Поняття про зміний струм та електричне коло змінного струму

  

Змінним називають такий струм, який упродовж певного часу змінюється за величиною і напрямком. В теорії і практиці під змінним струмом розуміють вужчу і цілком певну категорію електричного струму – періодичний змінний синусоїдальний струм із частотою V = 50 Гц. Змінний струм тривалий час не мав практичного застосування. Очевидно, це пояснюється тим, що першими генераторами електричної енергії були генератори постійного струму, які повністю задовольняли протягом тривалого часу потреби споживачів. Впровадженню змінного струму значною мірою сприяв розвиток електроосвітлення.

У наш час централізоване виробництво і розподіл електроенергії здійснюється на змінному струмі. Використання електроенергії змінного струму замість постійного струму обумовлене багатьма техніко-економічними причинами, а саме: джерела енергії змінного струму – синхронні генератори -дешевші, надійніші та можуть бути виготовлені на значно більші потужності і напруги, ніж генератори постійного струму; електроенергія змінного струму легко та зручно перетворюється за допомогою трансформаторів з однієї напруги в іншу, що є дуже важливим при передачі електроенергії на відстань; основні споживачі електроенергії – двигуни змінного струму – дешевші та надійніші, ніж двигуни постійного струму.

Виробництво і розподіл енергії в енергосистемах України та країнах Європи здійснюють на частоті 50 Гц. У США, Канаді та Японії енергопостачання відбувається на частоті 60 Гц. Вибір значення частоти в енергосистемах визначається тим, що при низьких частотах стає помітним для ока мигання ламп розжарювання, а на більш високих частотах погіршуються умови передачі енергії на далекі відстані за рахунок впливу ємностей та індуктивностей лінії електропередачі. З ростом частоти зменшуються габарити і маса електрообладнання, тому в авіації широко використовують частоту 400 Гц.

Все, що було сказано відносно струмів, справедливо також і для синусоїдно змінних ЕРС і напруги.

Діючим значенням струму називають такий незмінний в часі струм, який виділяє в резистивному опорі за період таку ж кількість енергії, що й синусоїдно змінний струм. Позначають діюче значення сили струму –  .

 

 

Кількісно електричний струм характеризується диференційною векторною величиною густиною струму, або у випадку струму в проводах інтегральною величиною силою струму.

Під час замикання в колі змінна електрорушійна сила (ЕРС) створює змінний струм. Значення такого струму і напруги в колі змінюються з часом за гармонічним законом. Ці періодичні зміни викликають періодичні коливання швидкості впорядкованого руху заряджених частинок.

Існує декілька способів отримання змінного струму, але якщо частота не перевищує 1000 Гц, то зазвичай його отримають методом обертання рамки в магнітному полі.

 

 

Нехай плоска рамка площею S рівномірно обертається в магнітному полі з індукцією  і кутовою швидкістю w. У будь-який проміжок часу рамку пронизує магнітний потік (рис. 1) :

Ф = | |Scosa,

де a – кут між вектором магнітної індукції  і вектором нормалі  , перпендикулярним до площини рамки; a = wt, (w = a/t). Тоді магнітний потік, який пронизує рамку,

Ф = | |Scoswt.

Змінний магнітний потік у рамці буде утворювати у ній ЕРС індукції, яка визначається законом Фарадея для електромагнітної індукції:

ei = – Ф' = – (BScoswt) ' = BSwsinwt = emsinwt, (5. 2. 5)

де em = BSw – амплітудне значення ЕРС індукції, ei = emsinwt – залежність ЕРС індукції в рамці, яка обертається в магнітному полі, від часу.

Якщо наведену ЕРС за допомогою кілець і щіток підвести до навантаження опором R, то на опорі виникає спад напруги, яка також змінюється за гармонічним законом:

U = Umaxsinwt або U = Umaxcoswt.

Під дією прикладеної напруги через навантаження буде проходити змінний струм

I = Imaxsin (wt + j0),

де Imax – максимальне значення струму; j0 – зсув за фазою між коливаннями сили струму і напруги.

У промислових колах значення струму і напруги змінюються гармонічно з частотою 50 Гц. Змінна напруга на кінцях кола створюється генераторами на електростанціях. У промисловості в генераторах великої потужності зазвичай обертають не рамку в магнітному полі, а магніт в рамці. У цьому разі використовувати змінний струм можна без кілець і щіток, що технічно більш вигідно.

 

 

Досліди показують, що індуктивність також впливає на силу змінного струму, тобто чинить певний опір Цьому струмові. Складемо коло з котушки індуктивності з малим активним опором і амперметра, приєднаємо його до джерела постійного струму. Амперметр покаже, що струм певний час наростає, а потім стає постійним і великої сили

Якщо тепер це саме коло приєднати до джерела змінної напруги, діюче значення якої дорівнює напрузі джерела постійного струму, то амперметр покаже дуже слабкий струм.

