Переменный ток сравнивают с постоянным по тепловому действию

Напряжение переменного тока

26 октября 2019

Время на чтение:

Напряжение – это физическая величина, характеризующая работу эффективного электрического поля, совершающего перенос заряда из одной точки проводника в другую. Оно есть везде, где есть токовая сила и пропорционально зависит от него, как и сопротивление. Каждый знает, что в его домашней розетке 220 В, но мало кто догадывается, какой именно это вид величины. Стоит подробнее разобраться с постоянным и переменным напряжением, в чем их различия, и какие виды переменного напряжения существуют.

Природа тепла в проводниках

Разберемся, как происходит нагрев проводника и каким образом этот процесс отвечает формулировке законе Джоуля-Ленца. Как известно, электрический ток представляет собой направленный поток электронов, если речь идет о металлах, и направленный поток ионов — если о растворах электролитов. Проводником называют такой металл, в котором много свободных электронов.

При подключении проводника к сети электроны начинают двигаться в одном направлении под действием электрического поля. При движении они сталкиваются с атомами проводника и передают им свою кинетическую энергию. Чем выше скорость заряженных частиц, тем чаще происходят такие столкновения и больше выделяется кинетической энергии. Часть этой энергии трансформируется в тепло, поэтому проводник нагревается.

Высокая сила тока означает, что через сечение проводника проходит много свободных электронов и столкновения происходят часто. Соответственно, частицам проводника передается много энергии, и он греется сильнее. Именно поэтому в законе Ленца-Джоуля говорится о том, что количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату силы тока.

Теперь представим, что сечение проводника увеличилось. Конечно, столкновений частиц будет меньше, а значит — выделится меньше тепла. Вспоминаем, что удельное сопротивление проводника обратно пропорционально его сечению. Чем меньше сечение материала, тем выше его сопротивление и тем сильнее он нагревается. Вот мы и описали тепловое действие тока в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

В чем заключается принцип работы переменного тока

Английская аббревиатура АС (Alternating Current) обозначает ток, меняющий на временных отрезках свое направление и величину. Отрезок синусоиды «

» – его условная маркировка на приборах. Применяется также нанесение после этого значка и других характеристик.

Ниже приведен рисунок с главными характеристиками данного вида тока – номинальными показателями частоты и действующего напряжения.

Следует отметить особенности изменения на левом графике, выполненном для однофазного тока, величины и направления напряжения с осуществлением перехода на ноль за определенный промежуток времени Т. На одну треть периода выполняется смещение трех синусоид при трехфазном токе на другом графике.

Отметками «а» и «б» обозначены фазы. Любой из нас имеет представление о наличии в обычной розетке 220В. Но для многих будет открытием, что максимальное или именуемое по-другому амплитудным значение больше действующего на величину равную корню из двух и составляет 311 Вольт.

Очевидно, что в случае с током постоянного вида параметры направления и напряжения остаются неизменными, а вот для переменного наблюдается трансформация данных величин. На рисунке обратное направление – это область графика ниже нуля.

Переходим к частоте. Под этим понятием подразумевают отношение периодов (полных циклов) к условной единице временного отрезка меняющегося тока. Данный показатель измеряется в Герцах. Стандартная европейская частота – 50, в США применяемый норматив – 60Г.

Эта ве6личина показывает количество изменений направления тока за одну секунду на противоположное и возвращение в исходное состояние.

Переменный ток присутствует при прямом подключении приборов потребления к электрощитам и в розетках. По какой причине здесь отсутствует постоянный ток? Это сделано для того, чтобы получить возможность без особых потерь получать нужное напряжение в любом количестве способом применения трансформаторов. Эта методика остается лучшим способом передавать электроэнергию в промышленных масштабах на значительные расстояния с минимальными потерями.

Номинальное напряжение, которое подается мощными генераторами электростанций, на выходе составляет порядка 330 000-220 000 Вольт. На подстанции, расположенной в зоне потребления, происходит трансформация данной величины до показателей 10 000В с переходом в трехфазный вариант 380 Вольт. Выполняется подача в отдельный дом и на вашу квартиру попадает напряжение однофазного типа. Напряжение между нулем и фазой составит 220 В, а в щите между разными фазами подобный показатель равняется 380 Вольт.

