Что создает переменный ток. Про переменный ток и напряжение

Переменным током называется электрический ток, равными периодами изменяющийся по направлению и модулю. Также переменным считается ток, возникающий в однофазных и трехфазных сетях. Для существующих устройств, потребляющих , преобразование переменного производится с помощью специальных выпрямителей.

Возникновение переменного тока

Для того, чтобы в электрической цепи возник ток, используются специальные источники для его выработки, которые создают переменную электродвижущую силу (ЭДС). Электродвижущая сила периодически изменяется по своей величине и направлению. Источники ЭДС - это фактически генераторы переменного тока.

Простейшая схема выработки переменного тока показана на рисунке:

Это устройство состоит из двух основных частей. Неподвижная часть - магнит, образующий между своими полюсами магнитное поле. Плотность магнитных силовых линий одинакова, поэтому магнитное поле - равномерное. Подвижная часть устройства - рамка, имеющая прямоугольную форму. Она изготовлена из медной проволоки, закреплена на продольной оси и с помощью внешней движущей силы вращается в магнитном поле. Выходные концы соединены с медными контактными кольцами. Кольца вращаются одновременно с рамкой и скользят по щеткам.

Чтобы убедиться, что данное устройство действительно образует переменную электродвижущую силу, применим широко известное «правило правой руки».

Правая рука располагается таким образом, что ладонь смотрит в направлении «север» нашего магнита. При этом большой палец отогнут в сторону движения той стороны медной рамки, где должно определиться направление ЭДС. Направление вытянутых пальцев руки покажет нам и направление ЭДС. При определении ЭДС в разных сторонах, значение, в конечном итоге, будет общим. Кроме того при каждом обороте направление ЭДС изменяется. Это происходит в связи с тем, что рабочие стороны рамки во время одного оборота проходят под различными полюсами магнита.

Возникновение электродвижущей силы

Величина электродвижущей силы, которая индуктируется в рамке, меняется со скоростью пересечения силовых линий магнитного поля. В вертикальном расположении - скорость пересечения максимальная. ЭДС в рамке - также максимальная. При прохождении рамкой горизонтального положения стороны не пересекают магнитные силовые линии, индукция ЭДС не производится.

Из всего этого следует, что равномерное вращение рамки обеспечивает индукцию ЭДС, которая равномерно изменяется по величине и направлению. Электродвижущая сила, возникающая в рамке создает, в конечном итоге, переменный ток во внешней цепи.

Мы рассмотрели классическую схему получения переменного тока. В действительности его вырабатывают с помощью генератора переменного тока. Здесь электромагнит, наоборот, вращается и имеет два и более полюсов. Его называют ротором. Роль рамки играет обмотка статора (неподвижная часть), с которой и снимается переменное напряжение. Для промышленного производства выработка производится с помощью генераторов различной мощности, установленных на электростанциях (ГЭС, ГРЭС, АЭС).

Говоря о постоянном токе (см. раздел «Про ток»), мы выяснили, что он протекает в одном направлении - от плюса источника к минусу(так было принято, хотя на самом деле наоборот). Однако в большинстве случаев приходится иметь дело с током переменным. При переменном токе электроны движутся не в одном направлении, а попеременно то в одном, то в другом, меняя свое направление. Поэтому, когда осветительная лампа включена, электроны в ее накаленной нити(да и в проводах тоже)движутся то в одну, то в другую сторону. Это движение условно показано на рис.1 и рис.2. Попробуйте пробежаться то в одну, то в другую сторону. Нетрудно догадаться, что при таком движении, прежде чем изменить направление движения, нужно сначала его замедлить, потом застыть на месте, а уж потом ринуться в другую сторону. Какая взаимосвязь с током? Перед тем как изменить движение, электроны должны притормозить(всё это мы рассматриваем в замедленном времени). Значит ток уменьшится, а лампа должна уменьшить яркость. А уж когда они остановятся перед изменением движения - и вовсе должна погаснуть. Но мы этого не видим. Почему? Потому что накаленная нить имеет тепловую инертность и за долю секунды не может остыть. Поэтому мигания мы не видим. Однако, каждый из нас слышал жужжание работающего трансформатора, что и связано с попеременным направлением движения тока.

