Какво е определение за променлив ток. Променлив електрически ток. получаване на променлив ток

Променливият ток е ток, чиято сила и посока се променят периодично във времето. В технологията се използва променлив ток, вариращ по синусоидален начин. Касова бележка променлив токвъз основа на явлението електромагнитна индукция.

На фиг. 161 схематично показва производството на синусоидален променлив ток. Вляво на диаграмата Апоказани: полюсите на магнита (северен N и южен S), с кръгове различните позиции на проводника в магнитното поле; в този случай знакът плюс (+) показва, че в тази позиция токът тече от нас извън чертожната равнина, а точката (.) показва, че токът тече от чертожната равнина към нас.

На диаграмата фиг. 161, bпредставлява промяната в силата и посоката на тока по външната верига на затворен проводник по време на едно пълно завъртане между полюсите на магнитите. Времето се нанася по хоризонталната ос на графиката и вертикална ос- текущи стойности. Както следва от кривата на графиката, която е синусоида, при един пълен оборот, в зависимост от ъгъла, под който проводникът пресича магнитните силови линии, стойността на тока се променя от нула до максимум, а по знак - от плюс към минус .

Машина, използвана за производство на променлив ток, се нарича генератор на променлив ток, чийто принцип на работа може да бъде разбран от следното.

Ако направите проводник под формата на намотка, поставете го между полюсите (фиг. 161, V)и се върти по посока на часовниковата стрелка, тогава в него ще се индуцира e. д., насочена, когато се върти под северния полюс далеч от нас и когато се върти под южния полюс - към нас. Тъй като страните на намотката се движат последователно под северния полюс, след това под южния и в същото време пресичат магнитните силови линии под различни ъгли, тогава напр. д., индуцирани в завоя, ще се променят по стойност и посока. Чрез свързване на краищата на бобината към два контактни пръстена, изолирани един от друг и от вала, и поставяне на неподвижни четки, свързани към външна верига върху пръстените, ще получим променливата e. d.s и във външната верига ще тече променлив ток.

Променливият ток се характеризира със следните величини: период, честота, амплитуда.

Периодът се разбира като период от време, през който се извършва пълен цикъл от текущи промени в стойността и посоката. Всеки следващ текущ период е повторение на предходния. Периодът е обозначен с буквата T(виж Фиг. 161, б)и понякога се изразява не във време, а в градуси.

Честотата е броят на циклите на промените на тока във времето (периоди от 1 s). Честотата е реципрочната стойност на периода, обозначена с буквата f, т. е. f = 1 / T. За единица за измерване на честотата се приема херц (Hz).В СССР честотата на променливия ток е 50 Hz.

Амплитудата е най-голямата от моментните стойности на тока, които достига за период. Както следва от фиг. 161, б,в един период променливият ток достига своята амплитудна стойност два пъти.

Законите за постоянен ток се прилагат за вериги с променлив ток само в случаите, когато тези вериги се състоят от активни съпротивления поради използването на лампи с нажежаема жичка и реостати. Въпреки това, в много случаи AC веригата, с изключение на активно съпротивление, съдържа самоиндукционни намотки, намотки на електродвигатели, кондензатори и други устройства, които въвеждат т.нар. реактивно съпротивление, засягащи тока във веригата за променлив ток, в резултат на което законът на Ом във вида, в който е приложен към верига за постоянен ток, не е валиден за верига за променлив ток.

За да намерите ефективния ток в неразклонена верига за променлив ток, трябва да изчислите общото съпротивление на веригата, като вземете предвид всички резистори, включени в нея. Като цяло, ако има активна верига във веригата R,индуктивен Xlи капацитет X sОбщото съпротивление на веригата за променлив ток се определя по формулата

Тогава ефективната стойност на тока в стойността на променлив ток с резистори, свързани последователно R, X LИ X sпри известно напрежение Uще се определя по формулата

I = U/Z.

