Переменный электрический ток — основные понятия, формулы и определения с примерами

Что такое переменный ток

Жизнь современного человека невозможно представить без использования энергии электрического тока. Благодаря ему происходят многочисленные технологические процессы, работают различные машины, средства связи и коммуникаций, от него зависит весь современный комфорт.

Опыт применения энергии электрического тока показал, что самым удобным в технологическом плане является применение переменного электрического тока, в частности такого его вида, когда все изменения напряжения и силы тока происходят по законам синуса или косинуса.

Самым удобным способом получения переменного тока является вращение рамки в магнитном поле. Представим, что в начальный момент времени рамка (рис. 2.49) расположена так, что направление нормали Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Pиc. 2.49. Вращение проволочной рамки в магнитном полеЕсли рамка вращается равномерно с угловой скоростью ω, то угол поворота в любой момент равен
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
при равномерном вращении рамки в однородном магнитном поле в ней возникает электродвижущая сила индукции, ко торам изменяется по закону синуса.Из формулы видно, что максимальное значение Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Практически переменный ток не отличается от постоянного. Это такое же направленное движение заряженных частиц. Он имеет тепловое, магнитное, химическое действия. Отличие только в том, что он периодически изменяет свое направление. Это вынужденные колебания силы тока и напряжения в электрической цепи.

Обычные измерительные приборы переменного тока показывают значения так называемых эффективных значений силы тока и напряжения. Фактически это значения характеристик постоянного тока, который производит такие же действия, как и данный переменный ток.

Между максимальным (амплитудным) значением силы тока и его эффективным значением существует определенная связь:
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

На этикетках всех современных электрических приборов указаны эффективные значения напряжения и силы тока.

Переменный ток имеет определенную частоту. В Украине стандартная частота переменного тока в сети составляет 50 Гц. Ее обязательно учитывают при разработке всех приборов переменного тока: трансформаторов, электродвигателей, генераторов и др.

В промышленных условиях переменный ток вырабатывают с помощью электромеханических генераторов (рис. 2.50).

Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Рис. 250. Схема устройства генератора переменного тока

Такой генератор имеет статор 7 в виде пустотелого цилиндра, на внутренней поверхности которого расположены обмотки изолированного провода. Ротор 2 укреплен на валу и вращается вместе с ним. Его соединяют с движущим механизмом, в частности с гидравлической, паровой или газовой турбиной.

В пазах стального корпуса ротора расположены обмотки, создающие магнитное поле, когда по ним проходит электрический ток. Вместо с ротором вращается и вектор магнитной индукции, благодаря чему в статоре индуцируется переменная ЭДС. У большинства промышленных генераторов она составляет несколько десятков киловольт.

Переменный ток. эдс, напряжение, сила тока, заряд. амплитудные значения. формулы

Ранее мы познакомились с постоянным электрическим током — направленным движением зарядов, для которого сила тока постоянна. В случае, если значение силы тока непостоянно, тогда ток будем называть переменным.

Для школьной физики переменный ток рассматривается в двух, в общем-то, похожих случаях:

Рассмотрение свободных колебаний в случае переменного тока аналогично постоянному. Точно так же существует закон Ома для цепи переменного тока, рассчитываются мощности и энергии (работы) для такого случая.

Для школы характерно описание переменного тока через гармонические законы. Переменными параметрами в цепи могут быть ЭДС (displaystyle varepsilon

), напряжение на элементе (

displaystyle U

), сила тока (

displaystyle I

), заряд конденсатора (

displaystyle q

). Рассмотрим ЭДС источника гармонический колебаний:

displaystyle varepsilon ={{varepsilon }_{0}}sin (omega t {{varphi }_{0}})

(1)

Аналогичным образом можно ввести колебания напряжения displaystyle U

на элементе:

displaystyle U={{U}_{0}}sin (omega t {{varphi }_{0}})

(2)

Таким же образом вводится и колебание силы тока:

displaystyle I={{I}_{0}}sin (omega t {{varphi }_{0}})

(3)

И, аналогично, заряд на конденсаторе:

displaystyle q={?_{0}}sin (omega t {{varphi }_{0}})

(4)

Важно: нужно помнить, что тригонометрически можно превратить синус в косинус:

displaystyle sin (omega t {{varphi }_{0}})=cos (omega t {{varphi }_{0}} {{90}^{{}^circ }})=cos (omega t varphi _{0}^{/})

(5)

Вывод: таким образом, рассмотрение переменного тока в случае формульных задач, связанных с соотношениями (1) — (4), касается анализа сомножителей и слагаемых, входящих в само соотношение.

