Основні параметри ланцюга змінного струму. Змінний струм. Основні параметри
змінним струмомназивають такий електричний струм, Який періодично змінюється за величиною і напрямком.
Для отримання змінного струму використовують електромашинні генератори, робота яких заснована на явищі електромагнітної індукції. Змінний струм має величезне практичне значення. Майже вся електроенергія виробляється у вигляді енергії змінного струму.
можливість отримувати змінний струм різної напруги (високого - для передачі енергії на великі відстані, низького - для харчування різних споживачів), простота пристрою генераторів і двигунів змінного струму, надійність їх роботи, зручність експлуатації і високі технічні характеристики
дали їм широке застосування.
Найбільшого поширення набув синусоїдальний струм. Зміна струму за синусоїдальним законом відбувається плавно, без стрибків і різких перепадів, що сприятливо позначається на роботі електричних машин і апаратів.
Тимчасова діаграма синусоїдального струму приведена на рис.1. Його миттєве значення описується формулою
Де - максимальне значення (амплітуда) струму; - кутова частота;
Початкова фаза (значення аргументу в початковий момент часу, т. Е. При t \u003d 0).
Мінлива ЕРС, змінна напруга і змінний струм характеризуються періодом, частотою, миттєвим, максимальні значеннями, що діє величиною.
Рис. .1. Тимчасова діаграма синусоїдального струму
Період. Час, протягом якого змінна ЕРС (напруга або струм) здійснює одне повне зміна за величиною і напрямком (один цикл), називається періодом. Період позначається літерою T і вимірюється в секундах (с).
частота. Число повних змін змінної ЕРС (напруги або струму), що здійснюються за 1 с, називається частотою. Частота позначається буквою і вимірюється в герцах (Гц). При вимірюванні великих частот користуються одиницями кілогерц (кГц) і мегагерц (МГц):
1 кГц \u003d 1 ТОВ Гц, 1 МГц \u003d 1 ТОВ кГц \u003d 1 ТОВ ТОВ Гц.
Чим більше частота змінного струму, тим коротший період. Таким чином, частота - це величина, зворотна періоду:
При обертанні витка в магнітному полі один його оборот відповідає 360 °, або 2л радіан. Кутова швидкість обертання цього витка виражається в радіанах в секунду (рад / с) і визначається відношенням. Ця величина називається кутовою частотою і позначається буквою:
Кутова частота струму виражена в радіанах в секунду, більше частоти струму вираженою в герцах в раз
Миттєве і максимальне значення. Величини змінної ЕРС, сили струму, напруги та потужності в будь-який момент часу називають миттєвими значеннями цих величин, позначають відповідно малими літерами (,,,) і записують наступним чином:
Отримання однофазного змінного струму. Основні параметри змінного струму.
Змінним називають струм, зміна якого за значенням і напрямку повторюється через рівні проміжки часу.
Розглянемо принцип дії найпростішого генератора змінного струму. Між полюсами електромагніту або постійного магніту (рис 1) розташований циліндричний ротор (якір), набраний з листів електротехнічної сталі. На роторі укріплена котушка, що складається з певного числа витків дроту. Кінці цієї котушки з'єднані з контактними кільцями, які обертаються разом з ротором. З контактними кільцями пов'язані нерухомі контакти (щітки), за допомогою яких котушка з'єднується із зовнішнім ланцюгом. Повітряний зазор між полюсами і ротором профилируют так, щоб індукція магнітного поля в ньому змінювалася за синусоїдальним законом:
де 
- кут між площиною котушки і нейтральній площиною 
.
Коли ротор обертається в магнітному полі зі швидкістю 
в активних сторонах котушки наводиться ЕРС індукції
де 
- кут між направлені-
ями векторів індукції магніт-
ного поля Ві швидкості v;
l- довжина активних сторін витків котушки.
Магнітне поле в зазорі розташоване так, що кут 
. Таким чином,
При числі витків число активних сторін котушки одно 
. Тоді ЕРС котушки :, де 
- максимальне значення ЕРС.
