Переменный ток

Переменным электрическим током называют такой ток, сила и напряжение которого меняются по значению и направлению.

В электрических сетях используют технический или синусоидальный переменный ток, в котором I и U изменяются по закону синуса.

Получение переменного тока

Такой переменный ток можно создать, если рамку из проводника равномерно вращать в однородном магнитном поле относительно оси, перпендикулярной направлению линий магнитной индукции.

Магнитный поток, пронизывающий контур рамки, определяют как

$Ф=BS\cos \varphi ={{Ф}_{0}}\cos \omega t,$

где $S$ – площадь рамки;

$\varphi$ – фаза, или угол между направлением нормали к плоскости рамки и направлением вектора В;

$Ф_0$ – максимальное значение магнитного потока (при $\varphi = 0$);

$\omega$ – циклическая частота.

Генерация переменной ЭДС основывается на явлении электромагнитной индукции. Значение ЭДС определяют по формуле:

$E=-\frac{dФ}{dt}=Ф{{}_{0}}\omega \sin \omega t$

Если рамка состоит не из одного, а из n витков, то ЭДС индукции:

$E=-n\frac{dФ}{dt}=n{{}_{0}}\omega \sin \omega t={{E}_{0}}\sin \omega t,$

где $Е_0$ – амплитудное значение ЭДС.

Для снятия ЭДС, индуцированной в рамке, концы проводника крепят к контактным кольцам, от которых через контактные щеточки ЭДС включают потребителя в цепь.
Очевидно, если бы кольца были заменены двумя полукольцами, во внешней части круга был бы пульсирующий ток одного направления.

Отметим, что описанную конструкцию генератора переменного тока используют редко и только в маломощных генераторах. Суть в том, что с помощью скользящих контактов практически невозможно отвести от генератора мощный ток высокого напряжения. Тепловое действие тока и искрение на контактах обусловили бы их быстрое разрушение.

Генераторы

На практике генераторы конструируют так, что переменный ток индуцируется в неподвижной обмотке (ее вкладывают в пазы на внутренней поверхности пластинчатого ферромагнитного статора), а вращательной составляющей (ротором) является двух- или многополюсный электромагнит (с чередованием полюсов). Последний питается сравнительно слабым постоянным током, подаваемым через контактные кольца, где обмотки электромагнитов не показано.

Обмотку, в которой индуцируется ЭДС, называют якорем, а подвижную магнитную систему – индуктором.

Время одного оборота ротора двухполюсного индуктора равно периоду ЭДС в обмотке статора; следовательно, при n-оборотах за 1 мин. двухполюсного индуктора частота индуцированной ЭДС:

$f=\frac{n}{60}({{c}^{-1}}),$

а в случае индуктора с р парами полюсов

$f=p\frac{n}{60}({{c}^{-1}})$

В России для технических целей используют переменный ток частотой f = 50 Гц (Т = 0,02с). Чтобы получить такой ток с помощью двухполюсного индуктора, его приводят во вращение с частотой f = 3000 об./мин. (размещая непосредственно на валу паротурбины). Согласно формуле, количество оборотов ротора можно уменьшать увеличением количества пар полюсов индуктора. Этим пользуются в гидрогенераторах, где в соответствии с количеством полюсов в статоре вкладывают такое же количество активных проводников (кружочки на рисунке выше). Проводники якоря соединяют последовательно (соединительные проводники, ближе к нам, на рисунке показано сплошными линиями, в тыльной части – штриховкой) индуцированные в них ЭДС прилагаются.

Особенности переменного тока

Переменный ток имеет отличные свойства от постоянного тока. Они наглядно проявляются при включении в круг индуктивности или емкости.

Если в круг постоянного тока включить катушку с подвижным железным сердечником, а как индикатор – лампу накаливания, то можно увидеть, что изменение индуктивности (введение в катушку железного сердечника) на силу тока не влияет.

Если индуктивность наличествует в цепи переменного тока, то с увеличением индуктивности (постепенным введением в катушку железного сердечника) ток уменьшается. Индуктивность в цепи переменного тока создает определенное сопротивление (но без выделения теплоты), его называют реактивным сопротивлением.

Если в цепь постоянного тока включить батарею конденсаторов переменной емкости, то при любой ее емкости тока не будет (конденсатор разрывает цепь).

Если емкость включена в цепь переменного тока, то ток существует, и будет тем больше, чем больше емкость включена в круг. Емкость в цепи переменного тока создает определенное реактивное сопротивление, обратно пропорциональное емкости.

Заряженные частицы, образующие постоянный ток, движутся хоть и медленно, но все время в одном направлении с неизменной скоростью. В переменном токе направление движения заряженных частиц меняется в соответствии с изменениями ЭДС.

Технический переменный ток (f = 50 Гц) называется квазистационарным, поскольку длина его электромагнитной волны $\lambda$ = $сТ$ = 6 х 103 км очень велика по сравнению с длиной проводников круга. При этом сила тока в любой момент времени практически одинакова на всех участках цепи. К квазистационарному току можно применить законы Кирхгофа.

Преимущества переменного тока над постоянным в том, что его можно легко трансформировать из одного напряжения в другое, его также проще генерировать, чем постоянный ток.

Вы можете заказать написание статьи по физике для публикации на Студворк!

Тест по теме «Переменный ток»