А теперь стоит задуматься. Означает ли это, что за долю секунды электроны от электростанции доходят до дома, а за следующую долю секунды - обратно? Ранее, в разделе«Про ток» мы выяснили, что электрическое поле в проводниках распространяется со скоростью 300000км/с., а сами электроны движутся в проводниках со скоростью примерно 0,1мм/с. Но за 1/100 часть секунды (именно столько длится один полупериод, в течение которого электроны движутся в одну сторону) электроны только успевают переместиться в одном направлении, как электрическое поле начнет действовать в противоположном направлении. Вот почему электроны отклоняются то в одну, то в другую сторону и не покидают, так сказать, предела наших жилищ. То есть, у вас в доме(квартире) есть свои «домашние» электроны. Если мы могли бы замедлить время и включили бы в розетку вольтметр параллельно нагрузке, т.е. лампе (рис.3) или амперметр последовательно через нагрузку (рис.4), то увидели бы как стрелка прибора плавно изменяет свое показание от нуля до максимального значения при замере напряжения (рис.3) или тока (рис.4). На рисунке рядом это продемонстрировано. В действительности мы, конечно, этого не увидим. Причина в инертности стрелки, из-за которой она не может произвести сотню за секунду. Кстати, к рис.3 и рис.4 приведен пояснительный рис.5, где уж точно без особых усилий можно увидеть, как подключаются вольтметр и амперметр при измерении напряжения и тока в электрической цепи. Где вольтметр, а где амперметр, я думаю, можно без труда догадаться. На схемах они обозначаются как V и А соответственно.

Итак, первое, что необходимо знать - это то, что изменения тока и напряжения в электрической цепи происходят по так называемому синусоидальному закону. Второе - любое синусоидальное колебание (ток или напряжение) характеризуются следующими важными величинами:

Период Т - время совершения одного полного колебания. Половина этого времени называется полупериодом. Очевидно, что в один полупериод ток течет(ну или как мы оговаривали - электроны движутся) в одном направлении, которое условно можем принять за положительное, а в другой полупериод он течет в другом направлении, которое можем принять за отрицательное. На графиках положительный полупериод будет представлен верхней полуволной над осью Х, а отрицательный - нижней. Говоря про нашу сеть, можно указать, что период переменного тока Т = 1/50сек - 0,02сек.

Частота f - это число колебаний в секунду. Теперь давайте подсчитаем. Если одно колебание у нас происходит за время периода Т, которое равно 0,02сек, то тогда за одну секунду у нас произойдет 50 колебаний (1/0,02=50). А одно колебание представляет собой движение электронов сначала в одну сторону, потом в другую(два полупериода). Т.е. за 1сек электроны будут двигаться поочередно то в одну то в другую сторону 50раз. Вот вам и наша частота тока в сети, которая равна 50Гц (Герц).

Амплитуда - наибольшая величина тока(Imах) или напряжения (Umах=310В) за время периода Т. Очевидно, что за один период синусоидальный ток и напряжение достигают два раза своей максимальной величины.

Мгновенное значение - мы уже знаем, что переменный ток непрерывно изменяет свое направление и величину. Величина напряжения в данный момент называется мгновенным значением напряжения. Это же относится и к величине тока.

В качестве иллюстрации на рис.6 указаны несколько мгновенных значений (200В, 300В, 310В, - 150В, - 310В, - 100В) величины напряжения в электрической цепи в течение одного периода. Видно, что в начальный момент напряжение равно равно нулю, после чего постепенно нарастает до 100В, 200В и т.д. Достигнув максимального значения 310В, напряжение начинает постепенно уменьшаться до нуля, после чего изменяет свое направление и снова возрастает, достигая величины минус 310В (- 310В) и т.д. Если кто-то с трудом может себе представить, что такое смена направления, может представить себе, что плюс и минус в розетке меняются местами - т.е. если мы условно примем ноль(землю) за минус, а фазу за плюс. И происходит это 50 раз в секунду. Ну, вот где-то примерно так...

