломидзе приняла участие в деловом форуме по развитию индустрии гостеприимства в Камчатском крае «Дальний Восток — зима открытий»
  • 19.02.21 — Исп. директор АТОР М. Ломидзе приняла участие в онлайн заседании Совета по стратегическому развитию Республики Алтай по вопросу: «Развитие туризма»
  • 18.02.21 — Исп. директор АТОР приняла участие в онлайн совещании Ростуризма по развитию маршрута «Золотое Кольцо»

АО «Системный оператор Единой энергетической системы»

Частота электрического тока является одним из показателей качества электрической энергии и важнейшим параметром режима энергосистемы. Значение частоты показывает текущее состояние баланса генерируемой и потребляемой активной мощности в энергосистеме. Работа Единой энергосистемы России планируется для номинальной частоты – 50 герц (Гц). Непрерывность производства электроэнергии, отсутствие возможности запасать энергию в промышленных масштабах и постоянное изменение объемов потребления требуют настолько же непрерывного контроля за соответствием количества произведенной и потребленной электроэнергии. Показателем, характеризующим точность этого соответствия, является частота.

При ведении режима ЕЭС, постоянно возникают колебания баланса мощности в основном из-за нестабильности потребления, а также (гораздо реже) при отключениях генерирующего оборудования, линий электропередачи и других элементов энергосистемы. Указанные отклонения баланса мощности приводят к отклонениям частоты от номинального уровня.

Повышенный уровень частоты в энергосистеме относительно номинальной означает избыток генерируемой активной мощности относительно потребления энергосистемы, и наоборот, пониженный уровень частоты означает недостаток генерируемой активной мощности относительно потребления.

Таким образом, регулирование режима энергосистемы по частоте заключается в постоянном поддержании планового баланса мощности путем ручного или автоматического (а чаще и того, и другого одновременно) изменения нагрузки генераторов электростанций таким образом, чтобы частота все время оставалась близкой к номинальной. При аварийных ситуациях, когда резервов генерирующего оборудования электростанций недостаточно, для восстановления допустимого уровня частоты, может применяться ограничение нагрузки потребителей.

Регулирование частоты электрического тока в ЕЭС России осуществляется в соответствии с требованиями,  установленными Стандартом ОАО «СО ЕЭС»  СТО 59012820.27.100.003-2012 «Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС России. Нормы и требования» (в редакции от 31.01.2017) и национальным стандартом Российской Федерации ГОСТ Р 55890-2013 «Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Регулирование частоты и перетоков активной мощности. Нормы и требования» (далее – Стандарты).

Согласно указанным Стандартам, в первой синхронной зоне ЕЭС России должно быть обеспечено поддержание усредненных на 20-секундном временном интервале значений частоты в пределах (50,00±0,05) Гц при допустимости нахождения значений частоты в пределах (50,0±0,2) Гц с восстановлением частоты до уровня (50,00±0,05) Гц за время не более 15 минут.  Высокие требования к поддержанию частоты обусловлены необходимостью согласования отклонений частоты с планируемыми запасами пропускной способности контролируемых сечений ЕЭС в нормальных условиях. Для ЕЭС России, характеризующейся протяженными межсистемными связями, входящими в контролируемые сечения, более жесткие нормативы по поддержанию частоты и, соответственно, баланса мощности, позволяют максимально использовать пропускную способность этих связей.

Все вращающиеся механизмы в синхронно работающих частях энергосистемы (турбины, генераторы, двигатели и т.д.) имеют номинальные проектные обороты, пропорциональные номинальной частоте в сети. Известно, что номинальный режим работы всех вращающихся механизмов является наиболее эффективным с точки зрения их экономичности, надежности и долговечности. Отклонение от номинальных оборотов вращения приводит к нежелательным эффектам в работе оборудования электростанций и потребителей (возникновение повышенных вибраций, износа и т.д.), снижению их экономичности и надежности. Для разного оборудования существуют предельно допустимые отклонения частоты от номинальной. Поддержание частоты на уровне близком к номинальному обеспечивает максимальную экономичность работы энергетического оборудования и максимальный запас надежности работы энергосистем.

Максимальная частота переменного тока. Основные параметры переменного тока

В данной статье поговорим о параметрах переменного тока. Например, всем привычная бытовая розетка является источником переменного тока и переменной ЭДС.

Изменение ЭДС и изменение тока линейной нагрузки, подключенной к такому источнику, будет происходить по синусоидальному закону. При этом переменные ЭДС, переменные напряжения и токи, можно характеризовать основными четырьмя их параметрами:

Есть и вспомогательные параметры:

    угловая частота;

    фаза;

    мгновенное значение.

Периодом Т переменного тока называется промежуток времени, за который ток или напряжение совершает один полный цикл изменений.

Поскольку источником переменного тока является генератор, то период связан со скоростью вращения его ротора, и чем выше скорость вращения витка или ротора генератора, тем меньшим оказывается период генерируемой переменной ЭДС, и, соответственно, переменного тока нагрузки.

Период измеряется в секундах, миллисекундах, микросекундах, наносекундах, в зависимости от конкретной ситуации, в которой данный ток рассматривается. На вышеприведенном рисунке видно, как напряжение U с течением времени изменяется, имея при этом постоянный характерный период Т.

Частота f является величиной обратной периоду, и численно равна количеству периодов изменения тока или ЭДС за 1 секунду. То есть f = 1/Т. Единица измерения частоты — герц (Гц), названная в честь немецкого физика Генриха Герца, внесшего в 19 веке немалый вклад в развитие электродинамики. Чем меньше период, тем выше частота изменения ЭДС или тока.

Сегодня в России стандартной частотой переменного тока в электрических сетях является 50 Гц, то есть за 1 секунду происходит 50 колебаний сетевого напряжения.

В других областях электродинамики используются и более высокие частоты, например 20 кГц и более — в современных инверторах, и до единиц МГц в более узких сферах электродинамики. На приведенном выше рисунке видно, что за одну секунду происходит 50 полных колебаний, каждое из которых длится 0,02 секунды, и 1/0,02 = 50.

По графикам изменения синусоидального переменного тока с течением времени видно, что токи различной частоты содержат разное количество периодов на одном и том же отрезке времени.

За один период фаза синусоидальной ЭДС или синусоидального тока изменяется на 2пи радиан или на 360°, поэтому угловая частота переменного синусоидального тока равна:

Под термином «фаза» понимают стадию развития процесса, и в данном случае, применительно к переменным токам и напряжениям синусоидальной формы, фазой называют состояние переменного тока в определенный момент времени.

На рисунках можно видеть: совпадение напряжения U1 и тока I1 по фазе, напряжения U1 и U2 в противофазе, а также сдвиг по фазе между током I1 и напряжением U2. Сдвиг по фазе φ измеряется в радианах, долях периода, в градусах. Так, сдвиг по фазе между током I1 и напряжением U2 равен φ = π радиан, как и между напряжением U1 и напряжением U2.

Амплитуда Uм и Iм

Говоря о величине синусоидального переменного тока или синусоидальной переменной ЭДС, наибольшее значение ЭДС или тока называют амплитудой или амплитудным (максимальным) значением.

Наибольшее значение величины, совершающей гармонические колебания (например, максимальное значение силы тока в переменном токе, отклонение колеблющегося маятника от положения равновесия), наибольшее отклонение колеблющейся величины от некоторого значения, условно принятого за начальное нулевое.

Если речь о генераторе переменного тока, то ЭДС на его выводах дважды за период достигает амплитудного значения, первое из которых +Eм, второе -Eм, соответственно во время положительного и отрицательного полупериодов. Аналогичным образом ведет себя и ток I, и обозначается соответственно Iм.

Мгновенное значение u и i

Значение ЭДС или тока в конкретный текущий момент времени называется мгновенным значением, они обозначаются маленькими буквами u и i. Но поскольку эти значения все время меняются, то судить о переменных токах и ЭДС по ним неудобно.

Действующие значения I, E и U

Способность переменного тока к совершению какой-нибудь полезной работы, например механически вращать ротор двигателя или производить тепло на нагревательном приборе, удобно оценивать по действующим значениям ЭДС и токов.

Так, называется значение такого постоянного тока, который при прохождении по проводнику в течение одного периода рассматриваемого переменного тока, производит такую же механическую работу или такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.

Действующие значения напряжений, ЭДС и токов обозначают заглавными буквами I, E и U. Для синусоидального переменного тока и для синусоидального переменного напряжения действующие значения равны:

Действующее значение тока и напряжения удобно практически использовать для описания электрических сетей. Например значение в 220-240 вольт — это действующее значение напряжения в современных бытовых розетках, а амплитуда гораздо выше — от 311 до 339 вольт.

Так же и с током, например когда говорят, что по бытовому нагревательному прибору протекает ток в 8 ампер, это значит действующее значение, в то время как амплитуда составляет 11,3 ампер.

Так или иначе, механическая работа и электрическая энергия в электроустановках пропорциональны действующим значениям напряжений и токов. Значительная часть измерительных приборов показывает именно действующие значения напряжений и токов.

Переменный и его применение в медицине.

  1. Переменный ток, его виды и основные характеристики.

Переменный ток – это такой ток, направление и числовое значение которого меняются с течением времени (знакопеременный ток).

Примечание: не оговаривается форма кривой тока, периодичность, длительность его изменения.

На практике под переменным током чаще всего подразумевают периодический переменный ток.

Физическая сущность переменного тока сводиться к колебаниям электрических зарядов в среде (проводнике или диэлектрике).

Виды тока:

    Ток проводимости.

    Ток смещения.

Ток проводимости – это такой ток, который обусловлен колебаниями электронов и ионов в среде.

Ток смещения – это ток, который обусловлен смещением электрических зарядов на границе «проводник – диэлектрик» (например, ток через конденсатор).

Ток смещения связан с изменением во времени электрического поля на границе проводник – диэлектрик и имеет особенности:

    Амплитуда тока смещения и его направления совпадают по фазе с таковыми тока проводимости.

    По значению он всегда равен току проводимости.

Частным случаем тока смещения является ток поляризации. Ток поляризации – это ток смещению не в вакууме, а в материальной диэлектрической среде.

Сумма токов смещения и поляризации составляет полный ток смещения.

В медицинской практике применяются следующие виды токов по форме кривой тока:


Самым простым является периодический синусоидальный ток. Он легко описывается математически и графически, форма его не искажается в электрических цепях с R, C, L элементами.

Основные характеристики переменного тока.

    Период – время одного цикла изменения тока по направлению и числовому значению (T, c).

    Частота – это число циклов изменения тока в единицу времени.

 =1/Т (величина обратная периоду с -1 , Гц)

    Круговая частота ( , 2 /Т радиан/с)

    Фаза ( ) – это величина, определяющая во времени взаимоотношение тока и напряжения в электрической цепи.

    Мгновенное значение тока и напряжения — значение этих величин в данный момент времени (i, u).

    Амплитудное значение тока и напряжения – это максимальное за полупериод значение этих величин (I m , U m).

    Среднеквадратическое (действующее, эффективное) значение тока и напряжения — вычисляется как положительный квадратный корень из среднего значению квадрата напряжения или тока по формулам.

I =  I 2 cp

U =  U 2 cp

Среднее значение (U ср ) за период (постоянная составляющая) – это среднее арифметическое мгновенных значений ток или напряжения за период.

На практике среднеквадратическое значение определяется по эффективному (действующему) значению. (I cp , U cp), которое для синусоидального тока вычисляется по формулам:

I эф = I = 0,707 I m

U эф = U = 0,707 U m

В отдельных случаях медицинского применения электрического тока приходиться учитывать и другие характеристики (например, коэффициент амплитуды К а, и коэффициент формы К ф).

Для практики имеют значения следующие формулы связи характеристик:

i(u) ≤I m (U m)

I эф = I = I m / 2 =0,707 I m I m = 1,41 I эф

U эф = U= U m / 2 =0,707 U m U m = 1,41 U эф

2. Цепи переменного тока с активным сопротивлением, индуктивностью, емкостью и их особенности.