Тази формула има същото значение като закона на Ом за верига с постоянен ток. Ако свържете амперметър към AC веригата, той ще покаже стойността; 1,4 пъти по-малко амплитуден ток. Тази стойност на тока се нарича ефективна или ефективна стойност на променливия ток. За синусоидален променлив ток ефективни стойностиволтаж UИ електродвижеща сила дсъщо ще бъдат 1,4 пъти по-малки от техните амплитудни стойности. Измервателни инструменти, включени във веригата за променлив ток, показват ефективните стойности на измерените величини.

В някои случаи се изисква да се знае не ефективната, а средната стойност на променливия ток, която, както показват експериментите и изчисленията, е равна на неговата амплитудна стойност, умножена по 0,637.

Ако завъртите цилиндър между полюсите, на който има не една, а три намотки, всяка изместена спрямо останалите под ъгъл от 120 e, тогава индуцираният във всяка намотка напр. д.с. достига стойността на амплитудата не по едно и също време, а се различава във фазите с 1/3 от периода (120 °), както е показано на фиг. 162.

На фиг. 162 вляво схематично показва магнит с полюси и цилиндър, въртящ се между тях с намотки 1, 2 И 3, изместени един спрямо друг с 120°, а вдясно е графика на синусоидите на промените в e. д.с. ток в тези намотки. Както следва от графиката, синусоидите се изместват една спрямо друга с определен ъгъл φ (фиг. 162), наречен фаза. При въртене всяка намотка (бобина) е независим източник на еднофазен променлив ток.

Трифазният ток е комбинация от три променливи тока с еднаква честота, изместени с 1/3 от периода (120"). Трифазен токпроизвеждат трифазни генераторипроменлив ток, чиито намотки са свързани в звезда или триъгълник (фиг. 163).

Когато е свързан със звезда (фиг. 163, а)началните краища на всички фазови намотки отиват към външната верига, вторите краища на намотките са свързани помежду си. Консуматорът може да бъде свързан между всяка двойка линейни проводници или между всеки линеен проводник и неутрален проводник. Когато е свързан с триъгълник (фиг. 163, б)краят на първата фазова намотка е свързан към началото на втората, краят на втората към началото на третата, краят на третата към началото на първата.

Напрежението между началото и края на една фаза се нарича фазово напрежение и се обозначава УфНапрежението между краищата на фазите или проводниците се нарича линейно напрежение и се обозначава Ul Съответно силата на тока се нарича фаза Акоили линеен I l -

При свързване на фазите на генератора или приемника със звезда линеен токравно на фаза и мрежово напрежение 1,73 пъти фазовото напрежение. При свързване с триъгълник линейното напрежение е равно на фазовото напрежение, а линейният ток е 1,73 пъти по-голям от фазовия ток.

Контролни въпроси:

1. Какви тела се наричат ​​магнити и как се проявяват техните магнитни свойства?

2. Как можете да определите посоката на магнитното поле и неговите силови линии, възникващи около проводник с ток?

3. Какво се нарича магнитна индукция, магнитен поток и магнитна верига?

4. Каква е същността на устройството и действието на електромагнита?

5. Как протича взаимодействието между магнитно полеи проводник, по който тече ток?

6. Какво разбирате под електромагнитна индукция, самоиндукция и взаимна индукция?

7. Какво разбирате под променлив ток и какъв е принципът на неговото производство?

8. Какви величини характеризират една променлива? синусоидален ток?

9. Какъв ток се нарича трифазен и какъв е принципът на неговото производство?

Движение на електрони в проводник

За да разберете какво е токът и откъде идва, трябва да имате малко познания за структурата на атомите и законите на тяхното поведение. Атомите са изградени от неутрони (неутрален заряд), протони (положителен заряд) и електрони (отрицателен заряд).

Електрическият ток възниква в резултат на насоченото движение на протони и електрони, както и на йони. Как можем да насочваме движението на тези частици? По време на всяка химическа операция електроните се „откъсват“ и се прехвърлят от един атом към друг.

