Переменный электрический ток. Сопротивления в цепи. Трансформаторы
Генерация синусоидального тока. Действующие (эффективные) значения: I_действ = I_m / √2, U_действ = U_m / √2. Активное сопротивление R, емкостное сопротивление X_C = 1 / (ω C), индуктивное сопротивление X_L = ω L. Закон Ома для цепи переменного тока. Устройство и принцип работы трансформатора. Коэффициент трансформации: k = U₁ / U₂ = N₁ / N₂.
Переменный электрический ток — ток, сила и направление которого периодически изменяются со временем по гармоническому синусоидальному закону:
В энергосистеме Республики Казахстан и стран СНГ принята стандартная промышленная частота ν = 50 Гц (в США и Японии — 60 Гц). Период промышленного тока T = 1/50 = 0.02 с = 20 мс, а циклическая частота равна ω = 2π · ν = 100π ≈ 314 рад/с.
Действующие (эффективные) значения переменного тока:
Поскольку ток непрерывно меняется, мгновенные значения неудобны для характеристики тепловой или механической работы. Введено действующее значение.
Действующее значение силы переменного тока (Iд) численно равно силе такого постоянного тока, который за один период переменного тока выделяет в проводнике точно такое же количество теплоты, что и данный переменный ток!
Математическая связь действующих и амплитудных значений (для синусоидального тока):
Iд = Imax / √2 ≈ 0.707 · Imax;
Uд = Umax / √2 ≈ 0.707 · Umax.
Все измерительные приборы переменного тока (амперметры, вольтметры) показывают исключительно действующие значения! Напряжение бытовой электросети 220 В — это действующее значение; амплитудное пиковое напряжение в розетке достигает Umax = 220 · √2 ≈ 311 Вольт!
Эквивалент постоянного тока
Пик Umax = 311 В
Элементы цепи, в которых электрическая энергия необратимо превращается во внутреннюю (тепловую) энергию, называют активными сопротивлениями (резисторы, спирали электропечей, лампы накаливания, реостаты).
Закон Ома для участка цепи с активным сопротивлением R:
Если к резистору приложено напряжение u(t) = Umax · cos(ωt), то мгновенный ток равен:
Характерные особенности активного сопротивления:
1. Сила тока и напряжение на активном сопротивлении колеблются в одинаковой фазе (сдвиг фаз равен нулю: Δφ = 0);
2. Амплитуда тока связана с амплитудой напряжения законом Ома: Imax = Umax / R;
3. Сопротивление R не зависит от частоты переменного тока ω (в пределах низких и средних частот);
4. Средняя мощность, выделяемая на активном сопротивлении за период:
P = Iд · Uд = Iд2 · R = Uд2 / R = 1/2 · Imax · Umax.
Δφ = 0
P = Iд · Uд
Элементы цепи, способные накапливать энергию электрического или магнитного полей и возвращать ее обратно источнику без необратимых тепловых потерь, называют реактивными сопротивлениями.
1. Индуктивное сопротивление катушки (XL):
При протекании переменного тока через катушку индуктивности L ЭДС самоиндукции εsi = -L·(di/dt) препятствует изменению тока.
• Ток в катушке отстает по фазе от напряжения на угол π/2 (90°);
• Индуктивное сопротивление равно: XL = ω · L = 2π · ν · L;
• Чем выше частота тока ν и индуктивность L, тем больше XL (для постоянного тока ν = 0, XL = 0 — катушка не создает реактивного сопротивления);
• Средняя мощность на идеальной катушке равна нулю: P = 0.
2. Емкостное сопротивление конденсатора (XC):
Конденсатор емкостью C включен в цепь переменного тока. При перезарядке пластин по цепи течет ток зарядки/разрядки.
• Ток опережает по фазе напряжение на обкладках на угол π/2 (90°);
• Емкостное сопротивление равно: XC = 1 / (ω · C) = 1 / (2π · ν · C);
• Постоянный ток не проходит через конденсатор (при ν = 0 XC → ∞);
• Чем выше частота переменного тока ω, тем быстрее перезаряжаются обкладки и тем меньше емкостное сопротивление XC (высокочастотный переменный ток проходит через конденсатор практически беспрепятственно!).
Ток отстает на 90°
Ток опережает на 90°
Рассмотрим последовательную цепь, содержащую активное сопротивление R, катушку индуктивности L и конденсатор C (последовательный RLC-контур).
Закон Ома для цепи переменного тока:
Iд = Uд / Z,
где Z — полное сопротивление (импеданс) цепи:
Сдвиг фаз между током и напряжением (угол φ):
tg φ = (XL - XC) / R; cos φ = R / Z.
Коэффициент мощности cos φ определяет долю полезной мощности цепи: P = Iд · Uд · cos φ.
Явление электрического резонанса напряжений:
Резонанс в последовательном RLC-контуре наступает тогда, когда индуктивное сопротивление катушки точно равно емкостному сопротивлению конденсатора:
XL = XC → ω · L = 1 / (ω · C) → ωрез = 1 / √(L · C).
Последствия резонанса напряжений:
1. Реактивное сопротивление цепи обращается в ноль: XL - XC = 0;
2. Полное сопротивление цепи становится минимальным и чисто активным: Zmin = R;
3. Сила тока в цепи достигает максимально возможного значения: Imax = U / R;
4. Сдвиг фаз исчезает (φ = 0, cos φ = 1);
5. Напряжения на катушке UL и конденсаторе UC равны по модулю, противоположны по фазе и могут в десятки раз превышать напряжение сети (опасность пробоя изоляции!).
Импеданс RLC
XL = XC
Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.
Трансформатор изобретен русским инженером Павлом Николаевичем Яблочковым в 1876 году и усовершенствован Иваном Филипповичем Усагиным.
Устройство и принцип действия:
Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника (собранного из листов электротехнической стали для снижения токов Фуко) и двух изолированных обмоток:
• Первичная обмотка (N₁ витков) подключается к источнику переменного напряжения U₁;
• Вторичная обмотка (N₂ витков) подключается к нагрузке (потребителю) U₂.
Переменный ток первичной обмотки возбуждает в сердечнике переменный магнитный поток Ф(t), который пронизывает витки обеих обмоток, возбуждая в каждом витке одинаковую ЭДС: e = -dФ/dt.
Коэффициент трансформации (k):
• Если k > 1 (N₁ > N₂, U₁ > U₂): трансформатор является понижающим;
• Если k < 1 (N₁ < N₂, U₁ < U₂): трансформатор является повышающим.
КПД и передача электроэнергии на дальние расстояния:
КПД современных трансформаторов исключительно высок и достигает η = 98–99%. Пренебрегая потерями: P₁ ≈ P₂ → U₁ · I₁ ≈ U₂ · I₂ → I₁ / I₂ ≈ U₂ / U₁.
Повышая напряжение в n раз, мы уменьшаем ток в ЛЭП в n раз, что снижает тепловые потери на проводах Pпот = I² · Rлинии ровно в n² раз! Именно поэтому ток от электростанций передается по высоковольтным линиям напряжением до 500–1150 кВ.
k > 1, N₁ > N₂
Экономия энергии
- 1. Переменный синусоидальный ток и его действующие (эффективные) значения~5 мин
- 2. Активное сопротивление в цепи переменного тока~5 мин
- 3. Реактивные сопротивления: индуктивное и емкостное сопротивление~5 мин
- 4. Закон Ома для полной цепи переменного тока и электрический резонанс~5 мин
- 5. Трансформаторы: устройство, принцип действия и передача электроэнергии~5 мин