Электрическая цепь — это реальная или мыслимая совокупность физических элементов, передающих электрическую энергию от одной точки пространства к другой.

Физическими элементами электрических цепей являются проводники, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Элементы цепи являются и элементами её связи, и, кроме того, реализуют соответствующие свойства сопротивления, емкости и индуктивности.

Виды электрических цепей:

Простые цепи содержат только единичные R, C, L – элементы, а сложные имеют их в различных количествах и сочетаниях.

Общей особенностью элементов электрической цепи является то, что при прохождении переменного тока они оказывают сопротивление, которое называется активным (R), индуктивным (X l), емкостным (X c).

Особенности простых идеальных цепей.

Цепь, состоящая из генератора тока и идеального резистора, называется простой цепью с активным сопротивлением.

Условию идеальности цепи :

    Активное сопротивление не равно нулю,

    индуктивность и ёмкость его равны нулю.

R  0

C r = 0 ~ R

Особенности:


    Нет сдвига фаз ( ) между током и напряжением.

Это значит, что ток и напряжение одновременно проходят свои максимальные (амплитудные) и нулевые значения.


    На R – элементе происходят потери энергии в виде выделения тепла.

Цепь с индуктивностью – это электрическая цепь, состоящая из генератора переменного тока и идеального L – элемента- катушки индуктивности.

Условия идеальности цепи:

    Индуктивность катушки не равна нулю

    Её ёмкость и сопротивление равны нулю.

L  0

Особенности цепи:

X L =  L = 2 L

    В цепи есть сдвиг фаз между напряжением и током: V опережает I по фазе на угол  /2


    Индуктивное сопротивление не потребляет энергии, т.к. она запасается в магнитном поле катушки, а затем отдается в электрическую цепь. Поэтому индуктивное сопротивление называется кажущимся или мнимым.

Цепь с ёмкостью – это электрическая цепь, состоящая из генератора переменного тока и идеального C – элемента — конденсатора.

Условия идеальности цепи:

    Ёмкость конденсатора не равна нулю, а его активное сопротивление и индуктивность равны нулю. С  0, R С = 0, L C = 0.

Особенности цепи с ёмкостью:

1. Соблюдается закон Ома.

2. Ёмкость оказывает переменному току сопротивление, которое называется ёмкостным. Оно обозначается X с и уменьшается с увеличением частоты не линейно.

    В цепи есть сдвиг фаз между напряжением и током: V отстает от I по фазе на угол  /2



    Ёмкостное сопротивление не потребляет энергии, т.к. она запасается в электрическом поле конденсатора, а затем отдается в электрическую цепь. Поэтому ёмкостное сопротивление называется кажущимся или мнимым.

  1. Полная цепь переменного тока и её виды. Импеданс и его формула. Особенности импеданса живой ткани.

Полная цепь переменного тока — это цепь из генератора, а также R, C, и L элементов, взятых в разных сочетаниях и количествах.

Для разбора проходящих в электрических цепях процессов используют полные последовательные и параллельные цепи.

Последовательная цепь — это такая цепь, где все элементы могут быть соединены последовательно, один за другим.

В параллельной цепи R, C, L элементы соединены параллельно.

Особенности полной цепи:

    Соблюдается закон Ома

    Полная цепь оказывает переменному току сопротивление. Это сопротивление называется полным (мнимым, кажущимся) или импедансом.

    Импеданс зависит от сопротивления всех элементов цепи, обозначается Z и вычисляется не простым, а геометрическим (векторным) суммированием. Для последовательно соединенных элементов формула импеданса имеет следующее значение:

Z — импеданс последовательной цепи,

R — активное сопротивление,

X L – индуктивное и X C – ёмкостное сопротивление,

L — индуктивность катушки (генри),

C — ёмкость конденсатора (фарад).

Так как ёмкостное и индуктивное сопротивления дают для напряжения сдвиг фаз в противоположном направлении, возможен случай, когда X L = X C . При этом алгебраическая сумма модулей будет равна нулю, а импеданс – наименьшим.

Состояние, при котором в цепи переменного тока ёмкостное сопротивление равно индуктивному, называется резонансом напряжения. Частота, при которой X L = X C , называется резонансной частотой. Эту частоту  p можно определить по формуле Томсона:

  1. Особенности импеданса живой ткани и её эквивалентная электрическая схема.

При пропускании тока через живую ткань, её можно рассматривать как электрическую цепь, состоящую из определенных элементов.

Экспериментально установлено, что это цепь обладает свойствами активного сопротивления и ёмкости. Это доказывается выделением тепла и уменьшением полного сопротивления ткани с возрастанием частоты. Свойств индуктивности у живой ткани практически не обнаруживается. Таким образом, живая ткань представляет собой сложную, но не полную электрическую цепь.

Импеданс живой ткани можно рассматривать как для последовательного, так и для параллельного соединения её элементов.

При последовательном соединении токи через элементы равны, общее приложенное напряжение будет векторной суммой напряжений на R и C элементах и формула импеданса последовательной цепи будет иметь вид:

Z_ — импеданс последовательной цепи,

R — её активное сопротивление,

X C — ёмкостное сопротивление.

При параллельном соединении напряжения на R и C элементах равны, общий ток будет векторной суммой токов каждого элемента, а фомула импеданса будет следующей:

Теоретические формулы импеданса живой ткани при параллельном и последовательном соединении её элементов от экспериментальных отличаются следующим:

    При последовательной схеме соединения практические данные дают большие отклонения на низких частотах.

    При параллельной схеме эти измерения показывают конечное значение Z, хотя теоретически оно должно стремиться к нулю.

Эквивалентная электрическая схема живой ткани – э то условная модель, приближенно характеризующаяживую ткань, как проводник переменного тока.

Схема позволяет судить:

    Какими электрическими элементами обладает ткань

    Как соединены эти элементы.

    Как будут меняться свойства ткани при изменении частоты тока.

В основе схемы лежат три положения:

    Внеклеточная среда и содержимое клетки есть ионные проводники с активным сопротивлением среды Rср и клетки Rк.

    Клеточная мембрана есть диэлектрик, но не идеальный, а с небольшой ионной проводимостью, а, следовательно, и сопротивлением мембраны Rм.

    Внеклеточная среда и содержимое клетки, разделённые мембраной, являются конденсаторами См определенной ёмкости (0,1 – 3,0 мкФ/см 2).

Если в качестве модели живой ткани взять жидкую тканевую среду – кровь, содержащую только эритроциты, то при составлении эквивалентной схемы нужно учитывать пути электрического тока.

    В обход клетки, через внеклеточную среду.

    Через клетку.

Путь в обход клетки представлен только сопротивлением средыRср.

Путь через клетку сопротивлением содержимого клетки Rк, а также сопротивлением и ёмкостью мембраны.Rм, См.

Если заменить электрические характеристики соответствующими обозначениями, то получим эквивалентные схемы разной степени точности:



Схема Фрике (ионная проводимость не

учитывается).

Схема Швана (ионная проводимость учитывается в виде сопротивления мембраны)

Обозначения на схеме:

Rcp — активное сопротивление клеточной среды

Rk — Сопротивление клеточного содержимого

Cm — ёмкость мембраны

Rm — сопротивление мембраны.

Анализ схемы показывает, что при увеличении частоты тока проводимость клеточных мембран увеличивается, а полное сопротивление тканевой среды уменьшается, что соответствует практически проведенным измерениям.

5. Живая ткань как проводник переменного электрического тока. Дисперсия электропроводности и её количественная оценка.

Экспериментально установлены следующие особенности живой ткани как проводника переменного ток:

1. Сопротивление живой ткани переменном току меньше, чем постоянному.

2. Электрические характеристики ткани зависят как от её вида, так и от частоты тока.

3. С увеличением частоты полное сопротивление живой ткани нелинейно уменьшается до определенного значения, а затем остаётся практически постоянным (в большинстве на частотах свыше 10 6 Гц)

4. На определенной частоте полное сопротивление зависит также от физиологического состояния (кровенаполнения), что используется на практике. Исследование периферического кровообращения на основе измерения электрического сопротивления называются реография (импедансплетизмография).

5. При умирании живой ткани её сопротивление уменьшается и от частоты не зависит.

6. При прохождении переменного тока через живые ткани наблюдается явление, которое называется дисперсией электропроводности.

Дисперсия электропроводности — это явление зависимости полного (удельного) сопротивления живой ткани от частоты переменного тока.

Графики такой зависимости называют дисперсионными кривыми. Дисперсионные кривые строят в прямоугольной системе координат, где по вертикали откладывают значения полного (Z) или удельного сопротивления, а по горизонтали — частоту в логарифмическом масштабе (Lg  ).

Частотные зависимости по форме кривой для разных тканей сходный, но отличается значением сопротивления.

Имеется несколько диапазонов частот, на которых дисперсия особенно выражена. Один из них соответствует интервалу 10 2 -10 6 Гц

Особенности дисперсии:

1. Присуща только живым тканям.

2. Более выражена на частотах до 1 МГц.

3. На практике используется для оценки физиологического состояния и жизнеспособности тканей.

Количественно оценка дисперсии проводиться по коэффициенту дисперсии (К).

Коэффициент дисперсии это безразмерная величина, равная отношению низкочастотного (10 2) полного (или удельного) сопротивления к высокочастотному (10 6 Гц).

Z 1 – полное сопротивление на частоте 10 2 Гц

Z 2 – полное сопротивление на частоте 10 6 Гц

 1 ,  2 — удельное сопротивление на этих частотах

Значение коэффициента дисперсии зависит от вида ткани, её физиологического состояния, эволюционной стадии развития животного. Например, для печени животного К = 9 -10 единиц, а для печени лягушки 2 -3 единицы. При умирании ткани коэффициент дисперсии стремиться к единице.

Явление дисперсии связывают с наличием в живых тканях поляризации, которая с увеличением частоты меньше влияет на полное сопротивление. Поэтому коэффициент дисперсии часто называют коэффициентом поляризации.

Кроме частотных зависимостей в живых тканях отмечаются фазовые сдвиги между током и напряжением, которые тоже, но в меньшей степени, зависят от частоты.

Фазовые сдвиги тоже уменьшаются при умирании тканей и, в перспективе, могут быть использованы для практических целей.

Похожие рефераты:

Порядок определения степени проводимости электрической цепи по закону Кирхгофа. Комплекс действующего напряжения. Векторная диаграмма данной схемы. Активные, реактивные и полные проводимости цепи. Сущность законов Кирхгофа для цепей синусоидального тока.

Изучение процессов в электрической однофазной цепи с параллельным соединением приемников, содержащих индуктивные и емкостные элементы, при различном соотношении их параметров. Опытное определение условий достижения в данной цепи явления резонанса тока.

Расчет разветвленной цепи постоянного тока с одним или несколькими источниками энергии и разветвленной цепи синусоидального переменного тока. Построение векторной диаграммы по значениям токов и напряжений. Расчет трехфазной цепи переменного тока.

Вынужденными колебаниями называют такие колебания, которые вызываются действием на систему внешних сил, периодически изменяющихся с течением времени. В случае электромагнитных колебаний такой внешней силой является периодически изменяющаяся э.д.с. источника тока.

Влияние величины индуктивности катушки на электрические параметры цепи однофазного синусоидального напряжения, содержащей последовательно соединенные катушки индуктивности и конденсатор. Опытное определение условий возникновения резонанса напряжений.

Переменный ток , в отличие от , непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени.

Чтобы вызвать в цепи такой ток, используются источники переменного тока, создающие переменную ЭДС, периодически изменяющуюся по величине и направлению. Такие источники называются генераторами переменного тока.

На рис. 1 показана схема устройства (модель) простейшего .

Прямоугольная рамка, изготовленная из медной проволоки, укреплена на оси и при помощи ременной передачи вращается в поле . Концы рамки припаяны к медным контактным кольцам, которые, вращаясь вместе с рамкой, скользят по контактным пластинам (щеткам).

Рисунок 1. Схема простейшего генератора переменного тока

Убедимся в том, что такое устройство действительно является источником переменной ЭДС.

