Вынужденные электрические колебания. Переменный ток и его получение. Действующее значение тока и напряжения.

Переменный ток Переменный ток – это вынужденные электромагнитные колебания, вызываемые в электрической цепи источником переменного (чаще всего синусоидального) напряжения

Переменный ток Все приборы питаются постоянным током. Для этого переменный ток преобразуют в постоянный с помощью специального адаптера, выпрямляющего переменный ток из розетки адаптер постоянного тока

Свойства электроэнергии - просто производить: в мире функционирует огромное количество разнообразных генераторов электроэнергии; - просто передавать на большие расстояния: электроэнергия передается по высоковольтным линиям электропередачи без существенных потерь.

Свойства электроэнергии - преобразуется в другие виды энергии: легко преобразуется в механическую энергию (электродвигатели), внутреннюю энергию (нагревательные приборы), энергию света (осветительные приборы) и т. п. - распределение между потребителями: с помощью специальных устройств легко распределяется между потребителями с самыми разными «запросами» - промышленными предприятиями, городскими сетями и пр.

Производство электроэнергии генератор ТЭСГЭСАЭС

Производство электроэнергии Схема генератора переменного тока Производство электроэнергии осуществляется с помощью генераторов. Среди них наиболее распространены электромеханические генераторы переменного тока. Они преобразуют механическую энергию вращения якоря (проводящей рамки) в энергию индукционного переменного тока, возникающего благодаря явлению электромагнитной индукции.

Производство электроэнергии Схема генератора переменного тока Основная идея генератора переменного тока: 1)Проводящая рамка (якорь) вращается в магнитном поле. 2)Магнитный поток сквозь рамку меняется со временем и порождает ЭДС индукции, которая приводит к возникновению индукционного тока в рамке. 3)С помощью специальных приспособлений (колец и щеток) переменный ток передается из рамки во внешнюю цепь Если рамка вращается в однородном магнитном поле B с постоянной угловой скоростью ω, то возникающий переменный ток передается из рамки во внешнюю цепь.

Передача электроэнергии Передача электроэнергии осуществляется по проводам. Потери энергии на нагревание проводов должны быть сведены к минимуму. Для этого нужно высокое напряжение линии электропередачи. Поэтому электроэнергию и передают по высоковольтным линиям.

Простейшие цепи переменного тока Цепь с активным сопротивлением колебательный контур Цепь с емкостью Цепь с индуктивностью

Простейшие цепи переменного тока Цепь с активным сопротивлением К источнику переменного напряжения подключается обычный резистор R, который называют также активным сопротивлением Положительное направление обхода цепи выбираем против часовой стрелки Сила тока считается положительной, если ток течет в положительном направлении, в противном случае сила тока отрицательна. Мгновенные значения силы тока и напряжения связаны формулой, аналогичной закону Ома для постоянного тока:

Простейшие цепи переменного тока Цепь с активным сопротивлением ВЫВОД: Сила тока в резисторе меняется по закону синуса: Амплитуда тока I 0 равна отношению амплитуды напряжения U 0 к сопротивлению R

Простейшие цепи переменного тока Цепь с активным сопротивлением

Простейшие цепи переменного тока Цепь с емкостью К источнику переменного напряжения подключается конденсатор C Положительное направление обхода цепи снова выбираем против часовой стрелки Постоянный ток через конденсатор не течет – для постоянного тока конденсатор является разрывом цепи. Протекание переменного тока через конденсатор обеспечивается периодическим изменением заряда на его пластинах.

Простейшие цепи переменного тока Цепь с емкостью обозначим через q заряд той пластины конденсатора, на которую течет положительный ток – в данном случае это будет правая пластина. Тогда знак величины q совпадает со знаком напряжения U. Также при таком согласовании знака заряда и направления тока будет выполнено равенство:

Простейшие цепи переменного тока Цепь с емкостью Напряжение на конденсаторе равно напряжению источника:

Простейшие цепи переменного тока Цепь с емкостью так как

Простейшие цепи переменного тока Цепь с емкостью Для амплитуды силы тока получаем: Получается, что амплитуда силы тока связана с амплитудой напряжения соотношением, аналогичным закону Ома: - емкостное сопротивление конденсатора. Чем оно больше, тем меньше амплитуда тока, протекающего через конденсатор, и наоборот.