Преобразование переменного тока

Генераторы переменного тока создают в расчете на определенные, сравнительно небольшие, значения напряжения и мощности тока. Для практического использования электрической энергии в различных устройствах и приборах необходимы различные значения напряжений.

Трансформатор (рис. 19, а) — это электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Схематическое изображение и условное обозначение трансформатора показаны на рисунке 19 6, в.

В простейшем случае трансформатор состоит из двух обмоток, надетых на общий сердечник. Обмотка трансформатора, на которую подается переменное напряжение, называется первичной, а обмотка, с которой снимается преобразованное переменное напряжение, — вторичной. Число витков в первичной обмотке трансформатора обозначим Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Обмотки трансформатора могут быть расположены на сердечнике различным образом (рис. 20).

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Линии индукции магнитного поля, создаваемого переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию сердечника практически без потерь (без рассеяния) пронизывают витки вторичной обмотки.

Поскольку магнитный поток во вторичной обмотке изменяется со временем, то согласно закону Фарадея в ней возбуждается ЭДС индукции. Подчеркнем, что трансформатор не годится для преобразования постоянного тока, поскольку магнитный поток, создаваемый в этом случае, не изменяется с течением времени.

Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС  Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС:

Кроме того, вследствие малости активного сопротивления первичной обмотки

Следовательно, в режиме холостого хода согласно выражению (1) получаем

Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Тип трансформатора характеризуется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной:

Согласно выражению (2) отношение действующих значений напряжений на концах первичной и вторичной обмоток трансформатора в режиме холостого хода равно коэффициенту трансформации:

Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Рабочим ходом (режимом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена некоторая нагрузка. Можно считать, что в этом случае действующие значения ЭДС, напряжений и токов в первичной и вторичной цепях, согласно закону Ома для полной цепи, связаны соотношениями

Включение нагрузки во вторичную цепь трансформатора приводит к появлению в ней тока. Согласно правилу Ленца, магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, стремится скомпенсировать изменение магнитного потока через витки вторичной обмотки, а значит, и через витки первичной.

Согласно закону сохранения энергии мощность тока, выделяемая во вторичной обмотке трансформатора, «черпается» из цепи его первичной обмотки. Пренебрегая потерями энергии, которые в современных трансформаторах не превышают 2 %, можем записать, что мощности тока в обеих обмотках трансформатора практически одинаковы:

Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае ток во вторичной обмотке максимален и происходят электрическая и тепловая перегрузки системы.

При работе трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с такими физическими процессами, как:

  • нагревание обмоток трансформатора при прохождении электрического тока;
  • работа по перемагничиванию сердечника;
  • рассеяние магнитного потока.

Наиболее значительные энергетические потери при работе трансформатора обусловлены тепловым действием вихревых токов (токов Фуко), возникающих в сердечнике при изменении пронизывающего его магнитного потока.

Для уменьшения тепловых потерь сердечники (магнитопроводы) трансформаторов изготовляют не из сплошного куска металла, а из тонких пластин специальной трансформаторной стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины покрывают лаком).

Для предотвращения перегрева мощных трансформаторов используется масляное охлаждение (рис. 21).

Современные трансформаторы имеют очень высокие КПД (до 95—99 %), что позволяет им работать практически без потерь.

Пример №1

Первичная обмотка трансформатора имеет Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Решение

По определению коэффициент трансформации

где Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Для вторичной обмотки трансформатора по закону Ома для замкнутой цепи можно записать:

где Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Число витков во вторичной обмотке определится по формуле

Ответ:Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Преобразование переменного тока и трансформатор

Генераторы переменного тока создают в расчете на определенные значения напряжения. Для практического использования электрической энергии во всевозможных устройствах и приборах необходимы различные значения напряжений. Для этого используются трансформаторы (от лат. transforrno — преобразую).

Первую модель (прототип) трансформатора создал в 1831 г. Майкл Фарадей, намотав на железное кольцо две изолированные обмотки, которую использовал в своих экспериментах. Трансформатор был впервые использован для изменения напряжения в 1878 г. русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым для питания изобретенных им источников света — «электрических свечей».

