Vilka mängder kallas variabel och periodisk. Vad är växelström

Facebook

Även om vi använder elektriska apparater varje dag i vardagen, kan inte alla svara på hur växelström skiljer sig från likström, trots att detta beskrivs i skolplanen. Därför är det vettigt att komma ihåg de grundläggande principerna.

Allmänna definitioner

Den fysiska processen där laddade partiklar rör sig i en ordnad (riktad) riktning kallas en elektrisk ström. Det är vanligt att dela upp den i variabel och konstant. I den första förblir riktningen och storleken oförändrad, medan i den andra ändras dessa egenskaper enligt ett visst mönster.

Ovanstående definitioner är mycket förenklade, även om de förklarar skillnaden mellan likström och växelström. För en bättre förståelse av vad denna skillnad är är det nödvändigt att ge en grafisk representation av var och en av dem, och också förklara hur den variabla elektromotoriska kraften bildas i källan. För att göra detta, låt oss vända oss till elektroteknik, eller snarare dess teoretiska grunder.

Källor till EMF

Källor till elektrisk ström av något slag är av två typer:

primär, med deras hjälp, genereras elektricitet genom att omvandla mekanisk, sol, termisk, kemisk eller annan energi till elektrisk energi;
sekundärt genererar de inte elektricitet, utan omvandlar den till exempel från en variabel till en konstant eller vice versa.

Den enda primära källan till växelström är en generator; ett förenklat diagram över en sådan anordning visas i figuren.

Legend:

1 - rotationsriktning;
2 - magnet med polerna S och N;
3 - magnetfält;
4 - trådram;
5 - EMF;
6 - ringkontakter;
7 - nuvarande samlare.

Funktionsprincip

Mekanisk energi omvandlas till elektrisk energi av generatorn som visas i figuren enligt följande:

på grund av ett sådant fenomen som elektromagnetisk induktion, när ramen "4" roterar, placerad i magnetfältet "3" (som uppstår mellan de olika polerna i magneten "2"), bildas EMF "5" i den. Spänningen matas till nätet genom strömkollektorerna "7" från ringkontakterna "6", till vilka ramen "4" är ansluten.

Video: DC och AC - skillnader

När det gäller EMF: s storlek beror det på hastigheten för att korsa kraftlinjerna "3" med ramen "4". På grund av det särdrag hos det elektromagnetiska fältet kommer minsta korsningshastighet, och därmed det lägsta värdet för den elektromotoriska kraften, att vara i det ögonblick då ramen är i vertikalt läge, högsta är i den horisontella.

Med tanke på ovanstående induceras en EMF i processen med enhetlig rotation, vars egenskaper hos storleken och riktningen ändras med en viss period.

Grafiska bilder

Genom att använda den grafiska metoden är det möjligt att få en visuell återgivning av de dynamiska förändringarna av olika mängder. Nedan visas en graf över spänningsvariation över tid för en 3336L (4,5 V) cell.

Som du kan se är grafen en rak linje, det vill säga källspänningen förblir oförändrad.

Nu kommer vi att ge ett diagram över dynamiken i spänningsförändringar under en cykel (full vridning av ramen) för generatorns drift.

Den horisontella axeln visar rotationsvinkeln i grader, den vertikala axeln visar EMF (spänning)

För tydlighetens skull kommer vi att visa ramens utgångsläge i generatorn, motsvarande utgångspunkten för rapporten på grafen (0 °)

Legend:

1 - magnetpoler S och N;
2 - ram;
3 - ramens rotationsriktning;
4 - magnetfält.

Låt oss nu se hur EMF kommer att förändras under en rotationscykel av ramen. I utgångsläget är EMF noll. Under rotation kommer detta värde att öka smidigt och nå ett maximum i det ögonblick då ramen är i en vinkel på 90 °. Ytterligare rotation av ramen kommer att leda till en minskning av EMF och nå ett minimum vid rotationstidpunkten med 180 °.

