Переменный ток и его характеристики: Переменный ток и его основные параметры. Основные параметры переменного тока

Содержание

Переменный ток и его основные параметры. Основные параметры переменного тока

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.

Переменный и его применение в медицине.

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.

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:

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.

Обозначения, параметры. Мы знаем, что постоянный электрический ток, это ток не меняющийся во времени как по величине, так и по направлению движения электронов. Основное назначение постоянного тока, это питание различной радио и электронной аппаратуры. Источниками постоянного тока являются аккумуляторы, солнечные фотоэлементы, батарейки и генераторы постоянного тока.
В быту и промышленности используется переменный синусоидальный ток. Это связано с тем, что современная энергетика основана на передаче энергии на дальние расстояния от гидро, тепловых и атомных электростанций к потребителю. Для получения электрической энергии на электростанциях используют генераторы переменного тока. Прередача переменного тока выгодна вследствие преимуществ его преобразования и из за малых потерь в линиях электропередачи. Переменный электрический ток легко преобразовать в постоянный ток, а так же получить любые нужные напряжения переменного тока. Например напряжение переменного тока передаваемое по линиям электропередачи составляет несколько тысяч вольт. В жилых кварталах линия электропередачи подключается к трансформатору который преобразует высокое напряжение в стандартное бытовое напряжение 220 вольт. Именно это напряжение мы и имеем в розетках наших квартир.

В отличие от постоянного тока, переменный синусоидальный ток (а так же и переменное напряжение) изменяется со временем по амплитуде (величине) и направлению движения электронов. На графике переменный ток имеет вид синусоиды.

Расстояние между двумя соседними вершинами на графике переменного синусоидального тока называется периодом и обозначается буквой Т.

Период, это время одного колебания переменного тока. Измеряется период в секундах или в более малых единицах времени: миллисекундах; микросекундах; наносекундах и т.д. Величина: период Т=1 сек. в минус первой степени (Т -1) или 1/Т называется частотой в 1 Герц. Частота обозначается буквой f. В радио и электронных приборах, в зависимости от их назначения, частота может быть в единицах герц (Гц или Hz), тысячах герц (кГц или kHz) и так далее.

Стандартная частота в бытовой электрической сети равна 50 Гц. В некоторых зарубежных странах стандартная частота равна 60 Гц. Так же, как и постоянный ток, переменный ток передается по двум проводам. Если у постоянного тока есть два полюса — плюс и минус, то у переменного тока один провод является токоведущим и называется «фаза», а второй провод является общим и называется «земля» или «ноль». Напряжение в бытовой электрической розетке равно 220 вольт.

В отличие от постоянного тока, переменный электрический ток (или напряжение) изменяют свою величину, со временем, от максимального до минимального значения. В связи с этим значение переменного тока или напряжения будет несколько ниже значения U или I.

Эти значения называются эффективными (действующими) значениями тока или напряжения и обозначаются соответственно Iэф и Uэф (смотрите рисунок). Именно такие значения показывают измерительные приборы переменного тока.
&nbsp &nbsp Для исследования параметров переменного тока наиболее подходящим измерительным прибором является осциллограф. На электронно лучевой трубке осциллографа — дисплее (см. рисунок) можно наблюдать не только форму переменного тока, но и провести количественный анализ исследуемого сигнала.

Ось Х на дисплее проградуирована в делениях времени, а ось Y проградуирована в делениях амплитуды сигнала. На рисунке переключатель «Время» установлен на время 0.01 микросекунда на деление по оси Х.
На приведенном рисунке период сигнала равен 2 делениям, следовательно: Т = 2 * 0.01 = 0.02 мкС, а частота сигнала f = 1/T = 1/(0.02 -6) = 1/0.00000002 = 50000000 Гц = 50 МГц (МГц — мегагерц).
Переключатель «Значение Y» установлен на амплитуду 10 Вольт на деление по оси Y. Сигнал имеет амплитуду 6 делений, следовательно напряжение сигнала равно 6 * 10 = 60 вольт.
В заключение этой темы хотелось бы сказать о том, что переменный синусоидальный ток применяется не только для питания бытовых и промышленных электрических приборов. В радио и электронике широко используются, например, высокочастотные генераторы переменного тока для радио- передатчиков (как мощные для теле и радио студий, так и маломощные для телефонов сотовой связи, пейджеров и т.д.). В последующих наших темах мы будем часто сталкиваться с переменным электрическим током и законами его усиления, преобразования и так далее.

Переменный ток. Его характеристики. Про переменный ток и напряжение

Переменным называется ток, изменение которого по величине и направлению повторяется периодически через равные промежутки времени Т.

В области производства, передачи и распределения электрической энергии переменный ток имеет по сравнению с постоянным, два основных преимущества:

1) возможность (при помощи трансформаторов) просто и экономично повышать и понижать напряжение, это имеет решающее значение для передачи энергии на большие расстояния.

2) большую простоту устройств электродвигателей, а следовательно, и их меньшую стоимость.

Значение переменной величины (тока, напряжения, ЭДС) в любой момент времени t называется мгновенным значением и обозначается строчными буквами (ток i, напряжение u, ЭДС – е).

Наибольшее из мгновенных значений периодически изменяющихся токов, напряжений или ЭДС, называются максимальными или амплитудными значениями и обозначаются прописными буквами с индексом «м» (I м, U м).

Наименьший промежуток времени, по прошествии которого мгновенные значения переменной величины (ток, напряжение, ЭДС) повторяется в той же последовательности, называется периодом Т, а совокупность изменений, происходящих в течение периода, — циклом.

Величина обратная периоду называется частотой и обозначается буквой f.

Т.е. частота – число периодов за 1 секунду.

Единица частоты 1/сек – называется герц (Гц). Более крупные единицы частоты – килогерц (кГц) и мегагерц (МГц).

Получение переменного синусоидального тока.

Переменные токи и напряжения в технике стремятся получить по простейшему периодическому закону – синусоидальному. Т. к. синусоида – единственная периодическая функция, имеющая подобную себе производную, в результате чего во всех звеньях электрической цепи форма кривых напряжений и токов получается одинаковой, чем значительно упрощаются расчеты.

Для получения токов промышленной частоты служат генераторы переменного тока в основе работы которых лежит закон электромагнитной индукции, согласно которому при движении замкнутого контура в магнитном поле в нем возникает ток.

Схема простейшего генератора переменного тока

Генераторы переменного тока большой мощности, рассчитанные на напряжения 3 – 15 кв, выполняются с неподвижной обмоткой на статоре машины и вращающимся электромагнитом-ротором. При такой конструкции легче надежно изолировать провода неподвижной обмотки и проще отвести ток во внешнюю цепь.

Одному обороту ротора двухполюсного генератора соответствует один период переменной ЭДС, наведенной на его обмотке.

Если ротор делает n оборотов в минуту, то частота индуктированной ЭДС

Т.к. при этом угловая скорость генератора
, то между ней и частотой, наведенной ЭДС существует соотношение
.

Фаза. Сдвиг фаз.

Предположим, что генератор имеет на якоре два одинаковых витка, сдвинутых в пространстве. При вращении якоря в витках наводятся ЭДС одинаковой частоты и с одинаковыми амплитудами, т.к. витки вращаются с одинаковой скоростью в одном и том же магнитном поле. Но вследствие сдвига витков в пространстве ЭДС достигают амплитудных знамений неодновременно.

Если в момент начала отсчета времени (t=0) виток 1 расположен относительно нейтральной плоскости под углом
, а виток 2 под углом
. То наведенная в первом витке ЭДС:,

а во втором:

В момент отсчета времени:

Электрические углы иопределяющие значения ЭДС в начальный момент времени, называетсяначальными фазами.

Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одной частоты называется углом сдвига фаз .

Та величина, у которой нулевые значения (после которых она принимает положительные значения), или положительные амплитудные значения достигаются раньше, чем у другой, считается опережающей по фазе, а та у которой те же значения достигаются позже – отстающей по фазе.

Если две синусоидальные величины одновременно достигают своих амплитудных и нулевых значений, то говорят, что величины совпадают по фазе . Если угол сдвига фаз синусоидальных величин равен 180 0
, то говорят, что они изменяются впротивофазе.

Переменный электрический ток — ток с меняющимися во времени направлением и силой. Те токи, которые изменяются только по величине, называются пульсирующими. В промышленности и быту чаще всего используется переменный

Преобразование в переменный электрический можно выполнить следующим образом. Поместим в равномерное постоянное магнитное поле виток проволоки. При равномерном вращении этого витка вокруг оси будет непрерывно меняться как по величине, так и по направлению. Вследствие этого, по в витке образуется переменная по направлению и величине Если такой виток присоединить к внешней цепи, то в ней мы получим переменный электрический ток.

Когда плоскость вращающегося витка становится перпендикулярна по отношению к силовым линиям данного магнитного поля, проходящий сквозь нее магнитный поток — наибольший (Φ = Φmax), скорость же изменения его равна нулю (ΔΦ/Δt = 0), так как, проходя через такое положение, проводники витка проскальзывают по силовым линиям поля, не пересекая их. А значит, ЭДС индукции, образующаяся в витке, станет равна нулю (Е = 0).

Когда же плоскость витка параллельна силовым линиям поля, поток, пронизывающий ее, равен нулю (Φ = 0), скорость же изменения его в таком положении наибольшая ((ΔΦ/Δt)max), поскольку проводники витка движутся перпендикулярно относительно силовых линий.

ЭДС, возникающая в этом случае в витке, имеет наибольшее значение (E = Emax). При дальнейшем вращении витка скорость изменения потока, пронизывающего виток, будет увеличиваться; значит, ЭДС по абсолютной величине будет возрастать от 0 до Emax. Так, уровень ЭДС индукции во вращающемся витке за один его оборот изменяется от -Emax до +Emax.

Разомкнем виток проволоки и присоединим его к осциллографу. Когда виток вращается в магнитном поле, осциллограф запишет все изменения тока, по которым можно будет судить и об изменении электродвижущей силы в витке за время одного оборота.

Ток, возникающий в витке при его равномерном обращении в равномерном магнитном поле, как показывает осциллограмма, изменяется синусоидально. Такой ток называют переменным синусоидальным.

Промежуток времени, за который электродвижущая сила выполняет одно колебание, называют периодом переменного тока.

Буквенное обозначение периода колебания — Т. Число колебаний за 1 секунду — частота тока, которую обозначают буквой f. Ее единица измерения — герц (Гц):

f = 1/T, либо T = 1/f.

Если значение ЭДС в некоторый произвольный момент времени мы обозначим через е (ее мгновенное значение), а самое большое значение (амплитудное) — через Emax, то закон, выражающий зависимость е от времени, в случае синусоидального тока можно выразить в виде следующего выражения:

e = Emax˖sin (2/T)t.

В большинстве стран в промышленности и в быту используют переменный электрический ток с частотой 50 Гц, продолжительностью периода 0,02 секунды.

Получение переменного электрического тока из механической энергии выполняется при помощи специальных машин, которые называют генераторами. В основе принципа их работы — закон электромагнитной индукции. Самая простая схема генератора может быть представлена в виде рамки, вращающейся вокруг оси в магнитном поле электромагнита или При вращении рамки в ней образуется переменная электродвижущая сила. Соединив рамку с внешней цепью, получим переменный электрический ток. Генератор переменного тока, имеющий неподвижную магнитную систему и вращающиеся витки, строится достаточно редко.

Почти во всех таких генераторах обмотка (якорь) установлена неподвижно, а магнитная система (индуктор) вращается. Недвижимую часть генератора называют статор, а подвижную — ротор.

Переменный электрический ток (AC, аббревиатрура от англ. alternating current) — это меняющийся по своей величине и направлению с определенной периодичностью электрический ток. В электротехнике в качестве буквенного обозначения электрического тока принято использовать знак тильда (~).

Источниками переменного электрического тока служат генераторы переменного тока, создающие переменную электродвижущую силу, изменение величины и направления которой происходит через определенные промежутки времени.

Основные параметры переменного тока

Для его описания используют следующие параметры (см. график):

Период (T) — длительность времени в течение которого электрический ток совершает один полный цикл изменений, возвращаясь к своей начальной величине;
Частота (f) — параметр, определяющий количество полных колебаний электрического тока за одну секунду, единица измерения — 1 Герц (Гц). Так, напр. стандарт частоты тока, принятый в отечественных энергосистемах составляет 50 Гц или 50 колебаний в секунду.
Амплитуда тока (Im) — максимальное достигаемое мгновенное значение величины тока за период, как видно из представленного графика — высота синусоиды;
Фаза — состояние переменного синусоидального электрического тока: мгновенное значение, изменение направления, возрастание (убывание) в цепи. Переменный ток может быть как однофазным, так и многофазным.

Наибольшее распространение получили трехфазные системы, представляющие собой три отдельных эл. цепей с одинаковой частотой и ЭДС, с углом сдвига φ=120°. Более подробно с понятием можно ознакомиться в статье Принцип создания трехфазной цепи переменного тока.

Применение переменного тока

Переменный синусоидальный электрический ток используется практически во всех отраслях хозяйства. Широкое применение переменного тока обусловлено во многом экономической эффективностью его использования в системах электроснабжения, простотой в преобразовании из энергии низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот.