Таким чином, ЕРС генератора змінюється за синусоїдальним законом. Якщо до затискачів генератора підключити навантаження, то через неї піде струм, який також буде змінюватися за синусоїдальним законом.
Для кількісної характеристики змінного струму служать наступні параметри.
1. миттєві значенняструму i, напруги u, ЕРС е- їх значення в будь-який момент часу: 
;
;
.
2. амплітудні значенняструму 
, напруги 
, ЕРС 
- максимальні значення миттєвих величин I,
uі
e(Див рис)
3. періодТ- проміжок часу, протягом якого струм робить повне коливання і приймає колишній за величиною і знаку миттєве значення.
4
.Кутова швидкість характеризує швидкість обертання котушки генератора в магнітному полі. На практиці для отримання потрібної частоти при відносно малій кутовий швидкості генератори мають кілька пар полюсів р.
На малюнку показаний генератор з двома парами полюсів, в якому за один оборот котушки ЕРС змінює положення 4 рази або 2 рраз. Введемо поняття електричного кута 
ел :
ел \u003d 
. тоді швидкість визначає електричну кутову швидкість котушки:
ел / ( рТ) \u003d р2 
/ (РТ) \u003d 2 / Т,
де р2 - електричний кут, що відповідає одному обороту котушки в просторі; рТ- час, відповідне рперіодам струму.
Таким чином, ця формула визначає електричну частоту обертання.
5. циклічна частотаf- величина, зворотна періоду Т,тобто f=1/ T,
і характеризує число повних коливань струму за 1с.
Одиницею циклічною частоти є герц (Гц):
[f]=1/c\u003d Гц.
6. Діючі значення струмуI, напругиU і ЕРС Е.Для вимірювання змінного струму, напруги і ЕРС вводять поняття чинного значення. Змінний струм порівнюють з постійним по тепловому дії. Якщо положення реостатов підібрано так, що кількість теплоти, що виділяється в схемах (див. Рис) на резістореR, виявляється однаковим, то можна вважати, що і струми в схемах однакові.
Знайдемо співвідношення між чинним і амплітудним значенням струму. згідно з визначенням ,
- кількість теплоти, що виділяється постійним і змінним струмами): 
,
де i 2 Rdt - кількість теплоти , виділяється змінним струмом за час dt.
Прирівнявши ці вирази, отримаємо: 
.
Скоротивши на загальний множник Rі врахувавши, що 
, Знайдемо вираз для чинного значення струму: 
,
або після інтегрування: 
У промисловості і в побуті широко використовується синусоїдальний змінний струм. Назва "синусоїдальний струм" пояснюється тим, що напруга і струм в ланцюзі змінюються згідно із законом синуса. Часто такий струм називають просто змінним або просто синусоїдальним.
Переваги змінного струму полягають у наступному:
1. Двигуни змінного струму простіше, дешевше і надійніше, ніж двигуни постійного струму. Це дуже важливо, тому що в промисловості і в побуті використовуються мільйони електродвигунів.
2. Змінний струм можна трансформувати, тобто, за допомогою трансформатора, підвищувати або знижувати його величину.
Рис. 40. Ланцюг синусоїдального змінного струму і графік синусоїдального струму
Ланцюг з джерелом змінного струму і графік зміни змінного струму показаний на рис. 40. На малюнку показана синусоїда змінного струму . Точно такий же вигляд матиме графік синусоїдальної напруги або ЕРС.
На відміну від постійного струму, змінний безперервно змінюється за величиною і напрямком.
Синусоїдальна коливання складаються з двох напівперіодів - позитивного і негативного. На малюнку 40 видно, що напівперіоди синусоїди однакові по висоті і по ширині. Відрізняються вони тільки полярністю.
При зміні полупериода змінюється полярність напруги на затискачах джерела і, відповідно, напрямок струму в ланцюзі (див. Рис. 40).
З розгляду графіка синусоїди видно, що величина змінного струму в ланцюзі постійно змінюється. У початковий момент періоду струм дорівнює нулю. Потім величина струму наростає до позитивного максимуму, після чого починає спадати і спадає до нуля. У цей момент закінчується перший (позитивний) напівперіод.