Простейшие цепи переменного тока Цепь с индуктивностью К источнику переменного напряжения подключается катушка индуктивности L активное сопротивление катушки равно нулю (R = 0) Через катушку не течет из-за этого бесконечный ток, потому что она оказывает переменному току сопротивление иного рода

Простейшие цепи переменного тока Цепь с индуктивностью Магнитное поле тока, меняющееся во времени, порождает в катушке вихрьевое электрическое поле E вихрь, которое, оказывается, в точности уравновешивает кулоновское поле E движущихся зарядов: Работа сил кулоновского поля по перемещению единичного положительного электрического заряда по внешней цепи в положительном направлении – это напряжение U. Аналогичная работа вихрьевого поля – это ЭДС индукции ε i :

Простейшие цепи переменного тока Цепь с индуктивностью С учетом закона электромагнитной индукции Фарадея, получим:

Простейшие цепи переменного тока Цепь с индуктивностью

Простейшие цепи переменного тока Цепь с индуктивностью Амплитуда силы тока через катушку равна Получается формула, аналогичная закону Ома: - индуктивное сопротивление катушки. Это и есть сопротивление, которое катушка оказывает переменному току при нулевом активном сопротивлении

Простейшие цепи переменного тока ВЫВОД Закону Ома подчиняются лишь амплитудные, но не мгновенные значения тока и напряжения!!!

Вынужденные колебания Вынужденные колебания в колебательном контуре с активным сопротивлением К источнику переменного напряжения U последовательно подключены: - резистор сопротивлением R - катушка индуктивности L - конденсатор емкости С колебательный контур с резистором

Вынужденные колебания Формула Томсона: - по ней определяется период Т свободных электромагнитных колебаний в колебательном контуре, состоящем из конденсатора емкостью С и катушки индуктивностью L. колебательный контур с резистором

Вынужденные колебания Мгновенные значения ЭДС, напряжения и силы тока соответственно равны: колебательный контур с резистором T - период; ν – частота; φ – начальная фаза ЭДС или напряжения

Вынужденные колебания Разность (сдвиг фаз) между силой тока и напряжением колебательный контур с резистором L, R, C – соответственно индуктивность катушки, емкость конденсатора и активное сопротивление резистора, последовательно включенных в цепь переменного тока

Вынужденные колебания Индуктивное сопротивление катушки индуктивностью L колебательный контур с резистором

Вынужденные колебания Емкостное сопротивление конденсатора емкостью С колебательный контур с резистором

Вынужденные колебания Полное сопротивление цепи Z: колебательный контур с резистором

Вынужденные колебания Закон Ома для электрической цепи переменного тока:

Вынужденные колебания Закон Ома для электрической цепи переменного тока:

Вынужденные колебания Действующие значения силы тока и напряжения:

Вынужденные колебания Количество теплоты, выделяемое проводником, активное сопротивление которого R, при прохождении по нему переменного тока в течение времени t: На индуктивном и емкостном сопротивлениях теплота не выделяется!!!

Вынужденные колебания Мощность переменного тока: cost – коэффициент мощности; R – активное сопротивление цепи; Z – полное сопротивление цепи

Задачи 1. Сила тока в цепи изменяется с течением времени по закону i = 5 sin(200 π t) А, где t выражается в секундах. Определить амплитудное значение силы тока, частоту и период. Найти силу тока для фазы. 2. На какую длину волны настроен колебательный контур, если он состоит из катушки индуктивностью L = Гн и плоского конденсатора? Расстояние между пластинами конденсатора d = 1 см, диэлектрическая проницаемость вещества в пространстве между пластинами конденсатора = 11. Площадь каждой пластины S = 800 см Определить сдвиг фаз колебаний напряжения u = U m sin(ω t+ϕ) и силы тока i = I m sin(ω t) для электрической цепи, состоящей из последовательно включенных проводника с активным сопротивлением R = 1 к Ом, катушки индуктивностью L = 0,5 Гн и конденсатора емкостью С = 1 мкФ. Определить мощность, которая выделяется в цепи, если амплитуда напряжения U m = 100 В, а частота ν = 50 Гц. 4. Электропечь сопротивлением R = 22 Ом питается от генератора переменного тока. Определить количество теплоты, выделяемое печью за время t = 1 ч, если амплитуда силы тока I m = 10 А. 5. Определить длину волны, на которую настроен приемник, если его приемный контур обладает индуктивностью L = 0,003 Гн и емкостью С = 10 мкФ. Скорость электромагнитных волн в вакууме с = м/с.