Действующее значение

Итак, зададимся вопросом - а какому постоянному напряжению равно по своему действию наше переменное напряжение в сети, показанное на рис.6? Теория и практика показывают, что оно равняется постоянному напряжению величиной 220В - рис.7. Взять это на веру не так уж и сложно, поскольку несложно увидеть, что рассматриваемое в течение одного периода напряжение имеет значение 310В только в два момента, а в остальное время оно меньше. Так как наше синусоидальное напряжение изменяется непрерывно, то целесообразно было ввести такое понятие как - действующее напряжение . Ведь именно по какому-либо конкретному значению напряжения(или тока), а не его меняющемуся значению мы можем «прикинуть» его силу. Так вот, под действующим значением переменного тока (ну или напряжения) мы понимаем такой постоянный ток, который за то же самое время совершает ту же работу (или выделяет такое же количество тепла), что и данный переменный ток.

Поэтому, наша обыкновенная лампочка (или, например, обогревательный прибор) будет одинаково работать как при переменном напряжении, изменяющегося от нуля до 310В, так и при постоянном напряжении 220В. А 12-вольтовая лампочка будет одинаково светить как от источника переменного напряжения величиной 12В(изменяющегося от нуля до 16,8В), так и от любой батарейки или аккумулятора(а они являются, как известно, источниками постоянного напряжения).

Итак, запомните!!!

Электрический ток(напряжение), который периодически изменяет свое направление и величину, называется переменным током. Любой переменный ток характеризуется в основном своей частотой, амплитудой и действующим значением;

Приборы, предназначенные для измерения переменного тока, показывают его действующее значение;

Напряжение измеряют вольтметром(или комбинированным прибором - авометром), ток - амперметром(или комбинированным прибором - авометром). Также ток можно измерять так называемыми токовыми клещами . Служат они для бесконтактного измерения тока - рабочая часть прибора образует кольцо вокруг измеряемого провода и по величине электромагнитного поля, действующего на рабочую часть прибора, выводится информация на его небольшой дисплей о величине протекающего тока. Авометр - это комбинированный прибор(его в простонародье еще называют просто тестером), который полностью в своем техпаспорте называется ампервольтомметром и служит для измерения и тока, и напряжения, и сопротивлений. А цифровые модели могут измерять и частоту напряжения(тока), и емкости конденсаторов и другие вещи - это уж как задумает разработчик;

Зная значение (действующее) переменного напряжения, всегда можно узнать его максимальное значение (не забудьте - оно меняется по синусоидальному закону). А связь здесь такая - Umax = 1,4U , где U - действующее значение, а Umax- максимальное значение (амплитуда).

В к-ром средние за период значения силы тока и напряжения равны нулю. Периодом Т П. т. наз. наименьший промежуток времени (в с), через к-рый значения силы тока (и напряжения) повторяются (рис. 1). Важной хар-кой П. т. явл. его частота f - число периодов в 1 с: f=1/T. В СССР стандартная техн. частота f=50 Гц.

Рис. 1. График периодич. перем. тока i(t).

Для передачи и распределения электрич. энергии преим. используется П. т. (благодаря простоте трансформации его напряжения почти без потерь мощности). П. т. может быть выпрямлен, напр. ПП выпрямителем, а затем с помощью ПП инверторов преобразован вновь в П. т. другой, регулируемой частоты; это создаёт возможность использовать простые и дешёвые двигатели П. т. (асинхронные и синхронные) для электроприводов, требующих плавного регулирования скорости. Генераторы и двигатели П. т. по сравнению с машинами постоянного тока при равной мощности проще по устройству, дешевле и надёжнее.

Для хар-ки силы П. т. за основу принято сопоставление ср. теплового действия П. т. с тепловым действием пост. тока соответствующей силы. Полученное таким путём значение силы I П. т. наз. действующим (или эффективным) значением, математически представляющим среднеквадратичное за период значение силы тока. Аналогично определяется и действующее значение напряжения U П. т. Амперметры и вольтметры П. т. измеряют именно действующие значения тока и напряжения.

В простейшем и наиб. важном случае мгновенное значение силы i П. т. меняется во времени t по синусоидальному закону: i=Imsin(wt+a), где Im- амплитуда тока, w=2pf - его круговая частота, a - нач. . Синусоидальный (гармонический) ток создаётся синусоидальным напряжением u той же частоты: u=Umsin(wt+b), где Um- амплитуда напряжения, b- нач. фаза (рис. 2).

Рис. 2. Графики напряжения U и тока i в цепи перем. тока при сдвиге фаз j.

