Переменный ток

Все изложенное до сих пор относилось к току постоянной силы и неизменного направления, между тем как в современной технике весьма широко используются токи, периодически изменяющие свою величину и направление много раз в секунду. Почти вся современная электроэнергетика построена на применении именно таких токов, называемых переменными. Принцип получения переменного тока поясняется рис. 15 а. В магнитном поле, образованном полюсами С и Ю постоянного подковообразного магнита, равномерно вращается проволочная петля, стороны А и Б которой движутся вдоль линий поля, когда плоскость петли вертикальна, и поперек поля, когда петля переходит через горизонтальное положение. Легко видеть, что наведенные э. д. с. должны изменять свою величину и направление дважды за каждый оборот, достигая максимума при горизонтальном положении петли и переходя через нулевое значение для вертикальной ее позиции, когда проходящий через контур петли магнитный поток с возрастания переходит на убыль.

 

Переменный ток

Рис. 15. Образование переменных э. д. с. и токов и их графики.

 

На рис. 15 б графически изображена эта э. д. с. для случая равномерного вращения петли. Величина э. д. с. по мере поворота петли изменяется так же, как изменяется известная тригонометрическая функция у = sin α , вследствие чего она и называется синусоидальной. Различные положения петли в пределах одного оборота строго определяют и различные фазы наведенной э. д. с.

За каждый оборот петли (т. е. за каждые 360° ее поворота при равномерном вращении, или если выразить этот угол в радинах, то за каждые 2 π радианов) э. д. с. Е дважды принимает максимальное значение Е0 и дважды переходит через нуль. Если же петля совершает за каждую секунду f оборотов, то величина Е в зависимости от времени выразится так:

Переменный ток

Аналогичным образом может быть составлено выражение и для синусоидального тока:

Переменный ток

В этих общих уравнениях переменного напряжения и переменного тока синусоидальной формы Е и I — мгновенные значения величин э. д. с. и тока для любого момента времени t, Е0 и I0 — их максимальные значения (или амплитуды), а f — частота в герцах, определяющая число полных периодов изменения э. д. с. или тока за 1 сек. Чаще, однако, уравнения переменных э. д. с. и тока пишут в таком виде:

Переменный ток

Здесь величина ώ = 2πf — так называемая угловая частота синусоидального процесса. По физической сущности угловая частота — число радианов, на которое повернется равномерно вращающаяся рамка генератора переменной э. д. с. за 1 сек. Введение обозначения ώ упростило многие расчетные формулы, что облегчает расчеты.

Величиною φ, которая, являясь углом, может принимать любые значения в пределах от 0 до 2π радианов, устанавливается начальный момент сиπнусоидального колебательного процесса, или, как принято говорить, определяется его фаза.

Время, в течение которого происходит один полный цикл изменения э. д. с. или тока, соответствующий одному полному обороту рамки, называется периодом. Его принято обозначать буквой Т.

Очевидно, что

Переменный ток

 

Для оценки возможного теплового (и, вообще, энергетического) эффекта переменного тока установлено понятие об его так называемом "эффективном значении" Iэфф, которое связано с амплитудным I0 следующими соотношениями:

Переменный ток

Аналогичным образом относятся между собою также "эффективное" и "амплитудное" напряжения.

Физический смысл понятия Iэфф определяется следующим: если пропускать через какое-нибудь нагрузочное сопротивление R синусоидальный переменный ток с амплитудой I0, а затем постоянный ток I, создающий равный тепловой эффект, то

Переменный ток

Подавляющее большинство электростанций всего земного шара вырабатывает электроэнергию в виде переменного тока частотою 50—60 гц синусоидальной формы. В Советском Союзе и в странах Европы и Азии применяют частоту 50 гц. Мощные генераторы переменного тока по схеме своего устройства более напоминают „электродинамический фонарик" (см. рис. 10), чем петлю рис. 15, удобную лишь для того, чтобы установить ряд основных представлений, относящихся к переменному току.

Если в цепь с переменной э. д. с. E = E0sinώt включено нагрузочное сопротивление R, то через него будет проходить ток IR, величина которого может быть рассчитана на основании закона Ома следующим образом:

Переменный ток

При прохождении этого тока через R будет поглощаться мощность WR

Переменный ток

На рис. 16 а приведены графики напряжения, тока и мощности для случая прохождения переменного тока через R.

Смотрите также