Предположим, что магнит создает между своими полюсами , т. е. такое, в котором плотность магнитных силовых линий в любой части поля одинаковая. вращаясь, рамка пересекает силовые линии магнитного поля, и в каждой из ее сторон а и б .

Стороны же в и г рамки — нерабочие, так как при вращении рамки они не пересекают силовых линий магнитного поля и, следовательно, не участвуют в создании ЭДС.

В любой момент времени ЭДС, возникающая в стороне а, противоположна по направлению ЭДС, возникающей в стороне б, но в рамке обе ЭДС действуют согласно и в сумме составляют обшую ЭДС, т. е. индуктируемую всей рамкой.

В этом нетрудно убедиться, если использовать для определения направления ЭДС известное нам правило правой руки .

Для этого надо ладонь правой руки расположить так, чтобы она была обращена в сторону северного полюса магнита, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения той стороны рамки, в которой мы хотим определить направление ЭДС. Тогда направление ЭДС в ней укажут вытянутые пальцы руки.

Для какого бы положения рамки мы ни определяли направление ЭДС в сторонах а и б, они всегда складываются и образуют общую ЭДС в рамке. При этом с каждым оборотом рамки направление общей ЭДС изменяется в ней на обратное, так как каждая из рабочих сторон рамки за один оборот проходит под разными полюсами магнита.

Величина ЭДС, индуктируемой в рамке, также изменяется, так как изменяется скорость, с которой стороны рамки пересекают силовые линии магнитного поля. Действительно, в то время, когда рамка подходит к своему вертикальному положению и проходит его, скорость пересечения силовых линий сторонами рамки бывает наибольшей, и в рамке индуктируется наибольшая ЭДС. В те моменты времени, когда рамка проходит свое горизонтальное положение, ее стороны как бы скользят вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их, и ЭДС не индуктируется.

Таким образом, при равномерном вращении рамки в ней будет индуктироваться ЭДС, периодически изменяющаяся как по величине, так и по направлению.

ЭДС, возникающую в рамке, можно измерить прибором и использовать для создания тока во внешней цепи.

Графическое изображение постоянного и переменного токов

Графический метод дает возможность наглядно представить процесс изменения той или иной переменной величины в зависимости от времени.

Построение графиков переменных величин, меняющихся с течением времени, начинают с построения двух взаимно перпендикулярных линий, называемых осями графика. Затем на горизонтальной оси в определенном масштабе откладывают отрезки времени, а на вертикальной, также в некотором масштабе, — значения той величины, график которой собираются построить (ЭДС, напряжения или тока).

На рис. 2 графически изображены постоянный и переменный токи . В данном случае мы откладываем значения тока, причем вверх по вертикали от точки пересечения осей О откладываются значения тока одного направления, которое принято называть положительным, а вниз от этой точки — противоположного направления, которое принято называть отрицательным.

Рисунок 2. Графическое изображение постоянного и переменного тока

Сама точка О служит одновременно началом отсчета значений тока (по вертикали вниз и вверх) и времени (по горизонтали вправо). Иначе говоря, этой точке соответствует нулевое значение тока и тот начальный момент времени, от которого мы намереваемся проследить, как в дальнейшем будет изменяться ток.

Убедимся в правильности построенного на рис. 2, а графика постоянного тока величиной 50 мА.

Так как этот ток постоянный, т. е. не меняющий с течением времени своей величины и направления, то различным моментам времени будут соответствовать одни и те же значения тока, т. е. 50 мА. Следовательно, в момент времени, равный нулю, т. е. в начальный момент нашего наблюдения за током, он будет равен 50 мА. Отложив по вертикальной оси вверх отрезок, равный значению тока 50 мА, мы получим первую точку нашего графика.

То же самое мы обязаны сделать и для следующего момента времени, соответствующего точке 1 на оси времени, т. е. отложить от этой точки вертикально вверх отрезок, также равный 50 мА. Конец отрезка определит нам вторую точку графика.

Проделав подобное построение для нескольких последующих моментов времени, мы получим ряд точек, соединение которых даст прямую линию, являющуюся графическим изображением постоянного тока величиной 50 мА.

Перейдем теперь к изучению графика переменной ЭДС . На рис. 3 в верхней части показана рамка, вращающаяся в магнитном поле, а внизу дано графическое изображение возникающей переменной ЭДС.

Рисунок 3. Построение графика переменной ЭДС

Начнем равномерно вращать рамку по часовой стрелке и проследим за ходом изменения в ней ЭДС, приняв за начальный момент горизонтальное положение рамки.

В этот начальный момент ЭДС будет равна нулю, так как стороны рамки не пересекают магнитных силовых линий. На графике это нулевое значение ЭДС, соответствующее моменту t = 0, изобразится точкой 1 .

При дальнейшем вращении рамки в ней начнет появляться ЭДС и будет возрастать по величине до тех пор, пока рамка не достигнет своего вертикального положения. На графике это возрастание ЭДС изобразится плавной поднимающейся вверх кривой, которая достигает своей вершины (точка 2).

По мере приближения рамки к горизонтальному положению ЭДС в ней будет убывать и упадет до нуля. На графике это изобразится спадающей плавной кривой.

Следовательно, за время, соответствующее половине оборота рамки, ЭДС в ней успела возрасти от нуля до наибольшей величины и вновь уменьшиться до нуля (точка 3).

При дальнейшем вращении рамки в ней вновь возникнет ЭДС и будет постепенно возрастать по величине, однако направление ее уже изменится на обратное, в чем можно убедиться, применив правило правой руки.

График учитывает изменение направления ЭДС тем, что кривая, изображающая ЭДС, пересекает ось времени и располагается теперь ниже этой оси. ЭДС возрастает опять-таки до тех пор, пока рамка не займет вертикальное положение.

Затем начнется убывание ЭДС, и величина ее станет равной нулю, когда рамка вернется в свое первоначальное положение, совершив один полный оборот. На графике это выразится тем, что кривая ЭДС, достигнув в обратном направлении своей вершины (точка 4), встретится затем с осью времени (точка 5)

На этом заканчивается один цикл изменения ЭДС, но если продолжать вращение рамки, тотчас же начинается второй цикл, в точности повторяющий первый, за которым, в свою очередь, последует третий, а потом четвертый, и так до тех пор, пока мы не остановим вращение рамки.

Таким образом, за каждый оборот рамки ЭДС, возникающая в ней, совершает полный цикл своего изменения.

Если же рамка будет замкнута на какую-либо внешнюю цепь, то по цепи потечет переменный ток, график которого будет по виду таким же, как и график ЭДС.

Полученная нами волнообразная кривая называется синусоидой , а ток, ЭДС или напряжение, изменяющиеся по такому закону, называются синусоидальными .

Сама кривая названа синусоидой потому, что она является графическим изображением переменной тригонометрической величины, называемой синусом.

Синусоидальный характер изменения тока — самый распространенный в электротехнике, поэтому, говоря о переменном токе, в большинстве случаев имеют в виду синусоидальный ток.

Для сравнения различных переменных токов (ЭДС и напряжений) существуют величины, характеризующие тот или иной ток. Они называются параметрами переменного тока .

Период, амплитуда и частота — параметры переменного тока

Переменный ток характеризуется двумя параметрами — периодом и амплитудо й, зная которые мы можем судить, какой это переменный ток, и построить график тока.


Рисунок 4. Кривая синусоидального тока

Промежуток времени, на протяжении которого совершается полный цикл изменения тока, называется периодом.

Период обозначается буквой Т и измеряется в секундах.

Промежуток времени, на протяжении которого совершается половина полного цикла изменения тока, называется полупериодом. Следовательно, период изменения тока (ЭДС или напряжения) состоит из двух полупериодов. Совершенно очевидно, что все периоды одного и того же переменного тока равны между собой.

Как видно из графика, в течение одного периода своего изменения ток достигает дважды максимального значения.

Максимальное значение переменного тока (ЭДС или напряжения) называется его амплитудой или амплитудным значением тока.

Im, Em и Um — общепринятые обозначения амплитуд тока, ЭДС и напряжения.

Мы прежде всего обратили внимание на , однако, как это видно из графика, существует бесчисленное множество промежуточных его значений, меньших амплитудного.

Значение переменного тока (ЭДС, напряжения), соответствующее любому выбранному моменту времени, называется его мгновенным значением.

i , е и u — общепринятые обозначения мгновенных значений тока, ЭДС и напряжения.

Мгновенное значение тока, как и амплитудное его значение, легко определить с помощью графика. Для этого из любой точки на горизонтальной оси, соответствующей интересующему нас моменту времени, проведем вертикальную линию до точки пересечения с кривой тока; полученный отрезок вертикальной прямой определит значение тока в данный момент, т. е. мгновенное его значение.

Очевидно, что мгновенное значение тока по истечении времени Т/2 от начальной точки графика будет равно нулю, а по истечении времени — T/4 его амплитудному значению. Ток также достигает своего амплитудного значения; но уже в обратном на правлении, по истечении времени, равного 3/4 Т.

Итак, график показывает, как с течением времени меняется ток в цепи, и что каждому моменту времени соответствует только одно определенное значение как величины, так и направления тока. При этом значение тока в данный момент времени в одной точке цепи будет точно таким же в любой другой точке этой цепи.

Число полных периодов, совершаемых током в 1 секунду, называется частотой переменного тока и обозначается латинской буквой f .

Чтобы определить частоту переменного тока, т. е. узнать, сколько периодов своего изменения ток совершил в течение 1 секунды , необходимо 1 секунду разделить на время одного периода f = 1/T . Зная частоту переменного тока, можно определить период: T = 1/f

Измеряется единицей, называемой герцем.

Если мы имеем переменный ток , частота изменения которого равна 1 герцу, то период такого тока будет равен 1 секунде. И, наоборот, если период изменения тока равен 1 секунде, то частота такого тока равна 1 герцу.

Итак, мы определили параметры переменного тока — период, амплитуду и частоту , — которые позволяют отличать друг от друга различные переменные токи, ЭДС и напряжения и строить, когда это необходимо, их графики.

При определении сопротивления различных цепей переменному току использовать еще одна вспомогательную величину, характеризующую переменный ток, так называемую угловую или круговую частоту .

Круговая частота обозначается буквой ω и связана с частотой f соотношениемω = 2π f

Поясним эту зависимость. При построении графика переменной ЭДС мы видели, что за время одного полного оборота рамки происходит полный цикл изменения ЭДС. Иначе говоря, для того чтобы рамке сделать один оборот, т. е. повернуться на 360°, необходимо время, равное одному периоду, т. е. Т секунд. Тогда за 1 секунду рамка совершает 360°/T оборота. Следовательно, 360°/T есть угол, на который поворачивается ра мка в 1 секунду, и выражает собой скор ость вращения рамки, которую принято называть угловой или круговой скоростью.

Но так как период Т связан с частотой f соотношением f=1/T, то и круговая скорость может быть выражена через частоту и будет равна ω = 360°f.

Итак, мы пришли к выводу, что ω = 360°f. Однако для удобства пользования круговой частотой при всевозможных расчетах угол 360°, соответствующий одному обороту, заменяют его радиальным выражением, равным 2π радиан, где π =3,14. Таким образом, окончательно получим ω = 2π f. Следовательно, чтобы определить круговую частоту переменного тока (), надо частоту в герцах умножить на постоянное число 6,28.

Род и частота тока

Непосредственным физическим фактором поражения при электротравмах является электрический ток через тело человека. Сопротивление тела человека и приложенное к нему напряжение сказываются лишь в той мере, в какой они изменяют величину тока.

Токи различного рода неодинаково опасны (при прочих равных условиях) для организма. Наиболее опасным следует считать переменный ток промышленной частоты 50 – 60 Гц. Он сильно воздействует на центральную нервную систему и производит сильные сокращения мышц, которые во многих случаях удерживают человека в контакте с частями, находящимися под напряжением, лишая возможности самостоятельно освободится от ТВЧ.