Двигатели асинхронной конструкции, работающие с переменным током, значительно надежнее и отличаются более простой конструкцией, чем аналоги постоянного тока.

Генератор переменного тока

Основная часть электроэнергии в мире в настоящее время вырабатывается генераторами переменного тока, создающими гармонические колебания.

• Генератором переменного тока называется электротехническое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.

ЭДС индукции генератора изменяется по синусоидальному закону

где (_ =Bcdot Scdot omega) — амплитудное (максимальное) значение ЭДС. При подключении к выводам рамки нагрузки сопротивлением R, через нее будет проходить переменный ток. По закону Ома для участка цепи сила тока в нагрузке

где (I_ = dfrac) — амплитудное значение силы тока.

Основными частями генератора являются (рис. 1):

• индуктор — электромагнит или постоянный магнит, который создает магнитное поле;
• якорь — обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;
• коллектор со щетками — устройство, посредством которого снимается с вращающихся частей или подается по ним ток.

Неподвижная часть генератора называется статором, а подвижная — ротором. В зависимости от конструкции генератора его якорь может быть как ротором, так и статором. При получении переменных токов большой мощности якорь обычно делают неподвижным, чтобы упростить схему передачи тока в промышленную сеть.

На современных гидроэлектростанциях вода вращает вал электрогенератора с частотой 1-2 оборота в секунду. Таким образом, если бы якорь генератора имел только одну рамку (обмотку), то получался бы переменный ток частотой 1-2 Гц. Поэтому, для получения переменного тока промышленной частоты 50 Гц якорь должен содержать несколько обмоток, позволяющих увеличить частоту вырабатываемого тока. Для паровых турбин, ротор которых вращается очень быстро, используют якорь с одной обмоткой. В этом случае частота вращения ротора совпадает с частотой переменного тока, т.е. ротор должен делать 50 об/с.

Мощные генераторы вырабатывают напряжение 15-20 кВ и обладают КПД 97-98 %.

Из истории. Первоначально Фарадей обнаружил лишь едва заметный ток в катушке при движении вблизи нее магнита. «Какая от этого польза?» — спросили его. Фарадей ответил: «Какая может быть польза от новорож­денного?» Прошло немногим более половины столетия и, как сказал американский физик Р. Фейнман, «бесполезный новорожденный превратился в чудо-богатыря и изменил облик Земли так, как его гордый отец не мог себе и представить».

*Принцип действия

Принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции.

Пусть проводящая рамка площадью S вращается с угловой скоростью ω вокруг оси, расположенной в ее плоскости перпендикулярно однородному магнитному полю индукцией (vec) (см. рис. 1).

При равномерном вращении рамки угол α между направлениями вектора индукции магнитного поля (vec) и нормали к плоскости рамки (vec) меняется со временем по линейному закону. Если в момент времени t = 0 угол α = 0 (см. рис. 1), то

где ω — угловая скорость вращения рамки, ν — частота ее вращения.

В этом случае магнитный поток, пронизывающий рамку будет изменяться следующим образом

Тогда согласно закону Фарадея индуцируется ЭДС индукции

Подчеркнем, что ток в цепи проходит в одном направлении в течение полуоборота рамки, а затем меняет направление на противоположное, которое также остается неизменным в течение следующего полуоборота.

Закон сохранения заряда

Основным физическим законом считается закон сохранения электрического заряда. При выборе произвольной замкнутой поверхности S , изображенной на рисунке 1 , ограничивающей объем V количество выходящего электричества в единицу времени ( 1 секунду) из объема V можно определить по формуле ∮ s j n d S . Такое же количество электричества выражается через заряд — ∂ q ∂ t , тогда получаем:

∂ q ∂ t = — ∮ S j n d S ( 6 ) , где j n считается проекцией вектора плотности на направление нормали к элементу поверхности d S , при этом:

j n = j cos a ( 7 ) , где a является углом между направлением нормали к d S и вектором плотности тока. Уравнение ( 6 ) показывает частое употребление производной для того, чтобы сделать акцент на неподвижности поверхности S .