Тези атоми, от които е бил „отстранен“ електрон, стават положително заредени (аниони), а тези, към които е бил прикрепен, стават отрицателно заредени и се наричат ​​катиони. В резултат на това „бягане“ на електрони, a електричество.

Естествено, този процес не може да продължи вечно; електрическият ток ще изчезне, когато всички атоми на системата се стабилизират и имат неутрален заряд (отличен ежедневен пример- обикновена батерия, която се "изтощава" в резултат на края на химическа реакция).

История на изследването

Древните гърци са първите, които забелязват интересен феномен: ако натъркате камък кехлибар върху вълнена тъкан, той започва да привлича малки предмети. Следващите стъпки са предприети от ренесансови учени и изобретатели, които построяват няколко интересни устройства, които демонстрират този феномен.

Нов етап в изучаването на електричеството беше работата на американеца Бенджамин Франклин, по-специално неговите експерименти с Лайденския буркан - първият в света електрически кондензатор.

Франклин е този, който въвежда понятията за положителни и отрицателни заряди, а също така изобретява гръмоотвода. И накрая, изследването на електрическия ток стана точна наукаслед като описва закона на Кулон.

Основни закономерности и сили в електрическия ток

Закон на Ом - формулата му описва връзката между сила, напрежение и съпротивление. Открит през 19 век от немския учен Георг Симон Ом. Единицата за електрическо съпротивление е кръстена на него. Неговите открития бяха много полезни директно за практическа употреба.

Законът на Джаул-Ленц казва, че във всяка област електрическа веригаработи се. В резултат на тази работа проводникът се нагрява. Този термичен ефект често се използва на практика в инженерството и технологиите ( страхотен пример– лампа с нажежаема жичка).

Движението на зарядите води до извършване на работа

Този модел получи името си, защото 2 учени, приблизително едновременно и независимо, го изведоха чрез експерименти.
.

В началото на 19 век британският учен Фарадей осъзнава, че чрез промяна на броя на индукционните линии, които проникват през повърхност, ограничена от затворен контур, може да се създаде индуциран ток. Външните сили, действащи върху свободните частици, се наричат електродвижеща сила(индукционна ЕДС).

Разновидности, характеристики и мерни единици

Електрическият ток може да бъде и двете променливи, или постоянен.

Постоянният електрически ток е ток, който не променя посоката и знака си с течение на времето, но може да промени своята величина. Постоянният електрически ток най-често използва като източник галванични клетки.

Променлива е тази, която променя посоката и знака според косинусния закон. Характеристиката му е честотата. Единиците SI са херц (Hz).

През последните десетилетия той стана много разпространен. Това е вид променлив ток, който включва 3 вериги. В тези вериги има редуващи се едс със същата честота, но извън фаза една спрямо друга с една трета от периода. Всяка отделна електрическа верига се нарича фаза.

Почти всички модерни генераторипроизвеждат трифазен електрически ток.

• Сила и количество ток

Силата на тока зависи от количеството заряд, протичащ в електрическата верига за единица време. Силата на тока е съотношението на електрическия заряд, преминаващ през напречното сечение на проводника, към времето на неговото преминаване.

В системата SI мерната единица за сила на заряда е кулон (C), а единицата за време е секунда (s). В резултат на това получаваме C/s, тази единица се нарича ампер (A). Силата на електрическия ток се измерва с помощта на уред - амперметър.

• Волтаж

Напрежението е съотношението на работа към заряд. Работата се измерва в джаули (J), зарядът в кулони. Тази единица се нарича волт (V).

• Електрическо съпротивление

Показанията на амперметъра на различните проводници дават различни значения. И за да се измери мощността на електрическата верига, ще е необходимо да се използват 3 устройства. Феноменът се обяснява с факта, че всеки проводник има различна проводимост. Мерната единица се нарича Ом и се обозначава с латинската буква R. Съпротивлението също зависи от дължината на проводника.