По этому вопросу существует несколько теорий, но ни одна из них не отвечает высоким требованиям современной физиологической науки. Однако, грубо в приближенной форме можно объяснить это явление.

При прикосновении к ТВЧ, находящимся под напряжением, в живой клетке происходит расщепление внутриклеточного вещества на ионы, которые устремляются к внешним оболочкам клеток.

При частоте 50 Гц и близких к ней скорость ионов оказывается достаточной, чтобы за период изменения тока, пройти длину клетки. Это соответствует наибольшему возмущению в клетке и нарушению биохимических процессов в ней.

Дальнейшее повышение частоты, несмотря на рост тока, проходящего через человека, сопровождается снижением опасности поражения, которая полностью исчезает при частоте 450 – 500 кГц.

Токи частотой 450 – 500 кГц и более не могут вызвать смертельного поражения вследствие прекращения работы сердца или легких, а также других жизненно важных органов.

Правда, эти токи сохраняют опасность ожогов, как при возникновении электрической дуги, так и при прохождении их непосредственно через тело человека.

Постоянный ток примерно в 4 – 5 раз безопаснее переменного частотой 50 Гц. Проходя через тело человека, он вызывает более слабые сокращения мышц и менее неприятные ощущения по сравнению с переменным током того же значения. Лишь в момент замыкания и размыкания цепи тока человек испытывает кратковременное болезненное ощущение вследствие внезапного судорожного сокращения мышц, подобное тому, которое возникает при переменном токе примерно того же значения.

Сказанное о сравнительной опасности постоянного и переменного токов справедливо лишь для напряжений до 500 В. Считается, что при более высоких напряжениях постоянный ток становится опаснее переменного частотой 50 Гц.

Степень отрицательного воздействия тока на организм человека увеличивается так же и с ростом тока. На плак.23.4 представлена характеристика физиологического действия тока в зависимости от его величины.

Условно различают три степени воздействия электрического тока на организм человека и три его пороговых значения: ощутимый неотпускающий и фибрилляционный.

Ток, мА

Характер воздействия

Переменный ток частотой 50 – 60 Гц

Постоянный ток

0,6 – 1,5

Начало ощущения, легкое дрожание рук

Не ощущается

2 – 3

Сильное дрожание пальцев рук

Не ощущается

5 – 7

Судороги в руках

Зуд ощущение нагрева

8 – 10

Руки с трудом но можно оторвать от электродов. Сильные боли в пальцах кистях рук

Усиление ощущения нагрева

20 – 25

Руки парализуются мгновенно оторваться от электродов невозможно. Сильные боли затрудняется дыхание

Еще большее усиление ощущения нагрева. Незначительные сокращения мышц рук

50 – 80

Паралич дыхания. Начало трепетания желудочков сердца

Сильное ощущения нагрева. Сокращения мышц рук судорога. Затруднение дыхания

90 – 100

Паралич дыхания. При длительности 3 с и более – паралич сердца трепетание желудочков

Паралич дыхания

3000 и более

Паралич дыхания и сердца при воздействии дольше 01 с. Разрушение тканей тела теплом тока

Нет сведений

Плакат 23.4. Характеристика физиологического воздействия тока

в зависимости от его величины

Ощутимый ток – это такой ток, который вызывает при прохождении через человека ощутимые раздражения. Человек начинает ощущать воздействие проходящего через него переменного тока частотой 50 Гц значением 0,5 – 1,5 мА и постоянного тока значением 5 – 7 мА. Это воздействие ограничивается при переменном токе слабым зудом и легким покалыванием, а при постоянном токе – ощущением нагрева кожи на участке, касающемся токоведущей части. Указанные значения тока являются граничными (пороговыми), с которых начинается область ощутимого воздействия.

Неотпускающий ток – это такой ток, который вызывает при прохождении через человека непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, в которой зажат проводник. Пороговым неотпускающим током называют наименьшее значение неотпускающего тока. Для переменного тока частотой 50 Гц оно составляет 10 – 15 мА. При этих значениях тока человек чувствует непереносимую боль, а судороги мышц руки оказываются настолько значительными, что он не в состоянии их преодолеть, т.е. не может разжать руку, в которой зажата ТВЧ. Для постоянного тока пороговое значение неотпускающего тока составляет 50 – 80 мА.

Фибрилляционный токэто такой ток, который при прохождении через тело человека вызывает фибрилляцию сердца.

Пороговым фибрилляционным током называют наименьшее значение фибрилляционного тока.

Фибрилляция (fibrillatio) – быстрое хаотическое сокращение многих отдельных мышечных волокон сердца, в результате которого сердце теряет способность к эффективным и синхронным сокращениям. Пораженный участок сердца после этого перестает нагнетать кровь. Фибрилляция может возникнуть независимо в предсердиях или желудочках сердца. Фибрилляция предсердий (atrial fibrillation) является типичной разновидностью аритмии; проявляется учащенным и неритмичным пульсом и сердцебиением. При фибрилляции желудочков (ventricular fibrillation) сердце перестает сокращаться. Чаще всего причиной такой фибрилляции является инфаркт миокарда.

Для переменного тока частотой 50 Гц фибрилляционным является ток от 100 мА до 5 А, пороговым – 100 мА. Для постоянного тока пороговым фибрилляционным током считается ток 300 мА, верхним пределом – 5 А. Следует подчеркнуть, что эти данные справедливы при условии длительного прохождения тока через человека (не менее 2 – 3 с) по пути «рука – рука» или «рука – ноги».

Ток больше 5 А как при постоянном напряжении, так и частотой 50 Гц фибрилляцию сердца, как правило, не вызывает. При протекании такого тока происходит немедленная остановка сердца, минуя состояние фибрилляции. Если воздействие тока было кратковременным (до 1 – 2 с) и не вызвало паралич сердца, то сердце, как правило, самостоятельно возобновляет нормальную деятельность. При большом токе, даже в случае кратковременного воздействия, наряду с остановкой сердца происходит и паралич дыхания. Причем после снятия напряжения дыхание, как правило, самостоятельно не восстанавливается, и требуется немедленная помощь пострадавшему в виде искусственного дыхания.

Интересные факты. Почему используется стандарт частоты тока в 50 Герц

В отрасли электроэнегетики, для того, чтобы передать и распределить электрический ток, используются одинаковые стандарты частоты, которые составляют 50 или 60 Гц. Это, действительно, отнюдь не случайно. Так, например, в нашей стране, СНГ и странах Европы используются единые правила: ток в 220-240 Вольт частотой 50 Гц. На американском континенте принят стандарт в 110-120 Вольт частотой 60 Гц. Откуда же берутся эти величины. Давайте разберемся.

История

Для начала, вспомним, как всё было. Еще во второй половине ХХ века многие ученые из разных стран активно изучали принцип работы электричества, получали практический опыт, каким образом его можно будет использовать в быту и производственной деятельности человека. Так, всем известный ученый-изобретатель Томас Эдисон сделал первую электрическую лампочку и открыл новый век – век электрификации. Это привело к строительству электростанций (в частности, сначала в США), где использовался постоянный ток.
Отметим, что первые лампочки светились электрическим разрядом, который горел на воздухе. Зажигание происходило между двумя угольными электродами, именно поэтому такие лампы назывались дуговыми. Начало было положено и именно благодаря этим шагам, ученые-экспериментаторы поняли, что если использовать ток в 45 вольт, то дуга становится более устойчивой, но при этом не такой безопасной. Чтобы получить безопасный вариант, использовался резистивный балласт, на котором в процессе эксплуатации лампочки падало приблизительно 20 Вольт.
Достаточно длительное время в обиходе применялось напряжение постоянного типа, величиной в 65 Вольт. Немного позже его повысили до 110 В, чтобы была возможность включить в сеть несколько (две) последовательно соединенных ламп.
Ученый Томас Эдисон уверенно считал, что именно постоянный ток лучше переменного. Его устройства – генераторы – какое-то время подавали в сеть именно такой ток. Как выяснилось, такой способ использования был очень затратным и невыгодным из-за необходимости применения большого количества проводниковой продукции, а также их трудоемкой прокладки. При этом, потеря электроэнергии в процессе передачи была колоссальной.
Позднее стали использовать систему постоянного тока — 3-х проводную в 220 Вольт, где были две параллельные линии по 110 В. Как выяснилось, экономически данный вариант электрификации не улучшил общего положения дел.
Никола Тесла уже через несколько лет представил миру свои уникальные работы, в частности, генератор переменного тока, что сработало в верном направлении и позволило, благодаря его же идеям, значительно снизить затратную часть при передаче электроэнергии. При этом, во много раз выросла эффективность её передачи, когда большое напряжение могло проходит без значительных потерь огромные расстояния. Как показала практика, переменный ток Теслы значительно превосходил по всем параметрам постоянный Эдисона.
Трансформаторы, состоящие из железа, на каждой из трех фаз понижают высокое напряжение до значения 127 В. Потребитель получает его в виде переменного тока. Генераторы переменного тока оснащены роторами, которые вращались с частотой более чем 3000 об/мин. Они приводились в движение водой или паром. Как результат, работающие лампы не мерцали, а значит и асинхронные двигатели могли качественно выполнять поставленную задачу (выполняя номинальные обороты). Трансформатор при этом повышал и понижал напряжение электричества до нужной величины.
На территории наших стран до середины 60-х годов ХХ столетия, напряжение в сетях было на уровне 127 Вольт. И уже позже, когда производственные мощности значительно выросли, данный показатель был поднят до привычного нам сегодня значения в 220 Вольт.
Ученый Долив-Добровольский, исследовавший переменный источник, предложил использовать для передачи электроэнергии, синусоидальный ток. Также он внес предложение применять частоту в 30-40Гц. Оптимальными для работы оборудования и приборов оказались 50 Гц на территории наших стран и Европы, а в США применяют частоту 60 Гц.
Двухполюстные генераторы переменного тока характеризуюся частотой вращения в 3000-3600 об/мин. Именно такая работа дает в результате частоты 50-60 Гц. Такие показатели нужны и для нормальной работы генератора.
Конечно, на сегодняшний день можно значительно увеличить частоту передачи электроэнергии. Это привело бы к очень большой экономии использования кабельно-проводниковой продукции. Однако, на всей планете инфраструктура выстроена и является приспособленной именно к этим, давно знакомым нам величинам, что касается любых генераторов тока на атомных электростанциях. Так что, вопрос глобального изменения системы передачи и дальнейшей коммутации электроэнергии относится больше к еще далекому будущему и сегодня ток 220 Вольт и 50 Гц является общепринятым стандартом.

Автор: МЕГА КАБЕЛЬ

Что такое частота? | Fluke

Частота переменного тока (ac) — это количество циклов в секунду в синусоидальной волне переменного тока. Частота — это скорость, с которой ток меняет направление в секунду. Он измеряется в герцах (Гц), международной единице измерения, где 1 герц равен 1 циклу в секунду.

  • Герц (Гц) = Один герц равен одному циклу в секунду.
  • Цикл = Одна полная волна переменного тока или напряжения.
  • Чередование = половина цикла.
  • Период = время, необходимое для создания одного полного цикла сигнала.

По сути, частота — это то, как часто что-то повторяется. В случае электрического тока частота — это количество раз, когда синусоидальная волна повторяет или завершает цикл от положительного к отрицательному.

Чем больше циклов происходит в секунду, тем выше частота.

Пример: Если переменный ток имеет частоту 3 Гц (см. Диаграмму ниже), это означает, что его форма волны повторяется 3 раза за 1 секунду.

Частота обычно используется для описания работы электрического оборудования. Ниже приведены некоторые распространенные диапазоны частот:

  • Частота сети питания (обычно 50 Гц или 60 Гц).
  • Преобразователи частоты, которые обычно используют несущую частоту 1–20 килогерц (кГц).
  • Диапазон звуковых частот: от 15 Гц до 20 кГц (диапазон человеческого слуха).
  • Радиочастота: 30-300 кГц.
  • Низкая частота: от 300 кГц до 3 мегагерц (МГц).
  • Средняя частота: 3-30 МГц.
  • Высокая частота: 30-300 МГц.

