Параметры переменного напряжения | Практическая электроника

Как вы помните из предыдущей статьи, переменное напряжение — это напряжение, которое меняется со временем. Оно может меняться с каким-то периодом, а может быть хаотичным. Но не стоит также забывать, что и переменное напряжение обладает своими особенными параметрами. Часто между некоторыми понятиями возникает путаница. Попробуем разобрать что к чему в этой статье 😉

С чего же начнем? Думаю, правильнее было бы начать с напряжения 220 Вольт ;-). Очень много вопросов в рунете именно по напряжению «из розетки».  Самый часто задаваемый вопрос выглядит так:

— Какой ток в розетке?

У нас в России в розетке переменный синусоидальный ток с частотой в 50 Герц,  максимальной амплитудой приблизительно в 310 Вольт и действующим напряжением в 220 Вольт. Думаю, это будет самый развернутый ответ.

Итак, теперь давайте разбираться что к чему.

Как  же выглядит этот «ток из розетки» на осциллографе? Ну примерно вот так:

По вертикали у нас одна клеточка равняется 100 Вольтам. Следовательно, максимальная амплитуда Umax будет равна где-то 330 Вольт

По идее должно быть 310 Вольт. Хотя оно и не удивительно. Напряжение в сети редко когда бывает стабильным. Все, конечно же, зависит от потребителей и трансформатора на электростанции, который их питает.

Раньше, когда я был еще салабоном, рядом с телевизором у нас стоял какой-то интересный девайс. На нем была шкала, и мы вечером подкручивали крутилку, чтобы шкала показывала ровненько 220 Вольт, иначе телевизор отказывался работать. С возрастом я потом понял, что это был ручной стабилизатор напряжения, так как именно вечером все соседи начинали «жрать» электричество и поэтому в сети было Вольт 200. Сейчас во всех ТВ и других бытовых приборах эти стабилизаторы встроены прямо внутри, и поэтому надобность в них резко отпала.

Далее второй вопрос, который очень часто можно встретить в рунете:

— Где в розетке плюс, а где минус?

Да, в розетке есть минус, но когда говорят о переменном токе 220 Вольт, этот минус называют нулем. Нуль он и в Африке нуль. Его можно даже потрогать руками (что крайне НЕ рекомендую) и вас даже не шибанет током. Короче говоря — это тупо проводок, который лежит без дела, пока не придет она… ФАЗА.

Этим странным словом называют второй проводок, который подходит к розетке. Фаза вкалывает по-черному, чтобы жить и работать на всю катушку. А нуль — он полный лентяй, но опять же фаза без нуля — ничто! Так что поэтому нуль и фаза подаются в связке друг с другом 😉

Какие- же процессы происходят на фазе?

В какой-то момент времени фаза бывает положительнее по напряжению, чем нуль. В какой-то момент времени она становится равна нулю. А в какой-то момент времени становится отрицательнее, чем нуль! Или, иначе говоря, нуль становится положительнее, чем фаза). Потом фаза снова становится равна нулю, а потом снова больше нуля и все это повторяется до тех пор, пока работает генератор на электростанции.

Хотите узнать, как все это выглядит на графике? Да пожалуйста 😉

Как я уже сказал, фаза без нуля — ничто! И если даже встать на диэлектрический коврик, то есть полностью изолировать себя от контакта с землей, то можно даже и потрогать фазу без вреда для здоровья. НО! не вздумайте проверять это дома! Так поступают только матерые электрики и у них имеются в наличии эти диэлектрические коврики и другие прибамбасы.

Но никогда, слышите, НИКОГДА! не дотрагивайтесь голыми руками сразу до двух проводов, тем более взяв их по одному в руки! Вы будете проводником, соединяющим цепь 220 Вольт. Или попросту говоря, вас ударит электрическим током. Думаю, некоторые до сих пор помнят эти «приятные» ощущения. А как бодрит сразу! Уууухх)))

Давайте разберем некоторые параметры переменного напряжения. Начнем со среднего значения напряжения.

Среднее значение переменного напряжения Uср — это грубо говоря площадь под осциллограммой относительно нуля за какой-то промежуток времени. Чтобы это понять, давайте рассмотрим вот такую осциллограмму. В данном случае одна клеточка по горизонтали — это 10 миллисекунд. Напряжение то же самое: из розетки.

Например, вот здесь, чему равняется среднее значение напряжения грубо говоря от нуля (блин, когда я успел сдвинуть график?) и до 20 миллисекунд?

В данном случае среднее значение напряжения равняется ноль Вольт. Почему так? Площади S1 и S2 равны. Но прикол в том, что площадь S2 идет со знаком «минус». А так как площади равны, то в сумме они дают ноль :S1+(-S2)=S1-S2=0. Для бесконечного по времени синусоидального сигнала среднее напряжения также равняется нулю.

То же самое касается и других сигналов, например, двуполярного меандра. Меандр — это прямоугольный сигнал, у которого длительности паузы и импульса равны. Можно сказать, что его среднее напряжение также равняется нулю.

Средним значением напряжения пользуются редко. Чаще всего используют средневыпрямленное значение напряжения Uср. выпр. То есть площадь сигнала, которая «пробивает пол» берут не с отрицательным знаком, а с положительным. То есть получается для нашего графика от нуля и до 20 миллисекунд

средневыпрямленное значение напряжения будет уже равняться не нулю, а S1+S2=2S1=2S2. Здесь мы суммируем площади, независимо от того, с каким они знаком.

На практике средневыпрямленное значение напряжения получить легко, использовав диодный мост. После выпрямления синусоидального сигнала, график будет выглядеть вот так:

Для того, чтобы примерно узнать, чему равняется средневыпрямленное напряжение, достаточно узнать максимальную амплитуду синусоидального сигнала Umax и сосчитать по формуле:

Чему будет равняться средневыпрямленное значения напряжения «из розетки»? Подставляем в формулу значение 310 Вольт и получаем примерно 198 Вольт.

Средневыпрямленное значение хоть и используется, но тоже редко.

Чаще всего используют среднеквадратичное значение напряжения или его еще по другому называют действующим. В литературе обозначается просто буквой U. Чтобы его вычислить, тут уже  просто графиком не обойдешься. Оно рассчитывается сложнее. Среднеквадратичное значение —  это значение постоянного напряжения, который, проходя через  нагрузку (скажем, лампу накаливания), выделяет за тот же промежуток времени такое же количество мощности, какое выделит в этой нагрузке переменное напряжение. В английском языке среднеквадратичное напряжение  обозначается так: RMS (rms) — root mean square. Более подробно про среднеквадратичное значение напряжения можно прочитать в этой статье.

