Электрическое переменное напряжение. Возникновение электродвижущей силы. Ток постоянный и переменный

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 трехфазный ток. 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.

Переменный ток , в отличие от , непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени.

Чтобы вызвать в цепи такой ток, используются источники переменного тока, создающие переменную ЭДС, периодически изменяющуюся по величине и направлению. Такие источники называются генераторами переменного тока.

На рис. 1 показана схема устройства (модель) простейшего .

Прямоугольная рамка, изготовленная из медной проволоки, укреплена на оси и при помощи ременной передачи вращается в поле . Концы рамки припаяны к медным контактным кольцам, которые, вращаясь вместе с рамкой, скользят по контактным пластинам (щеткам).

Рисунок 1. Схема простейшего генератора переменного тока

Убедимся в том, что такое устройство действительно является источником переменной ЭДС.

Предположим, что магнит создает между своими полюсами , т. е. такое, в котором плотность магнитных силовых линий в любой части поля одинаковая. вращаясь, рамка пересекает силовые линии магнитного поля, и в каждой из ее сторон а и б .

Стороны же в и г рамки - нерабочие, так как при вращении рамки они не пересекают силовых линий магнитного поля и, следовательно, не участвуют в создании ЭДС.

В любой момент времени ЭДС, возникающая в стороне а, противоположна по направлению ЭДС, возникающей в стороне б, но в рамке обе ЭДС действуют согласно и в сумме составляют обшую ЭДС, т. е. индуктируемую всей рамкой.

В этом нетрудно убедиться, если использовать для определения направления ЭДС известное нам правило правой руки .

Для этого надо ладонь правой руки расположить так, чтобы она была обращена в сторону северного полюса магнита, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения той стороны рамки, в которой мы хотим определить направление ЭДС. Тогда направление ЭДС в ней укажут вытянутые пальцы руки.

Для какого бы положения рамки мы ни определяли направление ЭДС в сторонах а и б, они всегда складываются и образуют общую ЭДС в рамке. При этом с каждым оборотом рамки направление общей ЭДС изменяется в ней на обратное, так как каждая из рабочих сторон рамки за один оборот проходит под разными полюсами магнита.

Величина ЭДС, индуктируемой в рамке, также изменяется, так как изменяется скорость, с которой стороны рамки пересекают силовые линии магнитного поля. Действительно, в то время, когда рамка подходит к своему вертикальному положению и проходит его, скорость пересечения силовых линий сторонами рамки бывает наибольшей, и в рамке индуктируется наибольшая ЭДС. В те моменты времени, когда рамка проходит свое горизонтальное положение, ее стороны как бы скользят вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их, и ЭДС не индуктируется.

Таким образом, при равномерном вращении рамки в ней будет индуктироваться ЭДС, периодически изменяющаяся как по величине, так и по направлению.

ЭДС, возникающую в рамке, можно измерить прибором и использовать для создания тока во внешней цепи.

Используя , можно получить переменную ЭДС и, следовательно, переменный ток.

Переменный ток для промышленных целей и вырабатывается мощными генераторами, приводимыми во вращение паровыми или водяными турбинами и двигателями внутреннего сгорания.

Графическое изображение постоянного и переменного токов

Графический метод дает возможность наглядно представить процесс изменения той или иной переменной величины в зависимости от времени.

Построение графиков переменных величин, меняющихся с течением времени, начинают с построения двух взаимно перпендикулярных линий, называемых осями графика. Затем на горизонтальной оси в определенном масштабе откладывают отрезки времени, а на вертикальной, также в некотором масштабе, - значения той величины, график которой собираются построить (ЭДС, напряжения или тока).

На рис. 2 графически изображены постоянный и переменный токи . В данном случае мы откладываем значения тока, причем вверх по вертикали от точки пересечения осей О откладываются значения тока одного направления, которое принято называть положительным, а вниз от этой точки - противоположного направления, которое принято называть отрицательным.

Рисунок 2. Графическое изображение постоянного и переменного тока

Сама точка О служит одновременно началом отсчета значений тока (по вертикали вниз и вверх) и времени (по горизонтали вправо). Иначе говоря, этой точке соответствует нулевое значение тока и тот начальный момент времени, от которого мы намереваемся проследить, как в дальнейшем будет изменяться ток.