Цепи и оборудование часто предназначены для работы на фиксированной или переменной частоте. Оборудование, предназначенное для работы на фиксированной частоте, работает ненормально, если оно работает на частоте, отличной от указанной. Например, двигатель переменного тока, предназначенный для работы на частоте 60 Гц, работает медленнее, если частота падает ниже 60 Гц, и быстрее, если она превышает 60 Гц. Для двигателей переменного тока любое изменение частоты вызывает пропорциональное изменение скорости двигателя. Другой пример: уменьшение частоты на 5% приводит к снижению скорости двигателя на 5%.

Как измерить частоту

Цифровой мультиметр, который включает режим частотомера, может измерять частоту сигналов переменного тока, а также может предлагать следующее:

  • Запись MIN / MAX, что позволяет записывать измерения частоты в течение определенного периода или таким же образом записываются измерения напряжения, тока или сопротивления.
  • Автоматический диапазон, который автоматически выбирает частотный диапазон, кроме случаев, когда измеренное напряжение выходит за пределы диапазона измерения частоты.

Электросети различаются в зависимости от страны. В США сетка основана на высокостабильном 60-герцовом сигнале, то есть 60 циклов в секунду.

В США для электроснабжения домашних хозяйств используется однофазный источник питания переменного тока на 120 вольт. Мощность, измеренная в настенной розетке в доме в США, даст синусоидальные волны, колеблющиеся в пределах ± 170 вольт, при измерении истинного среднеквадратичного напряжения на уровне 120 вольт. Частота колебаний составит 60 циклов в секунду.

Hertz назван в честь немецкого физика Генриха Герца (1857–1894), который первым начал передавать и принимать радиоволны.Радиоволны распространяются с частотой один цикл в секунду (1 Гц). (Аналогично, часы отсчитывают 1 Гц.)

Ссылка: Принципы цифрового мультиметра, автор — Глен А. Мазур, American Technical Publishers.

Статьи по теме:

В индуктивной цепи, почему ток увеличивается, когда частота уменьшается?

Почему ток (I) уменьшается, когда увеличивается частота в индуктивной цепи и наоборот?

Еще один вопрос из серии вопросов и ответов интервью по электротехнике и электронике.

Объясните утверждение, что « В индуктивной цепи, почему ток в цепи увеличивается при уменьшении частоты ».

Связанные вопросы:

Объяснение:

Мы знаем, что в цепях постоянного тока:

I = V / R,

Но в случае цепей переменного тока:

I = V / Z

Где “ общее сопротивление цепей переменного тока = Импеданс = Z = √ (R 2 + (X L — X C 2 ) »

В случае индуктивной цепи:

  • Z = √ (R 2 + X L 2 )
  • I = V / X L или I = V / Z

Это показывает, что в индуктивной цепи ток обратно пропорционален индуктивности «L», а также индуктивному реактивное сопротивление «X L », поскольку индуктивность и индуктивное сопротивление прямо пропорциональны друг другу.

Давайте проверим на примере, как уменьшается ток при увеличении частоты в случае индуктивной цепи.

При частоте = 50 Гц

Предположим индуктивную цепь, где:

  • Напряжение = V = 3000 В
  • Индуктивность = L = 0,1 Генри
  • Сопротивление = R = 12 Ом
  • Частота = f = 50 Гц

Чтобы найти индуктивное сопротивление;

X L = 2π f L

X L = 2 x 3.1415 x 50 x 0,1

X L = 31,415 Ом

Импеданс цепи Now:

Z = √ (R 2 + X L 2 )

Z = √ (12 2 + 31,415 2 )

Z = 33,63 Ом

Наконец, ток в индуктивной цепи:

I = V / Z

I = 3000 В / 33,63 Ом

I = 89,20 A

Вопросы по теме:

При частоте = 60 Гц

Теперь мы увеличили частоту с 50 Гц до 60 Гц.

В = 3 кВ, R = 12 Ом, L = 0,1 Гн, f = 60 Гц.

X L = 2π f L = 2 x 3,1415 x 60 x 0,1 = 37,7 Ом

Z = √ (R 2 + X L 2 ) = √ (12 2 + 37,7 2 ) = 39,56 Ом

I = V / Z = 3 кВ / 39,56 Ом

I = 75,83 A

Вывод:

Мы видим, что, когда частота была 50 Гц , то ток в цепи был 89.20 A ,

Но когда частота цепи увеличилась с 50 Гц до 60 Гц , то ток уменьшился с 89,20 A до 75,83 A .

Следовательно, доказано,

В индуктивной цепи, когда частота увеличивается, ток цепи уменьшается, и наоборот.

f ∝ 1 / I

В устной или устной речи

  • Индуктивное реактивное сопротивление — это своего рода сопротивление. Когда сопротивление увеличивается, ток в цепи уменьшается, и наоборот.
  • Индуктивность прямо пропорциональна индуктивному сопротивлению и частоте.

L f и L X L

  • Ток обратно пропорционален индуктивности, индуктивному сопротивлению и сопротивлению.

I 1 / L и I 1 / X L и I 1 / Z

  • Импеданс прямо пропорционален индуктивному сопротивлению

Z X L

  • В индуктивной цепи частота обратно пропорциональна току

I 1/ f

Связанные вопросы / ответы:

сигналов переменного тока | Базовая теория переменного тока

Когда генератор переменного тока вырабатывает переменное напряжение, напряжение меняет полярность со временем, но делает это очень специфическим образом. На графике во времени «волна», отслеживаемая этим напряжением переменной полярности от генератора переменного тока, принимает отчетливую форму, известную как синусоида : Рисунок ниже

График изменения переменного напряжения во времени (синусоида).

На графике напряжения электромеханического генератора переменного тока изменение одной полярности на другую происходит плавно, при этом уровень напряжения изменяется наиболее быстро в нулевой точке («кроссовер») и наиболее медленно на пике.Если бы мы изобразили тригонометрическую функцию «синуса» в горизонтальном диапазоне от 0 до 360 градусов, мы бы обнаружили точно такую ​​же картину, как в таблице ниже.

Тригонометрическая функция «синус».

Угол (°) Sin (угол) Волна Угол (°) Sin (угол) Волна
0 0,0000 ноль 180 0.0000 ноль
15 0,2588 + 195 -0,2588
30 0,5000 + 210 -0,5000
45 0,7071 + 225 -0,7071
60 0,8660 + 240 -0,8660
75 0.9659 + 255 -0,9659
90 1,0000 + пик 270 -1,0000 — пик
105 0,9659 + 285 -0,9659
120 0,8660 + 300 -0,8660
135 0.7071 + 315 -0,7071
150 0,5000 + 330 -0,5000
165 0,2588 + 345 -0,2588
180 0,0000 ноль 360 0,0000 ноль

Причина, по которой электромеханический генератор переменного тока выдает синусоидальный переменный ток, связана с физикой его работы.Напряжение, создаваемое неподвижными катушками при движении вращающегося магнита, пропорционально скорости, с которой магнитный поток изменяется перпендикулярно катушкам (закон электромагнитной индукции Фарадея). Эта скорость максимальна, когда полюса магнита находятся ближе всего к катушкам, и меньше всего, когда полюса магнита находятся дальше всего от катушек. Математически скорость изменения магнитного потока из-за вращающегося магнита соответствует скорости изменения синусоиды, поэтому напряжение, создаваемое катушками, следует той же функции.

Период и частота

Если бы мы проследили за изменением напряжения, производимого катушкой в ​​генераторе переменного тока, от любой точки на графике синусоидальной волны до той точки, когда форма волны начинает повторяться, мы бы отметили ровно один цикл этой волны. Это легче всего показать, охватив расстояние между идентичными пиками, но его можно измерить между любыми соответствующими точками на графике. Отметки градусов на горизонтальной оси графика представляют область тригонометрической синусоидальной функции, а также угловое положение нашего простого двухполюсного вала генератора переменного тока при его вращении: Рисунок ниже

Напряжение генератора как функция положения вала (времени).

Так как горизонтальная ось этого графика может отмечать течение времени, а также положение вала в градусах, размер, отмеченный для одного цикла, часто измеряется в единицах времени, чаще всего в секундах или долях секунды. Когда это выражается как измерение, это часто называют периодом волны.

Период волны в градусах всегда равен 360, но время, которое занимает один период, зависит от скорости колебаний напряжения взад и вперед.

Более популярной мерой для описания частоты переменного напряжения или волны тока, чем период , является частота этих возвратно-поступательных колебаний. Это называется частотой . Современная единица измерения частоты — герцы (сокращенно Гц), которые представляют количество волновых циклов, завершенных за одну секунду времени.

В Соединенных Штатах Америки стандартная частота линии электропередачи составляет 60 Гц, что означает, что напряжение переменного тока колеблется с частотой 60 полных возвратно-поступательных циклов каждую секунду.В Европе, где частота энергосистемы составляет 50 Гц, напряжение переменного тока составляет только 50 циклов в секунду.

Передатчик радиостанции, вещающий на частоте 100 МГц, генерирует переменное напряжение, колеблющееся с частотой 100 миллионов циклов каждую секунду.

До канонизации единицы Герца частота выражалась просто как «количество циклов в секунду». В старых счетчиках и электронном оборудовании часто используются единицы измерения частоты «CPS» (циклов в секунду) вместо Гц.Многие люди считают, что переход от понятных единиц измерения, таких как CPS, на Hertz, представляет собой шаг назад в ясности.

Аналогичное изменение произошло, когда единица измерения «Цельсий» заменила «Цельсия» для метрического измерения температуры. Название «Цельсия» было основано на шкале из 100 единиц («Цельсия») («-градус»), представляющей точки плавления и кипения H 2 O соответственно.

Название Celsius, с другой стороны, не дает намеков на происхождение или значение единицы измерения.

Период и частота — математические величины, обратные друг другу. То есть, если волна имеет период 10 секунд, ее частота будет 0,1 Гц, или 1/10 цикла в секунду:

Использование осциллографа

Прибор, называемый осциллографом , рис. Ниже, используется для отображения изменения напряжения во времени на графическом экране. Возможно, вы знакомы с внешним видом аппарата ECG или EKG (электрокардиограф), который используется врачами для построения графика колебаний сердца пациента с течением времени.

ЭКГ — это специальный осциллограф, специально разработанный для медицинского использования. Осциллографы общего назначения могут отображать напряжение практически от любого источника напряжения в виде графика со временем в качестве независимой переменной.

Связь между периодом и частотой очень полезно знать при отображении формы волны переменного напряжения или тока на экране осциллографа. Измеряя период волны на горизонтальной оси экрана осциллографа и перемещая это значение времени (в секундах), вы можете определить частоту в герцах.

Период времени синусоидальной волны отображается на осциллографе.

Как концепция переменного тока связана со звуком?

Напряжение и ток — далеко не единственные физические переменные, которые могут изменяться во времени. Намного более обычным для нашего повседневного опыта является звук , который представляет собой не что иное, как чередующееся сжатие и декомпрессию (волны давления) молекул воздуха, воспринимаемое нашими ушами как физическое ощущение.Поскольку переменный ток — это волновое явление, он обладает многими свойствами других волновых явлений, например звука. По этой причине звук (особенно структурированная музыка) представляет собой отличную аналогию для связи концепций переменного тока.

В музыкальном плане частота соответствует высоте звука . Низкие ноты, такие как звуки тубы или фагота, состоят из относительно медленных (низкочастотных) колебаний молекул воздуха. Высокие ноты, такие как звуки флейты или свистка, состоят из того же типа вибраций в воздухе, только с гораздо большей скоростью (более высокой частотой).На рисунке ниже представлена ​​таблица, показывающая фактические частоты для ряда распространенных музыкальных нот.