Genom att fortsätta processen kan du se hur den elektromotoriska kraften ändrar riktning. Arten av förändringarna i EMF som ändrade riktning kommer att vara desamma. Det vill säga att den börjar gradvis öka och nå en topp vid den punkt som motsvarar en 270 ° rotation, varefter den kommer att minska tills ramen slutför en fullständig rotationscykel (360 °).

Om grafen fortsätter under flera rotationscykler kommer vi att se en sinusformad egenskap hos en växelström. Dess period kommer att motsvara ett varv i ramen, och amplituden kommer att motsvara det maximala värdet för EMF (direkt och bakåt).

Låt oss nu gå vidare till en annan viktig egenskap hos växelström - frekvens. För dess beteckning antas den latinska bokstaven "f", och dess måttenhet är hertz (Hz). Denna parameter visar antalet fullständiga cykler (perioder) för EMF -förändring inom en sekund.

Frekvensen bestäms av formeln :. Parametern "T" visar tiden för en fullständig cykel (period), mätt i sekunder. Följaktligen är det lätt att bestämma tidpunkten för perioden när man känner till frekvensen. Till exempel används i vardagen en elektrisk ström med en frekvens på 50 Hz, därför kommer tiden för dess period att vara två hundradelar av en sekund (1/50 = 0,02).

Trefas generatorer

Observera att det mest kostnadseffektiva sättet att få växelström är att använda en trefasgenerator. Ett förenklat diagram över dess konstruktion visas i figuren.

Som du kan se använder generatorn tre spolar, placerade med en förskjutning på 120 °, anslutna med en triangel (i praktiken används en sådan anslutning av generatorlindningarna inte på grund av låg effektivitet). När en av magnetens poler passerar spolen induceras en EMF i den.

Vad är anledningen till olika elektriska strömmar

Många kan ha en välgrundad fråga - varför använda en sådan mängd olika elektriska strömmar om du kan välja en och göra den standard? Saken är att inte alla typer av elektrisk ström är lämplig för att lösa ett visst problem.

Som ett exempel kommer vi att ge de villkor under vilka användningen av konstant spänning inte bara är olönsam, men ibland omöjlig:

uppgiften att överföra spänning över avstånd är lättare att implementera för växelspänning;
det är nästan omöjligt att omvandla en konstant elektrisk ström för olika elektriska kretsar med en obestämd förbrukningsnivå;
att upprätthålla den nödvändiga spänningsnivån i likströmskretsar är mycket svårare och dyrare än växelström;
motorer för växelspänning är strukturellt enklare och billigare än för likspänning. Vid denna tidpunkt bör det noteras att sådana motorer (asynkrona) har en hög startström, vilket inte tillåter dem att användas för att lösa vissa problem.

Nu kommer vi att ge exempel på uppgifter där det är mer ändamålsenligt att använda en konstant spänning:

för att ändra rotationshastigheten för asynkronmotorer krävs det att man ändrar nätspänningsfrekvensen, vilket kräver sofistikerad utrustning. För likströmsmotorer är det tillräckligt att ändra matningsspänningen. Det är därför de installeras i elektriska transporter;
strömförsörjning av elektroniska kretsar, galvanisk utrustning och många andra enheter utförs också med konstant elektrisk ström;
Likspänning är mycket säkrare för människor än växelspänning.

Baserat på exemplen ovan, blir det nödvändigt att använda olika typer av spänning.

Elektrisk ström är den riktade rörelsen för laddade partiklar. Strömens kvantitativa egenskaper är dess strömstyrka (förhållandet mellan laddningen överförd genom ledarens tvärsnitt per tidsenhet) och dess densitet, bestämd av förhållandet. Enheten för mätning av strömstyrkan är ampere (1A är det karakteristiska värdet för strömmen som förbrukas av hushålls elektriska värmeanordningar). De nödvändiga förutsättningarna för att det finns en ström är närvaron av gratis laddningsbärare, en sluten krets och en EMF -källa (batteri) som stöder riktad rörelse.