Сейчас читают:  Отзыв владельца автомобиля Renault Logan 2020 года ( II Рестайлинг ): Stepway 1.6 MT (113 л.с.) | Авто.ру

Трансформатор (рис. 37, а) — это электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения с сохранением его частоты.

Трансформатор, увеличивающий напряжение, называют повышающим, а уменьшающий напряжение — понижающим. Схематическое изображение и условное обозначение трансформатора показаны на рисунке 37 б, в.

Самый простой трансформатор состоит из двух обмоток (катушек), надетых на общий замкнутый сердечник (см. рис. 37, а). Обмотка трансформатора, на которую подается переменное напряжение, называется первичной, а обмотка, с которой снимается преобразованное переменное напряжение, — вторичной. Число витков в первичной обмотке трансформатора обозначим Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Обмотки трансформатора могут быть расположены на сердечнике различным образом (рис. 38).

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле, создаваемое переменным током в первичной обмотке (см. рис. 37, а), благодаря наличию замкнутого сердечника практически без потерь (без рассеяния) пронизывает витки вторичной обмотки.

Для этого сердечник изготовляется из специального (ферромагнитного) материала, что позволяет создаваемое током в обмотках поле почти полностью локализовать внутри сердечника. В результате магнитный поток существует только внутри сердечника и одинаков во всех сечениях. Это дает возможность считать мгновенные значения магнитных потоков во всех сечениях сердечника одинаковыми.

Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС и на нее подается напряжение Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Вследствие малого активного сопротивления первичной обмотки

Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС:

Следовательно, в режиме холостого хода из соотношения (1) получаем:

т. е. действующее значение напряжения Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной катушки к числу витков вторичной:

Согласно выражению (2) отношение действующих значений напряжений на первичной и вторичной обмотках трансформатора в режиме холостого хода равно коэффициенту трансформации:

Как следует из соотношения (3), Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами понижающим. Соответственно, при Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиповышающим.

Рабочим ходом (режимом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена некоторая нагрузка. Включение нагрузки во вторичную цепь трансформатора приводит к появлению в ней тока. Согласно правилу Ленца магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, стремится скомпенсировать изменение магнитного потока через витки вторичной обмотки, а значит, и через витки первичной обмотки (общий сердечник).

Это приводит к некоторому уменьшению магнитного потока в первичной обмотке, для компенсации которого действующее значение силы тока в первичной обмотке трансформатора увеличивается. Следовательно, после включения нагрузки трансформатора во вторичную обмотку сила тока в его первичной катушке увеличивается таким образом, чтобы суммарный магнитный поток через первичную обмотку достиг прежней величины.

Трансформатор не производит, а преобразовывает энергию. Согласно закону сохранения энергии мощность тока, выделяемая в цепи вторичной обмотки трансформатора в режиме нагрузки, поступает из цепи его первичной обмотки, т. е. от внешнего источника. Пренебрегая потерями энергии, связанными с нагреванием обмоток и работой по перемагничиванию сердечника, которые в современных трансформаторах не превышают 2 %, можем записать, что мощности тока в цепях обеих обмоток трансформатора практически одинаковы:

Таким образом, повышая напряжение в несколько раз, трансформатор во столько же раз уменьшает силу тока.

Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае действующее значение тока во вторичной обмотке максимально и происходят электрическая и тепловая перегрузки системы.

При работе трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с такими физическими процессами, как:

  • нагревание обмоток трансформатора при прохождении электрического тока;
  • работа по перемагничиванию сердечника;
  • рассеяние магнитного потока.

Наиболее значительные энергетические потери при работе трансформатора обусловлены тепловым действием вихревых токов(токов Фуко), возникающих в сердечнике при изменении магнитного потока.

Для уменьшения тепловых потерь сердечники (магнитопроводы) трансформаторов изготовляют не из сплошного куска металла, а из тонких пластин специальной трансформаторной стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины покрывают лаком). Такая конструкция сердечника позволяет значительно увеличить его электрическое сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на его нагревание.

Для предотвращения перегрева мощных трансформаторов используется масляное охлаждение.

Современные трансформаторы имеют очень высокие КПД (до 98—99 %), что позволяет им работать практически без потерь.