Примечание Музыкальное обозначение Частота (в герцах)
А А 3 220,00
A-острый (или B-плоский) A # 3 или B 3 233,08
B В 3 246.94
C (средний) С 4 261,63
C-образный (или D плоский) C # 4 или D 4 277,18
D D 4 293,66
D-образный (или E плоский) D # 4 или E 4 311,13
E E 4 329.63
Ф Факс 4 349,23
F-острый (или G-плоский) F # 4 или G 4 369,99
G Г 4 392,00
G-острый (или A-плоский) G # 4 или A 4 412,30
А А 4 440.00
A-острый (или B-плоский) A # 4 или B 4 466,16
B В 4 493,88
С С 5

523,25

Проницательные наблюдатели заметят, что все примечания в таблице, имеющие одно и то же буквенное обозначение, связаны соотношением частот 2: 1.Например, первая показанная частота (обозначенная буквой «A») составляет 220 Гц. Следующая по высоте нота «А» имеет частоту 440 Гц — ровно в два раза больше циклов звуковой волны в секунду.

То же соотношение 2: 1 справедливо для первого ля-диеза (233,08 Гц) и следующего ля-диеза (466,16 Гц), а также для всех пар нот, указанных в таблице.

На слух, две ноты, чьи частоты точно вдвое превышают друг друга, звучат удивительно похоже. Это сходство в звуке признано музыкально, самый короткий промежуток музыкальной шкалы, разделяющий такие пары нот, называется октавой .Следуя этому правилу, следующая самая высокая нота «А» (на октаву выше 440 Гц) будет 880 Гц, следующая самая низкая «А» (на одну октаву ниже 220 Гц) будет 110 Гц.

Вид на клавиатуру фортепиано помогает представить масштаб в перспективе: Рисунок ниже

На музыкальной клавиатуре отображается октава.

Как видите, одна октава равна расстоянию семи белых клавиш на клавиатуре фортепиано. Знакомая музыкальная мнемоника (doe-ray-mee-fah-so-lah-tee) — да, тот же образец, увековеченный в причудливой песне Роджерса и Хаммерстайна, исполненной в The Sound of Music — охватывает одну октаву от C до C.

Другие формы чередующихся волн

Хотя электромеханические генераторы переменного тока и многие другие физические явления естественным образом создают синусоидальные волны, это не единственный существующий вид переменных волн. Другие «формы волны» переменного тока обычно производятся в электронных схемах. Вот лишь несколько примеров сигналов и их общие обозначения на рисунке ниже.

Некоторые распространенные формы волны (формы волны).

Эти формы сигналов никоим образом не являются единственными существующими формами сигналов.Это просто несколько достаточно обычных людей, которым были даны разные имена. Даже в схемах, которые должны проявлять «чистые» синусоидальные, квадратные, треугольные или пилообразные формы волны напряжения / тока, реальный результат часто является искаженной версией предполагаемой формы волны.

Некоторые формы волны настолько сложны, что не поддаются классификации как особый «тип» (включая формы волны, связанные со многими видами музыкальных инструментов). Вообще говоря, любая форма волны, имеющая близкое сходство с идеальной синусоидальной волной, называется синусоидальной , а все другие обозначены как несинусоидальная .

Поскольку форма волны переменного напряжения или тока имеет решающее значение для их воздействия в цепи, мы должны осознавать тот факт, что волны переменного тока бывают самых разных форм.

ОБЗОР:

  • Переменный ток, вырабатываемый электромеханическим генератором переменного тока, повторяет графическую форму синусоидальной волны.
  • Один цикл волны — это одна полная эволюция ее формы до момента, когда она готова повторить себя.
  • Период волны — это время, необходимое для завершения одного цикла.
  • Частота — это количество полных циклов, которые волна завершает за заданный промежуток времени. Обычно измеряется в Герцах (Гц), 1 Гц соответствует одному полному волновому циклу в секунду.
  • Частота = 1 / (период в секундах)

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Зачем нужна вся страна на одной частоте

Современный мир находится в изменчивой, шипящей паутине электричества. Согласно государственной статистике, в 2015 году Великобритания потребила около 303 тераватт-часов (ТВтч) электроэнергии.Вокруг гудит очень много энергии, и в этой стране мы считаем само собой разумеющимся, что электричество находится под контролем. Это означает, что источник питания, входящий в ваш дом или на работу, надежен и не сработает в блоке предохранителей. Короче говоря, это означает, что ваш мобильный телефон будет заряжаться, а стиральная машина — отжимать.

Но производство и циркуляция электричества на безопасном, пригодном для использования уровне — непростая задача. Одним из наиболее игнорируемых аспектов этого является электрическая частота и то, как она регулируется.

Что такое электрическая частота?

Чтобы понять важность частоты, нам нужно понять пару важных моментов, касающихся выработки электроэнергии. Генераторы работают за счет преобразования кинетической энергии вращающейся турбины в электрическую. В парогенераторах (например, на электростанции Drax) пар высокого давления вращает турбину, которая вращает ротор, установленный внутри статора. Медный провод намотан на ротор, заряженный электричеством, это превращает его в электромагнит с северным и южным полюсами.

Статор состоит из больших тяжелых медных стержней, которые окружают ротор. Когда ротор вращается, его магнитное поле проходит через медные шины и индуцирует электрический ток, который направляется в систему передачи.

Поскольку магнитное поле имеет северный и южный полюсы, медные стержни испытывают изменение направления магнитного поля при каждом повороте ротора. Это заставляет электрический ток менять направление дважды за оборот и называется переменным током (AC).Фактически, в статоре есть три набора медных шин, производящих три электрических выхода или фазы, называемых красным, желтым и синим.

Электрическая частота — это мера скорости этого колебания и измеряется в количестве изменений в секунду, также называемых герцами (Гц). Генератор с двумя магнитными полюсами, работающий на 3000 об / мин, вырабатывает электричество с частотой 50 Гц.

Почему это важно?

Поддержание постоянной электрической частоты важно, потому что несколько частот не могут работать вместе, не повредив оборудование.Это имеет серьезные последствия при предоставлении электроэнергии в национальном масштабе.

Точная цифра менее важна, чем необходимость поддерживать стабильную частоту во всех подключенных системах. В Великобритании частота сети составляет 50 Гц. В США это 60 Гц. В Японии западная половина страны работает с частотой 60 Гц, а восточная половина страны работает с частотой 50 Гц — цепочка электростанций в центре страны повышает и понижает частоту электричества, когда оно течет между ними. сетки.

Придерживаться одной национальной частоты — это командные усилия. Каждый генератор в Англии, Шотландии и Уэльсе, подключенный к системе передачи высокого напряжения, синхронизируется с каждым другим генератором.

Когда выходная мощность любой из трех фаз — красной, желтой или синей — находится на пике, выходная мощность всех других фаз того же цвета на всех остальных генерирующих установках в Великобритании также находится на пике. Все они соединены вместе — синхронизированы — для формирования единого однородного источника питания, обеспечивающего стабильность и гарантированное качество.

Как регулируется частота?

Проблема в том, что частоту трудно контролировать — если точное количество используемой электроэнергии не соответствует выработке, это может повлиять на частоту электричества в сети.

Например, если спрос на электроэнергию больше, чем предложения, частота упадет. Если питания будет слишком много, частота возрастет. Что еще более деликатно, здесь есть очень небольшая погрешность.В Великобритании все, что всего на 1% выше или ниже стандартных 50 Гц, может привести к повреждению оборудования и инфраструктуры. (Посмотрите, насколько частота в стране в настоящее время отклоняется от 50 Гц.)

Управление частотой электроснабжения возлагается на оператора системы передачи высокого напряжения страны (Национальная сеть в Великобритании). Grid может дать указание производителям энергии, таким как Drax, заставить их генерирующие агрегаты автоматически реагировать на изменения частоты. Если частота увеличивается, турбина снижает расход пара.Если он упадет, он увеличится, изменив электрическую мощность — изменение, которое должно произойти за секунды.

В случае энергоблоков на электростанции Drax, реакция начинается менее чем через секунду от начального отклонения частоты. Силы инерции во вращающемся генераторе помогают замедлить скорость изменения частоты, действуя как амортизаторы на подвеску автомобиля, что сводит к минимуму большие колебания частоты.

Частота в быстро меняющейся системе

Не все технологии производства электроэнергии подходят для обеспечения качественной частотной характеристики, и по мере того, как Великобритания переходит к экономике с низким содержанием углерода, вспомогательные услуги, такие как стабилизация частоты, становятся все более важными.

Ни солнце, ни ветер нельзя так легко контролировать. Можно регулировать мощность ветра вниз или сдерживать ветровые турбины, чтобы включить повышенную частотную характеристику при достаточном ветре.

Аналогичным образом солнечные панели можно включать и выключать для имитации частотной характеристики. Поскольку солнечные фермы так широко разбросаны и имеют тенденцию быть встроенными, то есть они работают за пределами национальной системы, National Grid не так просто инструктировать и контролировать их. И ветер, и солнце не обладают инерцией, поэтому также отсутствует важнейший эффект демпфирования.Использование этих технологий прерывистого или зависящего от погодных условий производства электроэнергии для управления частотой может быть дорогостоящим по сравнению с тепловыми электростанциями.

И нынешний парк ядерных реакторов не является гибким — ядерные реакторы в Великобритании были спроектированы для непрерывной работы при высоких нагрузках (известных как мощность базовой нагрузки). Хотя они не могут предоставлять услуги частотной характеристики, атомные электростанции страны инерционны.

В двадцать раз быстрее

Технологии выработки тепловой энергии, такие как возобновляемая биомасса или ископаемое топливо, такое как уголь и газ, идеально подходят для масштабных услуг частотной характеристики, поскольку их можно легко увеличить или уменьшить.Поскольку и подача топлива в их котлы, и пар в их турбинах можно регулировать, тепловые энергоблоки мощностью 645 МВт на Drax имеют возможность реагировать на потребности сети всего за полсекунды или меньше, полностью изменяя свою мощность в менее одной секунды и сохраняют реакцию в течение многих минут или даже часов.

До внедрения больших объемов ветровой и солнечной генерации почти все генераторы (за исключением ядерных), работающие в системе, могли обеспечивать частотную характеристику.Поскольку эти генераторы все чаще заменяются прерывистыми технологиями, системный оператор должен искать новые услуги для поддержания стабильности системы.

Примером может служить недавний тендер National Grid по расширенной частотной характеристике, в котором требовалось решение, которое может обеспечить стабилизацию частоты менее чем за секунду — в 20 раз быстрее, чем первичная реакция, обеспечиваемая существующими тепловыми электростанциями. Дракс была единственной тепловой электростанцией, участвовавшей в проекте, однако все контракты были выиграны проектами аккумуляторов.

Частота будущего

Учитывая сокращение производства ископаемого топлива и неопределенность в отношении нашей структуры энергоснабжения в будущие десятилетия, National Grid консультируется о том, как лучше всего использовать такие услуги, как частотная характеристика. Идеальный сценарий для National Grid — это сценарий, в котором услуги могут все больше и больше поступать из надежных, гибких и доступных форм низкоуглеродного производства или реагирования на спрос.

Атомные электростанции следующего поколения, как и некоторые из них, уже работающие во Франции, могут предоставлять услуги частотной характеристики.Однако до начала эксплуатации первого урожая нового урожая, Hinkley C, осталось около десяти лет. Точно так же солнечная или ветровая энергия в сочетании с аккумулятором, расплавленной солью или хранением на маховике обеспечит повышенный уровень гибкости в ближайшие десятилетия по мере снижения затрат на хранение.

Благодаря выработке электроэнергии на Drax с использованием прессованных древесных гранул, одной из форм устойчивой биомассы, Великобритания уже вступила в эпоху, когда частотная характеристика с низким содержанием углерода может стать основой более надежной и чистой системы.

Эта история является частью серии статей, посвященных малоизвестным рынкам электроэнергии в области услуг по балансировке, услуг по поддержке системы и вспомогательных услуг. Подробнее о черном пуске , инерции системы , резервной мощности и реактивной мощности. Просмотрите сводку на Великий баланс: что нужно для поддержания стабильности электросети и узнать, что ждет впереди, прочитав Балансировка для возобновляемого будущего и Поддержание стабильности электросети во время быстрой декарбонизации.