Elektrisk ström kan existera i olika medier: i metaller, vakuum, gaser, i lösningar och smälta elektrolyter, i plasma, i halvledare, i vävnaderna hos levande organismer. När en ström flyter finns det nästan alltid en växelverkan mellan laddningsbärare och miljön, åtföljd av överföring av energi till den senare i form av värme. EMF -källans roll är just att kompensera för värmeförluster i kretsarna. Elektrisk ström i metaller orsakas av relativt fria elektroners rörelse genom kristallgitteret. Orsakerna till förekomsten av fria elektroner i ledande kristaller kan bara förklaras på kvantmekanikens språk.

Erfarenheten visar att styrkan hos den elektriska strömmen som flödar genom ledaren är proportionell mot den potentialskillnad som tillämpas på dess ändar (Ohms lag). Konstant för den valda ledaren kallas proportionalitetskoefficienten mellan ström och spänning elektrisk motstånd. Motståndet mäts i ohm (människokroppsmotståndet är cirka 1000 ohm). Värdet av ledarnas elektriska motstånd ökar något med stigande temperatur. Detta beror på det faktum att vid uppvärmning förstärker noder i kristallgitteret kaotiska termiska vibrationer, vilket förhindrar riktning av elektroner.

I många problem visar sig det direkta beaktandet av gittervibrationer vara mycket mödosamt. För att förenkla interaktionen mellan elektroner och vibrerande platser visar det sig vara bekvämt att ersätta dem med kollisioner med gaspartiklar av hypotetiska partiklar - fononer, vars egenskaper väljs för att få en beskrivning så nära verkligheten som möjligt och kan visar sig vara väldigt exotiska. Föremål av denna typ är mycket populära inom fysiken och kallas kvasipartiklar. Förutom interaktioner med vibrationer i kristallgitteret kan elektronernas rörelse i kristallen hindras av dislokationer - kränkningar av gitterets regelbundenhet. Interaktioner med dislokationer spelar en avgörande roll vid låga temperaturer, när termiska vibrationer är praktiskt taget frånvarande.

Vissa material vid låga temperaturer förlorar helt sitt elektriska motstånd och övergår i ett supraledande tillstånd. Strömmen i sådana medier kan existera utan någon emf, eftersom det inte finns några energiförluster vid kollisioner av elektroner med fononer och dislokationer. Att skapa material som behåller ett supraledande tillstånd vid relativt höga (rum) temperaturer och låga strömmar är en mycket viktig uppgift, vars lösning skulle göra en verklig revolution inom modern energi, eftersom skulle möjliggöra överföring av el över långa sträckor utan värmeförlust.

För närvarande används elektrisk ström i metaller huvudsakligen för att omvandla elektrisk energi till termisk energi (värmare, ljuskällor) eller mekanisk energi (elmotorer). I det senare fallet används en elektrisk ström som en källa till magnetfält, växelverkan med vilken andra strömmar orsakar uppkomsten av krafter.

1. Växelström

Som du vet är strömstyrkan när som helst proportionell mot strömkällans EMF (Ohms lag för en komplett krets). Om källans EMF inte ändras över tiden och kretsparametrarna förblir oförändrade, slutar en tid efter att kretsen stängs, att strömförändringarna stannar och en likström flödar i kretsen.

Men i modern teknik används inte bara likströmskällor i stor utsträckning, utan också olika generatorer av elektrisk ström, där EMF regelbundet ändras. När en variabel EMF -generator är ansluten till en elektrisk krets uppträder forcerade elektromagnetiska svängningar eller växelström i kretsen.

Växelström är periodiska förändringar i ström och spänning i en elektrisk krets som sker under påverkan av en växelström från en extern källa.

Växelström är en elektrisk ström som förändras harmoniskt över tiden.