Пример №3

Определите силу тока Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Дано: 

Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Решение

По закону Ома сила тока в первичной обмотке:

где Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Коэффициент трансформации:

где Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

По условию задачи:

Тогда сила тока в первичной обмотке:
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Производство и использование электрической энергии

 Технологии производства электроэнергии в различных странах мира:

До конца XX столетия в большинстве стран производство электроэнергии происходило с использованием генераторов переменного тока. В генераторах энергия падающей воды, энергия органического топлива (дров, торфа, угля, нефти, газа), атомная энергия превращаются в электроэнергию.

В XXI веке страны переходят на использование альтернативных возобновляемых источников энергии. Статистический обзор мировой энергетики показал, что странами-лидерами по производству электроэнергии являются Китай, США и Индия. На рисунке 70 даны результаты статистики по технологиям производства в лидирующих странах 2022 г.

Интересно знать! Производство электроэнергии человеком началось в конце 1870-х гг., когда баварский инженер З. Шуккерт построил в городе Этталь первую электростанцию. Местом ее расположения стал дворцовой сад Линдерхофа. Там находился грот, который необходимо было осветить.

Успешные технологии производства электроэнергии из ВИЭ (возобновляемых источников энергии) в мире:

Наиболее привлекательным ВИЭ является энергия Солнца. Если КПД первых солнечных батарей составлял 1–2 %, то к началу XXI века их КПД достигло порядка 30 %.

В Европе активнее всего развиваются ветро= и солнечная энергетика. Ветроустановки и гелиоустановки не могут стать основными источниками энергии для крупных электросетей из-за нестабильности выработки ими энергии. Если их доля начинает превышать 20 % мощности энергосистем, возникает необходимость ввода дополнительных регулирующих мощностей.

На современном этапе с задачей регулирования мощности энергосети справляются крупные ГЭС. Евросоюзу удалось частично решить проблему регулирующих и накопительных мощностей в «зеленой энергетике»: «аккумуляторной батареей» Западной Европы стала Норвегия, имеющая в достаточном количестве гидроаккумулирующие станции (ГАЭС).

Когда возникают излишки электроэнергии, насосы на ГАЭС качают воду из нижнего бьефа водохранилища в верхний. В моменты пика электропотребления воду вновь сбрасывают, и она приводит в движение генераторы. Норвегия соединена высоковольтными ЛЭП со Швецией, Данией и Нидерландами.

С 2020 года к этой системе будет подключена Германия. Соглашение о прокладке подводной ЛЭП длиной 623 километра и мощностью в 1400 МВт было подписано в феврале 2022 года. Эта ЛЭП покроет 3 % потребления электроэнергии в Германии. В Исландии электроэнергетика по большей своей части питается от геотермальных источников.

Самый используемый возобновляемый ресурс из всех видов ВИЭ в США и Бразилии – это биомасса. Эти страны являются основными производителями 2/3 потребляемого в мире биотоплива – биоэтанола. США специализируется на переработке в топливо кукурузы, а Бразилия, выращивающая для этого сахарный тростник.

Объем вредных выбросов в атмосферу у биоэтанола существенно меньше, чем у обычного бензина. Этанол из сахарного тростника сокращает выбросы парниковых газов примерно на 80 % по сравнению с ископаемыми видами топлива, произведенный из кукурузы на 30 %.

ИТОГИ:

Глоссарий:

  • Коэффициент мощности – величина, которая показывает, какая часть электроэнергии в цепи переменного тока превращается в другие виды энергии.
  • Коэффициент трансформации – величина, равная отношению числа витков в первичной обмотке трансформатора к числу витков во вторичной обмотке.
  • Переменный ток – вынужденные колебания заряженных частиц в проводнике под воздействием внешней периодически изменяющейся электродвижущей силы.
  • Сдвиг фаз – разность фаз колебаний одной частоты, выраженных через одну тригонометрическую функцию.

Производство, передача и использование электрической энергии

Устройство трансформатора, коэффициент трансформации:

Потребители рассчитаны на разные значения напряжения, поэтому возникает потребность в его преобразовании.

Прибор, с помощью которого производится преобразование напряжения переменного тока, называют трансформатором (рис. 64).

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника – магнитопровода и двух или нескольких обмоток с разным количеством витков (рис. 65). Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Обратите внимание! В быту и на производстве используют электрические приборы различной мощности, для питания которых создана промышленная сеть переменного тока с частотой 50 Гц. Источниками тока в этой сети являются индукционные генераторы переменного тока, расположенные на электростанциях. Переменный ток поступает по проводам к потребителям.