Це свідчить про те, що котушка індуктивності чинить змінному струмові великий опір.

Пояснюється це явищем самоіндукції. Змінний струм створює навколо котушки змінне магнітне поле, тобто котушка перебуває у власному змінному магнітному полі. А ми знаємо, що при всякій зміні магнітного поля виникає вихрове електричне поле, яке протидіє причині, що його викликала (правило Ленца).

У першій чверті періоду вихрове електричне поле гальмує рух електронів і тим самим протидіє зростанню сили струму в колі; в другій – зменшенню сили струму; в третій – зростанню сили струму, але вже в протилежному напрямі, і, нарешті, в четвертій чверті індуковане вихрове поле протидіє зменшенню сили струму в колі.

Таким чином, при проходженні змінного струму через котушку індуктивності внаслідок самоіндукції виникає вихрове електричне поле, яке протидіє дії поля генератора. Вихрове електричне поле і є причиною опору котушки індуктивності змінному струмові.

Припустимо, що ми приєднали до генератора змінного струму котушку індуктивності. Активним опором генератора і котушки поки що нехтуємо. Оскільки в колі змінюється сила струму, то в котушці індукується ЕРС самоіндукції:

 

У будь-який момент часу миттєве значення напруги генератора дорівнює ЕРС самоіндукції, взятій із зворотним знаком, тобто  , або

 , де   – амплітуда напруги.

З рівняння випливає, що коливання напруги на котушці випереджають коливання струму струму на   або, що те ж саме, коливання сили струму відстають від коливань напруги на  . В момент, коли напруга на котушці досягає максимуму, сила струму дорівнює нулю, і, навпаки, коли напруга дорівнює нулю, сила струму досягає максимуму.

Зверніть увагу на те, що під час проходження змінного струму в колі з ємністю коливання сили струму випереджають коливання напруги за фазою на  а при проходженні в колі з індуктивністю, навпаки, коливання сили струму відстають за фазою на  від коливань напруги на котушці індуктивності. Це дуже важлива обставина. З нею зв'язане цікаве і важливе явище резонансу в електричних колах, з яким ми ознайомимося трохи пізніше.

Перепишемо вираз для амплітуди напруги у вигляді, аналогічному до закону Ома:

 

Величину XL називають індуктивним опором, вимірюється в омах.

Електри́чне ко́ло – сукупність сполучених між собою провідниками електронних компонентів, джерел струму й напруги, перемикачів тощо, через яку може проходити електричний струм.

Електричне коло може включати в себе як лінійні так і нелінійні елементи. Лінійними елементами електричного кола називають такі, для яких існує пропорційність між падінням напруги та силою струму. До лінійних елементів належать резистори, конденсатори та котушки індуктивності. Для нелінійних елементів залежність між силою струму та падінням напруги, яку називають вольт-амперною характеристикою, – складна функція. До нелінійних елементів належать, наприклад, діоди й транзистори.

Для розрахунку електричних кіл з лінійними елементами використовуються правила Кірхгофа та закон Ома. Електричний струм може протікати тільки по замкненому електричному колу. Розрив кола в будь-якому місці викликає припинення електричного струму.

Під електричними колами постійного струму в електротехніці мають на увазі кола, в яких струм не змінює свого напряму, тобто полярність джерел ЕРС в яких постійна. Під електричними колами змінного струму мають на увазі коло, в якому протікає струм, який змінюється в часі.

У будь-якому провіднику, по якому протікає електричний струм, виникає ЕРС самоіндукції. Це означає, що кожне електричне коло має не тільки активний опір. Для кола змінного струму з конденсатором гармонічні коливання напруги на обкладинках конденсатора відстають за фазою від коливань сили струму на π, поділене на два. Ємнісний опір провідника дорівнює відношенню одиниці до електроємності конденсатора і циклічної частоти. Амплітудне значення сили струму для кола змінного струму з конденсатором знаходять як добуток амплітудного значення напруги, електроємності конденсатора та циклічної частоти коливань.

Напруга на кінцях ідеальної котушки дорівнює за модулем і протилежна за знаком ЕРС самоіндукції. Амплітудне значення напруги в колі з котушкою індуктивності можна знайти як добуток амплітуди сили струму, індуктивності котушки та циклічної частоти коливань. Для кола з котушкою індуктивності коливання напруги випереджають за фазою коливання сили струму на π, поділене на два. Індуктивний опір провідника дорівнює добутку індуктивності котушки на циклічну частоту коливань.