I framtiden kommer vi att studera påtvingade elektriska svängningar som uppstår i kretsar under verkan av en spänning som harmoniskt förändras med frekvensen u enligt en sinusformad eller cosinuslag:

där u är spänningens momentana värde, Um är spänningens amplitud, u är den cykliska frekvensen av svängningar. Om spänningen ändras med frekvensen u, kommer strömmen i kretsen att förändras med samma frekvens, men strömfluktuationerna behöver inte vara i fas med spänningsfluktuationerna.

Därför i allmänhet:

var är skillnaden (skift) i faserna mellan fluktuationerna i ström och spänning.

Växelström säkerställer driften av elektriska motorer i verktygsmaskiner i fabriker och fabriker, driver belysningsanordningar i våra lägenheter och på gatan, kylskåp och dammsugare, värmeutrustning etc. Frekvensen för spänningsfluktuationer i nätverket är 50 Hz. Växelströmmen har samma oscillationsfrekvens. Det betyder att strömmen inom 1 s kommer att ändra sin riktning 50 gånger. Frekvensen på 50 Hz accepteras för industriell ström i många länder i världen. I USA är frekvensen för industriell ström 60 Hz.

2. Motstånd i växelströmskretsen

Låt kretsen bestå av ledare med låg induktans och högt motstånd R (från motstånd). Till exempel kan en sådan krets vara en elektrisk lamptråd och blytrådar. Värdet på R, som vi hittills har kallat elektriskt motstånd eller helt enkelt motstånd, kommer nu att kallas aktivt motstånd. I en växelströmskrets kan det finnas andra motstånd, beroende på kretsens induktans och dess kapacitans. Motstånd R kallas aktivt eftersom energi endast släpps ut på det, d.v.s.

Motståndet hos ett element i en elektrisk krets (motstånd), där omvandling av elektrisk energi till inre energi sker, kallas aktivt motstånd.

Så i kretsen finns det ett motstånd, vars aktiva motstånd är R, och induktorn och kondensatorn saknas (fig. 1).

Låt spänningen i ändarna av kretsen ändras enligt den harmoniska lagen:

Som med likström är momentans värde av strömmen direkt proportionellt mot spänningens momentana värde. Därför kan vi anta att det momentana värdet av strömstyrkan bestäms av Ohms lag:

Följaktligen sammanfaller strömfluktuationer i fas i en ledare med aktivt motstånd med spänningsfluktuationer (fig. 2), och strömens amplitud är lika med spänningens amplitud dividerat med motståndet:

Vid låga värden för växelströmens frekvens beror ledarens aktiva motstånd inte på frekvensen och sammanfaller praktiskt taget med dess elektriska motstånd i likströmskretsen.

1.1 Spole i en växelströmskrets

Induktans påverkar styrkan hos växelströmmen i kretsen. Detta kan upptäckas genom enkel erfarenhet. Låt oss göra en krets från en spole med stor induktans och en glödlampa (fig. 3). En strömbrytare kan användas för att ansluta denna krets till antingen en likspänningskälla eller en växelspänningskälla. I detta fall måste den konstanta spänningen och det effektiva värdet för växelspänningen vara desamma. Erfarenheten visar att lampan lyser starkare när spänningen är konstant. Följaktligen är det effektiva värdet av strömmen i den aktuella kretsen mindre än likströmmen.

Detta förklaras av självinduktion. När spolen är ansluten till en konstant spänningskälla ökar strömmen i kretsen gradvis. Virvelens elektriska fält som uppstår med ökande strömstyrka bromsar elektronernas rörelse. Först efter en tidsförlopp når strömmen det högsta (steady-state) värdet som motsvarar en given konstant spänning. Om spänningen ändras snabbt, har strömstyrkan inte tid att nå de steady-state-värden som den skulle få över tiden vid en konstant spänning som är lika med det maximala värdet för växelspänningen. Följaktligen är det maximala värdet på växelströmmen (dess amplitud) begränsat av kretsens induktans L och blir ju mindre, desto större induktans och desto större frekvens för den applicerade spänningen.