Сейчас читают:  Причины почему не заводится рено логан

Полученное соотношение справедливо для действующих значений ЭДС, поскольку поток в сердечниках обмоток меняется синфазно:

На основании закона Ома мгновенное напряжение, приложенное к первичной катушке с малым активным сопротивлением, равно ЭДС индукции, взятым со знаком «минус»:

Действующие значения напряжения и ЭДС равны:

Для вторичной катушки ЭДС индукции Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Трансформатор в этом случае находится в режиме холостого хода. С учетом (4) и (5) уравнение (3) примет вид:

Отношение числа витков в первичной обмотке трансформатора к числу витков во вторичной обмотке называют коэффициентом трансформации:

Возьмите на заметку:

Если активным сопротивлением катушки пренебречь нельзя и к вторичной обмотке подключена нагрузка, то напряжение, приложенное к первичной обмотке, равно: Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

ЭДС на вторичной обмотке:

где Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиЗапомните! Если коэффициент трансформации больше единицы Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Трансформатор. и передача энергии переменного тока

Чрезвычайно важным свойством переменного электрического тока является то, что напряжение и силу тока можно изменять (трансформировать) без ощутимых потерь энергии. Такие превращения особо важны для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными затратами.

Так, доказано, что потери в линиях электропередач существенно уменьшаются, если передача происходит при высоком напряжении — несколько десятков, сотен киловольт. В местах потребления это напряжение приходится понижать до 380-220 В.

Все такие преобразования производятся с помощью весьма простого по устройству прибора — трансформатора.

Трансформатор (рис. 2.51) в большинстве случаев состоит из двух катушек-обмоток, имеющих общий ферромагнитный сердечник. Одна из катушек (она называется первичной) соединяется с генератором, а потребители (электродвигатели, лампы-обогреватели и т. п.) присоединяются ко вторичной обмотке трансформатора.

Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Puc. 2.51. Трансформатор переменного тока с двумя обмоткамиПринцип действия трансформатора переменного тока (рис. 2.52) основан на использовании явления электромагнитной индукции.
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Рис. 2.52. Схема трансформатора переменного тока с двумя обмоткамиПеременный ток, который проходит первичной обмоткой 1, например, с количеством витков N1, создает в сердечнике переменное магнитное поле, оно в свою очередь индуцирует во вторичной обмотке трансформатора 2 с количеством витков N2 электродвижущую силу. Поскольку обмотки имеют общий сердечник, то в каждом их витке возникает электродвижущая < ила, пропорциональная количеству витков:
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамихолостого хода. В этом случае напряжение U2 равно электродвижущей силе Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

где k — коэффициент трансформации.

Если k > 1, то U2 > U1, и трансформатор называют повышающим; если k < 1, то U2 < U1и трансформатор будет называться понижающим.

Когда трансформатор соединить с потребителями, цепь вторичной обмотки замкнется. Это будет рабочий режим трансформатора. Поскольку обмотки и сердечник образуют замкнутую систему, то в ней действует закон сохранения и преобразования энергии.

Таким образом,
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

или

Только с помощью трансформатора переменного тока удалось эффективно решить проблему передачи электроэнергии па большие расстояния. Как указывалось выше, такая передача с незначительными потерями возможна при высоком напряжении. Подтверждением этого может быть решение следующей задачи.

Пример №7

Электроэнергию от электростанции мощностью 50 кВт передают с помощью линии сопротивлением 5 Ом. Определить потери напряжения и мощности в линейных про водах и коэффициент полезного действия в электросети в случаях, когда передача энергии осуществляется при напряжениях 1000 и 10 000 В.

Рассчитаем значение коэффициента полезного действия для разных значений напряжений:

Сравнение полученных результатов позволяет сделать выводы:1)    повышение напряжения в линии в 10 раз во столько же раз уменьшает силу тока;2)    повышение напряжения в линии в 10 раз значительно уменьшает потери мощности.

Налицо преимущества передачи электроэнергии при высоком напряжении. Этого можно достичь, применяя в линиях электропередачи трансформаторы, которые повышали бы напряжение перед тем, как ток поступает в линию электропередачи, и снижали бы ее на входе к потребителю.

На рисунке 2.53 представлена схема современной линии электропередач (ЛЭП) переменного тока.

Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Pиc. 2.53. Система передачи электроэнергии на расстояние

На всех промышленных электростанциях Украины работают электромеханические генераторы, вырабатывающие переменный ток напряжением 20 кВ и частотой 50 Гц. Повышение напряжения генератора выше этого значения опасно из-за возможности пробоя изоляции проводов в генераторе.

Поэтому повышение напряжения происходит за пределами генератора с помощью трансформаторов, которые повышают его до 500…750 кВ. Прежде чем подать электроэнергию потребителям, напряжение понижается с помощью понижающих трансформаторов согласно с потребностями предприятий, транспорта, потребителей бытовой сферы. В наши квартиры электричество подается при напряжении 220 В.

Итоги:

1.    Основным признаком магнитного поля, который позволяет отличить ею от других полой, является его действие на движущийся заряд.

2.    Силовое действие магнитного поля характеризуется магнитной индукцией — векторной величиной, определяющей силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током или движущуюся заряженную частицу. Ее направление для прямого проводника определяется правилом правого винта (буравчика).

3.    Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током, называется силой Ампера. Ее модуль рассчитывается по формуле
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Вектор силы Ампера лежит в плоскости, перпендикулярной к плоскости вектора скорости заряженных частиц и магнитной индукции. Ее направление определяется по правилу 126 левой руки: если левую руку расположить так, чтобы .линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца показывали направление тока, то отставленный па 90° большой палец укажет на направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле.

4.    На обособленную частицу, имеющую электрический за-ряд и движущуюся в магнитном поле, действует магнитная составляющая силы Лоренца:
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

5.    Все без исключения вещества взаимодействуют с магнитным полем. Магнитные свойства вещества определяются его внутренним строением. По магнитным свойствам все вещества разделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. В отличие от диа- и парамагнетиков, ферромагнетики имеют большую магнитную проницаемость как следствие их доменной структуры.

6.    Магнитный поток — это физическая величина, которая характеризует магнитное поле и равна произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус угла между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости контура:
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами
Магнитный поток измеряется в веберах (Вб).

7.    При изменении магнитной индукции поля в замкнутом проводнике возникает ЭДC индукции. ЭДC индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

8.    ЭДС индукции в проводники, который движется в магнитном поле, возникает вследствие действия силы Лоренца на свободные электроны. Направление индукционного тока определяют по правилу правой руки и правилу Ленца: индукционный ток. возникающий в замкнутом проводнике, имеет такое направление, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного поля, которое вызвало этот ток.

9.    Вследствие взаимодействия проводника с током со своим магнитным полем возникает явление самоиндукции. Физическая величина, характеризующая электромагнитные свойства проводника, называется индуктивностью. Единицей индуктивности является генри (Гн).

10.    ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в проводнике и его индуктивности:

11.    Энергия магнитного поля проводника с током пропорциональна его индуктивности и квадрату силы тока в нем:

Экологические проблемы производства электрической энергии

Развитие цивилизации на нашей планете сопровождается непрерывным ростом ежегодного энергопотребления. Однако запасы природного топлива (нефти, газа, угля, дров, торфа) и иных полезных ископаемых на Земле ограничены, поскольку из-за изменения геологических условий их формирование в настоящее время практически прекратилось.

Наиболее распространенным энергоносителем на сегодняшний день является нефть, поскольку ее сравнительно легко добывать, транспортировать, очищать и использовать. Помимо этого, нефть также является сырьем для производства разнообразных синтетических материалов — красок, лекарств, синтетических волокон, пластмасс и т. д. Не зря ее называют «кровью экономики», поскольку уровень нефтедобычи определяет темпы мировой индустриализации.

По различным оценкам, в настоящее время выработка основных месторождений угля и нефти составляет около 60 %.

В нашей стране запасы нефти и угля не являются стратегическими. На территории Беларуси к основным видам добываемых топливных ресурсов следует отнести дрова и торф.

В настоящее время леса занимают около 30 % всей суши на Земле. Для сохранности леса его следует использовать лишь в тех пределах, в которых его можно восстановить. Соответственно, каждый год можно заготавливать I % нарастающих лесов, что составляет около 2 млрд Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Работа электростанций вследствие их значительной мощности существенным образом влияет на состояние окружающей среды и приводит к появлению следующих экологических проблем:

  • ТЭС — загрязнение атмосферы продуктами сгорания, изменение природного теплового баланса из-за рассеяния тепловой энергии;
  • ГЭС — изменение климата, нарушение экологического равновесия, уменьшение пахотных площадей;
  • АЭС — опасность радиоактивного загрязнения среды при авариях, проблемы захоронения радиоактивных отходов.