Связь между амплитудным и среднеквадратическим значением устанавливается через коэффициент амплитуды Ka:

Вот некоторые значения коэффициента амплитуды Ka для некоторых сигналов переменного напряжения:

Более точные значения 1,41 и 1,73 — это √2 и √3 соответственно.

Ну все! Хватит нудной теории. У меня тоже мозг вскипел).

Для замера правильного среднеквадратического значения у нас должен быть мультиметр с логотипом T-RMS. RMS — как вы уже знаете — это среднеквадратическое значение. А что за буковка «T» впереди? Думаю, вы помните, как раньше была мода на одно словечко: «тру». «Она вся такая тру…», «Ты тру или не тру?» и тд. Тру (true) — с англ. правильный, верный.

Так вот, T-RMS  расшифровывается как True RMS —  «правильное среднеквадратическое значение». Мои токоизмерительные клещи могут замерять этот параметр без труда, так как на них есть логотип «T-RMS».

Проведем небольшой опыт. Давайте соберем вот такую схемку:

Выставим на моем китайском генераторе частоты треугольный сигнал с частотой, ну скажем, 100 Герц

А вот осциллограмма этого сигнала. Внизу, в красной рамке, можно посмотреть его параметры

И теперь вопрос: чему будет равно среднеквадратическое напряжение этого сигнала?

Так как один квадратик у нас равняется 1 Вольт (мы это видим внизу осциллограммы в красной рамке), то получается, что амплитуда Umax этого треугольного сигнала равняется 4 Вольта. Для того, чтобы рассчитать среднеквадратическое напряжение, мы воспользуемся формулой:

Итак, смотрим нашу табличку и находим интересующий нас сигнал:

Для нас не важно, пробивает ли сигнал «пол» или нет, главное, чтобы сохранялась форма сигнала. Видим, что наш коэффициент амплитуды Ka= 1,73.

Подставляем его в формулу и вычисляем среднеквадратическое значение нашего треугольного сигнала

Проверяем нашим прибором, так ли оно на самом деле?

Супер! И в правду Тrue RMS.

Замеряем это же самое напряжение с помощью моего китайского мультиметра

Он меня обманул :-(. Он умеет мерять только среднеквадратическое значение синусоидального сигнала, а у нас сигнал треугольный.

Самый интересный сигнал в плане расчетов — это двуполярный меандр, ну тот есть тот, который «пробивает пол».

Его амплитудное Umax, средневыпрямленное Uср.выпр. и среднеквадратичное напряжение U равняется одному и тому же значению. В данном случае это 1 Вольт.

Вот вам небольшая картинка, чтобы не путаться

Сред.  — средневыпрямленное значение сигнала. Это и есть площадь под кривой

СКЗ — среднеквадратичное напряжение. Как мы видим, для синусоидальных сигналов, оно будет больше, чем средневыпрямленное.

Пик. — амплитудное значение сигнала

Пик-пик. — размах или двойная амплитаду. Или иначе, амплитуда от пика до пика.

Так что же все-таки показывает мультиметр при измерении переменного напряжения? Показывает он НЕ амплитудное, НЕ среднее  и НЕ среднее выпрямленное напряжение, а среднее квадратическое! Про это не забываем 😉

www.ruselectronic.com

переменный ток

читать далее…

Поэтому, наша обыкновенная лампочка(или, например, обогревательный прибор)будет одинаково работать как при переменном напряжении, изменяющегося от нуля до 310В, так и при постоянном напряжении 220В. А 12-вольтовая лампочка будет одинаково светить как от источника переменного напряжения величиной 12В(изменяющегося от нуля до 16,8В), так и от любой батарейки или аккумулятора(а они являются, как известно, источниками постоянного напряжения). Итак, запомните!!!

1)электрический ток(напряжение), который периодически изменяет свое направление и величину, называется переменным током. Любой переменный ток характеризуется в основном своей частотой, амплитудой и действующим значением;

2)приборы, предназначенные для измерения переменного тока, показывают его действующее значение;

3)напряжение измеряют вольтметром(или комбинированным прибором — авометром), ток — амперметром(или комбинированным прибором — авометром). Также ток можно измерять так называемыми токовыми клещами. Служат они для бесконтактного измерения тока — рабочая часть прибора образует кольцо вокруг измеряемого провода и по величине электромагнитного поля, действующего на рабочую часть прибора, выводится информация на его небольшой дисплей о величине протекающего тока. Авометр — это комбинированный прибор(его в простонародье еще называют просто тестером), который полностью в своем техпаспорте называется ампервольтомметром и служит для измерения и тока, и напряжения, и сопротивлений. А цифровые модели могут измерять и частоту напряжения(тока), и емкости конденсаторов и другие вещи — это уж как задумает разработчик;

4)зная значение(действующее) переменного напряжения, всегда можно узнать его максимальное значение(не забудьте — оно меняется по синусоидальному закону). А связь здесь такая —

Umax = 1,4U, где U — действующее значение, а Umax — максимальное значение(амплитуда)… На этом пока всё!

slavapril.narod.ru

Элементы цепей переменного напряжения | HomeElectronics

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал о переменном напряжении и его параметрах. Данная статья, по сути, является продолжение предыдущей и затронет вопросы цепей переменного напряжения и тока, а также их воздействие на сопротивление, ёмкость и индуктивность в различных сочетаниях. Начнём с простейших цепей с синусоидальным переменным напряжением

Сопротивление в цепи при переменном напряжении

Цепи переменного напряжения с сопротивлением является самыми простыми и наиболее часто встречающимися, поэтому начнём с них.


Переменное синусоидальное напряжение и ток в сопротивлении.

Допустим, что на сопротивление R подали переменное напряжение u, тогда, согласно с законом Ома, через данное сопротивление потечёт электрический ток i

где Um – амплитудное значение переменного напряжения,

Im – амплитудное значение переменного тока,

ω – угловая частота,

t – время,

φ – начальная фаза

Таким образом, действующее I и среднее значение Icp переменного тока будут определяться следующими выражениями

Так как, напряжение и ток, в цепи с сопротивлением имеют одинаковую начальную фазу, то есть, происходит совпадение фаз и достижение амплитудных значений напряжения Um и тока Im происходит одновременно.