Låt oss bevisa detta matematiskt. Låt en idealisk spole med noll elektrisk motstånd hos tråden ingå i växelströmskretsen (fig. 4).

När strömstyrkan ändras enligt den harmoniska lagen:

EMF för självinduktion sker i spolen:

där L är spolens induktans, u är växelströmens cykliska frekvens.

Eftersom spolens elektriska motstånd är noll är EMF för självinduktion i den när som helst lika stor och motsatt i tecken till spänningen i spolens ändar, skapad av en extern generator:

Följaktligen ligger spänningsfluktuationerna över induktorn före de aktuella fluktuationerna med p / 2, eller, vilket är samma, de nuvarande fluktuationerna ligger efter spänningsfluktuationerna med p / 2.

I det ögonblick när spänningen över spolen når sitt maximalt är strömmen noll (fig. 5). I det ögonblick när spänningen blir lika med noll är strömstyrkan maximal i absolut värde.

Produkten I m ⋅ L ⋅ u är amplituden för spänningsfluktuationerna på spolen:

Förhållandet mellan amplituden för spänningsfluktuationerna på spolen till amplituden för de nuvarande fluktuationerna i den kallas den induktiva reaktansen (betecknad med X L):

Förhållandet mellan amplituden för spänningsfluktuationer i spolens ändar med amplituden för strömfluktuationer i den sammanfaller i form med uttrycket av Ohms lag för en sektion av en likströmskrets:

Till skillnad från det elektriska motståndet hos en ledare i en likströmskrets är induktiv reaktans inte ett konstant värde som kännetecknar en given spole. Den är direkt proportionell mot växelströmens frekvens. Därför bör amplituden för strömfluktuationerna i spolen vid ett konstant värde av spänningsfluktuationernas amplitud minska omvänt med frekvensen. Likström "märker" inte spolens induktans alls. När u = 0 är den induktiva reaktansen noll (XL = 0).

Beroendet av amplituden för svängningarna av strömstyrkan i spolen på frekvensen för den applicerade spänningen kan observeras i ett experiment med en växelspänningsgenerator, vars frekvens kan ändras. Erfarenheten visar att en fördubbling av frekvensen för en växelspänning leder till en tvåfaldig minskning av amplituden för strömningens svängningar genom spolen.

1.2 AC -kondensator

Tänk på processerna som sker i en växelström elektrisk krets med en kondensator. Om du ansluter kondensatorn till en likströmskälla kommer en kortvarig strömpuls att visas i kretsen, som laddar kondensatorn till källspänningen, och sedan kommer strömmen att stanna. Om den laddade kondensatorn kopplas bort från likströmskällan och dess plattor är anslutna till glödlampans terminaler, kommer kondensatorn att urladdas, medan en kort blinkning av lampan observeras.

När en kondensator är ansluten till en växelströmskrets varar dess laddningsprocess en kvart period. Efter att ha nått toppvärdet minskar spänningen mellan kondensatorns plattor och kondensatorn urladdas inom en fjärdedel av perioden. Under nästa kvartal av perioden laddas kondensatorn igen, men polariteten hos spänningen på dess plattor ändras till det motsatta, etc. Processerna för laddning och urladdning av kondensatorn växlar med en period som är lika med oscillationsperioden för den applicerade växelspänningen.

Liksom i likströmskretsen passerar inte elektriska laddningar genom dielektrikum som separerar kondensatorplattorna. Men som ett resultat av periodiskt upprepade processer för laddning och urladdning av kondensatorn, strömmar växelström genom ledningarna anslutna till dess terminaler. En glödlampa ansluten i serie med en kondensator i en växelströmskrets (fig. 6) verkar brinna kontinuerligt, eftersom det mänskliga ögat vid en hög frekvens av strömoscillationer inte märker den periodiska försvagningen av glödet hos lamptråden.