У другому (негативному) напівперіоді ток знову наростає до максимуму, але його напрям (полярність) протилежно тому, що було в першому напівперіоді. Потім струм спадає до нуля і другий напівперіод закінчується.
Після цього розглянутий процес зміни величини і напрямку струму повторюється.
Отримання змінного струму
Змінний струм, який застосовується в промисловості і в побуті, виробляють генератори на електростанціях. Робота генераторів заснована на явищі електромагнітної індукції. Щоб краще зрозуміти принцип роботи генератора повторіть явище електромагнітної індукції. Розглянемо принцип роботи генератора. У генераторі, в магнітному полі, з кутовою швидкістю ω (омега) обертається рамка. Магнітне поле створюється електромагнітами, що не показаними на малюнку. Рамка це провідник, зігнутий у формі прямокутника. Обертання рамки забезпечується якоюсь зовнішньою силою. Наприклад, на гідроелектростанції, обертання рамки забезпечує падаюча вода.
Рис. 41. Принцип роботи генератора змінного струму
Сторони рамки перетинають силові лінії магнітного поля. При цьому в рамці наводиться ЕРС, відповідно до явищем електромагнітної індукції.
Кожен кінець рамки з'єднаний з мідним кільцем, яке обертається разом з рамкою. До кілець притиснуті графітові щітки. Кільця і \u200b\u200bщітки необхідні, щоб передати ЕРС, навідні під обертається рамці, на нерухоме опір навантаження R н.
Генератори, що виробляють змінний струм, зустрічаються не тільки на гідроелектростанціях. Аналогічну конструкцію і принцип роботи мають генератори змінного струму в автомобілях і інших пристроях.
Зауважимо, що якщо необхідний постійний струм, То він виходить з змінного, шляхом його випрямлення.
Параметри змінного струму
Змінний струм характеризується рядом параметрів. Розглянемо найважливіші з них.
На рис. 42 показаний графік синусоїдального струму. Аналогічно виглядають графіки синусоїдальної напруги або ЕРС.
Рис. 42. Графік синусоїдального струму. Період синусоїди Т.
Показано миттєве i і амплітудне I m значення синусоїдальної величини
1. період - час, за яке синусоїда здійснює одне повне коливання. період Т вимірюється в секундах.
2. частота - показує число коливань синусоїди за 1 секунду. Частота позначається буквою f (Еф) і вимірюється в герцах (Гц). Частота синусоїдального струму, що застосовується в промисловості і в побуті 50 Гц. Частота і період пов'язані формулою:
3. кутова частота ω (Омега) - показує кутову швидкість обертання рамки генератора (кут, в радіанах, на який повернеться рамка генератора за одну секунду):
Один повний оборот рамки - це 360 градусів, або 2π радіан.
4. Миттєве значення струму, напруги або ЕРС. Позначається малої (рядкової) буквою: i, u, e.
Миттєвим називається значення синусоїдальної величини в даний момент часу, наприклад при t 1 значення струму - i 1. На ріс.42 показані миттєві значення струму для двох моментів часу., Видно, що в кожен момент часу струм має своє значення. Порівняйте на малюнку величину (миттєве значення) струму в моменти часу t 1 і t 2.
5. Амплітудне (максимальне) значення струму, напруги або ЕРС - найбільше з усіх миттєвих значень.
На рис. 42 показані амплітудні (максимальні) значення струму для позитивного I m і негативного -I m полупериодов. За величиною вони однакові.
Амплітудні значення позначаються великою літерою з індексом m. Іноді замість букви m пишеться max.
6. Чинне значення струму, напруги або ЕРС. Позначається великою літерою без індексу: I, U, E.
Чинне значення найважливіше для практики. Воно використовується для оцінки величини змінного струму найчастіше. Вольтметри і амперметри показують саме діюче значення, Відповідно напруги або струму.
У стандартній побутової мережі діюче значення напруги становить 220 В.
Амплітудне значення більше чинного в 1,41 рази (корінь їх двох).
