Что такое переменный ток определение. Переменный электрический ток. получение переменного тока

Переменным называется ток, сила и направление которого изменяются периодически во времени. В технике применяется переменный ток, изменяющийся по синусоиде. Получение переменного тока основано на явлении электромагнитной индукции.

На рис. 161 схематично изображено получение синусоидального переменного тока. Слева на схеме а показаны: полюсы маг­нита (северный N и южный S), кружочками различные положения проводника в магнитном поле; при этом знаком плюс (+) обозначают, что в данном положении ток идет от нас за плоскость чертежа, а точкой (.), что ток идет от плоскости чертежа на нас.

На схеме рис. 161, б представлено изменение силы и направления тока по внешней цепи замкнутого проводника за один его полный поворот между полюсами магнитов. По горизонтальной оси графика отложено время, а по вертикальной оси - значения тока. Как следует из кривой графика, представляющего собой синусоиду, за один полный поворот в зависимости от угла, под которым проводник пересекает магнитные силовые линии, значение тока изменяется от нуля до максимального, а по знаку - от плюса до минуса.

Машина, служащая для получения переменного тока, называется генератором переменного тока, принцип действия которого можно уяснить из следующего.

Если выполнить проводник в виде витка, поместить его между полюсами (рис. 161, в) и вращать в направлении движения часовой стрелки, то в нем будет индуктироваться э. д. е., направлен­ная при вращении его под северным полюсом от нас и при вращении его под южным полюсом - на нас. Так как стороны витка попеременно перемещаются то под северным полюсом, то под южным и пересекают при этом магнитные силовые линии под различными углами, то э. д. е., индуктируемая в витке, будет из­меняться по значению и направлению. Присоединив концы витка к двум контактным кольцам, изолированным между собой и от вала, и наложив па кольца неподвижные щетки, соединенные с внешней цепью, будем получать переменную э. д. с, и во внешней цепи потечет переменный ток.

Переменный ток характеризуется следующими величинами: периодом, частотой, амплитудой.

Под периодом понимают промежуток времени, в течение которого происходит полный цикл изменений тока по значению и направлению. Каждый последующий период тока является пов­торением предыдущего. Период обозначается буквой Т (см. рис. 161, б) и иногда выражается не во времени, а в градусах.

Частотой называется число циклов изменений тока во времени (периодов в 1 с). Частота - величина, обратная периоду, обозначается "буквой f, т. е. f=1/Т. За единицу измерения частоты принят герц (Гц). В СССР принята частота переменного тока 50 Гц.

Амплитудой называется наибольшее из мгновенных значе­ний тока, которого он достигает в течение периода. Как следует из рис. 161, б, за один период переменный ток достигает ампли­тудного значения дважды.

Законы постоянного тока применимы к цепям переменного то­ка только в тех случаях, когда эти цепи состоят из активных сопротивлений в связи с применением ламп накаливания, реостатов. Однако во многих случаях цепь.переменного тока, кро­ме активного сопротивления, содержит катушки самоиндукции, обмотки электродвигателей, конденсаторы и другие приборы, которые вносят в цепь так называемое "реактивное сопротивление, влияющее на ток в цепи "переменного тока, вследствие чего закон Ома в таком виде, в каком он применяется для цепи по­стоянного тока, недействителен для цепи переменного тока.

Для того чтобы найти действующий ток в неразветвленной цепи переменного тока, нужно подсчитать полное сопротив­ление цепи с учетом всех -входящих в нее резисторов. В об­щем случае при наличии в цепи активного R, индуктивного Xl и емкостного сопротивлений Х с полное сопротивление цепи переменного тока определяется по формуле

Тогда действующее значение тока в цени переменного тока с последовательно включенными резисторами R ,X L и Х с при известном напряжении U определится по формуле

I = U/Z.

Эта формула имеет такое же значение, какое закон Ома для цепи постоянного тока. Если включить в цепь переменного тока амперметр, то он покажет значение; в 1,4 раза меньшее амплитудного тока. Это значение тока называют действующим, или эффективным, значением переменного тока. Для синусоидального переменного тока действующие значения напряжения U и электродвижущей силы Е будут также меньше амплитудных их значений в 1,4 раза. Измерительные приборы, включенные в цепь переменного тока, показывают действующие значения измеряемых величии.

В некоторых случаях требуется знать не действующее, а среднее значение переменного тока, которое, как показывают опыты и расчеты, равно его амплитудному значению, умноженному на 0,637.