• Електрически капацитет

Два проводника, които са изолирани един от друг, могат да се натрупат електрически заряди. Това явление се характеризира с физически количество, което се нарича електрически капацитет. Мерната му единица е фарад (F).

• Мощност и работа на електрически ток

Работата на електрическия ток върху определен участък от веригата е равна на умножаването на текущото напрежение по сила и време. Напрежението се измерва във волтове, мощността в ампери, времето в секунди. Мерната единица за работа беше джаул (J).

Мощността на електрическия ток е съотношението на работата към времето, за което е завършена. Мощността се символизира с буквата P и се измерва във ватове (W). Формулата за мощност е много проста: ток, умножен по напрежение.

Има и единица, наречена ватчас. Не трябва да се бърка с ватовете, те са 2 различни физични величини. Ватовете измерват мощността (степента на потребление или предаване на енергия), а ватчасовете изразяват енергията, произведена за определено време. Това измерване често се използва за домакински електрически уреди.

Например, лампа с мощност 100 W е работила един час, след което е изразходвала 100 Wh, а лампа с мощност 40 вата ще изразходва същото количество електроенергия за 2,5 часа.

Ватметърът се използва за измерване на мощността на електрическа верига.

Кой вид ток е по-ефективен и каква е разликата между тях?

Постоянният електрически ток е лесен за използване в случай на паралелна връзкагенератори, за редуване е необходимо синхронизиране на генератора и електроенергийната система.

В историята се случи събитие, наречено „Войната на теченията“. Тази "война" се проведе между двама брилянтни изобретатели - Томас Едисон и Никола Тесла. Първият поддържаше и активно насърчаваше постоянен електрически ток, а вторият - променлив. „Войната“ приключи с победата на Tesla през 2007 г., когато Ню Йорк най-накрая премина към променлива скорост.

Разликата в ефективността на предаване на енергия на разстояние се оказа огромна в полза на променливия ток. Не може да се използва постоянен електрически ток, ако станцията е разположена далеч от потребителя.

Но постоянният все пак намери област на приложение: той се използва широко в електротехниката, поцинковането и някои видове заваряване. Също така постоянният електрически ток е широко разпространен в областта на градския транспорт (тролейбуси, трамваи, метро).

Естествено, няма лоши или добри токове, всеки тип има своите предимства и недостатъци, най-важното е да ги използвате правилно.

Електричество- движение на заредени частици по протежение на проводник в определена посока. По-точно, това е стойност, която показва колко заредени частици са преминали през проводника за единица време. Ако за една секунда няколко заредени частици с размер на един кулон преминат през напречното сечение на проводник, тогава през този проводник протича ток от един ампер (обозначение на тока в съответствие с международната система SI). Силата на електрическия ток (броят ампери) се нарича сила на тока. В зависимост от промяната на стойността във времето, токът може да бъде постоянен или променлив.

D.Cе електрически ток, който не променя посоката си с течение на времето. Променлив ток- с течение на времето, по определен модел, променя както своята величина, така и посоката си. Освен това тези промени се повтарят на определени интервали - тоест те са периодични.

Променлив и постоянен ток в електрически инсталации

За три фази електрическа мрежаХарактеристика променлив ток. Протичането на променлив ток през проводници се определя от наличието на източник на променлива електродвижеща сила (ЕМС), която променя стойността си както по величина, така и по посока. В този случай промяната в големината и посоката на ЕМП се извършва съгласно синусоидалния закон, т.е. графиката на промените в променливия ток във времето е синусоида. Източникът на синусоидална ЕМП е генератор на променлив ток.

Почти цялото електрическо оборудване на ел. инсталации и индустриални предприятияЗахранва се от АС, тъй като това е най-практичното и има много предимства. Но има и оборудване, което работи от мрежа с постоянен ток (или някои от нейните части): синхронен двигател, електромагнитен, DC двигател и други. За да преобразувате променлив ток в D.C.(необходими за захранване на горното електрическо оборудване) използвайте токоизправители.