Выражение ( 6 ) считается законом сохранения электрического заряда в макроскопической электродинамике. Если ток постоянен во времени, тогда запись этого закона примет вид:

∮ S j n d S = 0 ( 8 ) .

Найти формулу для того, чтобы рассчитать конвекционный ток при его возникновении в длинном цилиндре с радиусом сечения R и наличием его равномерной скорости движения υ , который заряжен по поверхности равномерно. Значение напряженности поля у поверхности цилиндра равняется E . Направление скорости движения вдоль оси цилиндра.

Решение

Основой решения задачи берется определение силы тока в виде:

I = d q d t ( 1 . 1 ) .

Из формулы ( 1 . 1 ) следует, что возможно нахождение элемента заряда, располагающегося на поверхности цилиндра.

Напряженность поля равномерно заряженного цилиндра на его поверхности находится по выражению:

E = σ ε 0 ( 1 . 2 ) , где σ является поверхностной плотностью заряда, ε 0 = 8 , 85 · 10 — 12 К л Н · м 2 . Выразим σ из ( 1 . 2 ) , тогда:

σ = E · ε 0 ( 1 . 3 ) .

Связь поверхностной плотности заряда с элементарным зарядом выражается при помощи формулы:

d q d S = σ ( 1 . 4 ) .

Используя ( 1 . 3 ) , ( 1 . 4 ) , имеем:

d q = E · e 0 d S ( 1 . 5 ) .

Выражение элемента поверхности цилиндра идет через его параметры:

d S = 2 π · R d h ( 1 . 6 ) , где d h является элементом высоты цилиндра. Запись элемента заряда поверхности цилиндра примет вид:

d q = E · ε 0 · 2 h · R d h ( 1 . 7 ) .

Произведем подстановку из ( 1 . 7 ) в ( 1 . 1 ) :

I = d ( E · ε 0 · 2 π · Rdh ) d t = 2 πRε 0 E dh dt ( 1 . 8 ) .

Движение цилиндра идет вдоль оси, тогда запишем:

d h d t = υ ( 1 . 9 ) .

I = 2 π R ε 0 E υ .

Ответ: конвективный ток I = 2 π R ε 0 E υ .

Изменение тока в проводнике происходит согласно закону I = 1 + 3 t . Определить значение заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, за время t , изменяющегося от t 1 = 3 с до t 2 = 7 c . Каким должен быть постоянный электрический ток, чтобы за аналогичное время происходило то же значение заряда?

Решение

Основа решения задачи – выражение, связывающее силу тока и заряд, проходящий через поперечное сечение проводника:

I = d q d t ( 2 . 1 ) .

Формула ( 2 . 1 ) показывает, что нахождение количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время от t 1 до t 2 возможно таким образом:

q = ∫ t 1 t 2 I d t ( 2 . 2 ) .

Произведем подстановку имеющегося по условию закона в ( 2 . 2 ) для получения:

q = ∫ t 1 t 2 ( 1 + 3 t ) d t = ∫ t 1 t 2 d t + ∫ t 1 t 2 3 t d t = t 2 — t 1 + 3 · t 2 2 t 1 t 2 = ( t 2 — t 1 ) + 3 2 t 2 2 — t 1 2 ( 2 . 3 ) .

q = 7 — 3 + 3 2 ( 7 2 — 3 2 ) = 4 + 3 2 · 40 = 64 ( К л ) .

Чтобы определить постоянный ток для получения силы используется формула:

I c o n s t = q t ( 2 . 3 ) , где t считается временем, за которое поперечное сечение проводника пройдет заряд q .

Тогда время протекания заряда равняется:

t = t 2 — t 1 ( 2 . 4 ) .

Выражение ( 2 . 3 ) примет вид:

I c o n s t = q t 2 — t 1 ( 2 . 5 ) .

Произведем подстановку и вычислим:

I c o n s t = 64 7 — 3 = 64 4 = 16 ( A ) .

Ответ: q = 64 К л . I c o n s t = 16 А . .

Активное сопротивление в цепи переменного тока

Пусть цепь состоит из соединительных проводов и нагрузки с малой индуктивностью и большим сопротивлением R (см. рисунок ниже).