Если между полюсами вращать цилиндр, на котором расположены не одна, а три обмотки, смещенные каждая по отношению к остальным на угол 120 е, то наводимая в каждой обмотке э. д. с. достигает амплитудного значения не в одно время, а отличается по фазам па 1/3 периода (120°), как это показано на рис. 162.

На рис. 162 слева схематично изображен магнит с полюсами и вращающийся между ними цилиндр с обмотками 1, 2 и 3, сме­щенными относительно друг друга на 120°, а справа представлен график синусоид изменения э. д. с. тока в этих обмотках. Как следует из графика, синусоиды смещены относительно друг друга на определенный угол φ (рис. 162), называемый фазным. При вращении каждая обмотка (катушка) является самостоятельным источником однофазного переменного тока.

Трех ф а з н ы м током называется совокупность трех переменных токов одинаковой частоты, сдвинутых на 1/3 периода (120"). Трехфазный ток вырабатывают трехфазные генераторы переменного тока, соединение обмоток у которых де­лают звездой или треугольником (рис. 163).

При соединении звездой (рис. 163, а) начальные концы всех фазных обмоток идут во внешнюю цепь, вторые концы обмоток соединены между собой. Потребитель можно включить между любой парой линейных проводов или между любым линейным проводом и ну­левым. При соединении треугольником (рис. 163, б) конец первой обмотки фазы присоеди­няется к началу второй, конец второй - к началу третьей, конец третьей - к началу первой.

Напряжение между началом и концом фазы называется фазным напряжением и обозначается Uф Напряжение между концами фаз или проводами называется линейным напряжением и обозначается Uл- Соответственно и сила тока называется фазной Iф или линейной I л -

При соединении фаз генератора или приемника звездой линейный ток равен фазному, а линейное напряжение в 1,73 раза больше фазного напряжения. При соединении треугольником линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в 1,73 раза больше фазного.

Контрольные вопросы:

1. Какие тела называются магнитами и в чем проявляются их магнитные свойства?

2. .Каким образом можно определить направление магнитного поля и его силовых линий, возникающих вокруг проводника с током?

3. Что называется магнитной индукцией, магнитным потоком и магнитной цепью?

4. В чем сущность устройства и действия электромагнита?

5. Как проявляется взаимодействие между магнитным полем и проводником c током?

6. Что Вы понимаете под электромагнитной индукцией, самоиндукцией и взаимоиндукцией?

7. Что Вы понимаете под переменным током и каков принцип его получения?

8. Какими величинами характеризуется переменный синусоидальный ток?

9. Какой ток называют трехфазным икаков принцип его получения?

Движение электронов в проводнике

Чтобы понимать что такое ток и откуда он берётся, нужно иметь немного знаний о строении атомов и законах их поведения. Атомы состоят из нейтронов (с нейтральным зарядом), протонов (положительный заряд) и электронов (отрицательный заряд).

Электрический ток возникает в результате направленного перемещения протонов и электронов, а также ионов. Как можно направить движение этих частиц? Во время любой химической операции электроны «отрываются» и переходят от одного атома к другому.

Те атомы, от которых «оторвался» электрон становятся положительно заряженным (анионы), а те к которым присоединился – отрицательно заряженными и называются катионами. В результате этих «перебеганий» электронов возникает электрический ток.

Естественно, этот процесс не может продолжаться вечно, электрический ток исчезнет когда все атомы системы стабилизируются и будут иметь нейтральных заряд (отличный бытовой пример – обычная батарейка, которая «садится» в результате окончания химической реакции).

История изучения

Древние греки первыми заметили интересное явление: если потереть камень янтаря об шерстяную ткань, то он начинает притягивать мелкие предметы. Следующие шаги начали делать ученые и изобретатели эпохи ренессанса, которые построили несколько интересных устройств, демонстрировавших это явление.

Новым этапом изучения электричества стали работы американца Бенджамина Франклина, в частности его опыты с Лейденовской банкой – первым в мире электроконденсатором.

Именно Франклин ввёл понятия положительных и отрицательных зарядов, а также он придумал громоотвод. И наконец, изучение электротока стало точной наукой после описания закона Кулона.

Основные закономерности и силы в электрическом токе

Закон Ома – его формула описывает взаимосвязь силы, напряжения и сопротивления. Открыт в 19м веке немецким ученым Георгом Симоном Омом. Единица измерения электросопротивления названа в его честь. Его открытия были очень полезны непосредственно для практического использования.

Закон Джоуля – Ленца говорит, что на любом участке электрической цепи совершается работа. В результате этой работы нагревается проводник. Такой тепловой эффект часто используется на практике в инженерии и технике (отличный пример – лампа накаливания).