Освен това постоянният ток се използва за предаване на голяма мощност през линии с високо напрежение електрическа енергия. В този случай при предаване на електрическа енергия на дълги разстояния електрическите загуби са значително по-малки, отколкото при същото предаване с променлив ток.

Променлив ток е ток, чиято промяна в големината и посоката се повтаря периодично през равни интервали от време T.

В областта на производството, преноса и разпределението на електрическа енергия променливият ток има две основни предимства пред постоянния ток:

1) способността (използвайки трансформатори) просто и икономично да увеличавате и намалявате напрежението, това е от решаващо значение за предаване на енергия на дълги разстояния.

2) по-голяма простота на електромоторните устройства и следователно тяхната по-ниска цена.

Извиква се стойността на променлива величина (ток, напрежение, емф) във всеки момент t моментна стойност и е обозначен малки букви(ток i, напрежение u, едс – e).

Най-голямата от моментните стойности на периодично променящите се токове, напрежения или емф се нарича максимум или амплитуда стойности и се обозначават с главни букви с индекс "m" (I m, U m).

Най-краткият период от време, след който моментните стойности на променлива величина (ток, напрежение, емф) се повтарят в същата последователност, се нарича Период T, а съвкупността от промените, настъпили през периода, е цикъл.

Реципрочната стойност на периода се нарича честота и се означава с буквата f.

Тези. честота – броят периоди за 1 секунда.

Честотна единица 1/сек - наз херц (Hz). По-големите единици за честота са килохерц (kHz) и мегахерц (MHz).

Получаване на променлив синусоидален ток.

В техниката променливите токове и напрежения се търсят да се получават по най-простия периодичен закон - синусоидален. Тъй като синусоидата е единствената периодична функция, която има производна, подобна на себе си, в резултат на което формата на кривите на напрежението и тока във всички връзки на електрическата верига е една и съща, което значително опростява изчисленията.

За да получите токове с индустриална честота, използвайте алтернатори чиято работа се основава на закона за електромагнитната индукция, според който, когато затворена верига се движи в магнитно поле, в нея възниква ток.

Схема на обикновен алтернатор

Генераторите за променлив ток с висока мощност, предназначени за напрежение 3–15 kV, са направени със стационарна намотка на статора на машината и въртящ се електромагнит-ротор. С този дизайн е по-лесно надеждно да се изолират проводниците на неподвижната намотка и е по-лесно да се отклони токът към външната верига.

Един оборот на ротора на двуполюсен генератор съответства на един период на променлив ЕМП, индуциран върху неговата намотка.

Ако роторът прави n оборота в минута, тогава честотата на индуцираната емф

.

защото в този случай ъгловата скорост на генератора

, тогава между него и честотата, предизвикана от ЕМП, има връзка

.

Фаза. Фазово изместване.

Да приемем, че генераторът има две еднакви навивки на котвата, изместени в пространството. Когато арматурата се върти, в завоите се индуцират ЕМП със същата честота и същите амплитуди, т.к. намотките се въртят с еднаква скорост в едно и също магнитно поле. Но поради изместването на завоите в пространството, ЕМП не достига знаците на амплитудата едновременно.

Ако в момента, в който започва отброяването на времето (t=0), завой 1 е разположен под ъгъл спрямо неутралната равнина

, а завой 2 е под ъгъл

. Тогава ЕМП индуцира в първия завой:

а във второто:

По време на обратното броене:

Електрически ъгли И се наричат ​​определящите стойности на ЕДС в началния момент от времето начални фази.

Разликата в началните фази на две синусоидални величини със същата честота се нарича фазов ъгъл .

Количеството, за което нулевите стойности (след което приема положителни стойности) или положителните амплитудни стойности се постигат по-рано от другите, се счита напреднала фаза, и тази, за която същите стойности се постигат по-късно - изоставане във фаза.