Выражение «совпадение фаз» связанно с понятием фазового сдвига ψ, которое определяет разность начальных фаз двух синусоид одинаковой частоты. Следовательно, фазовый сдвиг между напряжением и током при активном сопротивлении будет равен нулю

где φu – начальная фаза напряжения,

φi – начальная фаза тока.

Для оценки энергетических характеристик ввели понятие мощности, в цепях переменного напряжения существует несколько мощностных характеристик. Одной из них является мгновенная мощность Рm, определяемая, как произведение мгновенных значений напряжения и тока

где Um – амплитудное значение переменного напряжения,

Im – амплитудное значение переменного тока,

U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока.

Таким образом, мгновенная мощность Рm изменяется с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения и тока и колеблется в пределах от 0 до 2UI.

Еще одной энергетической характеристикой является среднее значение мощности за период Р или активная мощность, которая определяется следующим выражением

где Рm – мгновенная мощность,

U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока.

Индуктивность в цепи при переменном напряжении

Следующий элемент, который я рассмотрю, будет индуктивный элемент, характеризующийся тем, что в нём возникает ЭДС самоиндукции.


Переменное синусоидальное напряжение и ток в индуктивности.

При подаче переменного напряжения u на индуктивность L, в ней возникнет ЭДС самоиндукции

Тогда при условии, что сопротивление отсутствует R = 0, а разность потенциалов будет равна мгновенному значению напряжения u, получим

где (β1 – β2) – разность потенциалов,

Е – ЭДС самоиндукции,

Um – амплитудное значение переменного напряжения,

L – величина индуктивности,

ω – угловая частота,

t – время,

φ – начальная фаза

Тогда проинтегрировав получившееся выражение, получим значение мгновенного тока

где Im – амплитудное значение переменного тока,

ω – угловая частота,

L – величина индуктивности,

f – частота переменного напряжения (тока),

XL – индуктивное сопротивление или реактивное сопротивление индуктивности.

Как видно из получившегося выражения ток i в индуктивности опаздывает от напряжения на угол π/2 или 90°. То есть фазовый сдвиг составит

Оценим мгновенную мощность Pm в индуктивности при переменном напряжении

где Um – амплитудное значение переменного напряжения,

Im – амплитудное значение переменного тока,

U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока.

Таким образом, мгновенная мощность колеблется с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока) и амплитудой UI.

Рассчитаем активную (среднее значение) мощность Р за период. Для этого необходимо проинтегрировать значение мгновенной мощности за весь период, а затем разделить на длительность периода

Как видно активная мощность на индуктивности не выделяется, то есть она затрачивается, но за счёт ЭДС самоиндукции происходит её компенсация.

Существенным параметром индуктивности при прохождении через неё переменного тока является энергия магнитного поля индуктивности WL, которая вычисляется по формуле

где Im – амплитудное значение переменного тока,

I – действующее значение переменного тока,

L – индуктивность.

Как видно из получившегося выражения, периодические изменения энергия магнитного поля происходят с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока) через катушку и значением от 0 до LI2.

Ёмкость в цепи при переменном напряжении

Третьим элементом, который я рассмотрю, будет емкость, которая характеризуется тем, что в ней происходит накопление электрической энергии.


Переменное синусоидальное напряжение и ток в ёмкости.

Как известно напряжение на конденсаторе определяется по формуле

где q – величина заряда,

С – ёмкость конденсатора.

С учётом того что, вся ЭДС переменного напряжения Е = u приложена к конденсатору и сопротивление равно нулю R = 0, согласно закона Ома для полной цепи получим

То есть величина заряда q будет изменяться пропорционально изменению напряжения u, а следовательно будет протекать электрический ток i.

Мгновенное значение электрического тока i при переменном напряжении на конденсаторе зависит от изменения электрического заряда dq за каждый период времени dt, тогда

Проинтегрировав данное выражение получим

где Im – амплитудное значение переменного тока,

ω – угловая частота,

С – величина ёмкости,

f – частота переменного напряжения (тока),

XС – ёмкостное сопротивление или реактивное сопротивление ёмкости..

Фазовый сдвиг между напряжением и электрическим током в ёмкости при переменном напряжении составит

То есть напряжение в данном случае отстаёт от тока на 90°.

Определим энергетические характеристики в ёмкости. Мгновенное значение мощности Pm в ёмкости при переменном напряжении

где Um – амплитудное значение переменного напряжения,

Im – амплитудное значение переменного тока,

U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока.

Таким образом, значение мгновенной мощности в ёмкости аналогично значению мгновенной мощности в индуктивности, то есть колебания  происходят с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока) и амплитудой UI.

В отличии от индуктивности, в ёмкости энергия запасённая в конденсаторе определяется напряжением

где Um – амплитудное значение переменного напряжения,

U – действующее значение переменного напряжения,

С – емкость.

Таким образом, энергия электрического поля в конденсаторе изменяется с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока) и может принимать значение от 0 до CU2.

На сегодня всё. В следующей статье я расскажу о параметрах различных соединений сопротивления, индуктивности и ёмкости при переменном напряжении и токе.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

www.electronicsblog.ru

переменное напряжение | Электрознайка. Домашний Электромастер.

Действующее значение синусоидального
переменного напряжения – тока.



data-ad-client=»ca-pub-5076466341839286″
data-ad-slot=»1404500382″>
♦Переменный электрический ток в нашей бытовой электросети представляет собой синусоиду, как на рисунке 1.

Напряжение меняет свою величину от 0 до + Umax и от 0 до — Umax .  Полный цикл этих изменений называется периодом.
Период измеряется в секундах и обозначается буквой   Т.
Количество периодов переменного тока за 1 секунду, есть частота  f.
Частота переменного тока f измеряется в герцах .

f = 1 / T.

Например.
Частота в нашей электрической сети 50 Гц.  Период этих колебаний будет равен:

T = 1 / f = 1 / 50 = 0,02 сек.

Наибольшее значение изменяющегося переменного напряжения – тока называется амплитудным значением или амплитудой.

Umax = Ua и Imax = Ia

За один период напряжение принимает эти значения два раза: + Ua  и  — Ua .

♦ Если подключить в цепь переменного напряжения какую-нибудь активную нагрузку, например паяльник, в цепи потечет переменный электрический ток, так же принимающий значения +Ia и — Ia, и повторяющий форму синусоиды.
На нагрузке выделяется электрическая мощность в виде тепла. Неважно какой ток течет в цепи — переменный или постоянный. Выделение тепла не зависит от направления тока в цепи.
Выделенное тепло будет равно той энергии, которую затрачивает электрический ток при прохождении по сопротивлению нагрузки.
Введено понятие действующего значения переменного напряжения Uд и тока Iд.

