Однофазний змінний струм

Отримання змінного струму

Якщо провідник А обертати в магнітному потоці, утвореному двома полюсами магніту, в напрямку за годинниковою стрілкою (рис. 1), то при перетині провідником магнітних силових ліній в ньому буде индуктироваться е. д. з, величина якої визначається виразом

Е = Вlvsinα,

де В – магнітна індукція в Тл, l – довжина провідника в м, v – швидкість руху провідника в м / сек, α – кут, під яким провідник перетинає магнітні силові лінії.

Нехай В, I і v для даного випадку залишаються сталими, тоді индуктированная е. д. з. буде залежати тільки від кута α, під яким провідник перетинає магнітне поле. Так, в точці 1, коли провідник рухається уздовж магнітних силових ліній, величина индуктированной е. д. з. дорівнюватиме нулю, при переміщенні провідника в точку 3 е. д. з. матиме найбільше значення, так як силові лінії будуть перетинатися провідником в напрямку, перпендикулярному до них, і, нарешті, е. д. з. знову досягне нуля, якщо провідник переміститься в точку 5.

У проміжних точках 2 і 4, в яких провідник перетинає силові лінії під кутом α = 45 °, величина индуктированной е. д. з. буде відповідно менше, ніж в точці 3. Таким чином, при повороті провідника з точки 1 в точку 5, т. е. на 180 °, индуктированная е. д. з. змінюється від нуля до максимуму і знову до нуля.

Цілком очевидно, що при подальшому повороті провідника А на кут 180 ° (через точки 6, 7, 8 і 1) характер зміни индуктированной е. д. з. буде такою ж, але напрямок її зміниться на протилежне, так як провідник буде перетинати магнітні силові лінії вже під іншим полюсом, що рівносильно перетинанню їх в протилежному першому напрямку.

Отже, при повороті провідника на 360 ° индуктированная е. д. з. не тільки змінюється весь час за величиною, а й двічі змінює свій напрямок.

Якщо провідник замкнути на будь-який опір, то в провіднику з’явиться електричний струм, також змінюється за величиною і напрямком.

Електричний струм, безперервно змінюється за величиною і напрямком, називається змінним струмом.

Що таке синусоїда

Характер зміни е. д. з. (Струму) за один оборот провідника для наочності представляють в графічному вигляді за допомогою кривої. Так як величина е. д. з. пропорційна sinα, то, маючи на певними кутами, можна за допомогою таблиць визначити значення синуса кожного кута і в відповідному масштабі побудувати криву зміни е. д. з. Для цього на горизонтальній осі будемо відкладати кути повороту провідника, а на вертикальній осі у відповідному масштабі индуктироваться е. д. з.

Якщо зазначені раніше на рис. 1 точки з’єднати плавною кривою лінією, то вона дасть уявлення про величину і характер зміни индуктированной е. д. з. (Струму) при будь-якому положенні провідника в магнітному полі. Внаслідок того що величина индуктированной е. д. з. в кожен момент визначається синусом кута, під яким провідник перетинає магнітне поле, наведена на рис. 1 крива носить назву синусоїди, а змінюється по ній е. д. з. – Синусоїдальної.

Розглянуті нами зміни е. д. з. по синусоїді відповідають повороту провідника в магнітному полі на кут 360 °. При повороті провідника на наступні 360 ° зміни индуктированной е. д. з. (І струму) знову відбудуться по синусоїді, т. Е. Будуть періодично повторюватися.

Відповідно, викликаний цією е. д. з. електричний струм називається синусоїдальним змінним струмом. Цілком очевидно, що і напруга, яка може бути виміряна нами на кінцях провідника А, при наявності замкнутої зовнішньої ланцюга також буде змінюватися по синусоїді.

Змінний струм, отриманий за допомогою обертання в магнітному потоці провідника або системи провідників, з’єднаних в одну котушку, називається однофазним змінним струмом.

Синусоїдальні змінні струми знаходять найбільше застосування в техніці. Однак можна зустріти змінні струми, що змінюються не за законом синуса. Такі змінні струми називаються несинусоїдальними.

Дивіться також: Що таке змінний струм і чим він відрізняється від постійного струму

Амплітуда, період, частота однофазного змінного струму

Сила струму, що змінюється по синусоїді, безперервно змінюється. Так, якщо в точці А (рис. 2) струм дорівнював 3а, то в точці Б він вже буде більше. В іншій будь-якій точці на синусоїді, наприклад в точці С, струм буде мати вже нове значення і т. Д.

Сила струму в окремі моменти при зміні його по синусоїді носить назву миттєвих значень струму.

Найбільше за величиною миттєве значення однофазного змінного струму при зміні його по синусоїді називається амплітудою. Неважко бачити, що за один оборот провідника струм два рази досягає амплітудного значення. Одне зі значень аа ‘є позитивним і відкладається вгору від осі 001 а інше ст’ – негативне і відкладається від осі вниз.

Час, протягом якого индуктированная е. д. з. (Або сила струму) проходить весь цикл змін, називається періодом Т (рис. 2). Період зазвичай вимірюється в секундах.

Величина, зворотна періоду, називається частотою (f). Інакше кажучи, частота змінного струму є число періодів в одиницю часу, т. Е. В секунду. Так, наприклад, якщо змінний струм протягом 1 секунди десять разів приймає однакові за величиною і напрямком значення, то частота такого змінного струму буде складати 10 періодів в секунду.