Убедимся в правильности построенного на рис. 2, а графика постоянного тока величиной 50 мА.

Так как этот ток постоянный, т. е. не меняющий с течением времени своей величины и направления, то различным моментам времени будут соответствовать одни и те же значения тока, т. е. 50 мА. Следовательно, в момент времени, равный нулю, т. е. в начальный момент нашего наблюдения за током, он будет равен 50 мА. Отложив по вертикальной оси вверх отрезок, равный значению тока 50 мА, мы получим первую точку нашего графика.

То же самое мы обязаны сделать и для следующего момента времени, соответствующего точке 1 на оси времени, т. е. отложить от этой точки вертикально вверх отрезок, также равный 50 мА. Конец отрезка определит нам вторую точку графика.

Проделав подобное построение для нескольких последующих моментов времени, мы получим ряд точек, соединение которых даст прямую линию, являющуюся графическим изображением постоянного тока величиной 50 мА.

Перейдем теперь к изучению графика переменной ЭДС . На рис. 3 в верхней части показана рамка, вращающаяся в магнитном поле, а внизу дано графическое изображение возникающей переменной ЭДС.

Рисунок 3. Построение графика переменной ЭДС

Начнем равномерно вращать рамку по часовой стрелке и проследим за ходом изменения в ней ЭДС, приняв за начальный момент горизонтальное положение рамки.

В этот начальный момент ЭДС будет равна нулю, так как стороны рамки не пересекают магнитных силовых линий. На графике это нулевое значение ЭДС, соответствующее моменту t = 0, изобразится точкой 1.

При дальнейшем вращении рамки в ней начнет появляться ЭДС и будет возрастать по величине до тех пор, пока рамка не достигнет своего вертикального положения. На графике это возрастание ЭДС изобразится плавной поднимающейся вверх кривой, которая достигает своей вершины (точка 2).

По мере приближения рамки к горизонтальному положению ЭДС в ней будет убывать и упадет до нуля. На графике это изобразится спадающей плавной кривой.

Следовательно, за время, соответствующее половине оборота рамки, ЭДС в ней успела возрасти от нуля до наибольшей величины и вновь уменьшиться до нуля (точка 3).

При дальнейшем вращении рамки в ней вновь возникнет ЭДС и будет постепенно возрастать по величине, однако направление ее уже изменится на обратное, в чем можно убедиться, применив правило правой руки.

График учитывает изменение направления ЭДС тем, что кривая, изображающая ЭДС, пересекает ось времени и располагается теперь ниже этой оси. ЭДС возрастает опять-таки до тех пор, пока рамка не займет вертикальное положение.

Затем начнется убывание ЭДС, и величина ее станет равной нулю, когда рамка вернется в свое первоначальное положение, совершив один полный оборот. На графике это выразится тем, что кривая ЭДС, достигнув в обратном направлении своей вершины (точка 4), встретится затем с осью времени (точка 5)

На этом заканчивается один цикл изменения ЭДС, но если продолжать вращение рамки, тотчас же начинается второй цикл, в точности повторяющий первый, за которым, в свою очередь, последует третий, а потом четвертый, и так до тех пор, пока мы не остановим вращение рамки.

Таким образом, за каждый оборот рамки ЭДС, возникающая в ней, совершает полный цикл своего изменения.

Если же рамка будет замкнута на какую-либо внешнюю цепь, то по цепи потечет переменный ток, график которого будет по виду таким же, как и график ЭДС.

Полученная нами волнообразная кривая называется синусоидой , а ток, ЭДС или напряжение, изменяющиеся по такому закону, называются синусоидальными .

Сама кривая названа синусоидой потому, что она является графическим изображением переменной тригонометрической величины, называемой синусом.

Синусоидальный характер изменения тока - самый распространенный в электротехнике, поэтому, говоря о переменном токе, в большинстве случаев имеют в виду синусоидальный ток.

Для сравнения различных переменных токов (ЭДС и напряжений) существуют величины, характеризующие тот или иной ток. Они называются параметрами переменного тока .

Период, амплитуда и частота - параметры переменного тока

Переменный ток характеризуется двумя параметрами - периодом и амплитудо й, зная которые мы можем судить, какой это переменный ток, и построить график тока.