Действующее значение переменного тока — это такое значение величины постоянного тока, который проходя по сопротивлению нагрузки за тот же промежуток времени, выделит такое же количество тепла, что и переменный ток.

♦ Переменный ток оказывает такое же тепловое действие, как и постоянный ток, если амплитуда синусоидального переменного тока превышает величину постоянного тока в 1,41 раз.
Следовательно действующее (или эффективное) значение переменного тока будет равно:

Iд = Ia / 1,41 = 0,707 Ia. – действующее значение переменного тока

Uд = Ua / 1,41 = 0,707 Ua — действующее значение переменного напряжения

На все эти теоретические размышления можно посмотреть иначе!

   ♦Имеем синусоиду переменного напряжения длительностью в 1 период как на рисунке 1.
После выпрямительных диодов оно принимает вид как на рисунке 2.

Нижняя половинка синусоиды перевернута вверх, чтобы удобнее было представить процесс преобразования.

    ♦На рисунке приняты обозначения:

Um = Ua = 1 — амплитудное значение величины переменного напряжения. Значение  Ua примем за единицу.

Из формулы приведенной выше Uд = 1 / 1,41 = 0,707 — действующее напряжение равно 0,707 от амплитудного значения        Ua = 1.
Заштрихованная часть синусоиды обозначает затраченную на нагревание паяльника электрическую энергию. В промежутках между половинками синусоид ток по цепи не протекает, а следовательно и не выделяется электрическая мощность.
♦Проведем линию, обозначающую Uд = 0,707.
Она отсекает верхнюю часть половинок синусоид.
Если эти отсеченные вершинки синусоиды уложить в провалы между полупериодами, получится полностью заполненная площадь соответствующая значениям постоянного напряжения U и тока I.
Получается, что мощность синусоидального переменного тока с амплитудными значениями Ua и Ia равна мощности действующего значения Uд и Iд переменного тока и равна мощности постоянного тока со значениями U и I.
Одна и та же электрическая мощность, выраженная в трех видах.

P = Ua х Ia = Uд х Iд = U х I

♦ Электрические приборы для измерения переменного напряжения и тока отградуированы на отображение действующих значений Uд и Iд.
В нашей бытовой электросети действующее, эффективное, напряжение переменного тока Uд равно 220 вольт.
Максимальное, амплитудное значение напряжения в сети равно:
Um = Ua = Uд х 1,41 = 220 х 1,41 = 310,2 вольт.

Процесс поэтапного преобразования переменного напряжения в пульсирующее напряжение, а затем в постоянное напряжение, наблюдается в схемах выпрямителей.



data-ad-client=»ca-pub-5076466341839286″
data-ad-slot=»1404500382″>

domasniyelektromaster.ru

Переменное напряжение и переменный ток


В электроэнергетике в основном применяются синусоидальные переменные напряжения. Они легко формируются с помощью генераторов, изменяются по величине посредством трансформаторов и передаются на большие расстояния.

При равномерном вращении петли провода в магнитном поле под действием индукции возникает синусоидальное напряжение. Оно каждый момент меняется по величине и периодически – по направлению (рис. 3).

Одно полное колебание называется периодом. Время, за которое совершается одно полное колебание, – это длительность периода T. Число периодов за одну секунду – это частота f. Единицей измерения частоты является герц (Гц).

Частота f переменного напряжения зависит от числа оборотов n и числа пар полюсов p генератора (f = p ∙ n). При вращении двухполюсного ротора генератора (1 пара полюсов) со скоростью вращения 3000 1/мин = 50 1/с индуцированное переменное напряжение имеет частоту 50 Гц.

 

 

Рис. 3. Генератор переменного тока

 

 

Трехфазное переменное напряжение и трехфазный переменный ток

Генератор трехфазного переменного тока имеет статор с тремя обмотками (U1 — U2, V1 — V2, W1 — W2), которые сдвинуты в пространстве на 120° (рис. 3). При повороте индуктора или ротора (катушка с возбуждением постоянного тока) на 360° в обмотках возникают три переменных напряжения и три переменных тока, которые соответственно сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120° (рис. 1).

 

Рис. 1. Генератор трехфазного переменного тока

 

Согласно графической характеристике трех переменных токов (рис. 2) в момент 1 (положение индуктора 90°) ток I1, который течет в катушке U1 — U2, имеет свое наивысшее значение. Ток I2 в катушке V1 — V2 и ток I3 в катушке W1 — W2 соответственно равны половине тока I1. Кроме того, токи I2 и I3 противонаправлены току I1.

 

Сумма токов I1, I2, I3 в любой момент равна нулю.

 

Это относится к любому положению индуктора (рис. 2).

 
 

 

 

Рис. 2. Графическая характеристика генератора трехфазного переменного тока

 

Для передачи этих трех переменных токов в принципе потребовалось бы шесть проводов (по одному прямому и одному обратному проводу. Однако благодаря соответствующему соединению (сцеплению) трех катушек обходятся лишь тремя проводами, так как эти провода вследствие временнóго сдвига трех переменных токов являются попеременно то прямым, то обратным проводом.


 

Соединение в звезду (рис. 3). Достигается путем соединения друг с другом концов 3 обмоток U2, V2, W2 в нулевой точке. Начала обмоток U1, V1, W1 соединяются с внешними проводами L1, L2, L3 электрической сети.

Соединение треугольником (рис. 4). Достигается путем соединения соответственно конца одной обмотки с началом следующей обмотки, например, U1 с W2, W1 с V2, V1 с U2. Точки соединения соединяются с внешними проводами L1, L2, L3 электрической сети.

 

Рис. 3. Соединение в звезду Рис. 3. Соединение треугольником

 

Соединение в звезду или треугольником называется соединением элементов электрической цепи.

 

Магнетизм

 

Постоянный магнетизм

Магниты притягивают железо, никель и кобальт. Местами наибольшего притяжения являются полюса магнита. Каждый магнит имеет северный и южный полюс.

 

Разноименные полюса двух магнитов взаимно притягиваются, а одноименные – взаимно отталкиваются.

 

Если подвижно расположить стержневой магнит, то он установится в направлении с севера на юг. Полюс, обращенный к северу, является северным полюсом магнита, противоположный полюс – южным. Вокруг магнита имеется магнитное поле. Силовые линии поля – это воображаемые линии, которые соответственно указывают направление магнитной силы. Они всегда замкнуты и при этом за пределами магнита направлены от северного полюса к южному, а внутри магнита – от южного полюса к северному (рис. 5).