Ако две синусоидални величини едновременно достигнат своята амплитуда и нулеви стойности, тогава се казва, че величините са във фаза . Ако ъгълът на фазово изместване на синусоидалните величини е 180 0

, тогава се казва, че се променят противофаза.

>> Променлив електрически ток

§ 31 ПРОМЕНИТЕЛЕН ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК

Свободните електромагнитни трептения във веригата бързо избледняват и затова практически не се използват. Напротив, незатихващите принудителни трептения са от голямо практическо значение.

Променлив токв осветителната мрежа на апартамент, използвана във фабрики и фабрики и т.н., не е нищо повече от принудителни електромагнитни трептения. Токът и напрежението се променят във времето по хармоничен закон.

Флуктуациите на напрежението се откриват лесно с помощта на осцилоскоп. Ако към вертикалните отклоняващи пластини на осцилоскопа се подаде напрежение от електрическата мрежа, времевата база на екрана ще бъде синусоида (фиг. 4.8). Познавайки скоростта на лъча, който се движи през екрана в хоризонтална посока (тя се определя от честотата на зъбното напрежение), можем да изчислим честотата на трептене. Честотата на променливия ток е броят на трептенията за 1 s.

Стандартната промишлена AC честота е 50 Hz. Това означава, че в течение на 1 s токът протича 50 пъти в една посока и 50 пъти в обратна посока. Честота от 50 Hz е приета за индустриален ток в много страни по света. В САЩ приетата честота е 60 Hz.

Ако напрежението в краищата на веригата се променя според хармоничен закон, тогава напрежението електрическо полевътре проводниците също ще се променят хармонично. Тези хармонични промени в силата на полето, от своя страна, причиняват хармонични колебания в скоростта на подреденото движение на заредените частици и, следователно, хармонични колебания в силата на тока.

Но когато напрежението се промени в краищата на веригата електрическо полене се променя моментално по цялата верига. Промените в полето се разпространяват, макар и с много висока, но не с безкрайно висока скорост.

Въпреки това, ако времето на разпространение на промените на полето във веригата е много по-малко от периода на колебания на напрежението, можем да приемем, че електрическото поле в цялата верига незабавно се променя, когато напрежението в краищата на веригата се промени. В този случай силата на тока в даден момент ще има почти еднаква стойност във всички секции на неразклонената верига.

Променливото напрежение в гнездата на осветителната мрежа се създава от генератори в електроцентрали. Телена рамка, въртяща се в постоянно равномерно магнитно поле, може да се разглежда като най-простият моделгенератор на променлив ток. Потокът на магнитна индукция Ф, преминаващ през телена рамка с площ S, е пропорционален на косинуса на ъгъла a между нормалата към рамката и вектора на магнитната индукция (фиг. 4.9):

При равномерно завъртане на рамката ъгълът a нараства правопропорционално на времето:

където е ъгловата скорост на въртене на рамката. Потокът на магнитната индукция се променя според хармоничния закон:

Тук количеството играе ролята на циклична честота.

Съгласно закона за електромагнитната индукция, индуцираната ЕДС в рамката е равна на скоростта на промяна на потока на магнитната индукция, взета със знака "-", т.е. производната на потока на магнитна индукция по отношение на времето:

Ако към рамката е свързана осцилаторна верига, тогава ъгловата скорост на въртене на рамката ще определи честотата на колебанията на стойностите на ЕМП, напрежението в различни секции на веригата и силата на тока.

По-нататък ще проучим принудените електрически трептения, които възникват във веригите под въздействието на напрежение, променящо се с циклична честота ω според закона на синуса или косинуса:

u = U m sin t
или

u = U m cos t, (4.14)

където U m е амплитудата на напрежението, т.е. максималната абсолютна стойност на напрежението.

Ако напрежението се променя с циклична честота, токът във веригата ще се променя със същата честота. Но флуктуациите на тока не е задължително да са във фаза с флуктуациите на напрежението. Следователно в общия случай силата на тока i във всеки момент (моментна стойност на тока) се определя по формулата