Рисунок 4. Кривая синусоидального тока

Промежуток времени, на протяжении которого совершается полный цикл изменения тока, называется периодом. Период обозначается буквой Т и измеряется в секундах.

Промежуток времени, на протяжении которого совершается половина полного цикла изменения тока, называется полупериодом. Следовательно, период изменения тока (ЭДС или напряжения) состоит из двух полупериодов. Совершенно очевидно, что все периоды одного и того же переменного тока равны между собой.

Как видно из графика, в течение одного периода своего изменения ток достигает дважды максимального значения.

Максимальное значение переменного тока (ЭДС или напряжения) называется его амплитудой или амплитудным значением тока.

Im, Em и Um - общепринятые обозначения амплитуд тока, ЭДС и напряжения.

Мы прежде всего обратили внимание на , однако, как это видно из графика, существует бесчисленное множество промежуточных его значений, меньших амплитудного.

Значение переменного тока (ЭДС, напряжения), соответствующее любому выбранному моменту времени, называется его мгновенным значением.

i, е и u - общепринятые обозначения мгновенных значений тока, ЭДС и напряжения.

Мгновенное значение тока, как и амплитудное его значение, легко определить с помощью графика. Для этого из любой точки на горизонтальной оси, соответствующей интересующему нас моменту времени, проведем вертикальную линию до точки пересечения с кривой тока; полученный отрезок вертикальной прямой определит значение тока в данный момент, т. е. мгновенное его значение.

Очевидно, что мгновенное значение тока по истечении времени Т/2 от начальной точки графика будет равно нулю, а по истечении времени - T/4 его амплитудному значению. Ток также достигает своего амплитудного значения; но уже в обратном на правлении, по истечении времени, равного 3/4 Т.

Итак, график показывает, как с течением времени меняется ток в цепи, и что каждому моменту времени соответствует только одно определенное значение как величины, так и направления тока. При этом значение тока в данный момент времени в одной точке цепи будет точно таким же в любой другой точке этой цепи.

Число полных периодов, совершаемых током в 1 секунду, называется частотой переменного тока и обозначается латинской буквой f.

Чтобы определить частоту переменного тока, т. е. узнать, сколько периодов своего изменения ток совершил в течение 1 секунды , необходимо 1 секунду разделить на время одного периода f = 1/T. Зная частоту переменного тока, можно определить период: T = 1/f

Измеряется единицей, называемой герцем.

Если мы имеем переменный ток , частота изменения которого равна 1 герцу, то период такого тока будет равен 1 секунде. И, наоборот, если период изменения тока равен 1 секунде, то частота такого тока равна 1 герцу.

Итак, мы определили параметры переменного тока - период, амплитуду и частоту , - которые позволяют отличать друг от друга различные переменные токи, ЭДС и напряжения и строить, когда это необходимо, их графики.

При определении сопротивления различных цепей переменному току использовать еще одна вспомогательную величину, характеризующую переменный ток, так называемую угловую или круговую частоту .

Круговая частота обозначается связана с частотой f соотношением 2пиf

Поясним эту зависимость. При построении графика переменной ЭДС мы видели, что за время одного полного оборота рамки происходит полный цикл изменения ЭДС. Иначе говоря, для того чтобы рамке сделать один оборот, т. е. повернуться на 360°, необходимо время, равное одному периоду, т. е. Т секунд. Тогда за 1 секунду рамка совершает 360°/T оборота. Следовательно, 360°/T есть угол, на который поворачивается рамка в 1 секунду, и выражает собой скорость вращения рамки, которую принято называть угловой или круговой скоростью.

Но так как период Т связан с частотой f соотношением f=1/T, то и круговая скорость может быть выражена через частоту и будет равна 360°f.

Итак, мы пришли к выводу, что 360°f. Однако для удобства пользования круговой частотой при всевозможных расчетах угол 360°, соответствующий одному обороту, заменяют его радиальным выражением, равным 2пи радиан, где пи=3,14. Таким образом, окончательно получим 2пиf. Следовательно, чтобы определить круговую частоту переменного тока (), надо частоту в герцах умножить на посто янное число 6,28.

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.