 
 

 

Рис. 5. Поле стержневого магнита

 

 



Электромагнетизм

Вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Силовые линии поля имеют форму концентрических окружностей.

 

Направление силовых линий поля вокруг проводника можно определить по правилу буравчика. Если мысленно ввинчивать буравчик с правой резьбой в проводник в направлении тока, то направление вращения буравчика укажет направление силовых линий поля (рис. 1).

 
 

 

 

Рис. 1. Магнитное поле обтекаемого током проводника

 

Ток, поступающий в проводник, обозначается символом X, а ток, выходящий из проводника – символом • .

Если смотать проводник в катушку, то силовые линии магнитного поля внутри катушки окажутся связанными в пучок. Внутри катушки они проходят параллельно друг другу с постоянной плотностью; в этом случае говорят о однородном магнитном поле. В месте выхода силовых линий возникает северный полюс, а в месте входа силовых линий – южный полюс (рис. 2).

 
 

 

Рис. 2. Магнитное поле катушки

 

Действие сил между обтекаемыми током проводниками. Между двумя обтекаемыми током проводниками действуют силы, создаваемые магнитными полями (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Обтекаемые током проводники

 

Проводники, обтекаемые одинаково направленными токами, взаимно притягиваются, а проводники, обтекаемые противоположно направленными токами, взаимно отталкиваются.

 

Обтекаемые током проводники в магнитном поле. Подвижно расположенная в магнитном поле катушка, обтекаемая током, поворачивается в определенное положение до тех пор, пока направление созданного ею магнитного поля не совпадет с направлением неподвижного магнитного поля. Непрерывное вращение может быть достигнуто, если на вращающейся катушке установить реверсирующий переключатель (коллектор), который незадолго до достижения конечного положения будет соответственно переключать направление тока в катушке (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Проводник и катушка в магнитном поле

 

На обтекаемый током проводник в магнитном поле действует сила, которая стремится сдвинуть его из состояния покоя.

 

Железо в магнитном поле. Замкнутая траектория силовых линий магнитного поля называется магнитной цепью; её можно сравнить с электрической цепью.

Если в магнитной цепи имеется воздушный зазор, например, между статором и ротором генератора или электродвигателя, то силовые линии магнитного поля вынуждены преодолевать большое магнитное сопротивление. Магнитное сопротивление можно понизить, уменьшив воздушный зазор или поместив в полости катушки электромагнита сердечник из мягкого магнитного материала.

 

Железо усиливает магнитный поток Φ катушки.

 

Причиной этого является ориентация элементарных магнитов в железе, которые дополнительно воздействуют на силовые линии магнитного поля.

 

 

Самоиндукция

Возникает в обтекаемых током катушках при изменении тока, обтекающего катушку. Это изменение тока вызывает изменение магнитного поля катушки, т.е. в катушке изменяется величина магнитного потока. В результате этого возникает напряжение самоиндукции.

Опыт № 1 (рис. 1). Катушка со стальным сердечником (N = 1200 витков) и переменный резистор соединяются соответственно последовательно каждый со своей лампой накаливания (1,5 В/3 Вт), и на них подается напряжение 6 В. При этом переменный резистор регулируется так, чтобы обе лампы накаливания светили одинаково ярко.

 

Рис. 1. Включение катушки

 

Наблюдения. При замыкании электрической цепи лампа накаливания, последовательно соединенная с катушкой, загорается с задержкой.

Ток, протекающий в катушке, создает магнитное поле. Создаваемое магнитное поле вызывает изменение магнитного потока в катушке, которое в свою очередь индуцирует в катушке напряжение US, противонаправленное приложенному напряжению. Вследствие этого приложенное напряжение достигает своего полного действия лишь постепенно (рис. 3).

 

Самоиндукция, возникающая при включении катушки, вызывает задержку нарастания тока и магнитного поля.

 

Опыт № 2 (рис. 2). Катушка со стальным сердечником (N = 1200 витков) и лампа тлеющего разряда с напряжением зажигания около 150 В соединяются параллельно, и на них подается напряжение 6 В.

 

 

Рис. 2. Отключение катушки

 

Наблюдения. При размыкании электрической цепи лампа тлеющего разряда, параллельно соединенная с катушкой, мгновенно вспыхивает на короткое время.

После отключения источника напряжения в катушке больше нет тока. Установившееся до этого магнитное поле очень быстро уменьшается, т.е. оно меняет свое направление относительно направления, которое оно имело в фазе нарастания; в катушке индуцируется очень высокое напряжение (напряжение самоиндукции, рис. 3).

 

Самоиндукция, возникающая при отключении тока в одной катушке, вызывает задержку уменьшения тока и магнитного поля.

 

Это индуцированное напряжение (напряжение самоиндукции) имеет то же направление, что и поданное ранее напряжение. Напряжение самоиндукции еще какое-то короткое время поддерживает в катушке электрический ток, который препятствует резкому уменьшению магнитного поля (рис. 3).

 

Напряжение самоиндукции всегда направлено таким образом, что противодействует изменению тока.

 
 

 

 

Рис. 3. Графические характеристики напряжения и тока

 

Поскольку высокое напряжение самоиндукции, возникающее при отключении катушки, имеет то же направление, что и поданное ранее напряжение, даже при малейшем размыкании контакта возникает электрическая дуга.

Если на катушку подать переменное напряжение, то с увеличением частоты будет возрастать напряжение самоиндукции, в результате чего уменьшится среднее значение тока за единицу времени. Поэтому ток в катушке уменьшится, т.е. как будто бы возрастет сопротивление катушки (индуктивное сопротивление) (рис. 1).

 
 

 

 

 

 

Рис. 1. Индуктивное сопротивление катушки

Конденсатор

Конденсатор состоит из двух металлических проводников, между которыми находится изолятор (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Устройство конденсатора

 

При подаче на конденсатор постоянного напряжения возникает кратковременный зарядный ток. После этого постоянный ток запирается конденсатором. При коротком замыкании конденсатора возникает разрядный ток, направленный в противоположную сторону (рис. 3). При зарядке конденсатора источник напряжения выкачивает электроны из одной пластины конденсатора и закачивает их в другую пластину, т.е. с одной стороны конденсатора возникает недостаток электронов, а с другой стороны – их избыток.