Эта возможность позволяет уменьшить потери электроэнергии при ее передаче на большие расстояние по проводам, существенно снизив площадь их поперечного сечения.

Лишь немногие способны реально осознать, что переменный и постоянный ток чем-то отличаются. Не говоря уже о том, чтобы назвать конкретные различия. Цель данной статьи — объяснить основные характеристики этих физических величин в терминах, понятных людям без багажа технических знаний, а также предоставить некоторые базовые понятия, касающиеся данного вопроса.

Сложности визуализации

Большинству людей не составляет труда разобраться с такими понятиями, как «давление», «количество» и «поток», поскольку в своей повседневной жизни они постоянно сталкиваются с ними. Например, легко понять, что увеличение потока при поливе цветов увеличит количество воды, выходящей из поливочного шланга, в то время как увеличение давления воды заставит ее двигаться быстрее и с большей силой.

Электрические термины, такие как «напряжение» и «ток», обычно трудно понять, поскольку нельзя увидеть или почувствовать электричество, движущееся по кабелям и электрическим контурам. Даже начинающему электрику чрезвычайно сложно визуализировать происходящее на молекулярном уровне или даже четко понять, что собой представляет, например, электрон. Эта частица находятся вне пределов сенсорных возможностей человека, ее невозможно увидеть и к ней нельзя прикоснуться, за исключением случаев, когда определенное количество их не пройдет через тело человека. Только тогда пострадавший определенно ощутит их и испытывает то, что обычно называют электрическим шоком.

Тем не менее, открытые кабели и провода большинству людей кажутся совершенно безвредными только потому, что они не могут увидеть электронов, только и ждущих того, чтобы пойти по пути наименьшего сопротивления, которым обычно является земля.

Аналогия

Понятно, почему большинство людей не могут визуализировать то, что происходит внутри обычных проводников и кабелей. Попытка объяснить, что что-то движется через металл, идет вразрез со здравым смыслом. На самом базовом уровне электричество не так сильно отличается от воды, поэтому его основные понятия довольно легко освоить, если сравнить электрическую цепь с водопроводной системой. Основное различие между водой и электричеством заключается в том, что первая заполняет что-либо, если ей удастся вырваться из трубы, в то время как второе для передвижения электронов нуждается в проводнике. Визуализируя систему труб, большинству легче понять специальную терминологию.

Напряжение как давление

Напряжение очень похоже на давление электронов и указывает, как быстро и с какой силой они движутся через проводник. Эти физические величины эквивалентны во многих отношениях, включая их отношение к прочности трубопровода-кабеля. Подобно тому, как слишком большое давление разрывает трубу, слишком высокое напряжение разрушает экранирование проводника или пробивает его.

Ток как поток

Ток представляет собой расход электронов, указывающий на то, какое их количество движется по кабелю. Чем он выше, тем больше электронов проходит через проводник. Подобно тому, как большое количество воды требует более толстых труб, большие токи требуют более толстых кабелей.

Использование модели водяного контура позволяет объяснить и множество других терминов. Например, силовые генераторы можно представить как водяные насосы, а электрическую нагрузку — как водяную мельницу, для вращения которой требуется поток и давление воды. Даже электронные диоды можно рассматривать как водяные клапаны, которые позволяют воде течь только в одну сторону.

Постоянный ток

Какая разница между постоянным и переменным током, становится ясно уже из названия. Первый представляет собой движение электронов в одном направлении. Очень просто визуализировать его с использованием модели водяного контура. Достаточно представить, что вода течет по трубе в одном направлении. Обычными устройствами, создающими постоянный ток, являются солнечные элементы, батареи и динамо-машины. Практически любое устройство можно спроектировать так, чтобы оно питалось от такого источника. Это почти исключительная прерогатива низковольтной и портативной электроники.

Постоянный ток довольно прост, и подчиняется закону Ома: U = I × R. измеряется в ваттах и равна: P = U × I.

Из-за простых уравнений и поведения постоянный ток относительно легко осмыслить. Первые системы передачи электроэнергии, разработанные Томасом Эдисоном еще в XIX веке, использовали только его. Однако вскоре разница в переменном токе и постоянном стала очевидной. Передача последнего на значительные расстояния сопровождалась большими потерями, поэтому через несколько десятилетий он был заменен более выгодной (тогда) системой, разработанной Николой Теслой.

Несмотря на то что коммерческие силовые сети всей планеты в настоящее время используют переменный ток, ирония заключается в том, что развитие технологии сделало передачу постоянного тока высокого напряжения на очень больших расстояниях и при экстремальных нагрузках более эффективной. Что, например, используется при соединении отдельных систем, таких как целые страны или даже континенты. В этом заключается еще одна разница в переменном токе и постоянном. Однако первый по-прежнему используется в низковольтных коммерческих сетях.

Постоянный и переменный ток: разница в производстве и использовании

Если переменный ток намного проще производить с помощью генератора, используя кинетическую энергию, то батареи могут создавать только постоянный. Поэтому последний доминирует в схемах питания низковольтных устройств и электроники. Аккумуляторы могут заряжаться только от постоянного тока, поэтому переменный ток сети выпрямляется, когда аккумулятор является основной частью системы.

Широко распространенным примером может служить любое транспортное средство — мотоцикл, автомобиль и грузовик. Генератор, устанавливаемый на них, создает переменный ток, который мгновенно преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя, поскольку в системе электроснабжения присутствует аккумулятор, и большинству электроники для работы требуется постоянное напряжение. Солнечные элементы и топливные ячейки также производят только постоянный ток, который затем при необходимости можно преобразовать в переменный с помощью устройства, называемого инвертором.

Направление движения

Это еще один пример разницы постоянного тока и переменного тока. Как следует из названия, последний представляет собой поток электронов, который постоянно меняет свое направление. С конца XIX века почти во всех бытовых и промышленных электрических всего мира используется синусоидальный переменный ток, поскольку его легче получить и гораздо дешевле распределять, за исключением очень немногих случаев передачи на большие расстояния, когда потери мощности вынуждают использовать новейшие высоковольтные системы постоянного тока.

У переменного тока есть еще одно большое преимущество: он позволяет возвращать энергию из точки потребления обратно в сеть. Это очень выгодно в зданиях и сооружениях, которые производят больше энергии, чем потребляют, что вполне возможно при использовании альтернативных источников, таких как солнечные батареи и Тот факт, что переменный ток позволяет обеспечить двунаправленный поток энергии, является основной причиной популярности и доступности альтернативных источников питания.

Частота

Когда дело доходит до технического уровня, к сожалению, объяснить, как работает переменный ток, становится сложно, поскольку модель водяного контура к нему не совсем подходит. Однако можно визуализировать систему, в которой вода быстро меняет направление потока, хотя не понятно, как она при этом будет делать что-то полезное. Переменный ток и напряжение постоянно меняют свое направление. Скорость изменения зависит от частоты (измеряемой в герцах) и для бытовых электрических сетей обычно составляет 50 Гц. Это означает, что напряжение и ток меняют свое направление 50 раз в секунду. Вычислить активную составляющую в синусоидальных системах довольно просто. Достаточно разделить их пиковое значение на √2.

Когда переменный ток меняет направление 50 раз в секунду, это означает, что лампы накаливания включаются и выключаются 50 раз в секунду. Человеческий глаз не может это заметить, и мозг просто верит, что освещение работает постоянно. В этом заключается еще одна разница в переменном токе и постоянном.

Векторная математика

Ток и напряжение не только постоянно меняются — их фазы не совпадают (они несинхронизированные). Подавляющее большинство силовых нагрузок переменного тока вызывает разность фаз. Это означает, что даже для самых простых вычислений нужно применять векторную математику. При работе с векторами невозможно просто складывать, вычитать или выполнять любые другие операции скалярной математики. При постоянном токе, если по одному кабелю в некоторую точку поступает 5A, а по другому — 2A, то результат равен 7A. В случае переменного это не так, потому что итог будет зависеть от направления векторов.

Коэффициент мощности

Активная мощность нагрузки с питанием от сети переменного тока может быть рассчитана с помощью простой формулы P = U × I × cos (φ), где φ — угол между напряжением и током, cos (φ) также называется коэффициентом мощности. Это то, чем отличаются постоянный и переменный ток: у первого cos (φ) всегда равен 1. Активная мощность необходима (и оплачивается) бытовыми и промышленными потребителями, но она не равна комплексной, проходящей через проводники (кабели) к нагрузке, которая может быть рассчитана по формуле S = U × I и измеряется в вольт-амперах (ВА).

Разница между постоянным и переменным током в расчетах очевидна — они становятся более сложными. Даже для выполнения самых простых вычислений требуется, по крайней мере, посредственное знание векторной математики.

Сварочные аппараты

Разница между постоянным и переменным током проявляется и при сварке. Полярность дуги оказывает большое влияние на ее качество. Электрод-позитивная сварка проникает глубже, чем электрод-негативная, но последняя ускоряет наплавление металла. При постоянном токе полярность всегда постоянная. При переменном она меняется 100 раз в секунду (при 50 Гц). Сварка при постоянном предпочтительнее, так как она производится более ровно. Разница в сварке переменным и постоянным током заключается в том, что в первом случае движение электронов на долю секунды прерывается, что приводит к пульсации, неустойчивости и пропаданию дуги. Этот вид сварки используется редко, например, для устранения блуждания дуги в случае электродов большого диаметра.

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

Рисунок 1. Схема простейшего генератора переменного тока

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

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

Используя , можно получить переменную ЭДС и, следовательно, переменный ток.

Переменный ток для промышленных целей и вырабатывается мощными генераторами, приводимыми во вращение паровыми или водяными турбинами и двигателями внутреннего сгорания.

Графическое изображение постоянного и переменного токов

Рисунок 2. Графическое изображение постоянного и переменного тока

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

Рисунок 3. Построение графика переменной ЭДС

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).

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

Период, амплитуда и частота — параметры переменного 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.

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

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

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

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.

Круговая частота обозначается связана с частотой f соотношением 2пиf

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 рамка в 1 секунду, и выражает собой скорость 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 360°f.

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

Преобразование переменного тока в постоянный

Электрический ток протекает в различных средах: металлах, полупроводниках, жидкостях и газах. При этом он может быть постоянным или переменным. В статье рассмотрим отдельно постоянный и переменный ток, а также преобразование переменного тока в постоянный.

Постоянный ток и его источники

У постоянного тока величина и направление не изменяются с течением времени. На современных приборах он обозначается буквами DC — сокращением от английского Direct Current (в дословном переводе – прямой ток). Его графическое обозначение:

Источниками постоянного тока являются батарейки и аккумуляторы. На нем работают все полупроводниковые электронные устройства: мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры, спутниковые системы. Для питания этих устройств от сети переменного тока в их входят блоки питания. Они понижают напряжение сети до нужной величины и преобразуют переменный ток в постоянный. Зарядные устройства для аккумуляторов тоже питаются от сети переменного тока и выполняют те же функции, что и блоки питания.

Переменный ток и его параметры

У переменного тока направление и величина циклически изменяются во времени. Цикл одного полного изменения (колебания) называется периодом (T), а обратная ему величина – частотой (f). Буквенное обозначение переменного тока – АС, сокращение от Alternating Current (знакопеременный ток), а графически он обозначается отрезком синусоиды:

После этого знака указывается напряжение, иногда – частота и количество фаз.

Переменный ток характеризуется параметрами:

Характеристика	Обозначение	Единица измерения	Описание
Число фаз			Однофазный
Число фаз			Трехфазный
Напряжение	U	вольт	Мгновенное значение
			Амплитудное значение
			Действующее значение
			Фазное
			Линейное
Период	Т	секунда	Время одного полного колебания
Частота	f	герц	Число колебаний за 1 секунду

Однофазный ток в чистом виде получается при помощи бензиновых и дизельных генераторов. В остальных случаях он – часть трехфазного, представляющего собой три изменяющихся по синусоидальному закону напряжения, равномерно сдвинутых друг относительно друга. Этот сдвиг по времени называется углом сдвига фаз и составляет 1/3Т.

Для передачи трехфазных напряжений используют четыре провода. Один является их общей точкой и называется нулевым (N), а три остальные называются фазами (L1, L2, L3).

Графики напряжений трехфазного переменного тока

Напряжение между фазами называется линейным, а между фазой и нулем – фазным, оно меньше линейного в √3 раз. В нашей сети фазное напряжение равно 220 В, а линейное – 380 В.

Под мгновенным значением напряжения переменного тока понимают его величину в определенный момент времени t. Она изменяется с частотой f. Мгновенное значение напряжения в точке максимума называется амплитудным значением. Но не его измеряют вольтметры и мультиметры. Они показывают величину, в √2 раз меньшую, называемую действующим или эффективным значением напряжения. Физически это означает, что напряжение постоянного тока этой величины совершит такую же работу, как и измеряемое переменное напряжение.

Характеристики трехфазного тока

Достоинства и недостатки переменного напряжения

Так почему же для энергоснабжения выбрали переменный ток, а не постоянный?

При передаче электроэнергии ток проходит по проводам, длиной сотни километров, нагревая их и рассеивая в воздухе энергию. Это неизбежно как для постоянного, так и для переменного токов. Но мощность потерь зависит только от сопротивления проводов и тока в них:

Мощность, которую передается по линии, равна:

Отсюда следует, что при увеличении напряжения для передачи той же мощности нужен меньший ток, и мощность потерь при этом уменьшается. Вот поэтому протяженных ЛЭП напряжение повышают. Есть линии на 6кВ, 10кВ, 35кВ, 110кВ, 220кВ, 330кВ, 500кВ, 750кВ и даже 1150кВ.

Но в процессе передачи электроэнергии от источника к потребителю напряжение нужно неоднократно изменять. Проще это сделать на переменном токе, используя трансформаторы.

Недостатки переменного тока проявляются при передаче энергии по кабельным линиям. Кабели имеют емкостное сопротивление между фазами и относительно земли, а емкость проводит переменный ток. Появляется утечка, нагревающая изоляцию и выводящая со временем ее из строя.

Преобразование переменного тока в постоянный и наоборот

Процесс получения из переменного тока постоянного называется выпрямлением, а устройства – выпрямителями. Основная деталь выпрямителя – полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. В результате выпрямления получается пульсирующий ток, меняющий со временем свою величину, но не изменяющий знак.

Затем пульсации устраняют при помощи фильтров, простейшим из них является конденсатор. Полностью пульсации устранить невозможно, а их конечный уровень зависит от схемы выпрямителя и качества фильтра. Сложность и стоимость выпрямителей зависит от величины пульсаций на выходе и от максимальной мощности на выходе.

Схема простейшего выпрямителяГрафики работы выпрямителя

Для преобразования в переменный ток используются инверторы. Принцип их работы состоит в генерации переменного напряжения с формой, максимально приближенной к синусоидальной. Пример такого устройства – автомобильный инвертор для подключения к бортовой сети бытовых приборов или инструмента.

Чем качественнее и дороже инвертор, тем больше его мощность или точнее выдаваемое им напряжение приближается к синусоиде.

Оцените качество статьи:

Синусоидальный ток и его характеристики

Лекция №3 Синусоидальный ток и его характеристики

Цепи переменного тока широко применяются в электротехнике и электронике. В отличие от цепей постоянного тока в них действуют периодически изменяющиеся ЭДС. Наиболее распространенные формы периодических ЭДС показаны на рис.3.1.

Рис. 3.1. Виды периодически изменяющихся ЭДС

Переменные ЭДС изменяются во времени как по величине, так и по направлению. Если эти изменения повторяются через равные промежутки времени, то они называются периодическими, а время повторения — периодом – Т (рис 3.1). Период измеряется в секундах.

Величина обратная периоду, называется частотой изменения ЭДС, и измеряется в герцах:

Диапазон применяемых частот весьма широк, от нескольких герц до нескольких гигагерц: генераторы электрических станций – 50 Гц; ЭВМ от 100 МГц до 1 ГГц.

Наиболее распространены цепи, находящиеся под воздействием синусоидальных ЭДС, поэтому в электротехнике под термином «цепи переменного тока» подразумевается, что в цепи действуют именно синусоидальные ЭДС.

Широкое распространение синусоидальных ЭДС объясняется наиболее простым способом их получения в электромашинных генераторах переменного напряжения в результате вращения токопроводящих рамок в постоянном магнитном поле.

Величина ЭДС зависит от магнитной индукции – В, скорости движения проводника в магнитном поле – V, его длины – l и угла пересечения проводником магнитных силовых линий:

где: е – мгновенное значение ЭДС;

2 – два плеча рамки, т. е. ее диаметр;

В – магнитная индукция;

V – линейная скорость движения проводников рамки;

l – длина рамки;

sin a – синус угла между направлением движения проводника рамки и направлением магнитной индукции.

Мгновенные значения ЭДС – е, тока – i, напряжения u – обозначаются строчными буквами.

При равномерном вращении рамки линейная скорость постоянна и равна:

где: D — диаметр рамки;

ω — угловая частота вращения рамки, которую можно выразить:

Тогда угол между направлением магнитной индукции и направлением движения проводника изменяется пропорционально времени:

тогда ЭДС будет равна:

Наибольшего значения ЭДС достигает при:

т. е. .

Следовательно:

где: Ет – амплитуда ЭДС, т. е. ее максимальное значение (рис 3.1).

В общем случае, если за начало отсчета принять произвольный угол – ψ, эта формула примет следующий вид:

где аргумент синуса — фаза – характеризует состояние колебания в данный момент времени. При t = 0 ψ – начальная фаза (рис 3.2).

Рис. 3.2

Таким же образом выражаются мгновенные значения токов, напряжений и других изменяющихся по синусоидальному закону величин.

Любая синусоидальная функция вполне определяется угловой частотой – ω; фазой – ψ; амплитудой – Ет, Uт, Iт.

Действующее значение тока и напряжения

Для оценки эффективности действия переменного тока используют его тепловое или электродинамическое действие и сравнивают с аналогичным действием постоянного тока за один и тот же интервал времени, равный одному периоду.

Значение периодического тока, равное значению такого постоянного тока, который за время одного периода производит тот же тепловой или электродинамический эффект, что и периодический ток называется действующим значением периодического тока.

Действующие значения тока, ЭДС и напряжения обозначают прописными буквами без индексов:

I; E; U.

Тепловой эффект пропорционален квадрату тока, то есть при постоянном токе количество тепла за период Т, выделяемое в резистивном элементе R, определяется по закону Джоуля-Ленца:

А при переменном токе

Тогда:

Решая это уравнение относительно I получим

Эта зависимость действующего значения от амплитудного справедлива для ЭДС и напряжения:

Электроизмерительные приборы электромагнитной, электродинамической, электростатической и тепловой систем, а также современные цифровые приборы измеряют действующие значения периодических токов и напряжений.

Представление синусоидальных величин векторами и комплексными числами

Синусоидальные токи и напряжения можно изобразить графически, записать при помощи уравнений с тригонометрическими функциями и представить в виде вращающихся векторов на комплексной плоскости.

Рассмотрим вопрос об изображении синусоидальных величин векторами на комплексной плоскости.

Комплексное число имеет действительную и мнимую части. По оси абсцисс будем откладывать действительную часть комплексного числа, а по оси ординат — мнимую часть.

Условимся на оси действительных значений ставить знак ±1, а мнимых ±ј, где .

Комплексное число изображается на комплексной плоскости вектором, численно равным единице и составляющем угол α с осью вещественных значений (осью +1) (рис 3.3). Из курса математики известна формула Эйлера для комплексных чисел:

Модуль функции равен единице:

Проекция функции на ось +1 равна , а проекция этой функции на ось +j равна . Возьмем теперь функцию . Очевидно, что

На комплексной плоскости эта функция, также как и функция изобразится под углом α к оси +1, но величина вектора будет в раз больше.

Угол α может быть любым, в том числе изменяться прямо пропорционально времени. Тогда

Слагаемое представляет собой действительную часть выражения , а слагаемое его мнимую часть.

Для единообразия принято изображать на комплексной плоскости векторы синусоидально изменяющихся во времени величин для момента времени ωt=0.

Тогда вектор будет равен

где — вектор – то есть комплексная величина, модуль ее равен , а угол, под которым вектор проведен к оси +1 на комплексной плоскости равен начальной фазе ψ. еще называют комплексной амплитудой тока i.

Изображение векторов токов и напряжений электрической цепи на комплексной плоскости позволяет произвести их геометрическое сложение и вычитание, дает наглядное представление об их величине и взаимном расположении.

Совокупность векторов на комплексной плоскости изображающих собой синусоидально изменяющиеся функции одной и той же частоты, построенные с соблюдением правильной ориентации относительно друг друга, называется векторной диаграммой.

Применение комплексных чисел позволяет от геометрического сложения векторов на векторной диаграмме перейти к алгебраическому действию над комплексными числами этих векторов. При этом расчеты цепей переменного тока производят теми же методами, что и цепи постоянного тока.

Расчет электрических цепей переменного тока методом комплексных чисел (символическим методом).

Суть метода комплексных чисел заключается в том, что каждый вектор тока или других величин — , , а дальше мы рассмотрим и сопротивлений, раскладывается на составляющие и представляющие проекции вектора на оси комплексной плоскости (рис 3.4). Проекцию вектора на мнимую ось обозначают символом – j. Тогда можно записать:

Умножение вектора на символ j поворачивает этот вектор на угол 90º против часовой стрелки. Умножение вектора на j2 поворачивает вектор на 180º, т. е. откуда . Символ j – это мнимая единица.

Действующие значения токов и напряжений в комплексной форме обозначаются заглавными буквами, над которыми ставят точку или черту.

Применяют три формы записи комплексных величин:

1. Алгебраическая форма

;

2. Тригонометрическая форма

;

3. Показательная форма

Для перехода от одной формы записи к другой применяются соотношения:

— для перехода от алгебраической формы записи к показательной;

и наоборот — это вытекает из формулы Эйлера.

Алгебраическую форму записи комплексных чисел удобно применять при сложении и вычитании векторов, а показательную при делении и умножении.

Таким образом, синусоидальные величины можно рассматривать как векторы, модули которых равны соответствующим комплексным амплитудам (или действующим значениям) вращающиеся против часовой стрелки с угловой частотой ω. Отметим, что в практических расчетах обычно принимают t = 0 и рассматривают лишь статическое взаимное расположение комплексных ЭДС, токов и напряжений.

Переменный ток

Переменный ток, его виды и основные характеристики.

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

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

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).

Амплитуда тока смещения и его направления совпадают по фазе с таковыми тока проводимости.
По значению он всегда равен току проводимости.

Сумма токов смещения и поляризации составляет полный ток смещения.

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

Синусоидальный

Прямоугольный

Треугольный

Трапециевидный

Игольчато-экспоненциальный

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.

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

Круговая частота (w, 2p/Т радиан/с)
Фаза (j) – 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 (Im, Um).
Среднеквадратическое (действующее, эффективное) значение тока и напряжения — вычисляется как положительный квадратный корень из среднего значению квадрата напряжения или тока по формулам.

I = ÖI2cp

U = ÖU2cp

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

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

Iэф = I = 0,707 Im

Uэф = U = 0,707 Um

Для практики имеют значения следующие формулы связи характеристик:

i(u) ≤Im(Um)

Iэф = I = Im/Ö2 =0,707 Im Im = 1,41 Iэф

Uэф = U= Um/Ö2 =0,707 Um Um = 1,41 Uэф

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.

Виды электрических цепей:

Простые.
Сложные.

Особенности простых идеальных цепей.

Условию идеальности цепи:

Активное сопротивление не равно нулю,
индуктивность и ёмкость его равны нулю.

R ¹ 0

Lr = 0

Cr = 0 ~ R

Особенности:

Соблюдается закон Ома для мгновенных, амплитудных и среднеквадратичных значений тока и напряжения.
Активное сопротивление не зависит от частоты (поверхностный «скин — эффект» не учитываем)

Нет сдвига фаз (Dj) 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 ¹ 0

RL= 0

CL = 0

Особенности цепи:

Соблюдается закон Ома.
L- элемент оказывает переменному току сопротивление, которое называется индуктивным. Оно обозначается XL и возрастает с увеличением частоты линейно, соответственно формуле:

XL = wL = 2pnL

В цепи есть сдвиг фаз между напряжением и током: V опережает I по фазе на угол p/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 ¹ 0, RС= 0, LC = 0.

Особенности цепи с ёмкостью:

1. Соблюдается закон Ома.

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

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

Работает переменный ток. 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.

Сейчас невозможно представить себе человеческую цивилизацию без электричества. Телевизоры, компьютеры, холодильники, фены, стиральные машины — вся бытовая техника работает на нем. Не говоря уже о промышленности и больших корпорациях. Основным источником энергии для электроприемников является переменный ток. А что это такое? Каковы его параметры и характеристики? Чем отличаются постоянный и переменный ток? Мало кто из людей знает ответы на эти вопросы.

Переменный против постоянного

В конце девятнадцатого века, благодаря открытиям в области электромагнетизма, возник спор по поводу того, какой же ток лучше применять, чтобы удовлетворить человеческие потребности. Как же все начиналось? Томас Эдисон в 1878 году основал свою компанию, которая в будущем стала знаменитой General Electric. Компания быстро разбогатела и завоевала доверие инвесторов и простых граждан Соединенных Штатов Америки, так как было построено по всей стране несколько сотен электростанций, работающих на постоянном токе. Заслуга Эдисона — в изобретении трехпроводной системы. Постоянный ток замечательно работал с первыми электрическими двигателями и лампами накаливания. Это были фактически единственные приемники энергии на то время. Счетчик, который также был изобретен Эдисоном, работал исключительно на постоянном токе. Однако в противовес развивающейся компании Эдисона выступили конкурентные корпорации и изобретатели, которые хотели противопоставить постоянному току переменный.

Недостатки изобретения Эдисона

Джордж Вестингауз, инженер и бизнесмен, заметил в патенте Эдисона слабое звено — огромные потери в проводниках. Однако ему не удалось разработать конструкцию, которая могла бы конкурировать с этим изобретением. В чем же недостаток Эдисоновского постоянного тока? Основная проблема — передача электроэнергии на расстояния. А так как при его увеличении растет и сопротивление проводников, то это значит, что будут увеличиваться и потери мощности. Для понижения этого уровня необходимо либо повышать напряжение, а это приведет к понижению силы самого тока, либо утолщать провод (то есть снижать сопротивление проводника). Способов эффективного повышения напряжения постоянного тока в то время не было, поэтому электростанции Эдисона держали напряжение, близкое к двум сотням вольт. К сожалению, передаваемые таким образом потоки мощности не могли обеспечить нужды промышленных предприятий. Постоянный ток не мог гарантировать генерацию электроэнергии мощным потребителям, которые находились на значительном расстоянии от электростанции. А повышать толщину проводов или строить больше станций было слишком дорого.

Переменный ток против постоянного

Благодаря разработанному в 1876 году инженером Павлом Яблочковым трансформатору, изменять напряжение у переменного тока было очень просто, что давало потрясающую возможность передавать его на сотни и тысячи километров. Однако на тот момент не существовало двигателей, которые работали бы на переменном токе. Соответственно, не было и генерирующих станций, и сетей для передачи.

Изобретения Николы Теслы

Несомненное преимущество постоянного длилось недолго. Никола Тесла, работая инженером в фирме Эдисона, понял, что постоянный ток не может обеспечить человечество электроэнергией. Уже в 1887 году Тесла получил сразу несколько патентов на аппараты переменного тока. Началась целая борьба за более эффективные системы. Основными конкурентами Теслы были Томсон и Стенли. А 1888 году однозначную победу получил сербский инженер, который предоставил систему, способную транспортировать электрическую энергию на расстояния в сотни миль. Молодого изобретателя быстро взял к себе Вестингауз. Однако сразу же началось противостояние между компаниями Эдисона и Вестингауза. Уже в 1891 году была разработана Теслой система трехфазного переменного тока, что позволило выиграть тендер по строительству огромной электрической станции. С тех пор однозначно позицию лидера занял переменный ток. Постоянный же сдавал свои позиции по всем фронтам. Особенно когда появились выпрямители, способные преобразовывать переменный ток в постоянный, что стало удобно для всех приемников.

Определение переменного тока

Пример простейшего генератора

В качестве самого простого источника используют прямоугольную рамку, изготовленную из меди, которая закреплена на оси и вращается в магнитном поле при помощи ременной передачи. Концы этой рамки припаяны контактными кольцами к медным, которые скользят по щеткам. Магнит создает равномерно распределенное в пространстве магнитное поле. Плотность силовых магнитных линий здесь одинакова в любой части. Вращающаяся рамка пересекает эти линии, и на ее сторонах индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). С каждым поворотом направление суммарной ЭДС меняется на обратное, так как рабочие стороны рамки за оборот проходят через разные полюса магнита. Так как меняется скорость пересечения силовых линий, то становится другой и величина электродвижущей силы. Поэтому если равномерно вращать рамку, то индуктированная электродвижущая сила периодически будет меняться как по направлению, так и по величине, ее можно измерить при помощи внешних приборов и, как следствие, использовать для того, чтобы создавать переменный ток во внешних цепях.

Синусоидальность

Что это такое? Переменный ток графически характеризуется волнообразной кривой — синусоидой. Соответственно, ЭДС, ток и напряжение, которые изменяются по этому закону, называются параметрами синусоидальными. Кривая так названа потому, что является изображением тригонометрической переменной величины — синуса. Именно синусоидальный характер переменного тока — наиболее распространенный во всей электротехнике.

Параметры и характеристики

Переменный ток — это явление, которое характеризуется определенными параметрами. К ним относят амплитуду, частоту и период. Последний (обозначается буквой Т) — это промежуток времени, в течение которого напряжение, ток или ЭДС совершает цикл полного изменения. Чем быстрее будет вращение ротора у генератора, тем период будет меньше. Частотой (f) называют количество полных периодов тока, напряжения или ЭДС. Она измеряется в Гц (герцах) и обозначает количество периодов за одну секунду. Соответственно, чем больше период, тем меньше частоты. Амплитудой такого явления, как переменный ток, называют наибольшее его значение. Записывается амплитуда напряжения, тока или электродвижущей силы буквами с индексом «т» — U т I т, Е т соответственно. Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующее значение. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени — мгновенное значение (помечают строчными буквами — і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.

f = 1/T, либо T = 1/f.

e = Emax˖sin (2/T)t.

В данной расскажем что такое переменный электрический ток и трехфазный переменный переменный ток.

Понятие переменного электрического тока даётся в учебнике физики общеобразовательного учебного заведения — школы. — ток имеющий форму гармонического синусоидального сигнала, основными характеристиками которого являются действующее напряжение и частота, с течением времени изменяется по направлению и величине.

Частота – это количество полных изменений полярности переменного электрического тока за одну секунду. Это означает, что ток, в обычной бытовой розетке частотой 50 Герц за одну секунду меняет своё направление с положительного значения на отрицательное и обратно ровно пятьдесят раз. Одно полное изменение направления (полярности) электрического тока с положительного значения на отрицательное и снова на положительное называют — периодом колебания электрического тока . В течение периода Т переменный электрический ток меняет своё направление дважды.

Для визуального наблюдения синусоидальной формы переменного тока обычно используют . Для исключения поражения электрическим током и защиты осциллографа от сетевого напряжения по входу, используют разделительные трансформаторы. Для измерения периода нет разницы, по каким равнозначным (равноамплитудным) точкам его измерять. Можно по максимальным положительным, или отрицательным вершинам, а можно и по нулевому значению. Это поясняется на рисунке.

Из учебника физики мы знаем, что переменный электрический ток вырабатывается с помощью электрической машины – генератора. Простейшая модель генератора это магнитная рамка, вращающаяся в магнитном поле постоянного магнита.

Представим себе прямоугольную проволочную рамку с несколькими витками, равномерно вращающуюся в однородном магнитном поле. Возникающая в этой рамке э.д.с. индукции меняется по синусоидальному закону. Период колебания Т переменного электрического тока – это один полный оборот магнитной рамки вокруг своей оси.

магнитная рамка

Одними из важных характеристик электрического тока являются две величины переменного электрического тока – максимальное значение и среднее значение.

Максимальное значение напряжения электрического тока Umax — это величина напряжения, соответствующая максимальному значению синусоиды.

Среднее значение напряжения электрического тока Uср — это величина напряжения, равная значению 0,636 от максимального. Математически это выглядит так:

U ср = 2 * U max / π = 0,636 U max

Синусоиду максимального напряжения можно проконтролировать на экране осциллографа. Понять, что такое среднее значение переменного электрического напряжения можно проведя эксперимент по рисунку и описанию ниже.

Используя осциллограф, подключите к его входу синусоидальное напряжение. Ручкой вертикального смещения развёртки переместите «ноль» развёртки на самую нижнюю линию шкалы экрана осциллографа. Растяните и сместите горизонтальную развёртку так, чтобы одна полуволна синусоидального напряжения поместилась в десять (пять) клеток экрана осциллографа. Ручкой вертикальной развёртки (усилением) растяните развёртку так, чтобы максимальная амплитуда полуволны поместилась ровно в десять (пять) клеток экрана осциллографа. Определите амплитуду синусоиды на десяти участках. Суммируйте все десять значений и поделите на десять – найдите его «средний балл». В результате Вы получите значение напряжения, приблизительно равное 6,36 от его максимального значения — 10.

Измерительные приборы – вольтметры, цешки, мультиметры для измерения переменного напряжения имеют в своей схеме выпрямитель и сглаживающий конденсатор. Эта цепочка «округляет» множитель разницы максимального и измеряемого напряжения до числа 0,7. Поэтому, если Вы будете наблюдать на экране осциллографа синусоиду напряжения амплитудой 10 вольт, то вольтметр (цешка, мультиметр) покажет не 10, а около 7 вольт. Вы думаете что в Вашей домашней розетке – 220 вольт? Так и есть, но не совсем так! 220 вольт – это среднее значение напряжения бытовой розетки, усреднённое измерительным прибором — вольтметром. Максимальное же напряжение следует из формулы:

U max = U изм / 0,7 = 220 / 0,7 = 314,3 вольт

Именно поэтому, когда Вас «бъёт» током от электрической розетки 220 вольт, знайте, что это Ваша иллюзия. На самом деле, Вас трясёт напряжение около 315 вольт.

Трехфазный ток

Наряду с простым синусоидальным переменным током в технике широко используется так называемый трехфазный переменный ток . Мало того, трёхфазный электрический ток — это основной вид энергии используемый во всём мире. Трёхфазный ток приобрёл популярность по причине менее затратной передачи энергии на большие расстояния. Если для обычного (однофазного) электрического тока требуется два провода, то для трёхфазного тока, у которого энергия в три раза больше, требуется всего три провода. Физический смысл Вы узнаете в этой статье позже.

Представьте, если вокруг общей оси вращается не одна, а три одинаковые рамки, плоскости которых повернуты друг относительно друга на 120 градусов. Тогда возникающие в них синусоидальные э.д.с. также будут сдвинуты по фазе на 120 градусов (см. на рис).

Такие три согласованных переменных тока называют трехфазным током. Упрощённое расположение проволочных обмоток в генераторе трёхфазного тока иллюстрируется на рисунке.

Подключение обмоток генератора по трём независимым линиям показано на рисунке ниже.

Такое подключение шестью проводами довольно громоздко. Так как для явлений в электрических цепях важны только разности потенциалов, то один проводник может использоваться сразу для двух фаз, без снижения нагрузочной способности по каждой из фаз. Другими словами, в случае подключения обмоток генератора по схеме «звезда» с использованием «нуля», передача энергии от трёх источников производится по четырём проводам (см. рис.), в которых один является общим – нулевым проводом.

По трём проводам может передаваться энергия сразу от трёх (фактически независимых) источников электрического тока соединённых «треугольником».

В промышленных генераторах и преобразующих трансформаторах «треугольником» обычно подключается межфазное напряжение 220 вольт. При этом «нулевой» провод отсутствует.

«Звезда» применяется для передачи напряжения сети с использованием «нуля». При этом на фазе относительно «нуля» действует напряжение 220 вольт. Межфазное напряжение при этом равно 380 вольт.

Частым явлением во времена «нагло ворующей демократии» было сгорание бытовой аппаратуры в квартирах добропорядочных граждан, когда из-за слабой проводки сгорал общий «ноль», тогда в зависимости от того, какое количество бытовых приборов включено в квартирах, горели телевизоры и холодильники у того, кто их меньше всего включал. Вызвано это явлением «перекоса фаз», которое возникало при обрыве нуля. В розетку добропорядочных граждан вместо 220 вольт устремлялось межфазное напряжение 380 вольт. До настоящего времени во многих коммуналках и сооружениях напоминающих жильё наших российских городов и весей это явление до конца не искоренилось.

Основные параметры переменного тока

Для его описания используют следующие параметры (см. график):

Период (T) — длительность времени в течение которого электрический ток совершает один полный цикл изменений, возвращаясь к своей начальной величине;
Частота (f) — параметр, определяющий количество полных колебаний электрического тока за одну секунду, единица измерения — 1 Герц (Гц). Так, напр. стандарт частоты тока, принятый в отечественных энергосистемах составляет 50 Гц или 50 колебаний в секунду.
Амплитуда тока (Im) — максимальное достигаемое мгновенное значение величины тока за период, как видно из представленного графика — высота синусоиды;
Фаза — состояние переменного синусоидального электрического тока: мгновенное значение, изменение направления, возрастание (убывание) в цепи. Переменный ток может быть как однофазным, так и многофазным.

Применение переменного тока

Цепи переменного тока. Определение и основные характеристики.

Приветствую всех на нашем сайте в рубрике «Основы электроники»!

В предыдущей статье мы обсудили понятия тока, напряжения и сопротивления, но все наши примеры были связаны только с постоянным током, поэтому сегодня мы будем разбираться с переменным 🙂 Итак, переходим от слов к делу!

Давайте для начала выясним какова же область применения цепей переменного тока. А область довольно-таки обширна! Смотрите сами — все бытовые электронные приборы, компьютеры, телевизоры и т. д. являются потребителями переменного тока, соответственно, все розетки в нашем доме работают именно с переменным током.

Почему же для данных целей не используется постоянный ток? На этот вопрос можно дать сразу несколько ответов. Во-первых, гораздо проще преобразовать напряжение переменного тока одной величины в напряжение другой величины, чем произвести аналогичные «махинации» с постоянным током. Данные преобразования осуществляются при помощи трансформаторов, о которых мы обязательно поговорим в рамках нашего курса.

Зачем вообще нужно изменять напряжение переменного тока? С этим тоже все просто и логично. Давайте для примера рассмотрим ситуацию передачи сигнала с электростанции в отдельно взятый дом.

Как видите, с электростанции «выходит» высоковольтное переменное напряжение, затем оно преобразуется в низковольтное (к примеру, 220В), а затем уже по низковольтным линиям передачи достигает своей цели — а именно потребителей. Возникает вопрос — к чему такие сложности? Что же, давайте разберемся…

Задачей электростанции является генерировать и передавать сигнал большой(!) мощности (ведь потребителей много). Поскольку величина мощности прямо пропорциональна и значению тока и значению напряжения, то для достижения необходимой мощности нужно, соответственно, либо увеличивать ток, либо напряжение сигнала. Увеличивать значение тока, протекающего по проводам довольно проблематично, ведь чем больше ток, тем больше должна быть площадь поперечного сечения провода. Это связано с тем, что чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление (вспоминаем формулу из статьи про сопротивление). Чем больше сопротивление, тем больше будет нагреваться провод и, соответственно, рано или поздно он прогорит.

Таким образом, использование токов огромной величины нецелесообразно, да и экономически невыгодно (нужны «толстые» провода). Поэтому мы логически приходим к выводу, что абсолютно необходимо передавать сигнал с большим значением напряжения. А поскольку в домах у нас требуются низковольтные цепи переменного тока, то сразу же становится понятно, что преобразование напряжения просто неизбежно 🙂 А из этого и вытекает преимущество переменного тока над постоянным (именно для данных целей), поскольку как мы уже упомянули — преобразовывать напряжение переменного тока на порядок легче, чем постоянного.

Ну и еще одно важное преимущество переменного тока — его просто проще получать. И раз уж мы вышли на эту тему, то давайте как раз-таки и рассмотрим пример генератора переменного тока…

Генератор переменного тока.

Итак, генератор — это электротехническое устройство, задачей которого является преобразование механической энергии в энергию переменного тока. Давайте рассмотрим пример:

На рисунке мы видим классический пример генератора переменного тока. Давайте разбираться, как же он работает и откуда тут появляется ток!

Но для начала пару слов об основных узлах. В состав генератора входит постоянный магнит (индуктор), создающий магнитное поле. Также может использоваться электромагнит. Вращающаяся рамка носит название якоря. В данном случае якорь генератора имеет только одну обмотку/рамку. Именно эта обмотка и является цепью переменного тока, то есть с нее и снимается переменный ток.

Переходим к принципу работы генератора переменного тока.

Магнит создает поле, вектор индукции которого B изображен на рисунке. Проводящая рамка площадью S равномерно вращается вокруг своей оси с угловой скоростью w. Поскольку рамка вращается, угол между нормалью к плоскости рамки и магнитным полем постоянно меняется. Запишем формулу для его расчета:

\alpha = wt + \alpha_0

Здесь \alpha_0 — это угол в начальный момент времени (t = 0). Примем его равным 0, таким образом:

\alpha = wt

Вспоминаем курс физики и записываем выражение для магнитного потока, проходящего через рамку:

\Phi(t) = BScos(\alpha)

Величина магнитного потока, как и угол \alpha зависит от времени. Согласно закону Фарадея при вращении проводника в магнитном поле в нем (в проводнике) возникает ЭДС индукции, которую можно вычислить по следующей формуле:

\varepsilon = -\Phi^{\prime}(t) = BSw\medspace sin(\alpha) = BSw\medspace sin(wt)

Эта ЭДС и используется для создания тока в цепи (возникает разность потенциалов и, соответственно, начинает течь ток). Как уже видно из формулы — зависимость тока от времени будет иметь синусоидальный характер:

Именно такой сигнал (синусоидальный) и используется во всех бытовых цепях переменного тока. Давайте поподробнее остановимся на основных параметрах, а заодно рассмотрим основные формулы и зависимости.

Основные параметры синусоидального сигнала.

На этом рисунке изображено два сигнала (красный и синий 🙂 ). Отличаются они только одним параметром — а именно начальной фазой. Начальная фаза — это фаза сигнала в начальный момент времени, то есть при t = 0. При обсуждении генератора мы приняли величину \alpha_0 равной нулю, так вот это и есть начальная фаза. Для данных графиков уравнения выглядят следующим образом:

Синий график: i(t) = I_msin(wt)

Красный график: i(t) = I_msin(wt + \beta)

Для второй формулы (wt + \beta) это фаза переменного тока, а \beta — это начальная фаза. Часто для упрощения расчетов принимают начальную фазу равной нулю.Ti(t)\,\mathrm{d}t

Эта формула представляет собой ни что иное как суммирование всех мгновенных значений переменного тока. А поскольку среднее значение синуса за период равно 0:

I_{cp} = 0

На этом мы на сегодня и заканчиваем, надеюсь, что статья получилась понятной и окажется полезной. В скором времени мы продолжим изучать электронику в рамках нашего нового курса, так что следите за обновлениями и заходите на наш сайт!

Переменный ток (AC) — Свойства — Форма волны

Разница между переменным током и непрерывным током заключается в том, что непрерывный ток течет только в одном направлении. Переменный ток циркулирует сначала в одном направлении, а затем в противоположном, непрерывно повторяя этот процесс.

Это вид электрического тока, который используется в наших домах для использования телевизора, стереосистемы, стиральной машины, холодильника и т. Д.

На следующем рисунке показано изменение величины напряжения (которое также является переменным. ).Сначала он идет вверх, а затем вниз и дает нам синусоидальную форму волны. (ведет себя так же, как и текущий).

Это напряжение (и ток) непрерывно изменяется, и мы можем использовать формулу: V = Vp x Sin (Θ), чтобы узнать напряжение в конкретный момент времени. Примечание: Θ = wt = 2πft, где:

π = 3,1416
f = частота
t = время

Vp — максимальное значение волны, а Θ — угловое расстояние, измеряемое в градусах. См. Схему.

Глядя на последнее изображение, мы видим периодическую синусоидальную волну (форма волны повторяется непрерывно), а полный цикл этой синусоидальной волны имеет 360 градусов.Мы можем в любой момент узнать величину напряжения с помощью приведенной выше формулы.

Для каждого углового расстояния Θ существует разное напряжение. Где в некоторых случаях он положительный, а в других — отрицательный (когда он меняет полярность).

Свойства переменного тока

Частота : (f) Количество циклов сигнала (напряжения или тока) за одну секунду. . Единица измерения частоты: Герц
Период : (T) Интервал времени, необходимый для повторения сигнала.Период имеет формулу: T = 1 / f или период (T) является обратной величиной частоты (f).
Пиковое напряжение переменного тока (Vpp)
Глядя на рисунок, мы видим, что есть максимальное и минимальное напряжение.

Разница между этими двумя значениями напряжения переменного тока называется размахом напряжения (Vpp) и в два раза превышает пиковое напряжение (Vp) (см. Рисунок).

Среднеквадратичное значение . Среднеквадратичное напряжение (Vrms): Вы можете получить среднеквадратичное значение напряжения переменного тока, используя формулу: Vrms = 0,707 x Vp.Это значение напряжения, которое мы получаем от VOM / мультиметра.

А теперь есть над чем подумать.

Когда мы используем VOM для проверки переменного напряжения в наших домах, мы обнаруживаем, что это напряжение будет около 110 или 220 вольт (в зависимости от страны, в которой мы живем). Это среднеквадратичное значение напряжения. Каким будет пиковое напряжение (Vp) этого сигнала?

Используя формулу выше: Vp = Vrms / 0,707.

случай 1: Vrms = 110 В, затем Vp = 110 / 0,707 = 155,6 В.
, случай 2: Vrms = 220 В, тогда Vp = 220 / 0,707 = 311.17 Вольт.

Цепи переменного тока: применение, типы и характеристики

Цепи переменного тока или цепи переменного тока — это просто цепи, питаемые от источника переменного тока, либо тока, либо напряжения. Переменное напряжение или ток — это напряжение, в котором величина либо напряжения, либо тока изменяется относительно определенного среднего значения и периодически меняет направление на обратное.

Большинство бытовых и промышленных систем и устройств в настоящее время питаются от переменного тока.Все устройства на базе постоянного тока, подключенные к перезаряжаемой батарее, технически работают на переменном токе. Все устройства постоянного тока используют мощность постоянного тока, полученную от переменного тока, для зарядки своей системы питания и батарей.

Схема переменного тока была впервые создана в 1980-х годах, когда Tesla стремилась решить проблему многочисленных неработоспособностей генераторов постоянного тока Томаса Эдисона. Он попытался представить способ передачи электричества под высоким напряжением. Затем, используя трансформаторы для увеличения или уменьшения мощности для распределения, мы сможем минимизировать потери мощности на больших расстояниях, что в то время было центром проблем постоянного тока.

Постоянный ток и переменный ток (переменный и постоянный)

Переменный и постоянный ток во многом различаются от передачи к генерации и распределению. Существенная разница между постоянным и переменным током, которая также является основой их разнообразных характеристик, заключается в направлении потока электричества. В постоянном токе электроны движутся непрерывно в определенном направлении или вперед, но в системе переменного тока электроны меняют направление своего движения с периодическими интервалами.Этот переменный ток также приводит к изменению значения напряжения, поскольку оно изменяется с отрицательного на положительное в соответствии с током.

Сравнение переменного и постоянного тока (Ссылка: circuitdigest.com)

Что такое цепь переменного тока?

Электрические и электронные схемы включают в себя множество различных соединительных компонентов, образующих замкнутую и законченную цепь. Основными пассивными компонентами, используемыми в любой цепи, являются конденсатор , резистор и индуктор .Все три названных пассивных компонента имеют одну общую черту; они ограничивают электрический ток в цепи, но совершенно разными способами.

Электрический ток может проходить через цепь двумя способами. Если он проходит только в одном направлении, он называется постоянным током (DC). Если электрический ток чередуется в разных направлениях вперед и назад, он называется переменным током (AC). Поскольку они обеспечивают сопротивление внутри цепи, пассивные компоненты в цепях переменного тока действуют совершенно иначе, чем в цепях постоянного тока.

Пассивные компоненты в цепи потребляют электрическую энергию. Следовательно, они не могут усиливать или увеличивать мощность подаваемых на них электрических сигналов. Просто все потому, что они пассивны и всегда будут иметь меньший выигрыш. Пассивные компоненты, размещенные в электрической и электронной схеме, могут быть объединены в бесконечное количество конструкций, как показано ниже, при этом рабочие характеристики этих схем основаны на взаимодействии между их различными электрическими свойствами.

Пример сложной цепи переменного тока (Ссылка: allaboutcircuits.com)

Что такое реагент и импеданс?

Типы цепей, в которых ток пропорционален напряжению, называются линейными цепями. В резисторе отношение напряжения к току является его сопротивлением. Сопротивления не имеют независимости от частоты и имеют две фазы. Тем не менее, схемы только с резисторами не очень интересны и применимы.

Обычно частота не влияет на отношение напряжения к току, и существует разность фаз.Таким образом, общее название отношения напряжения к току — импеданс. Символ импеданса — Z. Сопротивление — это частный случай импеданса. Другой частный пример: ток и напряжение сдвинуты по фазе на 90 °; это важный случай, потому что при этом не происходит потери мощности в цепи. В этом случае, когда ток и напряжение не совпадают по фазе на 90 °, мы называем реактивным сопротивлением отношение напряжения к току, а его символ — X.

Терминология

Для сжатия мы будем указывать электрический потенциал. разница как напряжение.Мы будем рассматривать напряжения и токи как функцию, которая изменяется синусоидально со временем, и будем использовать строчные буквы i и v для тока и напряжения при явном анализе их изменения. Мы представим амплитуду или пикового значения синусоидального изменения посредством Vm и I _m, в то время как V = V _m / √2 и I = I _m / √2 без нижних индексов относятся к их Значения RMS. Чтобы понять источник синусоидально изменяющегося напряжения и то, как мы их используем, см. Этот пост.

Напряжение и ток, которые мы используем в переменном токе, можно представить в виде следующих уравнений:

v = v (t) = V_m sin (\ omega t)

i = i (t) = I_m sin (\ omega t + \ varphi)

где:

\ omega = 2πf = угловая частота

f = обычная или циклическая частота = количество полных колебаний в секунду.

\ varphi = разность фаз между напряжением и током.

Синусоидальное напряжение и ток в цепи переменного тока (Ссылка: electronics-tutorials.ws)

Пассивные компоненты в цепях переменного тока

Мы можем назвать R как сопротивление, C как емкость и L как индуктивность. Независимо от того, используем ли мы резисторы в цепях постоянного или переменного тока, они всегда имеют одинаковое значение сопротивления в системе, независимо от частоты питания. Это все потому, что резисторы идентифицируются как чистые, имеющие паразитные характеристики, такие как нулевая индуктивность L = 0 и бесконечная емкость C = ∞.Кроме того, для полностью резистивной цепи у нас всегда есть синфазное напряжение и ток, поэтому мы можем найти мощность, потребляемую в любой момент, умножив напряжение на ток.

С другой стороны, конденсаторы и катушки индуктивности имеют отдельный тип сопротивления переменного тока, известный как реактивное сопротивление , как упоминалось перед (X _L и X _C). Реактивное сопротивление также блокирует прохождение тока, но значение реактивного сопротивления не является фиксированной величиной для одного конденсатора или катушки индуктивности по сравнению с резистором с фиксированным значением сопротивления.Величина реактивного сопротивления катушки индуктивности или конденсатора зависит от частоты тока питания и величины постоянного тока самого элемента.

Кроме того, существует часто используемый список пассивных компонентов в цепях переменного тока и соответствующие им уравнения, которые можно применять для определения их импеданса и значения реактивного сопротивления тока цепи. {\ circ} = R + J0

I_S = \ frac {V_S} {R}

Полностью емкостная схема

Конденсатор — это компонент, обладающий емкостью и способный экономить энергию в виде электрического заряда, как и небольшая батарея.{\ circ} = 0-jX_C

I_S = \ frac {V_S} {X_S}

Полностью индуктивная цепь

Катушка индуктивности включает катушку с проволокой, которая индуцирует магнитное поле внутри себя или центрального сердечника из-за ток, протекающий через катушку. Величина индуктивности катушки индуктивности измеряется в единицах Генри (H). В цепях постоянного тока индуктор является короткозамкнутым и имеет нулевое сопротивление. Напротив, на высоких частотах индуктор имеет бесконечный импеданс (разомкнутая цепь).{2}}

\ поэтому Z = X_C-X_L или X_L-X_C

Z = \ angle (\ phi _1 + \ phi _2) = 0 + jX_L-jX_C

f_r = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}}

I_S = I_L = I_C
Цепь последовательного LC

(Ссылка: electronics-tutorials. {2}}

V_S = V_C = V_R

Параллельная RC-цепь (Ссылка: electronics-tutorials.{2}}

V_S = V_L = V_R

Параллельная цепь RL (Ссылка: electronics-tutorials.ws)

Параллельная цепь LC

Принципиальная схема и уравнение для параллельной цепи LC:

B_L = \ frac {1} {X_L}, B_C = \ frac {1} {X_C}

Y = \ frac {1} {Z} = B_L + B_C

f_R = \ frac {1} { 2 \ pi \ sqrt {LC}}

V_S = V_L = V_C

Параллельная LC-схема (Ссылка: electronics-tutorials.{2}}

f_R = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}}

V_S = V_C = V_R = V_L

Параллельная цепь RLC (Ссылка: electronics-tutorials.ws)

Показано выше, в цепях переменного тока пассивные компоненты ведут себя совершенно иначе, чем при использовании в цепях постоянного тока, из-за наличия частоты ( ). В полностью резистивной цепи у нас есть синфазные ток и напряжение. В полностью емкостной цепи ток в конденсаторе составляет -90 ^o с напряжением, в то время как он составляет 90 ^o для полностью индуктивной цепи.

В последовательных схемах сумма векторов напряжений на компонентах схемы эквивалентна напряжению питания (V _S) . С другой стороны, в параллельной схеме сумма векторов протекающих токов в каждом элементе равна току питания (I _S).

Как для последовательного, так и для параллельного соединения цепей RLC, резонанс возникает при XL = XC, когда ток источника «синфазен» с напряжением питания цепи. Резонанс последовательной цепи идентифицируется как цепь приемника , а цепь параллельного резонанса идентифицируется как цепь отклонителя .

Мощность в цепи переменного тока

В цепях постоянного тока мощность компонентов — это просто выход постоянного напряжения, умноженного на ток в ваттах. Однако для цепи переменного тока с реактивными элементами мы должны оценивать потребляемую мощность по-другому.

Электрическая мощность — это энергия, потребляемая в цепи. Все электрические и электронные элементы и устройства имеют ограничение на количество электроэнергии, с которой они могут безопасно работать. Например, у нас есть резистор на 1/4 Вт или усилитель на 20 Вт.

Количество мощности в цепях в любой момент называется мгновенной мощностью и известно знаменитым соотношением мощности, равной амперам, умноженным на вольт (P = VI). В результате один ватт будет равен результату вольт-ампер, умноженному на один вольт на один ампер (один ватт — это скорость потребления энергии из расчета один джоуль в секунду).

Итак, мощность, потребляемая или обеспечиваемая элементом схемы, представляет собой напряжение на элементе и ток, протекающий внутри него. Предположим, у нас есть сопротивление в цепи постоянного тока R Ом.{2}} {R}

где:

В: постоянное напряжение

I: постоянный ток

R: значение сопротивления.

Электроэнергия в цепи переменного тока

В цепях постоянного тока напряжения и токи постоянны и не меняются во времени, поскольку нет функции синусоидальной формы волны, связанной с источником питания. Напротив, мгновенные значения тока, напряжения и результирующей мощности в цепи переменного тока непрерывно изменяются источником питания. Следовательно, мы не можем рассчитать мощность в цепях переменного тока так же, как в предыдущем методе.Тем не менее, мы все же можем предположить, что мощность равна амперам (i), умноженным на напряжение (v).

Еще одним важным моментом является то, что цепи переменного тока имеют реактивное сопротивление, поэтому компоненты создают магнитные и / или электрические поля. В отличие от чисто резистивного элемента, мощность накапливается, а затем возвращается обратно в схему, когда синусоидальная форма волны проходит за один полный периодический цикл.

В результате средняя мощность, потребляемая схемой, представляет собой сумму накопленной энергии и мощности, возвращаемой за один полный цикл.Средняя потребляемая мощность схемы — это средняя мгновенная мощность в течение одного полного цикла. Мгновенная мощность (p) может быть определена как мгновенное напряжение (v), умноженное на мгновенный ток (i).

Принимая синусоидальные формы сигнала напряжения и тока, мы имеем:

Форма волны синусоидального напряжения (Ссылка: electronics-tutorials.ws)

P = v \ times i

V = V_msin (\ omega t + \ phi _v)

i = I_msin (\ omega t + \ phi _i)

p = [V_msin (\ omega t + \ theta _v) \ times I_msin (\ omega t + \ theta _i)]

\, следовательно, V_mI_m (sin (\ omega t + \ theta _i) \ times sin (\ omega t + \ theta _v))

Тригонометрическое произведение на сумму:

sin (A + B) = \ frac {1} {2} [cos (AB ) -cos (A + B)]

Где \ theta = \ theta _v- \ theta _i, и, поместив в приведенное выше уравнение, мы получаем:

p = \ frac {V_mI_m} {2}) ( cos (\ theta) -cos (2 \ omega t + \ theta))

\ frac {V_mI_m} {2} = \ frac {V_m} {\ sqrt {2}} \ times \ frac {I_m} {\ sqrt { 2}} = V_ {RMS} \ times I_ {RMS}

, где V _RMS и I _RMS — среднеквадратичные значения синусоидальных сигналов. моделей v и i , соответственно.Следовательно, мы можем отобразить мгновенную мощность как:

P = VIcos \ theta — cos (2 \ omega t + \ theta))

Это уравнение показывает нам, что мгновенная мощность переменного тока состоит из двух различных частей и является суммой два срока. Вторая часть представляет собой синусоидальную функцию времени с частотой, в два раза превышающей угловую частоту источника питания. Однако первый член — это константа, значение которой основано на разности фаз θ между напряжением и током.

Поскольку мгновенная мощность постоянно изменяется в зависимости от синусоидальной функции во времени, ее трудно измерить.{2} Zcos \ theta

% PDF-1.4 % 107 0 obj> эндобдж xref 107 81 0000000016 00000 н. 0000002547 00000 н. 0000002645 00000 н. 0000002773 00000 н. 0000003341 00000 п. 0000003458 00000 н. 0000003565 00000 н. 0000003683 00000 н. 0000003799 00000 н. 0000003915 00000 н. 0000004033 00000 н. 0000004151 00000 п. 0000004266 00000 н. 0000004384 00000 п. 0000004500 00000 н. 0000004616 00000 н. 0000004732 00000 н. 0000004850 00000 н. 0000004965 00000 н. 0000005082 00000 н. 0000005200 00000 н. 0000005318 00000 н. 0000005436 00000 н. 0000005554 00000 н. 0000005672 00000 н. 0000005786 00000 н. 0000005903 00000 н. 0000006021 00000 н. 0000006136 00000 н. 0000006225 00000 н. 0000006358 00000 п. 0000006391 00000 н. 0000006455 00000 н. 0000006790 00000 н. 0000007203 00000 н. 0000007747 00000 н. 0000008101 00000 п. 0000008522 00000 н. 0000008724 00000 н. 0000009080 00000 н. 0000009501 00000 п. 0000009795 00000 н. 0000010271 00000 п. 0000010746 00000 п. 0000010814 00000 п. 0000010991 00000 п. 0000012442 00000 п. 0000012663 00000 п. 0000012842 00000 п. 0000014214 00000 п. 0000014435 00000 п. 0000014737 00000 п. 0000014821 00000 п. 0000015002 00000 н. 0000015526 00000 п. 0000016918 00000 п. 0000018296 00000 п. 0000018494 00000 п. 0000018659 00000 п. 0000019962 00000 п. 0000020182 00000 п. 0000020494 00000 п. 0000020575 00000 п. 0000020764 00000 п. 0000021064 00000 п. 0000021269 00000 п. 0000021564 00000 п. 0000021642 00000 п. 0000022317 00000 п. 0000023337 00000 п. 0000024455 00000 п. 0000025529 00000 п. 0000026684 00000 п. 0000029316 00000 п. 0000031898 00000 п. 0000036661 00000 п. 0000042221 00000 п. 0000042647 00000 п. 0000042862 00000 п. 0000042928 00000 п. 0000001916 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 187 0 obj> поток xb»f« \ Ȁ

ЧЕРЕДОВАНИЕ

ПЕРЕМЕНА ПЕРЕМЕНА ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Переменный ток в значительной степени заменил постоянный ток в коммерческих энергосистемы по ряду причин.Может передаваться долго дистанции легче и экономичнее, чем при постоянном токе, так как Напряжение переменного тока может быть увеличено или уменьшено с помощью трансформаторов.

Поскольку все больше и больше единиц эксплуатируются в самолетах с электроприводом, требования к мощности таковы, что можно реализовать ряд преимуществ используя ac. Можно сэкономить место и вес, так как устройства переменного тока, особенно двигатели меньше и проще устройств постоянного тока. В большинстве двигателей переменного тока нет щеток требуются, и проблемы с коммутацией на большой высоте устраняются.Схема выключатели будут удовлетворительно работать под нагрузкой на больших высотах в в системе переменного тока, в то время как искрение в системах постоянного тока настолько сильное, что автоматические выключатели необходимо часто заменять. Наконец, большинство самолетов, использующих 24 В постоянного тока система имеет специальное оборудование, которое требует определенного количества 400 циклов переменный ток.

Сравнение переменного и постоянного тока

Многие принципы, характеристики и эффекты чередования ток аналогичен постоянному току.Точно так же есть количество различий, которые будут объяснены позже. Постоянный ток течет постоянно только в одном направлении с постоянной полярностью. Он меняет только величину когда цепь разомкнута или замкнута, как показано в форме волны постоянного тока на рисунке 8-160. Переменный ток через равные промежутки времени меняет направление, увеличивается в стоимости с определенной скоростью от нуля до максимальной положительной силы, и уменьшается до нуля; затем он течет в обратном направлении, аналогично увеличивается до максимального отрицательного значения и снова уменьшается до нуля.ОКРУГ КОЛУМБИЯ и формы переменного тока сравниваются на рис. 8-160.

Поскольку переменный ток постоянно меняет направление и силу, В цепях переменного тока имеют место два эффекта, которых нет в цепях постоянного тока. Это индуктивное реактивное сопротивление и емкостное реактивное сопротивление. Оба обсуждаются далее в этой главе.

Принципы работы генератора

После обнаружения электрического тока, протекающего по проводнику создает магнитное поле вокруг проводника, что было значительным научным предположение о том, может ли магнитное поле создать ток в дирижере.В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей продемонстрировал это могло быть выполнено. Это открытие является основой операции генератора, что ознаменовало начало эры электричества.

Чтобы показать, как электрический ток может быть создан магнитным полем, демонстрация, аналогичная показанной на рисунке 8-161 можно использовать. Намотано несколько витков проводника. цилиндрической формы, а концы проводника соединены между собой для формирования полной схемы, включающей гальванометр.Если простой бар магнит погружен в цилиндр, гальванометр можно наблюдать отклоняться в одном направлении от своего нулевого (центрального) положения (A на рисунке 8-161).

Когда магнит находится в состоянии покоя внутри цилиндра, гальванометр показывает нулевое значение, указывающее на отсутствие тока (B на рисунке 8-161).

В C на рисунке 8-161 гальванометр указывает ток течет в противоположном направлении, когда магнит вытаскивают из цилиндр.

Те же результаты можно получить, удерживая магнит в неподвижном состоянии и перемещая цилиндр над магнитом, показывая, что ток течет, когда между катушкой и магнитным полем происходит относительное движение. Эти результаты подчиняются закону, впервые сформулированному немецким ученым Генрихом. Ленц. Закон Ленца гласит, что индуцированный ток, вызванный относительной движение проводника и магнитное поле всегда течет в таком направлении что его магнитное поле противодействует движению.

Когда проводник перемещается в магнитном поле, как показано на рисунке 8-162, в проводнике индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). В направление (полярность) наведенной ЭДС. определяется магнитным силовые линии и направление, в котором проводник перемещается через магнитный поле. Правило левой руки генератора (не путать с правилом левой руки). правила, используемые с катушкой) можно использовать для определения направления индуцированного е.m.f., как показано на рисунке 8-163. Первый палец левой руки направлен в направлении магнитных силовых линий (с севера на юг) большой палец направлен в направлении движения проводник через магнитное поле, а второй палец указывает в направлении наведенной ЭДС. Когда два из этих трех факторов известны, третий может быть определен с помощью этого правила.

Когда проводник контура вращается в магнитном поле (см. рисунок 8-164), напряжение индуцируется на каждой стороне контура.Две стороны разрезают магнитное поле в противоположных направлениях, и хотя ток поток непрерывен, он движется в противоположных направлениях по отношению к две стороны петли. Если стороны A и B и петля повернуты на половину поворота и стороны проводника поменялись местами, индуцированное э.м.ф. в каждой проволоке меняет направление на противоположное, так как проволока, ранее режущая силовые линии, направленные вверх, теперь движутся вниз.

Значение индуцированной эл.м.ф. зависит от трех факторов:

(1) Количество проводов, проходящих через магнитное поле.
(2) Напряженность магнитного поля.
(3) Скорость вращения.

Генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока называются генераторами переменного тока. или генераторы.

Простой генератор, показанный на рисунке 8-165, составляет один из методов генерации переменного напряжения.Он состоит из вращающегося петля, обозначенная A и B, помещенная между двумя магнитными полюсами N и S. Концы петли соединены с двумя металлическими контактными кольцами (коллекторными кольцами), С1 и C2. Ток снимается с колец коллектора щетками. Если петля рассматривается как отдельные провода A и B, а правило левой руки для генераторов (не путать с правилом левой руки для катушек), затем можно заметить, что когда провод А движется вверх по полю, напряжение индуцируется, что заставляет ток течь внутрь.Когда провод B движется вниз через поле индуцируется напряжение, которое заставляет ток течь наружу. Когда провода образуют петлю, напряжения, индуцируемые в две стороны петли совмещены. Следовательно, для пояснительных целей действие любого проводника, A или B, при вращении в магнитном поле аналогично действию цикла.

Рисунок 8-166 иллюстрирует генерацию чередующихся ток с помощью простого петлевого проводника, вращающегося в магнитном поле.Как это вращается против часовой стрелки, меняя значения напряжений индуцируются в нем. В позиции 1 проводник А движется параллельно линиям силы. Поскольку он не перерезает силовые линии, индуцированное напряжение равно нулю. Когда проводник продвигается из положения 1 в положение 2, индуцированное напряжение постепенно увеличивается. В точке 2 проводник движется перпендикулярно потоку и прорезает максимальное количество силовых линий; поэтому максимальное напряжение индуцируется. По мере того, как проводник выходит за пределы 2, он сокращает количество уменьшающихся потока в каждый момент, и индуцированное напряжение уменьшается.В 3 года проводник сделал половину оборота и снова движется параллельно линиям силы, и в проводнике не возникает напряжения.

Когда проводник А проходит позицию 3, направление индуцированного напряжения меняется на противоположное, так как проводник теперь движется вниз, разрезая флюс в противоположное направление. По мере того, как проводник А движется через южный полюс, индуцированное напряжение постепенно увеличивается в отрицательном направлении, пока не достигнет положения 4 проводник снова движется перпендикулярно потоку и генерирует максимум отрицательное напряжение.От положения 4 до 5 наведенное напряжение постепенно уменьшается. пока напряжение не станет равным нулю, и проводник и волна не будут готовы к запуску другой цикл.

Кривая, показанная в позиции 5, называется синусоидальной волной. Он представляет собой полярность и величина мгновенных значений напряжений сгенерировано. Горизонтальная базовая линия делится на градусы или время и расстояние по вертикали выше или ниже базовой линии представляет значение напряжения в каждой конкретной точке вращения контура.

Цикл и частота

Когда напряжение или ток проходят через серию изменений, возвращается в исходную точку, а затем снова запускает ту же серию изменений, серия называется циклом. Цикл представлен символом волнистая линия по кругу. В цикле напряжения, показанном на рисунке 8-167, напряжение увеличивается от нуля до максимального положительного значения, уменьшается до нуля; затем увеличивается до максимального отрицательного значения, и снова уменьшается до нуля.На данный момент он готов пройти ту же серию изменений. В полном цикле есть два чередования, положительное чередование и отрицание. Каждый составляет половину цикла.

Вызывается количество раз, которое происходит каждый цикл за период времени. Частота. Частота электрического тока или напряжения указывает количество повторений цикла за 1 секунду.

В генераторе напряжение и ток проходят полный цикл значений каждый раз, когда катушка или проводник проходит под северным и южным полюс магнита.Количество циклов на каждый оборот катушки или проводник равен количеству пар полюсов. Тогда частота равно количеству циклов в одном обороте, умноженному на число оборотов в секунду. Выражаясь в форме уравнения,

где P / 2 — количество пар полюсов, а rpm / 60 — количество пар полюсов. оборотов в секунду. Если в 2-х полюсном генераторе проводник поворачивается при 3600 об / мин обороты в секунду равны

Поскольку имеется 2 полюса, P / 2 равно 1, а частота составляет 60 гц.В 4-х полюсный генератор с частотой вращения якоря 1800 об / мин, заменить в уравнение,

Помимо частотных и периодических характеристик, переменный напряжение и ток также имеют отношение, называемое «фазой». В цепи который питается (питается) от одного генератора, должна быть определенная фаза соотношение между напряжением и током, если цепь должна функционировать эффективно. В системе, питаемой от двух или более генераторов, не только должны существует определенное фазовое соотношение между напряжением и током одного генератора переменного тока, но между отдельными напряжения и индивидуальные токи.Также две отдельные цепи могут быть сравнивается путем сравнения фазовых характеристик одного с фазовыми характеристиками другого.

Когда две или более синусоидальных волны проходят через 0 ° и 180 ° в в одно и то же время и одновременно достигают своих пиков, синфазное состояние существует, как показано на рисунке 8-168. Пиковые значения (величины) не имеют быть одинаковым для существования синфазного состояния.

Когда синусоидальные волны проходят через 0 ° и 180 ° в разное время и достигают своих пиков в разное время, существует противофазное состояние, как показано на рисунке 8-169.Сумма, которую двое синусоидальные волны не в фазе обозначается числом электрических градусов между соответствующими пиками на синусоидальных волнах. На рисунке 8-169 текущий и напряжение не совпадает по фазе на 30 °.

Значения переменного тока

Есть три значения переменного тока, которые должны быть на рассмотрении. Они мгновенные, максимальные и эффективные. Мгновенный значение напряжения или тока — это индуцированное напряжение или ток, протекающий при в любой момент.Синусоидальная волна представляет собой серию этих значений. Мгновенный значение напряжения изменяется от нуля при 0 ° до максимального при 90 °, обратно до нуля на 180 °, до максимума в обратном направлении на 270 °, и снова до нуля на 360 °. Считается любая точка на синусоиде. мгновенное значение напряжения.

Максимальное значение — это наибольшее мгновенное значение. Самый большой сингл положительное значение возникает, когда синусоидальная волна напряжения находится под углом 90 °, и наибольшее отрицательное значение возникает, когда оно составляет 270 °.Эти называются максимальными значениями. Максимальное значение в 1,41 раза превышает эффективное значение. (См. Рисунок 8-170.)

Действующее значение переменного тока такое же, как и значение постоянного тока, который может производить такой же нагревательный эффект. Эффективный значение меньше максимального значения, равное 0,707 максимального значения ценить. Таким образом, значение 110 вольт, данное для подаваемого переменного тока. до домов всего 0.707 от максимального напряжения этого источника питания. Максимум напряжение составляет примерно 155 вольт (110 x 1,41 = максимум 155 вольт).

При исследовании переменного тока любые значения, указанные для тока или предполагается, что напряжение является действующим значением, если не указано иное, и на практике используются только действующие значения напряжения и тока. Аналогичным образом вольтметры и амперметры переменного тока измеряют эффективную ценить.

15.2: Источники переменного тока — Physics LibreTexts

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

Объясните разницу между постоянным током (dc) и переменным током (ac)
Определить характеристики переменного тока и напряжения, такие как амплитуда или пик и частота

Большинство примеров, рассмотренных до сих пор в этой книге, особенно с использованием батарей, имеют источники постоянного напряжения.Таким образом, как только ток установлен, он становится постоянным. Постоянный ток (dc) — это поток электрического заряда только в одном направлении. Это установившееся состояние цепи постоянного напряжения.

Однако в большинстве известных приложений используется источник напряжения, изменяющийся во времени. Переменный ток (ac) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление. Переменный ток создается переменной ЭДС, которая генерируется на электростанции, как описано в разделе «Индуцированные электрические поля».Если источник переменного тока периодически меняется, особенно синусоидально, цепь называется цепью переменного тока. Примеры включают коммерческую и бытовую энергетику, которая обслуживает так много наших потребностей.

Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые на предприятиях и дома, различаются по всему миру. В обычном доме разность потенциалов между двумя сторонами электрической розетки изменяется синусоидально с частотой 60 или 50 Гц и амплитудой 170 или 311 В, в зависимости от того, живете ли вы в США или Европе соответственно.Большинство людей знают, что разность потенциалов для электрических розеток составляет 120 В или 220 В в США или Европе, но, как объясняется далее в этой главе, эти напряжения не являются пиковыми значениями, приведенными здесь, а скорее связаны с обычными напряжениями, которые мы видим в наших электрические розетки. На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичных источников постоянного и переменного тока в США.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (a) Напряжение и ток постоянного тока постоянны во времени после установления тока.(б) Напряжение и ток в зависимости от времени сильно различаются для переменного тока. В этом примере, который показывает мощность переменного тока 60 Гц и время t в миллисекундах, напряжение и ток синусоидальны и находятся в фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковое напряжение источников переменного тока сильно различаются.

Предположим, мы подключаем резистор к источнику переменного напряжения и определяем, как напряжение и ток изменяются во времени на резисторе. На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана схема простой схемы с источником переменного напряжения.Напряжение синусоидально колеблется во времени с фиксированной частотой, как показано, либо на клеммах батареи, либо на резисторе. Следовательно, переменное напряжение , или «напряжение на вилке», может быть выражено как

\ [v (t) = V_0 \, \ sin \, \ omega t, \]

где

\ (v \) — напряжение в момент времени \ (t \),
\ (V_0 \) — пиковое напряжение, а
\ (\ omega \) — угловая частота в радианах в секунду.

Для типичного дома в США \ (V_0 = 156 \, V \) и \ (\ omega = 120 \ pi \, рад / с \), тогда как в Европе \ (V_0 = 311 \, V \) и \ (\ omega = 100 \ pi \, рад / с \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Разность потенциалов В между выводами источника переменного напряжения колеблется, поэтому на источнике и резисторе синусоидальные волны переменного тока накладываются друг на друга. Математическое выражение для v дается как \ (v = V_0 \, sin \, \ omega t \).

Для этой простой цепи сопротивления \ (I = V / R \), поэтому переменный ток , то есть ток, который синусоидально колеблется во времени с фиксированной частотой, равен

\ [i (t) = I_0 \, \ sin \, \ omega t, \]

где

\ (i (t) \) — текущий момент времени \ (t \) и
\ (I_0 \) — пиковый ток, равный \ (V_0 / R \).

В этом примере говорят, что напряжение и ток находятся в фазе, что означает, что их синусоидальные функциональные формы имеют пики, впадины и узлы в одном и том же месте. Они колеблются синхронно друг с другом, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1b} \). В этих уравнениях и на протяжении всей главы мы используем строчные буквы (такие как \ (i \)) для обозначения мгновенных значений и заглавные буквы (такие как \ (I \)) для обозначения максимальных или пиковых значений.

Ток в резисторе меняется взад и вперед, как и напряжение возбуждения, поскольку \ (I = V / R \).Например, если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, когда ток постоянно проходит через ноль. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстро для ваших глаз, но если вы помахаете рукой вперед и назад между вашим лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект переменного тока.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Если рассматривать европейский источник переменного напряжения, какова разница во времени между переходами через ноль на графике зависимости переменного напряжения от времени?

Решение

10 мс

Авторы и авторство

Сэмюэл Дж.Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

Разница мощности постоянного и переменного тока | Тех

(опубликовано 12 августа 2021 г.)

Электроэнергия бывает двух видов: постоянного и переменного тока.

Есть два метода электрического тока.Это постоянный ток (DC) и переменный ток (AC).
Постоянный ток — это метод, при котором электричество всегда течет в определенном направлении по сравнению с потоком река. Он относится к потоку электричества, полученному от батарей, батарей, солнечных элементов и т. Д.
С другой стороны, переменный ток (AC) — это метод, при котором положительная и отрицательная стороны постоянно периодически переключаются, и соответственно меняется направление потока электричества.Это поток электричество, полученное от генератора или розетки. Электроэнергия, производимая на электростанциях и отправляемая в дома, также передается как переменный ток.
На схеме ниже показан поток электроэнергии постоянного и переменного тока.

В постоянном токе напряжение всегда постоянно, а электричество течет в определенном направлении. Наоборот, в переменном токе напряжение периодически меняется с положительного на отрицательное и с отрицательного на положительный, и направление тока также периодически меняется соответственно.
В постоянном токе напряжение всегда постоянно, а электричество течет в определенном направлении. Наоборот, в переменном токе напряжение периодически меняется с положительного на отрицательное и с отрицательного на положительный, и направление тока также периодически меняется соответственно.

Характеристики блока питания постоянного тока

Постоянный ток, при котором электричество всегда течет в постоянном направлении, имеет следующие достоинства и недостатки.

Преимущества

Нет опережения или задержки в цепи
Реактивная мощность не генерируется
Может хранить электроэнергию

Недостаток

Прерывание тока затруднено
Напряжение сложно преобразовать
Сильный электролитический эффект

В переменном токе направление тока постоянно меняется.Поэтому, когда конденсатор или индуктор включен в цепь, например, есть задержка или опережение тока, протекающего в нагрузку в зависимости от поведения напряжения.
Однако при постоянном токе напряжение и направление тока всегда постоянны, поэтому поведение конденсаторов и катушек также всегда постоянна. Следовательно, в округе Колумбия нет опережения или задержки в схема.
При переменном токе (AC) направление тока переключается, поэтому не все электричество проходит через нагрузка, и некоторая мощность генерируется просто перемещаясь туда и обратно между нагрузкой и источником питания.Этот называется реактивной мощностью.
При постоянном токе все электричество проходит через нагрузку, потому что ток всегда течет с постоянным током. направление. Это изображение выталкиваемого гребешка. Следовательно, реактивная мощность не генерируется и мощность можно эффективно использовать.
Еще одним преимуществом постоянного тока является то, что он может накапливаться батареями, батареями, конденсаторами и т. Д.

С другой стороны, у постоянного тока тоже есть свои недостатки.Одна из них заключается в том, что трудно прервать электрический ток. Поскольку к постоянному току всегда прикладывается постоянное напряжение, особенно при высоком напряжении, в момент прерывания могут возникнуть такие проблемы, как дуга (искры), или может возникнуть риск поражения электрическим током. в окрестностях.
В случае переменного тока, когда напряжение переключается с положительного на отрицательное или с отрицательного на положительное, напряжение мгновенно падает до нуля. Если вы стремитесь к моменту, когда напряжение низкое, вы можете прервать ток безопаснее, чем с постоянным током.
Кроме того, при преобразовании постоянного напряжения необходимо один раз преобразовать его в переменный, а затем снова обратно в постоянный. Для этого По этой причине оборудование для преобразования постоянного напряжения больше и дороже, чем переменного тока.
Еще одним недостатком постоянного тока является сильная коррозия подземных труб и изоляторов, необходимых для передача энергии. Поскольку электричество всегда течет в одном и том же направлении на постоянном токе, коррозия передачи энергии оборудования увеличивается из-за электростатической индукции и электрической коррозии.
Это постоянный ток, который исходит из хранимых предметов, таких как батареи, аккумуляторы и конденсаторы. Следовательно, продукты с питанием от батареек совместимы с постоянным током.
С другой стороны, источником питания в обычном доме является переменный ток, но то, что используется в электронных устройствах. например, компьютеры и бытовая техника, например телевизоры, имеют постоянный ток. Для запуска таких устройств требуется кондиционер от розетка преобразуется в постоянный ток с помощью конденсаторов и других устройств.
Однако в центрах обработки данных, где в основном используется постоянный ток, использование источников постоянного тока продвигается, чтобы для уменьшения потерь при преобразовании переменного тока в постоянный.

Характеристики блока питания переменного тока

AC, с его циклическим положительным и отрицательным напряжением, имеет следующие преимущества и недостатки.

Преимущества

Меньше потери мощности из-за передачи высокого напряжения
Легко трансформируется
Легко отключить при подаче электроэнергии
Не нужно беспокоиться о положительном и отрицательном напряжении

Недостатки

Требуется более высокое напряжение, чем заданное напряжение
Под воздействием катушек и конденсаторов
Не подходит для передачи на сверхдальние расстояния

Особенно при передаче мощности на большие расстояния, например, от электростанции в городскую зону, очень высокое напряжение 600 000 В (вольт) используется для повышения эффективности передачи.Это связано с тем, что потери мощности намного больше, когда мощность передается при низком напряжении.
Это связано с тем, что когда электричество подается на провод той же длины (сопротивления) в течение того же времени, выделяется тепло пропорционально квадрату тока. Поскольку тепло — это энергия, которая ускользает, это потеря мощности.
Например, если вам нужна мощность 3000 Вт (ватт), если напряжение составляет 100 В, вам потребуется 30 А (ампер) тока, но если напряжение 1000 В, вам потребуется всего 3 А.
Другими словами, если напряжение увеличивается в 10 раз, величина тока будет уменьшена до 1/10, а результирующая потеря мощности может быть уменьшена до 1/100 или квадрата 1/10.По этой причине для передачи на большие расстояния используются очень высокие напряжения.
Конечно, напряжение как таковое нельзя использовать в домах и офисах. Подача напряжения составляет 100000 В для крупных заводов, 6600 В для зданий и 200 или 100 В для домов и офисов.
Следовательно, напряжение, подаваемое с электростанции, необходимо снизить в соответствии с регионом или местоположением.
По сравнению с постоянным током, переменный ток может быть легко преобразован трансформаторами с использованием трансформаторов, что делает его более подходящим для электроснабжения в качестве инфраструктуры.

Еще одно преимущество переменного тока состоит в том, что его легко отключить во время подачи питания, поскольку время, в которое напряжение падает до нуля, приходит периодически.
Его также можно использовать, не различая положительный и отрицательный, как бытовой блок питания (розетку), что упрощает подключение и эксплуатацию устройств.
С другой стороны, переменный ток требует более высокого напряжения, чем целевое напряжение для требуемого количества тепла, потому что значение напряжения всегда меняется, и бывают моменты, когда напряжение падает до нуля.
Форма волны переменного напряжения синусоидальная, а максимальное напряжение в √2 раза больше рабочего значения. Характеристики изоляции и характеристики оборудования должны быть выше действующего значения.
Другой характеристикой переменного тока является то, что на него сильно влияют катушки и конденсаторы. Катушки и конденсаторы генерируют напряжения, которые заставляют ток течь в направлении, противоположном направлению тока, вызывая опережение или запаздывание тока в цепи.
Электроэнергия, вырабатываемая и отправляемая на электростанцию, представляет собой переменный ток.На электростанции одновременно посылаются три волны переменного тока, причем форма волны переменного тока смещена на 120 градусов. Этот вид электричества называется трехфазным переменным током.

Есть два типа переменного тока: однофазный и трехфазный. Трехфазный переменный ток используется в первую очередь для передачи электроэнергии высокого напряжения. Когда он подается в бытовую розетку, он преобразуется в одну фазу вместе с преобразованием напряжения.
AC используется в общих источниках питания (розетках) и в том же виде, как и в двигателях, не требующих деликатного управления, таких как пылесосы и вентиляторы.
С другой стороны, двигатели для кондиционеров, стиральных машин, холодильников и т. Д. Не используют мощность переменного тока как таковую, а используют инверторы для точного управления.

Соответствующие технические знания

Переменный ток (AC) | Особенности | Преимущества

Многие из нас знают историю открытия источника переменного тока. AC означает переменный ток. Никола Тесла — изобретатель этого переменного тока.

Никола Тесла

1835 В Париже, Франция, Ипполит Пикси впервые создал генератор переменного тока, который вырабатывал переменный ток путем вращения рукоятки руки.

Hippolyte Pixels

Ученых в то время больше интересовал DC (постоянный ток) Эдисона, но когда преимущества переменного тока вышли на первый план, ток стал популярным во всем мире.

Сегодня мы познакомимся с основами переменного тока.

Что происходит в нашем сегодняшнем обсуждении:

Что такое переменный ток?
Характеристики переменного тока.
Преимущества переменного тока.
Недостатки переменного тока.
Использование переменного тока

Что такое переменный ток?

Переменный ток или направление тока со временем меняется AC Says. Когда генератор переменного тока генерирует напряжение, его напряжение меняет свое направление за определенный период времени. Если мы вычислим график этого изменения напряжения во времени, то будет найдена особая форма. Что представляет собой синусоидальную форму волны Вкратце синусоидальная волна, известная как

Из рисунка мне немного легче понять этот вопрос.

Поток этого тока равен нулю (0) Кто начинает подниматься в положительную сторону и до наивысшего положения в положительном направлении (A) При достижении снова нуля (B) Спускается Но сразу после этого его направление меняется и затем он движется в противоположном направлении.

Таким образом, он достигает наивысшего положения в противоположном направлении и снова падает до нуля (D). После этого направление снова меняется и продолжается как прежде. Эта процедура происходит периодически.

Свойства переменного тока

Переменный ток не имеет положительной или отрицательной клеммы.
Переменный ток производит синусоидальные волны.
Переменный ток течет каждый момент, меняя направление и значение.
Этот ток имеет велосипедный и фазовый дифференциал.

Устройство переменного тока

Переменное напряжение может передаваться дистанционно по линии передачи.
Переменный ток можно вырабатывать при относительно низких затратах.
Переменное напряжение может генерироваться больше.
Переменное напряжение может быть увеличено более или менее с помощью трансформатора.
Асинхронный двигатель переменного напряжения может использоваться по низкой цене для общего использования.
Стоимость обслуживания переменного тока ниже, чем постоянного тока.

Недостаток переменного тока

Он менее опасен, чем постоянный ток, но более привлекателен.
Работа с переменным током намного опаснее высокого напряжения постоянного тока.
Переменный ток нельзя использовать для электролова, гальваники и т. Д.
Невозможно заряжать аккумуляторы напрямую от переменного тока.
Несчастный случай со смертельным исходом может произойти при малейшем невнимании.

Использование переменного тока:

Переменный ток используется на многих заводах и промышленных предприятиях.
В нашем доме и офисе присутствует также переменный ток.
Использование переменного тока в высоковольтных двигателях с компрессором, холодильниках, посудомоечных машинах, тостерах и т. Д.
Почти все наши приборы косвенно и косвенно используются в бытовых приборах.

Ссылки:

Схема переменного тока от Kerchner & Corcoran

Блог Greengarage

Energy Education

Как это:

Нравится Загрузка …

Связанные

Связанные

Разное

Переменный ток и его характеристики: Переменный ток и его основные параметры. Основные параметры переменного тока

Переменный ток и его характеристики: Переменный ток и его основные параметры. Основные параметры переменного тока

Переменный ток и его основные параметры. Основные параметры переменного тока

Переменный ток. Его характеристики. Про переменный ток и напряжение

Получение переменного синусоидального тока.

Основные параметры переменного тока

Применение переменного тока

Сложности визуализации

Аналогия

Напряжение как давление

Ток как поток

Постоянный ток

Постоянный и переменный ток: разница в производстве и использовании

Направление движения

Частота

Векторная математика

Коэффициент мощности

Сварочные аппараты

Преобразование переменного тока в постоянный

Постоянный ток и его источники

Переменный ток и его параметры

Достоинства и недостатки переменного напряжения

Преобразование переменного тока в постоянный и наоборот

Синусоидальный ток и его характеристики

Лекция №3 Синусоидальный ток и его характеристики

Переменный ток

Работает переменный ток. Основные параметры переменного тока

Переменный против постоянного

Недостатки изобретения Эдисона

Переменный ток против постоянного

Изобретения Николы Теслы

Определение переменного тока

Пример простейшего генератора

Синусоидальность

Параметры и характеристики

Трехфазный ток

Основные параметры переменного тока

Применение переменного тока

Цепи переменного тока. Определение и основные характеристики.

Генератор переменного тока.

Основные параметры синусоидального сигнала.

Переменный ток (AC) — Свойства — Форма волны

Свойства переменного тока

Цепи переменного тока: применение, типы и характеристики

ЧЕРЕДОВАНИЕ

15.2: Источники переменного тока — Physics LibreTexts

Авторы и авторство

Разница мощности постоянного и переменного тока | Тех

Электроэнергия бывает двух видов: постоянного и переменного тока.

Характеристики блока питания постоянного тока

Преимущества

Недостаток

Характеристики блока питания переменного тока

Преимущества

Недостатки

Соответствующие технические знания

Переменный ток (AC) | Особенности | Преимущества

Что такое переменный ток?

Свойства переменного тока

Устройство переменного тока

Недостаток переменного тока

Использование переменного тока:

Как это:

Похожие записи

Как правильно промывать нос при насморке: эффективные методы и растворы

Питание кормящей мамы: что можно есть при грудном вскармливании

Лучшая зимняя обувь для детей 2 лет: выбираем комфортные и надежные модели

Детская комната для новорожденного: оформление, дизайн и планировка

Увлажнитель воздуха: польза и вред для здоровья, отзывы специалистов и пользователей

Добавить комментарий Отменить ответ