Влияние частоты импульсного тока и времени анодирования на свойства поверхности электрополированных и неэлектрополированных титановых подложек

Характеристики поверхности анодных пленок, сформированных на электрополированных и неэлектрополированных титановых подложках, были оценены с использованием различных наборов параметров анодирования при комнатной температуре. Поверхности анализировали методами световой микроскопии, рамановской спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии и дифракции рентгеновских лучей.Образование фазы анатаза TiO 2 было обнаружено только на неэлектрополированных подложках, и, по-видимому, наблюдается большее количество анатаза, поскольку образцы анодированы; следовательно, самые маленькие кристаллы были получены при самой высокой частоте импульсного тока. Результаты ЭИС показали, что нет никакой разницы в степени компактности по толщине слоя.

1. Введение

Титан и его сплавы широко используются в биомедицинских устройствах, таких как зубные и ортопедические имплантаты.В последнее время для улучшения процесса остеоинтеграции ортопедических имплантатов были предложены различные химические и топографические модификации. Несколько авторов заметили, что модификации поверхности с использованием таких методов, как полировка, электрополировка, травление, анодирование и плазменное электролитическое окисление, способны улучшить скорость и качество процессов остеоинтеграции, тем самым увеличивая отложение кости и сокращая период восстановления [1–6].

Некоторые модификации обнаруживают наноструктурированные особенности, которые могут усиливать рост и прикрепление мезенхимальных клеток и остеобластов за счет увеличения биоактивной площади [7, 8].Многие методы использовались для улучшения межфазных свойств и увеличения срока службы имплантатов. Более того, анодирование при высоких напряжениях довольно интересно, поскольку это простой и воспроизводимый процесс, который может влиять на химический состав, морфологию и толщину анодных пленок. Он может преобразовывать пленку аморфного оксида в кристаллический оксид; таким образом, поверхность имплантата становится наноструктурированной, что способствует росту остеобластических клеток и приводит к более эффективному процессу остеоинтеграции [8, 9].

Согласно Yao et al. [10], наноструктурированные элементы могут лучше моделировать клеточную среду, обеспечивая большую площадь поверхности и реактивные участки для начальных взаимодействий с белками, которые могут опосредовать адгезию остеобластов. Kim et al. [11] обнаружили, что слой анодного оксида, который является относительно более толстым и более однородным, чем те, которые образуются естественным образом, увеличивает коррозионную стойкость и истирание, тем самым значительно увеличивая активность щелочной фосфатазы.

Shokuhfar et al. [2] проанализировали взаимодействие между остеобластами и аморфным и кристаллическим диоксидом титана и пришли к выводу, что высокая смачиваемость их поверхностей обусловлена ​​кристалличностью, которая оказывает большее влияние на распространение клеток.Гидрофильная поверхность также показывает более высокую адсорбцию белка, чем гидрофобная поверхность, что оказывает положительное влияние на рост клеток. Среди кристаллических фаз TiO 2 анатаз и рутил менее растворимы в физиологических жидкостях, чем аморфные пленки, таким образом формируя более устойчивый к коррозии пассивный оксидный слой [12].

Механизм кристаллизации анодных пленок был предложен Ченом и Чжоу [13] с учетом того, что аморфная, анатазная и рутиловая фазы TiO 2 имеют структуру, аналогичную сетчатым октаэдрическим единицам TiO 6 , которые могут быть соединены общими краями (в пользу структуры анатаза) или вершинами (в случае рутила).Этот процесс инициируется дегидратацией [Ti (OH) 6 ] 2-, которая зависит от количества гидроксильных ионов и температуры электролита, влияя, таким образом, на растворимость ионов Ti 4+ в воде.

Анатаз может способствовать зарождению апатита с более высокой скоростью роста, чем рутил, из-за его лучшего совпадения решетки с кристаллами апатита [14]. По мере анодирования образцов можно наблюдать постепенную кристаллизацию TiO 2 . Изменяя параметры анодирования, такие как напряжение и состав электролита, на титановой подложке можно сформировать анодную пленку [15–17].

Предыдущее исследование [18] продемонстрировало, что анодирование импульсным током играет важную роль в модификации поверхности имплантата, поскольку оно усиливает клеточный ответ, что приводит к увеличению клеточной популяции, приносит пользу в отношении медицинских и стоматологических процедур и приводит к более быстрому и более эффективный процесс остеоинтеграции. В этом контексте настоящая работа была направлена ​​на создание более биосовместимой поверхности за счет образования анатаза импульсным током на разных частотах и ​​при комнатной температуре для процессов анодирования.

2. Материалы и методы

Листы технически чистого титана (сорт 2) (мм) подвергали механической шлифовке с использованием наждачной бумаги 400, 600 и 1200. Затем листы были разделены на пару групп и подвергнуты двум методам полировки: некоторые образцы были подвергнуты электрополировке с помощью автоматической полировки и электролитического травления Buehler Electromet 4, а другая часть образцов была отполирована с помощью автоматического вращающегося полировального станка (Allied Met Prep 3) алмазной суспензией.Образцы были анодированы при импульсном токе 0,1 А · см -2 и максимальном напряжении 30 В с использованием цифрового осциллографа (MO2061 производства Minipa) и прямоугольного импульсного выпрямителя (GI21P-10/30 производства General Inverter). Каждый образец титана был рабочим электродом, медная пластина — противоэлектродом, а 2,5 моль / л H 3 PO 4 использовали в качестве электролита.

Процесс анодирования происходил в два этапа, на первом этапе выполнялся эффект анодирования с периодами 15, 30 и 60 минут, частотой 100 Гц и скважностью 40%, а время анодирования составляло 60 минут. устанавливается для каждого рабочего цикла на различных частотах (10, 1 и 0.33 Гц) во втором.

Пленки оксида титана идентифицировали с помощью рамановского спектрометра Horiba Scientific T64000 с использованием луча лазерного излучения с длиной волны возбуждения 514 нм (10-кратная 60-секундная экспозиция для получения каждого спектра). Топографию поверхности анодированных образцов анализировали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, ZEISS DSM 940). Кристаллическую структуру анодированных поверхностей определяли с помощью малоугловой дифракции рентгеновских лучей (D8 Advance, Bruker Co.). Толщина слоя в поперечном сечении оценивалась с помощью оптического микроскопа Zeiss Axio Imager Z2m с круговым дифференциальным интерференционным контрастом (C-DIC).Измерения спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) проводили в 0,9% растворе NaCl, содержащем хлорид-ионы с концентрацией, аналогичной концентрации в плазме крови [19]. Электрохимические измерения выполняли с помощью потенциостата PGSTAT302 (Eco. Chemie B. V., Утрехт, Нидерланды). Использовалась термостатическая ячейка (37 ° C 1 ° C) с тремя электродами, в которых каждый анодированный образец являлся рабочим электродом. В качестве противоэлектрода использовалась Pt-проволока, и все потенциалы измерялись относительно насыщенного Ag / AgCl / электрода.Спектры EIS были записаны при потенциале холостого хода (OCP) с применением синусоидального потенциала 10 мВ на частотах от 100 кГц до 10 мГц. Подбор данных осуществляли с помощью программного обеспечения FRA (4.9 Frequency Response Analyzer, Eco. Chemie B.V., Утрехт, Нидерланды).

3. Результаты и обсуждение

На рис. 1 показаны мгновенные значения импульсного тока (частота импульсов при 100 Гц) после 30 и 55 минут анодирования, что позволяет сравнить электрополированные (рис. 1 (а)) и неэлектрополированные (рис. 1) (б)) поверхности.Все остальные экспериментальные условия для получения таких значений были идентичны в обоих случаях. Согласно этим графикам, прямоугольная волна наблюдалась только во время анодирования полированных поверхностей. Идеальная прямоугольная волна регулярно чередуется между двумя уровнями, максимальным и минимальным. Для такого процесса необходимо настроить три параметра: длительность импульса тока (), время между импульсами тока () и величину импульса тока. Связь между и определяет рабочий цикл (dc) и частоту () процесса, которые определены как и [20].

Рамановские спектры (рисунки 2 (a) и 2 (b)) показали слабые полосы, которые стали более сильными в результате увеличения времени анодирования в отношении электрополированных подложек. Отсутствие сильных и четко определенных пиков указывает на то, что пленки преимущественно аморфные или нанокристаллические, но это также может быть связано с тем, что пленка очень тонкая [21, 22]. После 60 минут анодирования наблюдались интенсивный пик при 147 см -1 и три четко определенные полосы по отношению к полированному образцу, что согласуется с литературными данными по фазе анатаза [23].Большая кристалличность является результатом более длительного времени анодирования, что согласуется с наблюдениями Xing et al. [24]. Спектры XRD (рис. 3) показали, что анодная пленка на полированной титановой поверхности состоит в основном из анатаза. Пик более высокой интенсивности, близкий к 25 градусам, является еще одним признаком анатаза.


На рис. 4 представлены СЭМ-изображения пленок анодного оксида титана, сформированных при 30 В и различных частотах импульсов тока полированных подложек. Морфология пленки существенно не изменилась при уменьшении частоты от 100 до 0.33 Гц, но при более низких частотах наблюдалось увеличение размера зерен, их количества и размера пор. Увеличение среднего размера кристаллических зерен аналогичным образом можно объяснить ростом кристаллов в процессе осаждения из перенасыщенного раствора. Осаждение состоит из двух отдельных событий: зарождения или начального образования более мелких стабильных кристаллов и их последующего роста. Более крупные кристаллы образуются, когда скорость роста кристаллов превышает скорость зарождения.

Подобная структура, такая как структура в виде цветка или узелка, была предложена в литературе [24], которая состоит в основном из кристаллических зерен TiO 2 и может быть связана с особенностями диэлектрического пробоя пленки.С помощью световой микроскопии на рисунке 5 показан анодный слой в поперечном сечении на одном из полированных образцов, который показал, что оксидная пленка имеет толщину около 20 9 · 1036 мкм, 9 · 1037 м и, похоже, не имеет разрывов на титановой подложке.


Механизм образования аморфного оксида, а также его переход в кристаллический оксид описан рядом авторов [15, 17, 25–28]. Образование TiO 2 посредством анодного окисления начинается с окисления металла и диссоциации воды на границе раздела металл / электролит.Приложенное электрическое поле направляет ионы Ti 4+ к электролиту, а ионы O 2- и OH направлены к аноду. Поры образуются за счет миграции и окисления ионов O 2- вдоль матрицы TiO 2 , которая накапливается в виде пузырьков O 2 . Известно, что фаза анатаза имеет лучшую электропроводность, чем аморфный TiO 2 , что способствует процессам переноса заряда во время анодирования, тогда как катодная реакция снижает количество ионов H + .

На рис. 6 показаны спектры ЭИС в формате Найквиста, полученные для полированного титана после анодирования при различных частотах импульсов тока, через которые можно наблюдать искаженные емкостные полукруги на рис. 6 (а). Одним из недостатков отображения экспериментальных данных в виде графиков комплексной плоскости является тот факт, что зависимость импеданса от частоты приложенного сигнала не отображается напрямую. Поэтому графики Боде показаны на рисунках 6 (b) и 6 (c). Зависимость модуля и фазового сдвига от частоты для каждого экспериментального условия очень похожа, что указывает на схожесть морфологии анодных пленок.Перекрытие графиков показывает различия в диаметрах емкостных дуг с небольшими вариациями модуля импеданса и фазового угла на низких частотах, что может указывать на то, что морфология пленок не меняется даже при изменении частоты импульсов тока во время анодирования. Эти различия связаны с количеством и распределением кристаллических зародышей на анодированных поверхностях.

Интерпретация этих графиков была получена с помощью процедуры аппроксимации с использованием программного обеспечения для эквивалентных электрических схем, и подогнанные данные показаны наложенными на каждой соответствующей кривой сплошными линиями.