После отключения конденсатора от источника напряжения эта разница в количестве электронов на пластинах сохраняется, т.е. конденсатор заряжен. Аккумулирующая способность конденсатора называется емкостью C. Единицей её измерения является фарад (Ф).

Если подать на конденсатор переменное напряжение, то с увеличением частоты будет возрастать количество процессов зарядки и разрядки, в результате чего также будет возрастать среднее значение тока в единицу времени. Поэтому ток в конденсаторе увеличится, т.е. как будто бы уменьшится сопротивление (емкостное сопротивление).

 
 

 

 

Рис. 3. Характеристика зарядки и разрядки конденсатора

 

Электрохимия

Электропроводность в жидкостях

 

Химически чистая вода не проводит электрический ток. При добавлении кислоты, щелочи или соли химически чистая вода становится электропроводной.

 

Электропроводные жидкости – это электролиты.

 

В электролите, например, в серной кислоте H2S04, определенное число молекул расщеплено на их основные составные части 2 H+ и S04. Такой процесс расщепления называется диссоциация. Эти основные составные части, атомы и молекулы, обладают различными электрическими зарядами; они называются ионами1).

При подаче напряжения на электролит ионы приходят в движение под воздействием электрического тока (рис. 4).

 
 

 

 

Рис. 4. Электролиз хлорида меди

 

При этом положительно заряженные ионы движутся к катоду (отрицательному полюсу). Там они забирают недостающие электроны, становятся электрически нейтральными и осаждаются.

Отрицательно заряженные ионы движутся к аноду (положительному полюсу). Там они отдают лишние электроны, становятся электрически нейтральными и осаждаются.

 

1) Ион (греч.) = движущийся

 

Электролиз

 

Электролиты при прохождении через них постоянного тока распадаются на свои основные составные части. Этот процесс называется электролизом.

 

Основные составные части отделяются в местах подвода тока (на электродах) и могут вступать в соединение с материалом электродов.

Гальванизация. Методом электролиза можно наносить на заготовки тонкие металлические покрытия, например, для их защиты от коррозии или для создания электропроводных поверхностей на пластмассах (печатные платы).

При подаче постоянного напряжения к цепи опытной установки (рис. 1) положительно заряженные ионы меди (Cu++) движутся к отрицательному электроду и отдают ему свой заряд; медь осаждается на отрицательном электроде (катоде) и образует металлическое покрытие.

 
 

 

 

Рис. 1. Гальванизация

 

Отрицательно заряженные ионы кислотного остатка (SO4) движутся к положительному медному электроду (аноду) и отдают ему свой заряд (электроны). При этом возникает молекула сульфата меди (CuSO4). Она может снова диссоциировать. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не израсходуется медный анод. При этом на катоде (полюс «–») осаждается чистая медь. Этот метод применяется для получения цветных металлов с очень высокой степенью чистоты, составляющей, например, у электролитической меди 99,98 %.

Используя метод электролиза, можно наносить на листовую сталь для автомобильных кузовов слой цинка точно заданной толщины.

 

Гальванические элементы

Состоят из двух электродов, изготовленных из разных металлов, или же одного металлического и одного угольного электрода, а также электролита.

Электрическое напряжение возникает вследствие электрохимических процессов, происходящих между электродами.

Возникающее напряжение зависит от положения, которое материалы электродов занимают в электрохимическом ряду напряжений (рис. 2), а также от вида и концентрации электролита.

 
 

 

 

Рис. 2. Электрохимический ряд напряжений

 

Гальванические элементы делятся на первичные и вторичные элементы.

Первичные элементы. Электрохимические процессы, возникающие при преобразовании энергии, являются необратимыми. Отрицательный полюс, который всегда состоит из менее благородного металла, разрушается; электролит может высохнуть или вытечь.

Вторичные элементы. В них возможно обращение электрохимических процессов посредством зарядки постоянным током, как это происходит, например, в стартерных батареях. В процессе зарядки электрическая энергия накапливается в форме химической энергии, в процессе разрядки химическая энергия снова превращается в электрическую.

Все электролитические элементы содержат экологически вредные вещества, такие как, например, кислоты, щелочи, свинец и другие тяжелые металлы. Они требуют целенаправленной утилизации, при этом не разрешается выбрасывать их вместе с бытовыми отходами.

 

ВОПРОСЫ НА ПОВТОРЕНИЕ

1. Как действуют друг на друга полюса двух магнитов?

2. Какое влияние оказывает стальной сердечник в обтекаемой током катушке?

3. Как ведут себя два обтекаемых током проводника, когда ток по ним течет в одном и том же направлении и в противоположных направлениях?

4. Что понимается под самоиндукцией?

5. Как ведет себя конденсатор, на который подано переменное напряжение возрастающей частоты?

6. Как происходит процесс гальванизации?

Электронные элементы

 

При изготовлении электронных элементов, например, диодов, транзисторов, применяются полупроводниковые материалы. При температурах, близких к абсолютному нулю (- 273 °C ≙ 0 K), эти материалы ведут себя как диэлектрики, т.е. имеют большое удельное электрическое сопротивление.

По своему удельному электрическому сопротивлению при комнатной температуре полупроводниковые материалы располагаются между диэлектриками и металлическими проводниками (рис. 1).

 

Рис. 1. Удельное электрическое сопротивление материалов при комнатной температуре

 

При повышении температуры сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается, а их проводимость увеличивается.

 

Полупроводниковые материалы сильно зависимы от температуры. Эта их особенность используется, например, в термисторах. То, что при повышении температуры сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается, свидетельствует о том, что они обладают NTC-характеристикой (имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (NTC)). Поэтому при повышении температуры и одном и том же напряжении увеличивается интенсивность прохождения тока, что может привести к разрушению полупроводниковых элементов. В связи с этим полупроводниковые элементы часто монтируются на радиаторе. Например, в автомобиле приходится монтировать таким образом электронные блоки управления, чтобы они не подвергались интенсивному тепловому излучению.

Величина сопротивления полупроводниковых материалов также может зависеть, например, от поданного напряжения, от попадающего на них света, от действующего на них давления или от силы попадающего на них магнитного поля. Кроме того, на характеристику их сопротивления влияют примеси других веществ (изменение характеристики полупроводника путем введения примесей).

В таблице 1 перечислены часто применяемые полупроводниковые материалы и электронные элементы, в которых они применяются.