Движение зарядов при этом совершается работа

Эта закономерность получила такое название потому что сразу 2 ученых примерно одновременно и независимо, вывели её с помощью опытов
.

В начале 19го века британский ученый Фарадей догадался, что изменяя количество линий индукции, которые пронизывают поверхность ограниченную замкнутым контуром, можно сделать индукционный ток. Посторонние силы, действующие на свободные частицы, называют электродвижущей силой (ЭДС индукции).

Разновидности, характеристики и единицы измерения

Электрический ток может быть или переменным , или постоянным .

Постоянный электроток — это ток, который не меняет своё направление и знак во времени, однако он может менять свою величину. Постоянный электроток в качестве источника чаще всего использует гальванические элементы.

Переменным называется тот, который меняет направление и знак по закону косинуса. Его характеристикой является частота. Единицы измерения в системе СИ – Герцы (Гц).

В последние десятилетия очень большое распространение получил . Это вид переменного тока, который включает в себя 3 цепи. В этих цепях действует переменные ЭДС одинаковой частоты, но развернутые по фазе одна относительно другой на треть периода. Фазой называют каждую отдельную электроцепь.

Почти все современные генераторы производят трёхфазный электроток.

• Сила и количество тока

Сила тока зависит от величины заряда, протекающего в электроцепи за единицу времени. Сила тока это отношение электрозаряда, проходящего сквозь сечение проводника, ко времени его прохождения.

В системе СИ единица измерения силы заряда – кулон (Кл), времени – секунда (с). В итоге получаем Кл/с, данную единицу называют Ампер (A). Измеряется сила электротока с помощью прибора – амперметра.

• Напряжение

Напряжение — это соотношение работы к величине заряда. Работа измеряется в джоулях (Дж), заряд в кулонах. Данная единица называется Вольт (В).

• Электрическое сопротивление

Показания амперметра на различных проводниках дают разные значения. А для того чтобы замерять мощность электроцепи пришлось бы использовать 3 прибора. Явление объясняется тем, что у каждого проводника различная проводимость. Единица измерения называется Ом и обозначается латинской буквой R. Сопротивление также зависит и от длины проводника.

• Электрическая емкость

Два проводника, которые изолированы один от второго, могут накапливать электрические заряды. Данное явление характеризуется физ. величиной, которую называют электрической емкостью. Её единицей измерения – фарад (Ф).

• Мощность и работа электрического тока

Работа электротока на конкретном участке цепи равняется перемножению напряжения тока на силу и время. Напряжение меряют вольтами, силу амперами, время секундами. Единицей измерения работы приняли джоуль (Дж).

Мощность электротока – это отношение работы ко времени её совершения. Мощность обозначают буквой P и измеряют ваттами (Вт). Формула мощности очень простая: Сила тока умноженная на напряжение тока.

Существует также единица именуемая ватт-час. Её не следует путать с ваттами, это 2 разные физические величины. В ваттах измеряют мощность (скорость потребления или передачи энергии), а в ватт-часах выражается энергия произведённая за конкретное время. Это измерение часто применяют в отношении бытовых электроприборов.

Например, лампа мощность которой равняется 100 Вт работала в течении одного часа, то она потребила 100 Вт*ч, а лампочка мощность которой 40 ватт потребит столько же электроэнергии за 2.5 часа.

Для того, чтобы замерять мощность электроцепи используют ваттметр

Какой вид тока эффективнее и какая между ними разница?

Постоянный электроток легко использовать в случае параллельного подключения генераторов, для переменного необходима синхронизация генератора и энергосистемы.

В истории произошло событие под названием «Война токов». Эта «война» произошла между двумя гениальными изобретателями – Томасом Эдисоном и Николой Теслой. Первый поддерживал и активно продвигал постоянный электроток, а второй переменный. «Война» закончилась победой Теслы в 2007 году, когда Нью-Йорк окончательно перешел на переменный.

Разница в эффективности передачи энергии на расстоянии оказалось огромной в пользу переменного тока. Постоянный электроток невозможно использовать, если станция находятся далеко от потребителя.

Но постоянный всё равно нашел сферу применения: он широко используется в электротехнике, гальванизации, некоторых видах сварки. Также постоянный электроток получил очень большое распространение в сфере городского транспорта (троллейбусы, трамваи, метро).

Естественно, не бывает плохих или хороших токов, у каждого вида есть свои преимущества и недостатки, самое главное – правильно их использовать.