Låt oss etablera ett samband mellan amplituden för spänningsfluktuationer på kondensatorplattorna och amplituden för strömfluktuationer.

När spänningen på kondensatorplattorna ändras enligt den harmoniska lagen:

avgiften på tallrikarna ändras enligt lagen:

Den elektriska strömmen i kretsen uppstår som en följd av en förändring i kondensatorns laddning: i = q ’. Därför sker fluktuationer i strömmen i kretsen enligt lagen:

Följaktligen ligger spänningsfluktuationerna på kondensatorplattorna i växelströmskretsen i fas från strömfluktuationerna med p / 2 eller strömfluktuationerna före spänningsfluktuationerna med p / 2 i fas (fig. 7). Detta betyder att i det ögonblick när kondensatorn börjar ladda, är strömmen som högst och spänningen är noll. Efter att spänningen når sitt max, går strömmen till noll, och så vidare.

Produkten U m ⋅ u ⋅ C är amplituden för nuvarande fluktuationer:

Förhållandet mellan amplituden för spänningsfluktuationerna över kondensatorn till amplituden för strömfluktuationerna kallas kondensatorns kapacitans (betecknad med X C):

Förhållandet mellan amplitudvärdet för strömstyrkan och spänningens amplitudvärde sammanfaller i form med uttrycket av Ohms lag för en sektion av en likströmskrets, där kondensatorns kapacitiva motstånd visas istället för elektriskt motstånd:

Kapacitansen hos en kondensator, liksom den spole induktiva reaktansen, är inte konstant. Den är omvänt proportionell mot växelströmens frekvens. Därför ökar amplituden för strömfluktuationerna i kondensatorkretsen vid en konstant amplitud av spänningsfluktuationerna över kondensatorn i direkt proportion till frekvensen.

1.3 Ohms lag för en växelström elektrisk krets

Tänk på en elektrisk krets som består av ett seriekopplat motstånd, kondensator och spole (fig. 8). Om en elektrisk spänning appliceras på terminalerna i denna elektriska krets, som ändras enligt en harmonisk lag med en frekvens u och en amplitud Um, kommer tvingade svängningar av strömmen med samma frekvens och en viss amplitud Im att visas i kretsen. Låt oss upprätta ett samband mellan amplituderna för strömmen och spänningsfluktuationer

När som helst är summan av momentana värden för spänningarna på de seriekopplade kretselementen lika med momentanvärdet för den applicerade spänningen:

I alla element i kretsen i serie anslutna sker förändringar i strömstyrkan nästan samtidigt, eftersom elektromagnetiska interaktioner sprider sig med ljusets hastighet. Därför kan vi anta att nuvarande fluktuationer i alla element i en seriekrets sker enligt lagen:

Spänningsfluktuationerna över motståndet sammanfaller i fas med strömfluktuationerna, spänningsfluktuationerna på kondensatorn släpar i fas med p / 2 från de aktuella fluktuationerna, och spänningsfluktuationerna på spolen är fas före de aktuella fluktuationerna med p / 2.

Därför kan ekvation (1) skrivas enligt följande:

där U Rm, U Cm och U Lm är amplituderna för spänningsfluktuationer över motståndet, kondensatorn och spolen.

Amplituden för spänningsfluktuationer i en växelströmskrets kan uttryckas genom spänningens amplitudvärden på dess individuella element, med hjälp av metoden för vektordiagram.

Vid konstruktion av ett vektordiagram är det nödvändigt att ta hänsyn till att spänningsfluktuationerna över motståndet sammanfaller i fas med strömfluktuationerna, därför sammanfaller vektorn som visar spänningsamplituden U Rm i riktning med vektorn som visar amplituden för strömmen I m Spänningsfluktuationerna på kondensatorn fördröjs i fas med p / 2 på strömfluktuationer, så vektorn

U Cm ligger bakom vektorn I m med en vinkel på 90 °. Spänningsfluktuationerna på spolen ligger före fasströmfluktuationerna med p / 2, så vektorn U Lm ligger före I m -vektorn med en vinkel på 90 ° (fig. 9).