§ 50. Основные величины, характеризующие переменный ток

Переменная э. д. с., переменное напряжение, а также переменный ток характеризуются периодом, частотой, мгновенным, максимальным и действующим значениями.
Период. Время, в течение которого переменная э. д. с. (напряжение или ток) совершает одно полное изменение по величине и направлению (один цикл), называется периодом . Период обозначается буквой Т и измеряется в секундах.
Если одно полное изменение переменной э. д. с. совершается за 1/50 сек , то период этой э. д. с. равен 1/50 сек .
Частота. Число полных изменений переменной э. д. с. (напряжения или тока), совершаемых за одну секунду, называется частотой . Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (гц ). При измерении больших частот пользуются единицами килогерц (кгц ) и мегагерц (Мгц ); 1 кгц = 1000 гц , 1 Мгц = 1000 кгц , 1 Мгц = 1 000 000 гц = 10 6 гц . Чем больше частота переменного тока, тем короче период. Таким образом, частота - величина, обратная периоду.

Пример. Длительность одного периода переменного тока равна 1/500 сек . Определить частоту тока.
Решение . Одно полное изменение переменного тока происходит за 1/500 сек . Следовательно, за одну секунду совершится 500 таких изменений. На основании этого частота

Чем больше период переменного тока, тем меньше его частота. Таким образом, период является величиной, обратной частоте, т. е.

Пример. Частота тока равна 2000 гц (2 кгц ). Определить период этого переменного тока.
Решение . За 1 сек происходит 2000 полных изменений переменного тока. Следовательно, одно полное изменение тока - один период совершается за 1/2000 долю секунды. Но основании этого период

Угловая частота. При вращении витка в магнитном поле один его оборот соответствует 360°, или 2π радиан. (1 рад = 57° 17′ 44″; π = 3,14.) Если, например, виток за время Т = 3 сек совершает один оборот, то угловая скорость его вращения за одну секунду

Соответственно угловая скорость вращения этого витка выражается в рад/сек и определяется отношением Эта величина называется угловой частотой и обозначается буквой ω.
Таким образом,

Так как частота переменного тока то, подставляя это значение f в выражение угловой частоты, получим:

Угловая частота ω, выраженная в рад/сек , больше частоты тока f , выраженной в герцах, в 2π раз.
Если частота переменного тока f = 50 гц , то угловая частота

ω = 2πf = 2 · 3,14 · 50 = 314 рад/сек

В различных областях техники применяют переменные токи самых разных частот. На электростанциях СССР установлены генераторы, вырабатывающие переменную электродвижущую силу, частота которой f = 50 гц . В радиотехнике и электронике используют переменные токи частотой от десятков до многих миллионов герц.
Мгновенное и максимальное значения. Величину переменной электродвижущей силы, силы тока, напряжения и мощности в любой момент времени называют мгновенными значениями этих величин и обозначают соответственно строчными буквами (e, i, u, p ).
Максимальным значением (амплитудой) переменной э. д. с. (или напряжения или тока) называется та наибольшая величина, которой она достигает за один период. Максимальное значение электродвижущей силы обозначается Е m , напряжения - U m , тока - I m .
На рис. 51 видно, что переменная э. д. с. достигает своего значения два раза за один период.

Действующая величина. Электрический ток, протекающий по проводам, нагревает их независимо от своего направления. В связи с этим тепло выделяется не только в цепях постоянного тока, но и в электрических цепях, по которым протекает переменный ток.
Если по проводнику сопротивлением r ом протекает переменный электрический ток, то в каждую секунду выделяется определенное количество тепла. Это количество тепла прямо пропорционально максимальному значению переменного тока.
Можно подобрать такой постоянный ток, который, протекая по такому же сопротивлению, что и переменный ток, выделял бы равное количество тепла. В этом случае можно сказать, что в среднем действие (эффективность) переменного тока по количеству выделенного тепла равно действию постоянного тока.
Действующим (или эффективным) значением переменного тока называется такая сила постоянного тока, которая, протекая через равное сопротивление и за одно и то же время, что и переменный ток, выделяет одинаковое количество тепла.
Электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр), включенные в цепь переменного тока, измеряют соответственно действующее значение тока и напряжения.
Для синусоидального переменного тока действующее значение меньше максимального в 1,41 раз, т. е. в раз.

Аналогично действующие значения переменной электродвижущей силы и напряжения меньше их максимальных значений тоже в 1,41 раза.