Таблица 1

Полупроводниковые материалы  
Название Применение
Кремний Si
Германий Ge
Выпрямительные диоды
Транзисторы
Фотодиоды
Фототранзисторы
Селен Se Выпрямительные диоды
Фотоэлементы
Арсенид галлия GaAs Фотодиоды
   

 

Полупроводники n-типа и p-типа

Проводимость чистейшего кремния может быть сильно увеличена посредством самого незначительного «загрязнения» примесными атомами. В зависимости от того, какой конкретный материал встраивается (вводится) в кристаллическую решетку основного материала, кремния, получают полупроводники n-типа или полупроводники p-типа (рис. 2).

 
 

 

Рис. 2. Полупроводник n-типа и полупроводник p-типа

(образное представление системы)

 

Полупроводники n-типа (n от negativ, отрицательный). Представляют собой полупроводниковые материалы, имеющие избыточное количество электронов. При подаче электрического напряжения на полупроводник n-типа свободные электроны в нём движутся как в металлическом проводнике.

 

Носителями заряда в полупроводниках n-типа являются электроны.

 

Полупроводники p-типа (p от positiv, положительный). Они представляют собой полупроводниковые материалы, имеющие недостаточное количество электронов. В тех местах, где отсутствуют электроны, их недостаточно, а, следовательно, полупроводниковый материал имеет положительный заряд. Такое место, где отсутствует электрон, иначе называется дыркой. При подаче напряжения на полупроводник p-типа соседний свободный электрон может заскочить в дырку. Однако при этом дырка перейдет к атому, который отдал электрон.

 

Носителями заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

 

P-n-переход. Когда полупроводник p-типа граничит с полупроводником n-типа, возникает p-n-переход. В пограничном слое свободные электроны полупроводника n-типа переходят в дырки полупроводника p-типа. В результате в пограничном слое почти не остается свободных носителей заряда (электронов и дырок) (рис. 1).

 
 

 

 

Рис. 1. p-n-переход

 

В области p-n-перехода полупроводников образуется запирающий слой.

 

Диоды

Представляют собой полупроводниковые элементы, состоящие из одного полупроводника p-типа и одного полупроводника n-типа; эти полупроводники образуют p-n-переход. Диоды имеют два вывода. При монтаже диода в электрической схеме в зависимости от полярности различают рабочие состояния пропускания и запирания (рис. 2).

 
 

 

Рис. 2. Схема включения диодов

Диоды пропускают ток только в одном направлении и запирают его в противоположном направлении. Они работают как вентили.

 

Полоса пропускания диодов (рис. 3 и 4). В диодах, работающих в пропускном направлении (направление вперед ), при подъеме напряжения UF выше противодействующего напряжения сильно возрастает прямой ток IF. В германиевых диодах противодействующее напряжение составляет около 0,3 В, в кремниевых – около 0,7 В.

 

При напряжении ниже противодействующего напряжения диод, работающий в полосе пропускания, имеет большое омическое сопротивление, а при напряжении выше противодействующего напряжения – низкое.

 
 

 

 

Рис. 3. Полоса пропускания диодов

 

Область запирания диодов (рис. 4). Через диоды, работающие в запирающем направлении (обратное направление ), даже при возрастании напряжения UR протекает лишь незначительный обратный ток IR.

Область пробоя диодов (рис. 4). При дальнейшем увеличении запирающего напряжения диод становится токопроводящим; резко возрастающий в этот момент обратный ток становится током пробоя, который может разрушить диод.

        
 
Область
пробоя
 
Область
запирания
   
Полоса пропускания
 
 
  

 

Рис. 4.Характеристика диода

 

Выпрямительные схемы

 

Диоды применяются для выпрямления переменных напряжений.

 

Однополуволновая схема (рис. 5). Когда в определенный момент времени на клемму 1 генератора поступает положительная полуволна напряжения, диод включается в пропускном направлении; диод пропускает положительную полуволну напряжения. При поступлении отрицательной полуволны напряжения диод включается в запирающем направлении, при этом отрицательная полуволна напряжения подавляется, и напряжение в это время равняется нулю.

 

 
 

 

 

Рис. 5. Однополуволновая схема

 

Двухполуволновые схемы (рис. 1).Диоды включаются в цепь таким образом, что в процессе выпрямления тока может быть задействована как положительная, так и отрицательная полуволна напряжения. Принцип выпрямления можно рассмотреть на схеме электрических соединений (рис. 1).

 
 

 

Рис. 1. Двухполуволновая схема

 

Когда в определенный момент времени на клемму 1 генератора поступает положительная полуволна напряжения, ток течет через диоды и нагрузку к клемме 2 (красная стрелка).

Когда в определенный момент времени на клемму 1 генератора поступает отрицательная полуволна напряжения, ток течет от клеммы 2 через диоды и нагрузку к клемме 1 (пунктирная красная стрелка).

Если рассмотреть направление тока в нагрузочном резисторе R, то оно одинаковое в обоих случаях. Таким образом, для выпрямления используются обе полуволны напряжения. Возникающее при этом постоянное напряжение более равномерное, чем при однополуволновой схеме (рис. 1).

 

Диоды Зенера (полупроводниковые стабилитроны)

Диоды Зенера1) чаще всего работают в обратном направлении, т.е. они включаются в цепь в запирающем направлении. На их характеристической кривой наблюдается резкий изгиб на переходе из области запирания в область пробоя. При этом сильно возрастает ток пробоя (ток Зенера IZ) (рис. 2).

Рабочей областью диодов Зенера является область пробоя.

В области пробоя диоды Зенера работают как выключатели или вентили. В электронных схемах они могут применяться, например, для стабилизации напряжения, ограничения напряжения или в качестве задатчика.

1) Кларенс Мэлвин Зенер, американский физик

 
 

 

Рис. 2. Рабочие характеристики диодов Зенера

 

Диод Зенера, например, диод Зенера типа V6 (рис. 2) становится токопроводящим при напряжении Зенера UZ от 8,0 В до 8,1 В. Максимально допустимый ток IZ через такой диод Зенера составляет около 170 мA. При более высоком токе этот диод Зенера разрушится от термической перегрузки.

 

Любому диоду Зенера требуется добавочный резистор для ограничения тока.

Стабилизация напряжения (рис.3). Пока на диоде Зенера не достигнуто напряжение Зенера, его сопротивление RZ существенно превышает сопротивление добавочного резистора R1. Полное рабочее напряжение U1практически присутствует на диоде Зенера, а, значит, одновременно и на нагрузочном резисторе RL.