Для вимірювання частоти замість числа періодів в секунду застосовується одиниця, що отримала назву герц (гц). Частота 1 герц дорівнює частоті 1 пер / сек. При вимірюванні великих частот зручніше користуватися одиницею, в 1000 разів більшою герца, т. Е кілогерц (кГц), або в 1000000 разів більшою герца, – мегагерц (мггц).

Змінні струми, що застосовуються в техніці, в залежності від частоти можуть бути поділені на струми низької частоти і струми високої частоти.

Постійний струм, проходячи по провіднику, нагріває його. Якщо, пропустити по провіднику змінний струм, провідник також буде нагріватися. Це і зрозуміло, так як хоча змінний струм і змінює весь час свій напрямок, але виділення тепла абсолютно не залежить від напрямку струму в провіднику.

При пропущенні перемінного струму через лампочку нитка її буде розжарюються. При стандартній частоті змінного струму 50 гц ніякого миготіння світла спостерігатися не буде, так як нитка лампочки розжарювання, володіючи тепловою інерцією, не встигає охолонути в ті моменти, коли струм в ланцюзі дорівнює нулю. Застосування для освітлення змінного струму з частотою менше 50 гц вже небажано в зв’язку з тим, що з’являються неприємні, утомляющие зір коливання сили світла лампочки.

Проводячи і далі аналогію з постійним струмом, можна очікувати, що змінний струм, проходячи по провіднику, створює навколо нього магнітне поле. Насправді змінний струм не створює магнітного поля, а тому, що створюване їм магнітне поле буде також змінним за напрямком і величиною.

Змінний струм весь час змінюється як за величиною, так і за напрямком. Природно виникає питання, як же виміряти змінний струм і яке значення його при зміні по синусоїді слід прийняти як виробляє ту чи іншу дію.

З цією метою змінний струм порівнюють по виробленому їм дії з постійним струмом, величина якого протягом досвіду залишається незмінною.

Змінний струм і напруга
Припустимо, що по провіднику з незмінним опором пропущений постійний струм 10 А і при цьому виявлено, що провідник нагрівся до температури 50 °. Якщо тепер за цим же провіднику пропустити не є постійним, а змінний струм і так підібрати його величину (діючи, наприклад, реостатом), щоб провідник також нагрівся до температури 50 °, то в цьому випадку ми можемо сказати, що дія змінного струму одно дії постійного струму.

Нагрівання провідника в обох випадках до однієї і тієї ж температури говорить про те, що за одиницю часу змінний струм виділяє в провіднику таку саму кількість тепла, як і постійний.

Змінний синусоїдальний струм, який виділяє в даному опорі за одиницю часу така ж кількість тепла, як і постійний струм, є еквівалентним за величиною постійного струму. Цю величину струму називають чинним (I д) або ефективним значенням змінного струму. Отже, для нашого прикладу діюче значення змінного струму буде складати 10 А. При цьому максимальні (амплітудні) значення струму будуть перевершувати за величиною діючі значення.

Досвід і підрахунки показали, що діючі значення змінного струму менше амплітудних його значень в √2 (1,41) рази. Отже, якщо амплітудне значення струму відомо, то діюче значення струму I д може бути визначено шляхом ділення амплітуди струму I а на √2, т. Е. I д = Іа / √2

Навпаки, якщо відомо діюче значення струму, то може бути обчислено амплітудне значення струму, т. Е. I а = Iд√2

Такі ж співвідношення будуть дійсні і для амплітудних і діючих значень е. д. з. і напруг: Од = Е а / √2, Uд = Uа / √2

Вимірювальні прилади найчастіше показують діючі значення, тому при позначеннях індекс “д” зазвичай опускається, але забувати про це не слід.

При включенні в ланцюг змінного струму споживачів, що мають індуктивність і ємність, доводиться рахуватися як з активним, так і з реактивним опором (реактивний опір з’являється при включенні конденсатора або котушки індуктивності в ланцюг змінного струму). Тому при визначенні струму, що проходить по такому споживачеві, необхідно підведене напруга ділити на повний опір ланцюга (споживача).

Опір (Z) ланцюга однофазного змінного струму визначається за такою формулою:

Z = √ (R2 + (ωL – 1 / ωC) 2

де R – активний опір ланцюга в Омасі, L – індуктивність ланцюга в генрі, С – ємність ланцюга (конденсатора) у Фарада, ω – кутова частота змінного струму.

У ланцюгах змінного струму застосовуються різні споживачі, в яких необхідно враховувати або всі три величини R, L, С або тільки деякі з них. Одночасно з цим необхідно враховувати і кутову частоту змінного струму.

У деяких споживачів при відповідних значеннях кутової частоти можна брати до уваги тільки величини R і L. Так, наприклад, при частоті змінного струму 50 гц котушку соленоїда або обмотку генератора можна розглядати лише як що містить активний і індуктивний опір. Інакше кажучи, ємністю в цьому випадку можна знехтувати. Тоді повний опір змінному струму такого споживача можна підрахувати за формулою:

Z = √ (R2 + ω2L2)

Якщо таку котушку, або обмотку, розраховану для роботи в колі змінного струму, включити в ціль постійного струму з таким же напругою, по котушці піде дуже великий струм, який може привести до значного виділення тепла, і ізоляція обмотки може бути пошкоджена. Навпаки, по котушці, розрахованої для роботи в ланцюзі постійного струму і включеної в ланцюг змінного струму з тим же напругою, буде проходити невеликий струм, і прилад, в якому застосована ця котушка, не проведе необхідного дії.

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Опис руху точки