По величине измеренных действующих значений силы переменного тока, напряжения или электродвижущей силы можно вычислить их максимальные значения:

E m = E · 1,41; U m = U · 1,41; I m = I · 1,41; (55)

Пример. Вольтметр, подключенный к зажимам цепи, показывает действующее напряжение U = 127 в . Вычислить максимальное значение (амплитуду) этого переменного напряжения.
Решение . Максимальное значение напряжения больше действующего в раз, поэтому

U m = U · = 127 · 1,41 = 179,07 в

Для характеристики каждой переменной электродвижущей силы, переменного напряжения или переменного тока недостаточно знать период, частоту и максимальное значение.

Фаза. Сдвиг фаз. При сопоставлении двух и более переменных синусоидальных величин (э. д. с., напряжения или тока) необходимо также учитывать, что они могут изменяться во времени неодинаково и достигать своего максимального значения в разные моменты времени. Если в электрической цепи ток изменяется во времени так же, как меняется э. д. с., т. е. когда электродвижущая сила равна нулю и ток в цепи равен нулю, а при увеличении э. д. с. до положительного максимального значения одновременно увеличивается и достигает положительной максимальной величины и сила тока в цепи, и далее, когда э. д. с. уменьшается до нуля и сила тока одновременно станет равна нулю и т. д., то в такой цепи переменная электродвижущая сила и переменный ток совпадают по фазе.
На рис. 52 показаны моменты вращения двух проводников в магнитном поле и графики изменения э. д. с. в проводах. Провод 1 и провод 2 смещены на угол φ = 90°. При пересечении магнитного потока в каждом из проводов возникает переменная э. д. с. Когда в проводе 2 электродвижущая сила равна нулю, в проводе 1 она будет максимальной. В проводе 2 э. д. с. постепенно увеличивается и достигает максимального значения в момент t 1 , а в проводе 1 индуктируемая э. д. с. постепенно убывает и в этот же момент времени равна нулю. Таким образом, индуктируемые в проводах э. д. с. не совпадают по фазе, а сдвинуты одна относительно другой по фазе на 1/4 периода или на угол φ = 90°. Кроме того, э. д. с. в проводе 1 раньше достигает максимума, чем э. д. с. в проводе 2 , и поэтому считают, что электродвижущая сила е 1 опережает по фазе э. д. с. е 2 или э. д. с. е 2 отстает по фазе от э. д. с. е 1 . При расчетах цепей переменного тока важное практическое значение имеет сдвиг фаз между переменными напряжением и током.

Сейчас невозможно представить себе человеческую цивилизацию без электричества. Телевизоры, компьютеры, холодильники, фены, стиральные машины - вся бытовая техника работает на нем. Не говоря уже о промышленности и больших корпорациях. Основным источником энергии для электроприемников является переменный ток. А что это такое? Каковы его параметры и характеристики? Чем отличаются постоянный и переменный ток? Мало кто из людей знает ответы на эти вопросы.

Переменный против постоянного

В конце девятнадцатого века, благодаря открытиям в области электромагнетизма, возник спор по поводу того, какой же ток лучше применять, чтобы удовлетворить человеческие потребности. Как же все начиналось? Томас Эдисон в 1878 году основал свою компанию, которая в будущем стала знаменитой General Electric. Компания быстро разбогатела и завоевала доверие инвесторов и простых граждан Соединенных Штатов Америки, так как было построено по всей стране несколько сотен электростанций, работающих на постоянном токе. Заслуга Эдисона - в изобретении трехпроводной системы. Постоянный ток замечательно работал с первыми электрическими двигателями и лампами накаливания. Это были фактически единственные приемники энергии на то время. Счетчик, который также был изобретен Эдисоном, работал исключительно на постоянном токе. Однако в противовес развивающейся компании Эдисона выступили конкурентные корпорации и изобретатели, которые хотели противопоставить постоянному току переменный.

