Переменный ток

Переменный ток — это в широком смысле электрический ток, изменяющийся во времени. Чаще всего это измене­ние происходит по синусоидальному закону I = I₀ sin(ωt + φ). Именно такой ток генерируют промышленные источ­ники тока.

В разных сечениях линейного проводника сила тока одинакова, но во времени она меняется по периодическому закону. Каждое значение силы тока повторяется через про­межуток времени T = 2π/ω, который называется перио­дом, а величина ω — угловая частота. Стабильность час­тоты является важным качеством переменного тока. Аргумент у синуса — величина ωt + φ — называется фазой (полезно абстрагироваться от геометрического смысла си­нуса и не воспринимать аргумент у синуса как некоторый угол).

При постоянном токе электроны движутся в тонком про­воднике подобно воде в трубе, но при переменном токе ка­ждый из них совершает колебательное движение вдоль проводника как гармонический осциллятор. Амплитуда этих колебаний весьма мала, и в пределах отдельного про­водника все электроны колеблются в фазе, т. е. синхронно. Если к источнику с напряжением U присоединена цепь, включающая конденсатор, то (след­ствие закона Ома)

U = IR + (q / C) — ε.

Моделью генератора переменного тока служит проволочная рамка, вращающаяся между полосами постоянного магнита

Здесь первое слагаемое в правой час­ти — падение напряжения на сопро­тивлении, второе — на конденсаторе (q — заряд конденсатора), третье — ЭДС сторонних сил, действующих на рассматриваемом участке. Мощность, выделяемая в этой цепи, определяется равенством

N = UI. [1]

Это работа, которую совершает источник за единицу вре­мени.

Если U — переменное напряжение, U = U₀ sin ωt, а ε — ЭДС самоиндукции, ε = -L(ΔI / Δt), по цепи течет переменный ток: I = I_0­ sin(ωt + φ), причем

I₀ = U₀ / √(R² + (Lω — 1 / ωC)²), [2]

tg φ = (1 / ωC — ωL) / R. [2]

При отсутствии конденсатора следует положить 1 / C = 0. Из формулы [1] с учетом формулы [2] найдем:

N = UI = U₀sinωt × I₀sin(ωt + φ) = U₀I₀(sin²ωt × cosφ + sinωt cosωt sinφ).

Это значение мощности в момент времени t. Среднее за пе­риод значение мощности равно:

<N> = U₀I₀<sin²ωt>cosφ = ½U₀I₀cosφ = U_effI_effcosφ. [3]

(Среднее за период значение квадрата синуса равно ½, а произведение синуса на косинус — нулю.) Величины U_eff = U₀ / √2, I_eff = I₀ / √2 называются эффективными зна­чениями напряжения и силы переменного тока. Именно эти величины имеются в виду, когда говорят о силе и напря­жении переменного тока. Материал с сайта http://worldof.school

Пусть имеется ящик с не­известной начинкой. В точ­ке A в ящик входит про­водник с силой тока I, в точке B выходит провод­ник с такой же силой тока. Вольтметр показывает на­пряжение U_eff между точ­ками A и B. Формула [3] определяет мощность, вы­деляемую в ящике. Если эта мощность положи­тельна (cosφ > 0), то либо в ящике выделяется теп­лота, либо скрыт электро­мотор, совершающий со­ответствующую работу, либо то и другое вместе. Если cosφ < 0, то в ящике скрыт генератор тока. Ес­ли мощность близка к ну­лю, а ток не равен нулю, в ящике находится конден­сатор или катушка с большой индуктивностью. (Выделяемая мощность положительна, если в дан­ный момент ток течет в сторону меньшего потен­циала.)

При отсутствии нагрузки ток в первичной обмотке трансформатора опреде­ляется формулами [2], с учетом того, что 1 / C = 0, а потребляемая мощ­ность — формулой [3]. Разность фаз φ близка к — π / 2, и потребляемая мощность мала. При под­ключении нагрузки во вторичной обмотке появ­ляется ток, который инду­цирует дополнительный ток в первичной. Раз­ность фаз меняется, и потребляемая мощность увеличивается.

На этой странице материал по темам:

• Переменный ток шпора

• Переменный ток физика явления

• Доклад по физике переменный ток

• Физика генетика переменного тока

• Физика переменный ток это