Змінний електричний струм

Поняття змінного електричного струму дається в підручнику фізики загальноосвітнього навчального закладу - школи. Змінний електричний струм має форму гармонійного синусоїдального сигналу, основними характеристиками якого є діюча напруга і частота.
Частота - це кількість повних змін полярності змінного електричного струму за одну секунду. Це означає, що струм, в звичайної побутової розетки частотою 50 Герц за одну секунду змінює свій напрямок з позитивного значення на негативне і назад рівно п'ятдесят разів. Одне повна зміна напряму (полярності) електричного струму з позитивного значення на негативне і знову на позитивне називають - періодом коливання електричного струму. Протягом періоду Т змінний електричний струм змінює свій напрямок двічі.
Для візуального спостереження синусоїдальної форми змінного струму зазвичай використовують осцилограф. Для виключення ураження електричним струмом та захисту осцилографа від напруги по входу, використовують розділові трансформатори. Для вимірювання періоду немає різниці, по яким рівнозначним (равноамплітудним) точкам його вимірювати. Можна по максимальним позитивним, або негативним вершин, а можна і по нульового значення. Це пояснюється на малюнку.

З підручника фізики ми знаємо, що змінний електричний струм виробляється за допомогою електричної машини - генератора. Найпростіша модель генератора це магнітна рамка, що обертається в магнітному полі постійного магніту.
Уявімо собі прямокутну дротяну рамку з декількома витками, рівномірно обертається в однорідному магнітному полі. Що виникає в цій рамці е.р.с. індукції змінюється за синусоїдальним законом. Період коливання Т змінного електричного струму - це один повний оборот магнітної рамки навколо своєї осі.

Одними з важливих характеристик електричного струму є дві величини змінного електричного струму - максимальне значення і середнє значення.
Максимальне значення напруги електричного струму Umax - це величина напруги, що відповідає максимальному значенню синусоїди. Середнє значення напруги електричного струму Uср - це величина напруги, що дорівнює значенню 0,636 від максимального. Математично це виглядає так:

Синусоїду максимальної напруги можна проконтролювати на екрані осцилографа. Зрозуміти, що таке середнє значення змінної електричної напруги можна провівши експеримент за малюнком і опису нижче.

Використовуючи осцилограф, підключіть до його входу синусоїдальна напруга. Ручкою вертикального зсуву розгортки перемістіть "нуль" розгортки на саму нижню лінію шкали екрану осцилографа. Розтягніть і змістите горизонтальну розгортку так, щоб одна полуволна синусоїдальної напруги помістилася в десять (п'ять) клітин екрану осцилографа. Ручкою вертикального розгорнення (посиленням) розтягніть розгортку так, щоб максимальна амплітуда напівхвилі помістилася рівно в десять (п'ять) клітин екрану осцилографа. Визначте амплітуду синусоїди на десяти дільницях. Підсумуйте всі десять значень і поділіть на десять - знайдіть його "середній бал". В результаті Ви отримаєте значення напруги, приблизно рівне 6,36 від його максимального значення - 10.
Вимірювальні прилади - вольтметри, цешки, мультиметри для вимірювання змінної напруги мають в своїй схемі випрямляч і згладжує конденсатор. Цей ланцюжок "округлює" множник різниці максимального і вимірюваної напруги до числа 0,7. Тому, якщо Ви будете спостерігати на екрані осцилографа синусоїду напруги амплітудою 10 вольт, то вольтметр (цешка, мультиметр) покаже не 10, а близько 7 вольт. Ви думаєте що у Вашій домашній розетки - 220 вольт? Так і є, але не зовсім так! 220 вольт - це середнє значення напруги побутової розетки, усереднене вимірювальним приладом - вольтметром. Максимальна ж напруга випливає з формули:

Саме тому, коли Вас "б'є" струмом від електричної розетки 220 вольт, знайте, що це Ваша ілюзія. Насправді, Вас трясе напруга близько 315 вольт.

Поряд з простим синусоїдальним змінним струмом в техніці широко використовується так званий трифазний струм. Мало того, трифазний електричний струм - це основний вид енергії використовується у всьому світі. Трифазний струм придбав популярність через менш витратною передачі енергії на великі відстані. Якщо для звичайного (однофазного) електричного струму потрібно два дроти, то для трифазного струму, у якого енергія в три рази більше, потрібно всього три дроти. Фізичний сенс Ви дізнаєтеся в цій статті пізніше.
Уявіть, якщо навколо загальної осі обертається не одна, а три однакові рамки, площини яких повернені один відносно одного на 120 градусів. Тоді виникають в них синусоїдальні ЕРС також будуть зрушені по фазі на 120 градусів (див. на рис).

Такі три узгоджених змінних струму називають трифазним струмом. Спрощене розташування дротяних обмоток в генераторі трифазного струму ілюструється на малюнку.

Підключення обмоток генератора по трьом окремих ліній показано на малюнку нижче.

Таке підключення шістьма проводами досить громіздко. Так як для явищ в електричних ланцюгах важливі тільки різниці потенціалів, то один провідник може використовуватися відразу для двох фаз, без зниження здатності навантаження по кожній з фаз. Іншими словами, в разі підключення обмоток генератора за схемою "зірка" з використанням "нуля", передача енергії від трьох джерел проводиться за чотирма проводам (див. Рис.), В яких один є загальним - нульовим проводом.

З трьох проводів може передаватися енергія відразу від трьох (фактично незалежних) джерел електричного струму з'єднаних "трикутником".