Недостатки изобретения Эдисона

Джордж Вестингауз, инженер и бизнесмен, заметил в патенте Эдисона слабое звено - огромные потери в проводниках. Однако ему не удалось разработать конструкцию, которая могла бы конкурировать с этим изобретением. В чем же недостаток Эдисоновского постоянного тока? Основная проблема - передача электроэнергии на расстояния. А так как при его увеличении растет и сопротивление проводников, то это значит, что будут увеличиваться и потери мощности. Для понижения этого уровня необходимо либо повышать напряжение, а это приведет к понижению силы самого тока, либо утолщать провод (то есть снижать сопротивление проводника). Способов эффективного повышения напряжения постоянного тока в то время не было, поэтому электростанции Эдисона держали напряжение, близкое к двум сотням вольт. К сожалению, передаваемые таким образом потоки мощности не могли обеспечить нужды промышленных предприятий. Постоянный ток не мог гарантировать генерацию электроэнергии мощным потребителям, которые находились на значительном расстоянии от электростанции. А повышать толщину проводов или строить больше станций было слишком дорого.

Переменный ток против постоянного

Благодаря разработанному в 1876 году инженером Павлом Яблочковым трансформатору, изменять напряжение у переменного тока было очень просто, что давало потрясающую возможность передавать его на сотни и тысячи километров. Однако на тот момент не существовало двигателей, которые работали бы на переменном токе. Соответственно, не было и генерирующих станций, и сетей для передачи.

Изобретения Николы Теслы

Несомненное преимущество постоянного длилось недолго. Никола Тесла, работая инженером в фирме Эдисона, понял, что постоянный ток не может обеспечить человечество электроэнергией. Уже в 1887 году Тесла получил сразу несколько патентов на аппараты переменного тока. Началась целая борьба за более эффективные системы. Основными конкурентами Теслы были Томсон и Стенли. А 1888 году однозначную победу получил сербский инженер, который предоставил систему, способную транспортировать электрическую энергию на расстояния в сотни миль. Молодого изобретателя быстро взял к себе Вестингауз. Однако сразу же началось противостояние между компаниями Эдисона и Вестингауза. Уже в 1891 году была разработана Теслой система трехфазного переменного тока, что позволило выиграть тендер по строительству огромной электрической станции. С тех пор однозначно позицию лидера занял переменный ток. Постоянный же сдавал свои позиции по всем фронтам. Особенно когда появились выпрямители, способные преобразовывать переменный ток в постоянный, что стало удобно для всех приемников.

Определение переменного тока

Пример простейшего генератора

В качестве самого простого источника используют прямоугольную рамку, изготовленную из меди, которая закреплена на оси и вращается в магнитном поле при помощи ременной передачи. Концы этой рамки припаяны контактными кольцами к медным, которые скользят по щеткам. Магнит создает равномерно распределенное в пространстве магнитное поле. Плотность силовых магнитных линий здесь одинакова в любой части. Вращающаяся рамка пересекает эти линии, и на ее сторонах индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). С каждым поворотом направление суммарной ЭДС меняется на обратное, так как рабочие стороны рамки за оборот проходят через разные полюса магнита. Так как меняется скорость пересечения силовых линий, то становится другой и величина электродвижущей силы. Поэтому если равномерно вращать рамку, то индуктированная электродвижущая сила периодически будет меняться как по направлению, так и по величине, ее можно измерить при помощи внешних приборов и, как следствие, использовать для того, чтобы создавать переменный ток во внешних цепях.

Синусоидальность

Что это такое? Переменный ток графически характеризуется волнообразной кривой - синусоидой. Соответственно, ЭДС, ток и напряжение, которые изменяются по этому закону, называются параметрами синусоидальными. Кривая так названа потому, что является изображением тригонометрической переменной величины - синуса. Именно синусоидальный характер переменного тока - наиболее распространенный во всей электротехнике.

Параметры и характеристики

Переменный ток - это явление, которое характеризуется определенными параметрами. К ним относят амплитуду, частоту и период. Последний (обозначается буквой Т) - это промежуток времени, в течение которого напряжение, ток или ЭДС совершает цикл полного изменения. Чем быстрее будет вращение ротора у генератора, тем период будет меньше. Частотой (f) называют количество полных периодов тока, напряжения или ЭДС. Она измеряется в Гц (герцах) и обозначает количество периодов за одну секунду. Соответственно, чем больше период, тем меньше частоты. Амплитудой такого явления, как переменный ток, называют наибольшее его значение. Записывается амплитуда напряжения, тока или электродвижущей силы буквами с индексом «т» - U т I т, Е т соответственно. Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующее значение. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени - мгновенное значение (помечают строчными буквами - і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.