Действующие значения такого П. т. равны: I=Im?2»0,707 1m, U=Uт/?2»0,707Um. Для синусоидальных токов, удовлетворяющих условиям квазистационарности (см. КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЙ ТОК); в дальнейшем будут рассматриваться только такие токи), справедлив Ома закон (закон Ома в дифф. форме справедлив и для неквазистационарных токов в линейных цепях). Из-за наличия в цепи П. т. индуктивности L или (и) ёмкости С между током i и напряжением и в общем случае возникает фаз j=b-a, зависящий от параметров цепи (r, L, С, где r - активное сопротивление) и частоты w.

Рис. 3. Схема цепи и графики напряжения и U тока i в цепи, содержащей только активное сопротивление r.

Это импеданс колебательного Z/СЛ-контура, L/CR1.На резонансной (томсоновской) частоте = ( ЬС)~ 1 /* импеданс Z минимален но модулю. Методкомплексных амплитуд порождает метод векторных (круговых) диаграмм, основанныйна , построении напряжений и токов как векторов на комплексных плоскостях, Мощность W, выделяемая в цепи П. период колебаний произведения и J:

где - разность фаз между напряжением и током. Иногда вводят понятие эффективных(действующих) напряжений и токов чтобы ф-ла для оптимально поглощаемой (отдаваемой сопротивлению) мощностиимела тот же вид, что и для цепей пост. тока. Этот оптимум достигаетсяпри значении =0. Такой режим наз. согласованным. При 0часть мощности "отражается" обратно к источнику. Поэтому иногда проблемусогласования в эл.-технике наз. проблемой "оптимального cos".
С ростом частоты квазистационарное перестаёт быть справедливым, и для полученияраспределения П. т. необходимо обращаться непосредственно к Максвеллауравнениям. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, иногда такие токиназ. быстропеременными (БПТ) и предпочитают оперировать не с суммарными(интегральными) силами тока, а с их объёмными плотностями j(r,t). Припротекании по хорошо проводящим телам БПТ стремятся прижаться к их наружнымповерхностям (скин-эффект). В случае идеальной проводимости они распределяютсяпо самой поверхности; такие токи наз. поверхностными и характеризуютсяповерхностными плотностями. Плотность БПТ всегда можно разбить на потенциальнуюи вихревую . Последняя ответственна за вихревых эл.-магн. излучение эл.-магн. энергии. Это, в частности, используется в излучателях(антеннах), где путём подбора надлежащих распределений БПТ создаются требуемыеугл. распределения полей излучения (диаграммы направленности).

Лит.: Нелинейные электрические цепи. поле, 4 изд., М., 1979; Касаткин А. С., Немцов М. В.,Электротехника, 4 изд., М., 1983; Поливанов К. М., Линейные электрическиецепи с сосредоточенными постоянными, М., 1972.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК" в других словарях:

В широком смысле электрический ток, изменяющийся во времени; в узком периодический ток, среднее за период значение которого равно нулю. Наиболее часто применяется синусоидальный переменный ток … Большой Энциклопедический словарь

Переменный электрический ток - ток с меняющимися во времени направлением и силой. Те токи, которые изменяются только по величине, называются пульсирующими. В промышленности и быту чаще всего используется переменный

Преобразование в переменный электрический можно выполнить следующим образом. Поместим в равномерное постоянное магнитное поле виток проволоки. При равномерном вращении этого витка вокруг оси будет непрерывно меняться как по величине, так и по направлению. Вследствие этого, по в витке образуется переменная по направлению и величине Если такой виток присоединить к внешней цепи, то в ней мы получим переменный электрический ток.

Когда плоскость вращающегося витка становится перпендикулярна по отношению к силовым линиям данного магнитного поля, проходящий сквозь нее магнитный поток - наибольший (Φ = Φmax), скорость же изменения его равна нулю (ΔΦ/Δt = 0), так как, проходя через такое положение, проводники витка проскальзывают по силовым линиям поля, не пересекая их. А значит, ЭДС индукции, образующаяся в витке, станет равна нулю (Е = 0).

Когда же плоскость витка параллельна силовым линиям поля, поток, пронизывающий ее, равен нулю (Φ = 0), скорость же изменения его в таком положении наибольшая ((ΔΦ/Δt)max), поскольку проводники витка движутся перпендикулярно относительно силовых линий.