Внимание! Ранее под величиной R мы понимали электрическое сопротивление. Но правильно его называть сопротивлением активным. Дело в том, что в цепи переменного тока могут быть сопротивления иного характера. Сопротивление же R называется активным, потому что при наличии нагрузки, обладающей этим сопротивлением, цепь поглощает энергию, поступающую от генератора. Эта энергия превращается во внутреннюю энергию проводников — они нагреваются.

Будем считать, что напряжение на зажимах цепи меняется по закону косинуса:

u = U m a x cos . ω t

Для нахождения мгновенного значения силы тока мы можем воспользоваться законом Ома, так как эта величина прямо пропорционально мгновенному значению напряжения:

i = u R . . = U m a x cos . ω t R . . = I m a x cos . ω t

В проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения, а амплитуда силы тока определяется равенством:

I m a x = U m a x R . .

Мощность в цепи с резистором

В цепи переменного тока сила тока и напряжения меняются быстро, поэтому количество выделяемой энергии меняется так же быстро. Но заметить эти изменения невозможно. Чтобы найти среднюю мощность на участке цепи за много периодов, достаточно найти среднюю мощность за один период.

Средняя за период мощность переменного тока — отношение суммарной энергии, поступающей в цепь за период, к этому периоду.

Мощность постоянного тока определяется формулой:

Следовательно, мгновенная мощность в цепи переменного тока на участке с активным сопротивлением R равна:

Подставим в это выражение полученное ранее значение мгновенной силы переменного тока и получим:

p = ( I m a x cos . ω t ) 2 R

Вспомним из курса математики:

cos 2 . α = 1 + cos . 2 α 2 . .

p = I 2 m a x 2 . . R ( 1 + cos . 2 ω t ) = I 2 m a x R 2 . . + I 2 m a x R 2 . . cos . 2 ω t

График зависимости мгновенной мощности от времени:

На протяжении первой четверти периода, когда cos . 2 ω t > 0 , мощность в любой момент времени больше величины I 2 m a x R 2 . . . На протяжении второй четверти периода, когда cos . 2 ω t 0 , мощность в любой момент времени меньше этой величины. Среднее за период значение cos . 2 ω t = 0 , следовательно, средняя за период мощность равна I 2 m a x R 2 . . .

Средняя мощность − p равна:

− p = I 2 m a x R 2 . . = − i 2 R

Пример №2. Сила переменного тока в цепи меняется по закону i = I m a x cos . ω t . Определить мгновенную мощность в момент времени t = 1 с, если циклическая частота колебаний ω = 100π Гц при сопротивлении R = 10 Ом. Амплитуда силы тока равна 1 А.

p = ( I m a x cos . ω t ) 2 R = 10 ( 1 · cos . ( 100 π · 1 ) 2 = 10 ( Д ж )

Действующие значения силы тока и напряжения

Из предыдущей формулы видно, что среднее значение квадрата силы тока равно половине квадрата амплитуды силы переменного тока:

− i 2 = I 2 m a x 2 . .

Действующее значение силы переменного тока — величина, равная квадратному корню, взятому из среднего значения квадрата тока. Обозначается как I.

I = √ − i 2 = I m a x √ 2

Смысл действующего значения силы переменного тока заключается в том, что оно равно силе постоянного тока, выделяющего в проводнике то же количество теплоты, что и переменный ток за это же время.

Аналогично определяется действующее значение напряжения U:

U = √ − u 2 = U m a x √ 2 . .

Именно действующие значения силы тока и напряжения определяют мощность P переменного тока:

Пример №3. Найти мощность переменного тока, если амплитуда силы тока равна 2 А, а сопротивление цепи равно 5 Ом.

P = ( I m a x √ 2 . . ) 2 R = I 2 m a x 2 . . R = 2 2 2 . . · 5 = 10 ⎛ ⎝ Д ж ⎞ ⎠

В идеальном колебательном контуре (см. рисунок) напряжение между обкладками конденсатора меняется по закону U_C = Ucos ωt, где U = 5 В, ω = 1000π с – «> – 1 . Определите период колебаний напряжения на конденсаторе.

Двигатели переменного тока и постоянного тока: в чем разница?

Без рубрики

Электродвигатели — это машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую. Хотя они доступны во многих вариантах, их можно разделить на две основные категории: двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока.