Одной из главных экологических проблем современности является рост выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива (в первую очередь углекислого газа). Углекислый газ «окутывает» Землю, подобно пленке, препятствуя ее охлаждению. Это приводит к парниковому эффекту, при котором среднегодовая температура поверхности Земли повышается.

Сейчас читают:  Замена сцепления Рено Сандеро (Renault Sandero): 1.4, 1.6, 8 клапанов, как прокачать выжимной подшипник своими руками

В процессе своей жизнедеятельности человек расходует химическую энергию, получаемую организмом при расщеплении пищи. Таким образом, жизнь устроена так, что в конечном итоге каждый из нас потребляет часть энергии, рожденной на Солнце. С этой точки зрения вполне объяснимо поклонение наших древних пращуров богам Солнца, «дарующим жизнь всему сущему».

Рост энергопотребления заставляет ученых и инженеров искать альтернативные источники энергии, которые были бы возобновляемыми, т. е., в отличие от нефти и газа, могли бы самостоятельно восстанавливаться с течением времени.

К возобновляемым источникам энергии относят ветер, недра Земли (геотермальная энергия), морские приливы, а также солнечное излучение, используемое напрямую.

Энергия ветра уже достаточно успешно преобразуется в электроэнергию в многочисленных небольших ветряных генераторах в зонах устойчивых ветров (рис. 24) .

Проекты будущего предлагают использовать в качестве возобновляемых источников энергии колоссальную энергию океанических и воздушных течений: волн, тропических ураганов и торнадо. Ключевая причина их формирования — неравномерное нагревание Солнцем различных участков поверхности Земли.

Геотермальная энергия в местах естественных разломов используется для нужд человека. Так, например, г. Рейкьявик (столица Исландии) полностью отапливается за счет горячих геотермальных вод. Запасы геотермальной энергии достаточно велики, о чем можно судить по разрушительной силе землетрясений, извержений вулканов, гейзеров.

В настоящее время делаются первые шаги для использования энергии океанических приливов и отливов. Инженерная идея подобных проектов проста: если наполнить резервуары при приливе, то при отливе «уходящая» вода сможет вращать турбины и производить электричество.

Развитие современных технологий позволяет активно использовать энергию, вырабатываемую солнечными батареями. Так, в южных широтах энергии подобных батарей, установленных на крыше, хватает для энергоснабжения небольшого дома.

Современные технологии позволяют, используя солнечные батареи, получать электрическую энергию непосредственно от солнечного излучения не только на Земле, но и в космосе (рис. 25). Есть даже смелые проекты, в которых предлагается разместить солнечные батареи в ближнем космосе на расстоянии 36 ООО км от поверхности Земли.

Это так называемая «синхронная» орбита, на которой батареи будут казаться «неподвижными» для земного наблюдателя, поскольку период их обращения будет равен 24 ч. В этом случае батареи будут находиться в тени Земли только 2 % времени, что позволит производить в 60 раз больше электричества, чем при таких же условиях на Земле.

В настоящее время активно разрабатываются проекты использования для получения энергии реакции слияния легких ядер водорода (термоядерного синтеза). Привлекательность проектов обусловлена тем, что запасы водорода в Мировом океане практически неограниченны.

Возобновляемые источники энергии сравнительно безопасны, поскольку их использование практически не приводит к загрязнению окружающей среды.

Электромагнитные волны и их свойства

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал в 1864 г. шотландский физик Джеймс Максвелл. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся со временем.

В свою очередь магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическим током), либо переменными электрическими полями.

Изменение индукции магнитного поля с течением времени вызывает появление в окружающем пространстве вихревого электрического поля. Силовые линии этого поля замкнуты, а его напряженность Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Максвелл предположил, что любое изменение напряженности вихревого электрического поля сопровождается возникновением переменного магнитного поля (рис. 26, б).

Далее этот процесс может повторяться «до бесконечности», поскольку поля смогут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме.

Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем. Согласно теории Максвелла переменное электромагнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Рассмотрим подробнее процесс образования электромагнитного поля в пространстве, окружающем проводник.