ЭДС, возникающая в этом случае в витке, имеет наибольшее значение (E = Emax). При дальнейшем вращении витка скорость изменения потока, пронизывающего виток, будет увеличиваться; значит, ЭДС по абсолютной величине будет возрастать от 0 до Emax. Так, уровень ЭДС индукции во вращающемся витке за один его оборот изменяется от -Emax до +Emax.

Разомкнем виток проволоки и присоединим его к осциллографу. Когда виток вращается в магнитном поле, осциллограф запишет все изменения тока, по которым можно будет судить и об изменении электродвижущей силы в витке за время одного оборота.

Ток, возникающий в витке при его равномерном обращении в равномерном магнитном поле, как показывает осциллограмма, изменяется синусоидально. Такой ток называют переменным синусоидальным.

Промежуток времени, за который электродвижущая сила выполняет одно колебание, называют периодом переменного тока.

Буквенное обозначение периода колебания - Т. Число колебаний за 1 секунду - частота тока, которую обозначают буквой f. Ее единица измерения - герц (Гц):

f = 1/T, либо T = 1/f.

Если значение ЭДС в некоторый произвольный момент времени мы обозначим через е (ее мгновенное значение), а самое большое значение (амплитудное) - через Emax, то закон, выражающий зависимость е от времени, в случае синусоидального тока можно выразить в виде следующего выражения:

e = Emax˖sin (2/T)t.

В большинстве стран в промышленности и в быту используют переменный электрический ток с частотой 50 Гц, продолжительностью периода 0,02 секунды.

Получение переменного электрического тока из механической энергии выполняется при помощи специальных машин, которые называют генераторами. В основе принципа их работы - закон электромагнитной индукции. Самая простая схема генератора может быть представлена в виде рамки, вращающейся вокруг оси в магнитном поле электромагнита или При вращении рамки в ней образуется переменная электродвижущая сила. Соединив рамку с внешней цепью, получим переменный электрический ток. Генератор переменного тока, имеющий неподвижную магнитную систему и вращающиеся витки, строится достаточно редко.

Почти во всех таких генераторах обмотка (якорь) установлена неподвижно, а магнитная система (индуктор) вращается. Недвижимую часть генератора называют статор, а подвижную - ротор.

Переменный электрический ток (AC, аббревиатрура от англ. alternating current) - это меняющийся по своей величине и направлению с определенной периодичностью электрический ток. В электротехнике в качестве буквенного обозначения электрического тока принято использовать знак тильда (~).

Источниками переменного электрического тока служат генераторы переменного тока, создающие переменную электродвижущую силу, изменение величины и направления которой происходит через определенные промежутки времени.

Основные параметры переменного тока

Для его описания используют следующие параметры (см. график):

• Период (T) - длительность времени в течение которого электрический ток совершает один полный цикл изменений, возвращаясь к своей начальной величине;
• Частота (f) - параметр, определяющий количество полных колебаний электрического тока за одну секунду, единица измерения - 1 Герц (Гц). Так, напр. стандарт частоты тока, принятый в отечественных энергосистемах составляет 50 Гц или 50 колебаний в секунду.
• Амплитуда тока (Im) - максимальное достигаемое мгновенное значение величины тока за период, как видно из представленного графика - высота синусоиды;
• Фаза - состояние переменного синусоидального электрического тока: мгновенное значение, изменение направления, возрастание (убывание) в цепи. Переменный ток может быть как однофазным, так и многофазным.

Наибольшее распространение получили трехфазные системы, представляющие собой три отдельных эл. цепей с одинаковой частотой и ЭДС, с углом сдвига φ=120°. Более подробно с понятием можно ознакомиться в статье Принцип создания трехфазной цепи переменного тока.

Применение переменного тока

Переменный синусоидальный электрический ток используется практически во всех отраслях хозяйства. Широкое применение переменного тока обусловлено во многом экономической эффективностью его использования в системах электроснабжения, простотой в преобразовании из энергии низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот.

Эта возможность позволяет уменьшить потери электроэнергии при ее передаче на большие расстояние по проводам, существенно снизив площадь их поперечного сечения.