У промислових генераторах і перетворюють трансформаторах "трикутником" зазвичай підключається міжфазне напруга 220 вольт. При цьому "нульовий" провід відсутній. "Зірка" застосовується для передачі напруги мережі з використанням "нуля". При цьому на фазі щодо "нуля" діє напруга 220 вольт. Міжфазне напруга при цьому дорівнює 380 вольт.

Частим явищем за часів "нахабно краде демократії" було згоряння побутової апаратури в квартирах добропорядних громадян, коли через слабку проводки згорав загальний "нуль", тоді в залежності від того, яка кількість побутових приладів включено в квартирах, горіли телевізори та холодильники у того , хто їх найменше включав. Викликано це явищем "перекосу фаз", яке виникало при обриві нуля. В розетку добропорядних громадян замість 220 вольт спрямовувалося міжфазне напруга 380 вольт. До теперішнього часу в багатьох комуналках і спорудах нагадують житло наших українських міст і сіл це явище до кінця не викорінити.

ОТРИМАННЯ ЗМІННОГО СТРУМУ

У промисловості в основному застосовують синусоїдальний змінний струм, який на відміну від постійного щомиті змінює своє значення і періодично напрямок. Для отримання такого струму використовують джерела електричної енергії, що створюють змінну е. д. з, періодично змінюється за величиною і напрямком; такі джерела називаються генераторами змінного струму. Принцип отримання змінного струму. Найпростішим генератором змінного струму може служити виток, що обертається в рівномірному магнітному полі (рис. 168, а). Користуючись правилом правої руки, легко визначити, що в процесі обертання витка напрямок е. д.с. е, індукованої в робочих ділянках 1 і 2 витка, безперервно змінюється (показано стрілками), отже, змінюється і напрямок проходить по замкнутому ланцюзі струму i. Згідно із законом електромагнітної індукції е. д. з, индуцируемая в витку при обертанні його з окружною швидкістю. в магнітному полі з індукцією В,

2l - довжина двох робочих частин витка, що знаходяться в магнітному полі;

- кут між напрямком силових магнітних ліній і напрямком руху витка в даний момент часу (напрямком вектора швидкості?).

При обертанні витка з кутовий швидкістю. кут. =? T, отже,

Змінний кут. t називається фазою е. д. з. Величина 2lB. є максимальне значення е. д. з. е, яке вона приймає при? t = 90 ° (коли площину витка перпендикулярна силовим магнітним лініям). Позначивши його EТ отримаємо:

Отримана залежність зміни е. д. з. е від кута? t або від часу t графічно зображується синусоїдою (рис. 168, б). Е. д. З, струми і напруги, що змінюють свої значення і напрямки по закону синусоїди, називаються синусоїдальними. Ось, по якій відкладають кути. t, можна розглядати як вісь часу t. Розглянемо кілька окремих положень витка. У момент часу, що відповідає куту? T1 (див. Рис. 168, а), коли виток знаходиться в горизонтальному положенні, його робочі ділянки як би ковзають уздовж силових магнітних ліній, не перетинаючи їх; тому в цей момент е. д. з. в них не індуцируется (точка 1 на рис. 168, б). При подальшому повороті витка боку його почнуть перетинати магнітні силові лінії. У міру збільшення кута повороту збільшується і число силових ліній, що перетинаються сторонами витка в одиницю часу, і відповідно зростає индуцированная в витку е. д. з е. У момент часу, що відповідає куту? t2. виток перетинає найбільшу кількість силових магнітних ліній, так як його робочі ділянки 1 і 2 рухаються перпендикулярно силовим лініям магнітного поля; в цей момент е. д. з. е досягає свого максимального значення Ет (точка 2 на графіку). При подальшому обертанні витка число пересічних силових ліній зменшується і відповідно зменшується индуцированная в витку е. д. з. У момент часу, що відповідає куту робочі ділянки витка знову як би ковзають уздовж магнітних силових ліній, в результаті чого е. д. з. е дорівнюватиме нулю (точка 3). Потім робочі ділянки 1 і 2 витка знову починають перетинати магнітні силові лінії, але вже в іншому напрямку, тому в витку з'являється е. д. з. протилежного напрямку. У момент часу, що відповідає куту? T4. при вертикальному розташуванні витка е. д. з. в досягає максимального значення - Ет (точка 4), потім вона зменшується, і в момент часу, відповідний? t5, знову стає рівною нулю (точка 5). При подальшому русі витка з кожним

Мал. 168. Індукування синусоидальной е. д. з. (А) і крива її зміни (б)

новим обігом описаний вище процес індукування е. д. з. буде повторюватися.

У сучасних генераторах змінного струму магніти або електромагніти, що створюють магнітне поле, зазвичай розташовуються на деталі, що обертається машини - роторі. а витки, в яких індукується змінна е. д. з, - на нерухомої частини генератора - статорі. Однак з точки зору принципу дії генератора змінного струму байдуже, на якій частині машини - роторі або статорі - розташовані витки, в яких індукується змінна е. д. з.

Робота приймачів електричної енергії при змінному струмі. Якщо підключити до генератора змінного струму електричну лампу (див. Рис. 168, а), то нитка її буде періодично загострюватися і остигати. Однак якщо частота змін змінного струму досить велика, то нитка лампи не буде встигати охолоджуватися і очей людини не буде вловлювати змін її напруження. Такі ж умови мають місце і при роботі електродвигунів змінного струму; такий двигун при роботі отримує від джерела імпульси змінного струму, такі одна одною з великою частотою, і його ротор буде обертатися з постійною частотою.