Когда рабочее напряжение U1 превышает напряжение Зенера UZ, сопротивление диода Зенера очень сильно падает. В результате ток Зенера дополнительно течет через добавочный резистор R1, так что на добавочном резисторе R1 увеличивается падение напряжения Ua.

 
 

 

 

Рис. 3. Стабилизация напряжения

При стабилизации напряжения посредством диода Зенера достигается почти постоянное выходное напряжение U2 благодаря падению напряжения Ua на добавочном резисторе R1.

 

Транзисторы

 

Состоят из трех расположенных друг над другом полупроводниковых слоев, каждый из которых имеет по одному электрическому выводу. По чередованию полупроводниковых слоев транзистор можно сравнить с двумя противовключенными диодами. В зависимости от структуры полупроводниковых слоев различают транзисторы структуры p-n-p и транзисторы структуры n-p-n. Полупроводниковые слои с их выводами называются эмиттер Э,коллектор К ибаза G (таблица 1).

Таблица 1

Транзисторы
Полупровод-
никовые слои
Сравнение с диодами Условное схематическое обозначение

 
 
 
   

Транзисторы могут применяться в качестве выключателей с функцией реле, а также в качестве усилителей и управляемых резисторов.

Транзистор в качестве выключателя (рис. 1)

Обеспечивает возможность бесконтактного включения и выключения большого рабочего тока посредством небольшого управляющего тока; а поскольку в нем отсутствуют механические подвижные части, он работает без износа, бесшумно и без искрового промежутка. Процессы включения и выключения осуществляются без задержек, в диапазоне микросекунд. В этом случае транзистор имеет функцию реле.

 
 

 

 

Рис. 1. Транзистор в качестве выключателя (принцип)

Транзистор структуры p-n-p в качестве выключателя (рис. 2)

Состояние «Включено». При работе транзистора структуры p-n-pбаза и коллектор всегда имеют отрицательную полярность относительно эмиттера (рис. 2). При подаче между эмиттером E и базой B постоянного напряжения начинает течь небольшой ток базы IB (управляющий ток), который переключает транзистор: в этот момент времени через переключаемую нагрузку (лампу накаливания) может течь большой ток эмиттер-коллектор IС (рабочий ток). При этом ток базы IB ограничивается посредством резистора.

Состояние «Выключено». При прерывании тока базы IB происходит одновременное прерывание коллекторного тока IС, т.е. транзистор запирает рабочий ток. Прерывание коллекторного тока также происходит, когда полярность базы становится положительной (рис. 2).

 
 

 

 

 

 

Рис. 2. Транзистор структуры p-n-p в качестве выключателя

Транзистор структуры n-p-n в качестве выключателя (рис. 3)

Состояние «Включено». При работе транзистора структуры n-p-nбаза и коллектор всегда имеют положительную полярность относительно эмиттера (рис. 3).

Состояние «Выключено». Прерывание коллекторного тока происходит вследствие прерывания тока базы, или вследствие отрицательной полярности базы. В остальном происходят все те же процессы, что и в транзисторе структуры p-n-p.

 

 

Рис. 3. Транзистор структуры n-p-n в качестве выключателя

 

Небольшой управляющий ток между эмиттером и базой (ток базы) вызывает большой рабочий ток между эмиттером Э и коллектором К (ток эмиттер- коллектор).

Транзистор в качестве усилителя (рис. 1)

Нагрузочный резистор RL и сопротивление коллектор-эмиттер RЭК транзистора образуют делитель напряжения. При изменении сопротивления транзистора изменяется соотношение между напряжениями UL : UКЭ.

При увеличении напряжения UБЭ сопротивление транзистора уменьшается. В делителе напряжения течет более высокий ток. В делителе напряжения изменяется соотношение между напряжениями; на нагрузочном резисторе RL происходит более сильное падение напряжения UL.

Небольшое изменение напряжения база-эмиттер UБЭ вызывает сильное увеличение напряжения UL на нагрузочном резисторе RL. Этот процесс называется усилением напряжения.

 
 

 

 

Рис. 1. Транзистор в качестве усилителя (макетная схема)

 

При незначительном увеличении напряжения UБЭ одновременно увеличивается ток базы IБ. Наступающее вследствие этого уменьшение сопротивления RКЭ транзистора ведет к сильному увеличению коллекторного тока IК. Этот процесс называется усилением тока.

Транзистор в качестве переменного резистора. Принцип действия тот же, что и при применении транзистора в качестве усилителя (рис. 1). Однако в данном случае следует обратить внимание на то, что происходящие в «резисторном транзисторе» тепловые потери не разрушают транзистор.



Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

Переменное напряжение и его значения — Help for engineer

Переменное напряжение и его значения

Все мы знаем, что дома в розетках у нас напряжение 220В. Но не каждый знает, какое именно это напряжение. Давайте же разберемся с этой ситуацией.

Для упрощения рассматриваемого примера будем считать, что вид напряжения – синусоида, то есть переменное напряжение (с определенной периодичностью меняет значение с положительного на отрицательное).

Рисунок 1 – Вид переменного напряжения

На рисунке 1 изображен вид идеального синусоидального напряжения одного периода Т. Есть несколько значений напряжения, о которых обычно говорят и используют, рассмотрим:


Амплитудное значение напряжения (Um) – это максимальное, мгновенное значение напряжения, то есть амплитуда синусоиды.

Теперь правильнее будет говорить о токе.


Действующее значение переменного тока — это величина постоянного тока, который может выполнить ту же самую работу (нагрев).

Действующее значение напряжения (U) обозначают латинской буквой без индекса, в литературе может еще использоваться термин – эффективное значение напряжения.

Для периодически изменяющегося сигнала за период Т, величина действующего напряжения находится:


Приведем формулу к простому виду, приняв за изменяющийся сигнал синусоиду. Между рассмотренными выше двумя параметрами существует зависимость, которая выражается формулой:

То есть амплитудное значение в 1,414 раза больше действующего.

Вернемся к домашним розеткам с напряжением 220В. Это действующее значение напряжения, которое можно измерить тестером. Определим его амплитудное значение напряжения:

Среднее значение синусоидального тока, напряжения будет равно нулю. Поэтому если говорят о среднем значении переменного тока, то подразумевают рассматривание его в пол периода.

Добавить комментарий

h4e.ru

Переменный электрический ток.

Лекция №5

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» (Iм,
Uм).

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).

Стандартная
(техническая)

50
Гц

Частота
для промышленных установок Европе,
Японии и Америки

60
Гц

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 1800,
то говорят, что они изменяются впротивофазе.

studfiles.net

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о