Пусть в проводнике возбуждены электромагнитные колебания, в результате чего сила электрического тока в нем меняется со временем. Поскольку сила тока связана со скоростью движения свободных зарядов в проводнике, то скорость движения последних также будет изменяться со временем.

Это говорит о том, что свободные заряды внутри проводника будут двигаться с ускорением.

Согласно теории Максвелла при ускоренном движении свободных зарядов в проводнике в пространстве вокруг него создается переменное магнитное поле, которое порождает переменное вихревое электрическое поле. Последнее, в свою очередь, вновь вызывает появление переменного магнитного поля уже на большем расстоянии от заряда и т. д. (рис. 27).

Направление распространения волныЭлектромагнитное поле, распространяющееся в вакууме или в какой-либо среде с течением времени с конечной скоростью, называется электромагнитной волной (рис. 28).

Электромагнитные волны являются поперечными, поскольку скорость Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме с является максимально (предельно) достижимой величиной. В любом веществе их скорость распространения меньше с и зависит от его электрических и магнитных свойств.

Перечислим основные свойства электромагнитных волн:

  1. Распространяются не только в различных средах, но и в вакууме.
  2. Отражаются и преломляются на границах раздела сред.
  3. Являются поперечными.
  4. Распространяются в вакууме со скоростью Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Экспериментально электромагнитные волны были открыты в 1887 г. немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. Для их генерации он использовал устройство, впоследствии названное вибратором Герца (рис. 29).

Длина волны, излучаемой при проскакивании искры между электродами устройства, была Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Герц считал, что такие волны невозможно использовать для передачи информации. Однако 7 мая 1905 г. русский ученый Александр Степанович Попов осуществил первую в мире передачу информации электромагнитными волнами — радиопередачу и положил начало эре радиовещания.

Свойства электромагнитных волн очень сильно зависят от их частоты. Спектр электромагнитного излучения удобно изображать в виде шкалы электромагнитных волн, приведенной на рисунке 30.

Классификация электромагнитных волн в зависимости от частот (длин волн) дается в таблице 5.

Таблица 5

Классификация электромагнитных волн
Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике:

  • плавка и закалка металлов в электротехнической промышленности, изготовление постоянных магнитов (низкочастотные волны)-, телевидение, радиосвязь, радиолокация (радиоволны); мобильная связь, радиолокация (микроволны)-,
  • сварка, резка, плавка металлов лазерами, приборы ночного видения (инфракрасное излучение)-,
  • освещение, голография, лазеры (видимое излучение)-,
  • люминесценция в газоразрядных лампах, закаливание живых организмов, лазеры (ультрафиолетовое излучение);
  • рентгенотерапия, рентгеноструктурный анализ, лазеры (рентгеновское излучение)-,
  • дефектоскопия, диагностика и терапия в медицине, исследование внутренней структуры атомов, лазеры, военное дело (гамма-излучение).

Электромагнитные волны и их свойства

Пример №2

Радиоприемник настроен на радиостанцию, работающую на длине волны Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Решение

Длина волны определяется по формуле

где Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Период колебаний в контуре находится по формуле

Запишем уравнения для двух длин волн:

Разделив второе уравнение на первое, получим

Из этого соотношения находим

Ответ: Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Основные формулы:

В электрической цепи, состоящей из конденсатора и катушки индуктивности (идеальный колебательный контур), могут возникнуть электромагнитные колебания — периодические изменения заряда на обкладках конденсатора, тока в контуре, электрического поля между обкладками конденсатора и магнитного поля внутри катушки.

Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре определяется формулой Томсона:

Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток:

Сопротивление R резистора, на котором в цепи переменного тока происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называется активным или омическим сопротивлением.

Трансформатор — электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки трансформатора:

Если k < 1, то трансформатор повышающий, если k > 1 — понижающий.

Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.

Электромагнитной волной называется распространяющееся в вакууме или в какой-либо среде с течением времени с конечной скоростью переменное электромагнитное поле.

Электромагнитные волны являются поперечными, так как векторы Переменный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерамиПеременный электрический ток - основные понятия, формулы и определения с примерами

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме:

Закладка Постоянная ссылка.
1 ЗвездаНельзя так писать о ЛоганеЧто-то о новом Логане так себе написаноЛоган - супер машинаРено Логан лучше всех! (Пока оценок нет)
Загрузка...