И двигатели переменного тока, и двигатели постоянного тока имеют одинаковую функцию; то есть преобразовывать электрическую энергию в механическую. Однако при выборе двигателя важно знать разницу между двигателями переменного и постоянного тока, поскольку каждый из них имеет разные требования к конструкции, питанию и управлению. В следующей статье обсуждаются различия между двумя типами двигателей, включая основные конструктивные и рабочие характеристики, преимущества и области применения. Купить электрический двигатель можно на сайте https://psnab.ru

Обзор двигателей переменного тока

Как следует из названия, двигатели переменного тока используют переменный ток (AC) для выработки механической энергии. Стандартная конструкция состоит из статора с обмоткой, встроенной по окружности, и свободно вращающейся металлической части (т. е. ротора) в центре.

Когда ток подается на обмотки статора в двигателе переменного тока, создается вращающееся магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует электрический ток внутри электропроводного ротора и, следовательно, образует второе вращающееся магнитное поле. Взаимодействие между первым магнитным полем и вторым магнитным полем заставляет вращаться ротор.

При выборе электродвигателя переменного тока для применения необходимо учитывать два критических фактора:

• Рабочая скорость (в оборотах в минуту): максимальная скорость, которую может достичь двигатель, рассчитывается по следующей формуле: (60 x частота сети переменного тока в Гц) ÷ количество полюсов двигателя
• Пусковой крутящий момент, создаваемый двигателем при запуске с нулевой скоростью.

Обзор двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока используют постоянный ток (DC) с постоянным напряжением для выработки механической энергии. Двигатели постоянного тока состоят из вращающейся обмотки якоря (т. е. Ротора) и статора возбуждения с обмотками, которые образуют набор неподвижных электромагнитов. Другой ключевой компонент двигателя постоянного тока — это коммутатор, прикрепленный к якорю.

Когда ток течет через двигатель постоянного тока, внутри статора возбуждения и вокруг обмотки якоря создается магнитное поле. Взаимодействие между этими двумя магнитными полями создает электромагнитную силу, которая заставляет якорь вращаться. Коммутатор изменяет направление тока в якорь и тем самым позволяет ему продолжать вращение, пока ток течет через систему.

Двигатели постоянного тока могут использоваться для создания различных уровней скорости и крутящего момента. Регулировка уровней напряжения, подаваемого на якорь, или статического тока возбуждения изменяет выходную скорость.

Преимущества двигателей переменного тока перед двигателями постоянного тока

И двигатели переменного тока, и двигатели постоянного тока демонстрируют уникальные преимущества, которые делают их пригодными для различных применений. Ниже мы описываем преимущества, предлагаемые обоими типами двигателей.

К преимуществам двигателей переменного тока можно отнести:

• Более низкие требования к пусковой мощности
• Лучший контроль над начальным уровнем тока и ускорением
• Более широкие возможности настройки для различных требований к конфигурации и изменения требований к скорости и крутящему моменту
• Повышенная прочность и долговечность

К преимуществам двигателей постоянного тока можно отнести:

• Более простые требования к установке и обслуживанию
• Более высокая пусковая мощность и крутящий момент
• Более быстрое время отклика на пуск / остановку и ускорение
• Более широкий выбор для различных требований к напряжению

Применение двигателей переменного тока по сравнению с двигателями постоянного тока

Как указано выше, двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока подходят для различных применений. В промышленном секторе долговечность, гибкость и эффективность двигателей переменного тока делают их идеальными для использования в приложениях для широкого спектра устройств, включая бытовые приборы, компрессоры, конвейеры, вентиляторы и другое оборудование HVAC, насосы и транспортное оборудование. Более быстрое время отклика и более стабильные уровни крутящего момента и скорости, предлагаемые двигателями постоянного тока, делают их хорошо подходящими для использования в производственном и производственном оборудовании, лифтах, пылесосах и подъемно-транспортном оборудовании.

И двигатели переменного тока, и двигатели постоянного тока играют критически важную роль в производстве электроэнергии в широком спектре промышленных, коммерческих и жилых помещений. Поскольку оба типа двигателей обладают преимуществами и недостатками, важно понимать разницу между ними, чтобы выбрать подходящий для своего предприятия.