Эквивалентная схема изначально была основана на модели двухслойной структуры, рис. 7 (а), как было предложено Уильямсоном и др. [12] и Roach et al. [14], где представлено нескомпенсированное омическое сопротивление, также известное как сопротивление раствора. Параллельная ассоциация (и) представляет собой внешний пористый слой, а электрические элементы (и) символизируют внутренний барьерный слой, который связан с диффузионным элементом Варбурга рядом с титановой подложкой. Поскольку реальные поверхности твердых электродов всегда неоднородны, представление электрохимического поведения для исследования защитных свойств пленок на металлах с использованием простых эквивалентных электрических схем нецелесообразно.Возможные дефекты и характеристики пленок, которые можно обнаружить с помощью EIS, часто можно приписать несовершенной геометрии ячейки, которая приводит к неравномерному распределению тока, поскольку процесс коррозии происходит на дефектах неоднородной поверхности. и являются элементами постоянной фазы, используемыми для подгонки данных вместо емкости и связаны с неравномерным распределением тока из-за шероховатости или неоднородности поверхности. Включение элемента постоянной фазы () в эквивалентную схему обеспечивает параметр, который соответствует либо спектральной степени искажения, либо шероховатости поверхности.

В таблицах 1 и 2 показаны параметры, соответствующие экспериментальным результатам с использованием моделей эквивалентных схем, изображенных на рисунках 7 (a) и 7 (b). Низкие значения, порядка 10 -3 , то есть сумма квадратичных отклонений между экспериментальными и расчетными данными, наблюдались для обеих схемных моделей, предполагая, что обе они могут быть подходящими для объяснения спектров импеданса.

9132 10

Частота импульсов тока (Гц)
()
92
()
92 )
( μ S)

()

( μ S)

10 42.5 20,8 0,91 4,90 157 0,73 4,90 1730
1 36,6 0,93 0,93 683
0,33 32,9 25,5 0,93 107 86,5 0,62 103 621








Частота импульсов тока
(Гц)
() ( μ S) () (mS)
43.4 28,6 0,84 7,93 1,07
1 40,4 21,8 0,84 3,27 23,7 10,5

В отличие от Williamson et al. [12] и Roach et al. [14], сопротивления внутреннего и внешнего слоев здесь (и, соответственно) были очень похожи (Таблица 1).Этот результат свидетельствует об отсутствии разницы в степени компактности по толщине слоя. Таким образом, была выбрана более простая модель эквивалентной электрической цепи, учитывая, что пленка должна состоять из одного слоя, в котором сопротивление поляризации () можно рассматривать как сопротивление пленки. значения (таблица 2) были более согласованы с экспериментальными данными на рисунке 6 для настоящей модели. Таким образом, анодная пленка, сформированная при импульсе тока 10 Гц, является наиболее устойчивой к коррозии.

Другой явно противоречивый результат относительно выбора наиболее сложной эквивалентной схемы заключался в том, что значения ниже, чем полученные для (Таблица 1).Кроме того, их соответствующие значения были больше 0,9 (типично для однородной и компактной поверхности), в то время как найденные значения составляли около 0,7 (обычно предназначены для представления шероховатой поверхности), поскольку ожидается, что из-за того, что относится к наиболее пористой поверхности. слой.

В обеих схемных моделях наилучшее соответствие данных было получено после вставки диффузионного элемента Варбурга, что указывает на то, что процесс диффузии происходит через оксидный слой. Как утверждают Roach et al. [14], наноструктурированная сеть пор, кажется, соединяет внешний слой с внутренним слоем; таким образом электролит достигает титановой подложки.

4. Выводы

Целью данной работы было изучение образования анатаза на титане с использованием импульсов тока низкого напряжения в процессе анодирования при комнатной температуре. Было обнаружено, что пленка анатаза образуется только на неэлектрополированных поверхностях титана. Пропорция фазы анатаза, по-видимому, увеличивается с увеличением времени анодирования, и самые маленькие кристаллы были получены при самых высоких частотах импульсов тока. Аморфная или нанокристаллическая пленка формировалась на электрополированной поверхности титана в тех же экспериментальных условиях, что и неэлектрополированные поверхности титана.Для толщины анодной пленки около 20 9 · 1036 мкм · 9 · 1037 м результаты EIS показали, что нет никакой разницы в степени компактности по толщине оксидной пленки, что позволяет предположить образование одного слоя.

Конфликты интересов

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Благодарности

Работа поддержана FAPESP. Выражаем благодарность Многопользовательской лаборатории передовой оптической спектроскопии Unicamp и доктору Л.Р.О.Hein за изображения SEM и спектры DRX.

Как найти мощность по напряжению и частоте

Отношение между мощностью, напряжением и частотой определяется импедансом цепи. Импеданс — это сложная форма сопротивления. Это комбинация обычного сопротивления и реактивных компонентов. Частота реактивных компонентов зависит от таких компонентов, как индуктивности и конденсаторы. Вместе сопротивление и реактивные компоненты образуют полное сопротивление. Зная импеданс, вы можете рассчитать ватт.6 герц.

Рассчитайте полное сопротивление цепи или Rt. Rt зависит от количества резисторов и способа их подключения. Если имеется один резистор, Rt — это номинал этого резистора. Если существует несколько резисторов, определите, подключены ли они последовательно или параллельно, и используйте следующую формулу:

последовательно подключенных резисторов: Rt = R1 + R2 + R3 … Rn

параллельных резисторов: Rt = 1 / (1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 … 1 / Rn)

В качестве примера предположим, что Rt составляет 300 Ом.

Рассчитайте общую индуктивность цепи, или Lt. Lt, в зависимости от количества индукторов и способа их подключения. Если существует только один индуктор, Lt — это значение этого индуктора. Если существует несколько катушек индуктивности, определите, подключены ли они последовательно или параллельно, и используйте следующую формулу:

Последовательные индукторы: Lt = L1 + L2 + L3 … Ln

Параллельные индукторы: Lt = 1 / (1 / L1 + 1 / L2 + 1 / L3 …. 1 / Ln)

В качестве примера предположим, что Lt равно 5 микрогенри.

Вычислите общую емкость цепи или Ct. Ct зависит от количества конденсаторов и способа их подключения. Если существует только один конденсатор, Ct — это значение этого конденсатора. Если имеется несколько конденсаторов, определите, подключены ли они последовательно или параллельно, и используйте следующую формулу:

Последовательные конденсаторы: Ct = 1 / (1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 … 1 / Cn)

Параллельные конденсаторы: Ct = C1 + C2 + C3 … Cn

В качестве примера предположим, что Ct составляет 3 микрофарада

Рассчитайте реактивное сопротивление катушки индуктивности или XL по формуле XL = 2 * pi * f * Lt где пи равно 3.2] = sqrt [90 000 + 63 156,7] = sqrt [153 156] = 391,35 Ом.

Рассчитайте ток в цепи, или «I», по формуле I = V / Z. Продолжая пример:

I = 120 / 391,35 = 0,3 ампера

Наконец, рассчитайте мощность в ваттах по формуле P (ватт) = V x I. Продолжение: P (ватт) = 120 x 0,30 = 36 Вт.

окон — невозможно получить текущую частоту процессора в Powershell или Python

TL; DR: Чтобы определить текущую частоту процессора, вы должны использовать счетчик производительности % Processor Performance :

  $ MaxClockSpeed ​​= (Get-CimInstance CIM_Processor).MaxClockSpeed
$ ProcessorPerformance = (Get-Counter -Counter "\ Информация о процессоре (_Total) \% производительности процессора"). CounterSamples.CookedValue
$ CurrentClockSpeed ​​= $ MaxClockSpeed ​​* ($ ProcessorPerformance / 100)

Write-Host «Текущая скорость процессора:» -ForegroundColor Yellow -NoNewLine
Write-Host $ CurrentClockSpeed
  

Более подробное объяснение того, почему запрос WMI Win32_Processor для CurrentClockSpeed ​​, похоже, всегда возвращает максимальную частоту, а не фактическую «текущую тактовую частоту»? Фактически, почему все десятки счетчиков WMI / CMI / Perfmon, кажется, возвращают «неправильную» частоту? Если CPU-Z и диспетчер задач могут это получить, что нам нужно сделать, чтобы получить «реальную» частоту? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно понять, что CurrentClockSpeed ​​ — это , на самом деле возвращается .

Из документации WMI для Win32_Processor CurrentClockSpeed ​​:

Текущая частота процессора в МГц. Это значение исходит из Член Current Speed ​​структуры информации о процессоре в Информация SMBIOS.

Отлично! Казалось бы, этот простой запрос должен дать нам текущую частоту. Это отлично работало дюжину лет назад, но в настоящее время нет; потому что это действительно работает только в двух очень конкретных случаях:

  1. Если у вас есть процессор, который работает только с определенной стандартной скоростью.
  2. Когда мобильный процессор просит Windows работать с другой скоростью (например, переход в режим работы от батареи).

При запуске Widows получает информацию о процессоре и текущую тактовую частоту. Большинство людей используют свой процессор с рекомендованными настройками, поэтому Текущая тактовая частота == Макс. Тактовая частота , что означает, что два числа всегда совпадают. При изменении состояния питания Windows изменит частоту, и CurrentClockSpeed ​​ также изменится.

Итак, что произошло десять лет назад, что по существу сделало CurrentClockSpeed ​​ полностью неточным / несущественным? В конце концов, вы можете поблагодарить Intel. Они по сути вытеснили всю эту идеальную ценность из воды благодаря новой технологии под названием Turbo Boost.

Причем тут Turbo Boost?

Turbo Boost динамически изменяет частоту процессора в зависимости от текущей нагрузки на процессор в пределах значений напряжения, тока и температуры.Почти все современные процессоры теперь имеют режимы энергосбережения и могут динамически изменять свои частоты в зависимости от своего текущего маркетингового модного слова (например, Turbo Boost (вверх), Cool’N’Quiet (вниз)).

Ключевой момент: все эти перемещения частоты вверх / вниз / выключения / включения выполняются автоматически без ведома Windows . Поскольку Windows об этом не знает, значение CurrentClockSpeed ​​ в большинстве случаев может быть совершенно неточным. Фактически, Microsoft знает об этом, и когда вы открываете свой монитор производительности и смотрите описание в разделе Производительность процессора / частота процессора :

Processor Frequency — частота текущего процессора в мегагерц.Некоторые процессоры могут регулировать свою частоту вне контроля Windows. Частота процессора не будет точно отражает реальную частоту процессора в этих системах. Использование Информация о процессоре \% производительности процессора вместо этого.

К счастью, это описание дает нам подсказку, что нам нужно использовать, чтобы получить фактическое значение : Информация о процессоре \% Производительность процессора

Мы можем использовать Get-Counter для доступа к текущей производительности процессора, например:

  PS C: \> Get-Counter -Counter "\ Информация о процессоре (_Total) \% производительности процессора"

Счетчик отметок времени
--------- --------------
2020-01-01 1:23:45 AM \\ HAL9256 \ информация о процессоре (_total) \% производительности процессора:
                          153.697654229441
  

Здесь вы можете видеть, что мой процессор работает с производительностью 153% или 153% от частоты процессора (ура для Turbo Boost!). Затем мы запрашиваем MaxClockSpeed ​​ из класса CIM_Processor (вы также можете использовать WMI_Processor ):

  PS C: \> (Get-CimInstance CIM_Processor) .MaxClockSpeed
2592
  

Для расчета фактической тактовой частоты :

  $ MaxClockSpeed ​​= (Get-CimInstance CIM_Processor).MaxClockSpeed
$ ProcessorPerformance = (Get-Counter -Counter "\ Информация о процессоре (_Total) \% производительности процессора"). CounterSamples.CookedValue
$ CurrentClockSpeed ​​= $ MaxClockSpeed ​​* ($ ProcessorPerformance / 100)

Write-Host «Текущая скорость процессора:» -ForegroundColor Yellow -NoNewLine
Write-Host $ CurrentClockSpeed
  

Затем заверните его в цикл, если вам нужно, чтобы он запускался каждые 2 секунды ( Ctrl + C для остановки):

  $ MaxClockSpeed ​​= (Get-CimInstance CIM_Processor).
		
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *