Оснвные понятия об электрических цепях переменного тока Э

Оснвные понятия об электрических цепях переменного тока
Электрическая цепь – это совокупность различных устройств и
соединяющих их проводников (или элементов электропроводящей
среды), по которым может протекать электрический ток.
Переменный ток – в широком смысле - электрический ток,
изменяющийся во времени; в узком - периодический ток, среднее
за период значение которого равно нулю. Наиболее часто
применяется синусоидальный переменный ток.
Переменным называется электрический ток, величина и
направление которого изменяются во времени.
Область применения переменного тока намного шире, чем
постоянного. Это объясняется тем, что напряжение переменного
тока можно легко понижать или повышать с помощью
трансформатора, практически в любых пределах. Переменный ток
легче транспортировать на большие расстояния. Но физические
процессы, происходящие в цепях переменного тока, сложнее, чем в
цепях постоянного тока из-за наличия переменных магнитных и
электрических полей.
Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени
называют мгновенным значением и обозначают строчной буквой i.
Мгновенный ток называется периодическим, если значения его
повторяются через одинаковые промежутки времени
Наименьший промежуток времени, через который значения
переменного тока повторяются, называется периодом.
Период T измеряется в секундах. Периодические токи,
изменяющиеся по синусоидальному закону, называются
синусоидальными.
Аргумент синусоидальной функции называют фазой; величину φ,
равную фазе в момент времени t = 0, называют начальной фазой.
Фаза измеряется в радианах или градусах. Величину, обратную
периоду, называют частотой. Частота f измеряется в герцах.
В Западном полушарии и в Японии используется переменный ток
частотой 60 Гц, в Восточном полушарии - частотой 50 Гц.
Величину называют круговой, или угловой, частотой. Угловая
частота измеряется в рад/c.
Если у синусоидальных токов начальные фазы при одинаковых
частотах одинаковы, говорят, что эти токи совпадают по фазе.
Если неодинаковы по фазе, говорят, что токи сдвинуты по фазе.
Сдвиг фаз двух синусоидальных токов измеряется разностью
начальных фаз
С помощью осциллографа можно измерить амплитудное значение
синусоидального тока или напряжения.
Амперметры и вольтметры электромагнитной системы измеряют
действующие значения переменного тока и напряжения.
Действующим значением переменного тока называется
среднеквадратичное значение тока за период. .
Действующие значения переменного тока, напряжения, ЭДС
меньше максимальных в √2 раз.
При расчете электрических цепей часто приходится складывать
или вычитать величины токов или напряжений, являющиеся
синусоидальными функциями времени. Графические построения
или тригонометрические преобразования в этом случае могут
оказаться слишком громоздкими.
Задача упрощается, если представить наши синусоидальные
функции в векторной форме. Имеем синусоидальную функцию .
Известно, что проекция отрезка, вращающегося вокруг оси с
постоянной угловой скоростью, на любую линию, проведенную в
плоскости вращения, изменяется по синусоидальному закону.
Генератор переменного тока
Электрический ток вырабатывается в генераторах устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в
электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические
элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные
батареи и т.п. Область применения каждого из перечисленных
видов генераторов электроэнергии определяется их
характеристиками. Так, электростатические машины создают
высокую разность потенциалов, но неспособны создать в цепи
сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические
элементы могут дать большой ток, но продолжительность их
действия невелика. Преобладающую роль в наше время играют
электромеханические индукционные генераторы переменного тока.
В этих генераторах механическая энергия превращается в
электрическую. Их действие основано на явлении
электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют
сравнительно простое устройство и позволяют получать большие
токи при достаточно высоком напряжении.
В настоящее время имеется много типов индукционных
генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей.
Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит,
создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой
индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели это
вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно
соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции
в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она
пропорциональна также амплитуде переменного магнитного
потока Ф=BS через каждый виток. Для получения большого
магнитного потока в генераторах применяют специальную
магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из
электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле,
размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых
индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно
внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг
горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется
ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют
статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как
можно меньшим. Этим обеспечивается наибольшее значение
потока магнитной индукции. В больших промышленных
генераторах вращается электромагнит, который является ротором,
в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в
пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что
подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во
внешнюю цепь приходиться при помощи скользящих контактов.
Для этого ротор снабжается контактными кольцами,
присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные пластины
- щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки
ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита,
создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока,
отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому
генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а
через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к
вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается
отдельным генератором постоянного тока (возбудителем),
расположенным на том же валу. В маломощных генераторах
магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В
таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление ЭДС в
неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них
вихревого электрического поля, порожденного изменением
магнитного потока при вращении ротора.
Современный генератор электрического тока - это
внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных
материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько
метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью
до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся
частей, которые могли бы порождать электрическую энергию
столь же непрерывно и экономично.