Электрический ток - движение заряженных частиц по проводнику в определенном направлении. Точнее это величина, которая показывает, сколько заряженных частиц прошло через проводник за единицу времени. Если за одну секунду через поперечное сечение проводника прошло количество заряженных частиц величиной в один кулон, то по данному проводнику течет ток величиной в один ампер (обозначение силы тока в соответствии с международной системой СИ). Величину электрического тока (количество ампер) называют силой тока. В зависимости от изменения величины во времени ток бывает постоянным и переменным.

Постоянный ток - это электрический ток, который не изменяет своего направления с течением времени. Переменный ток - с течением времени в определенной закономерности изменяет как свою величину, так и направление. Причем данные изменения повторяются через определенные промежутки времени - то есть они периодичны.

Переменный и постоянный ток в электроустановках

Для трехфазной электрической сети характерен переменный ток . Протекание переменного тока по проводникам обуславливается наличием источника переменной электродвижущей силы (ЭДС), изменяющей свою величину, как по величине, так и по направлению. В данном случае изменение величины и направления ЭДС осуществляется по закону синуса, то есть график изменения переменного тока во времени - это синусоида. Источником синусоидальной ЭДС является генератор переменного тока.

Практически все электрооборудование электроустановок и промышленных предприятий питается от сети переменного тока, так как это наиболее целесообразно и имеет множество плюсов. Но есть и некоторое оборудование, которое работает от сети постоянного тока (или некоторые его части): синхронный двигатель, электромагнитный , двигатель постоянного тока и другие. Для того чтобы преобразовать переменный ток в постоянный ток (необходимый для питания вышеуказанного электрооборудования) используют выпрямители.

Кроме того, постоянный ток используется для передачи по высоковольтным линиям больших мощностей электрической энергии. В этом случае при передаче электрической энергии на большие расстояния электрические потери значительно меньше, чем при той же передаче на переменном токе.

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

§ 31 ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Свободные электромагнитные колебания в контуре быстро затухают, и поэтому они практически не используются. Напротив, незатухающие вынужденные колебания имеют огромное практическое значение.

Переменный ток в осветительной сети квартиры, применяемый па заводах и фабриках и т. д., представляет собой не что иное, как вынужденные электромагнитные колебания. Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону.

Колебания напряжения легко обнаружить с помощью осциллографа. Если на вертикально отклоняющие пластины осциллографа подать напряжение от сети, то временная развертка на экране будет представлять собой синусоиду (рис. 4.8). Зная скорость движения луча по экрану в горизонтальном направлении (она определяется частотой пилообразного напряжения), можно вычислить частоту колебаний . Частота переменного тока - это число колебаний в 1 с.

Стандартная частота промышленного переменного тока равна 50 Гц. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз идет в одну сторону и 50 раз - в противоположную. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США принята частота 60 Гц.

Если напряжение на концах цепи меняется по гармоническому закону, то и напряженность электрического поля внутри проводников будет также меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля, в свою очередь, вызывают гармонические колебания скорости упорядоченного движения заряженных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока.

Но при изменении напряжения на концах цепи электрическое поле не меняется мгновенно по всей цепи. Изменения поля распространяются хотя и с очень большой, но не с бесконечно большой скоростью.

Однако, если время распространения изменений поля в цепи много меньше периода колебаний напряжения, можно считать, что электрическое поле во всей цепи сразу же меняется при изменении напряжения на концах цепи. При этом сила тока в данный момент времени будет иметь практически одно и то же значение во всех сечениях не разветвленной цепи.

Переменное напряжение в гнездах розетки осветительной сети создается генераторами на электростанциях. Проволочную рамку, вращающуюся в постоянном однородном магнитном поле, можно рассматривать как простейшую модель генератора переменного тока. Поток магнитной индукции Ф, пронизывающий проволочную рамку площадью S, пропорционален косинусу угла а между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции (рис. 4.9):

При равномерном вращении рамки угол а увеличивается прямо пропорционально времени:

где - угловая скорость вращения рамки. Поток магнит ной индукции меняется по гармоническому закону:

Здесь величина играет уже роль циклической частоты.

Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС индукции в рамке равна взятой со знаком «-» скорости изменения потока магнитной индукции, т. е. производной потока магнитной индукции по времени:

Если к рамке подключить колебательный контур, то угловая скорость вращения рамки определит частоту колебаний значений ЭДС, напряжения на paзличныx участках цепи и силы тока.

Мы будем изучать в дальнейшем вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, меняющегося с циклической частотой ю по закону синуса или косинуса:

u = U m sin t
или

u = U m cos t, (4.14)

где U m - амплитуда напряжения, т. е. максимальное по модулю значение напряжения.

Если напряжение меняется с циклической частотой , то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой. Но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае сила тока і в любой момент времени (мгновенное значение силы тока) определяется по формуле