3.5.4 Переменный ток. Производство, передача и потребление электрической энергии

Видеоурок 1: Генератор переменного электрического тока

Лекция: Переменный ток. Производство, передача и потребление электрической энергии

Переменный ток

Всех нас окружает именно переменный ток - он имеется во всех цепях в квартирах, передача по проводам происходит именно тока переменного напряжения. Однако, практически все электроприборы работают от постоянно электричества. Именно поэтому на выходе из розетки ток выпрямляется и в виде постоянного переходит к бытовой технике.

Именно переменный ток проще всего получить и передать на любое расстояние.

При изучении переменного тока мы воспользуемся цепью, в которую будем подключать резистор, катушку и конденсатор. В данной цепи напряжение определяется по закону:

Как мы знаем, синус может быть отрицательным и положительным. Именно поэтому значение напряжения может принимать различное направление. При положительном направлении течения тока (против часовой стрелки) напряжение больше нуля, при отрицательном направлении - меньше нуля.

Резистор в цепи

Итак, давайте рассмотрим случай, когда в цепь с переменным током подключен только резистор. Сопротивление резистора называется активным. Будем рассматривать ток, который течет по цепи против часовой стрелки. В таком случае и ток, и напряжение будут иметь положительное значение.

Для определения силы тока в цепи используют следующую формулу из закона Ома:

В этих формулах I₀ и U₀  - максимальные значения тока и напряжения. Отсюда можно сделать вывод, что максимальное значение тока равно отношению максимального напряжения к активному сопротивлению:

Эти две величины изменяются в одинаковой фазе, поэтому графики величин имеют одинаковый вид, но разные амплитуды.

Конденсатор в цепи

Запомните! Невозможно получить постоянный ток в той цепи, где есть конденсатор. Он является местом для разрыва протекания тока и изменение его амплитуды. При этом переменный ток отлично течет по такой цепи, изменяя полярность конденсатора.

При рассматривании такой цепи будем предполагать, что в ней имеется исключительно конденсатор. Ток течет против часовой стрелки, то есть является положительным.

Как нам уже известно, напряжение на конденсаторе связано с его возможностью накопления заряда, то есть его величиной и ёмкостью.

Так как ток является первой производной от заряда, то можно определить, по какой формуле его можно вычислить, найдя производную с последней формулы:

Как можно заметить, в данном случае сила тока описывается законом косинуса в то время, как значение напряжения и заряда можно описать законом синуса. Это значит, что функции находятся в противоположной фазе и имеют аналогичный вид на графике.

Все мы знаем, что функции косинуса и синуса одинакового аргумента отличаются на 90 градусов друг от друга, поэтому можно получить следующие выражения:

Отсюда максимальное значение силы тока можно определить по формуле:

Величина в знаменателе - это и есть сопротивление на конденсаторе. Данное сопротивление называется емкостным. Находится и обозначается оно следующим образом:

При увеличении емкостного сопротивления, амплитудное значение тока падает.

Обратите внимание, в данной цепи использование закона Ома уместно только в том случае, когда необходимо определить максимальное значение тока, определить ток в любой момент времени по данному закону нельзя из-за разности фаз напряжения и силы тока.

Катушка в цепи

Рассмотрим цепь, в которой имеется катушка. Представим, что она не имеет активного сопротивления. В таком случае, казалось бы, ничего не должно препятствовать движению тока. Однако это не так. Все дело в том, что при прохождении тока через катушку начинает возникать вихревое поле, которое препятствует прохождению тока в результате образования тока самоиндукции.

Сила тока принимает следующее значение:

Снова можно заметить, что ток изменяется по закону косинуса, поэтому для данной цепи справедлив сдвиг фаз, который можно заметить и на графике:

Отсюда максимальное значение тока:

В знаменателе можем увидеть формулу, по которой определяется индуктивное сопротивление цепи.

Чем больше индуктивное сопротивление, тем меньшее значение имеет амплитуда тока.

Катушка, сопротивление и конденсатор в цепи.

Если в цепи одновременно присутствуют все виды сопротивлений, то определить значение величины тока можно следующим образом, преобразив закон Ома:

Знаменатель называется полным сопротивлением. Он состоит из суммы квадратов активного (R) и реактивного сопротивления, состоящего из емкостного и индуктивного. Полное сопротивление носит название "Импеданс".

Электроэнергия

Нельзя представить современную жизнь без использования электрических приборов, которые работают за счет энергии, которую происходит электрический ток. Весь технический прогресс основывается на электричестве.

Получение энергии из электрического тока имеет огромный ряд преимуществ:

1. Электрический ток достаточно просто производится, поскольку во всем мире существуют миллиарды электростанций, генераторов и прочих приспособлений для образования электроэнергии.

2. Передать электроэнергию можно на огромные расстояния за короткие сроки и без значительных потерь.

3. Имеется возможность преобразовывать электрическую энергию в механическую, световую, внутреннюю и другие виды.