I vektordiagrammet bestäms de momentana värdena för spänningen över motståndet, kondensatorn och spolen av utskotten på den horisontella axeln för vektorerna Rm, Cm, Lm som roterar med samma vinkelhastighet u moturs. Det momentana spänningsvärdet i hela kretsen är lika med summan av momentana spänningar u R, u C och u L på enskilda kretselement, d.v.s. summan av projektionerna av vektorerna U Rm, U Cm och U Lm på den horisontella axeln. Eftersom summan av vektornas projektioner på en godtycklig axel är lika med projektionen av summan av dessa vektorer på samma axel, kan amplituden för den totala spänningen hittas som modulen för vektorsumman:

Figur 9 visar att spänningsamplituden över hela kretsen är lika med:

Introducerar beteckningen för AC -kretsens impedans:

vi uttrycker förhållandet mellan amplitudvärdena för strömmen och spänningen i växelströmskretsen enligt följande:

Detta uttryck kallas Ohms lag för en växelströmskrets.

Från vektordiagrammet som visas i figur 9 kan man se att fasen för fullspänningsoscillationerna är lika med sht + c. Därför bestäms det momentana värdet av den totala spänningen av formeln:

Den inledande fasen q kan hittas från vektordiagrammet:

Värdet på cos q spelar en viktig roll vid beräkning av effekten i en växelström elektrisk krets.

1.4 växelström

Effekten i likströmskretsen bestäms av produkten av spänning och ström:

Den fysiska betydelsen av denna formel är enkel: eftersom spänningen U är numeriskt lika med det elektriska fältets arbete vid rörelsen av en enhetsladdning, karakteriserar produkten U? I arbetet med laddningens rörelse per tidsenhet som flödar genom ledarens tvärsnitt, dvs. är makt. Kraften hos den elektriska strömmen i en given sektion av kretsen är positiv om energi kommer till denna sektion från resten av nätverket och negativ om energi från denna sektion återförs till nätverket. För ett mycket kort tidsintervall kan växelströmmen anses vara konstant.

Därför bestäms den momentana effekten i växelströmskretsen med samma formel:

Låt spänningen i ändarna av kretsen ändras enligt den harmoniska lagen:

I detta fall förändras effekten med tiden både i absolut värde och i tecken. Under en del av perioden kommer energi till denna sektion av kretsen (p> 0), men under den andra delen av perioden återgår en del av energin till nätet igen (p< 0). Как правило, во всех случаях нам надо знать среднюю мощность на участке цепи за достаточно большой промежуток времени, включающий много периодов. Для этого достаточно определить среднюю мощность за один период.

För att hitta den genomsnittliga effekten under perioden omvandlar vi den resulterande formeln på ett sådant sätt att vi väljer en term i den som inte är beroende av tid. För detta ändamål kommer vi att använda den välkända formeln för produkten av två cosinus:

Uttrycket för momentan kraft består av två termer. Den första beror inte på tid, och den andra ändringen tecknar två gånger för varje period av spänningsförändring: under någon del av perioden kommer energi in i kretsen från en växelspänningskälla, och under den andra delen återgår den tillbaka. Därför är medelvärdet för den andra termen under perioden noll.

Därför är medeleffekten P för perioden lika med den första termen, oberoende av tid:

När fasen i strömmen och spänningen (för aktivt motstånd R) sammanfaller är det genomsnittliga effektvärdet:

För att formeln för beräkning av växelströmens effekt ska sammanfalla i form med en liknande formel för likström (P = IU = I 2 R) introduceras begreppen effektiva värden för ström och spänning. Av jämlikhet mellan befogenheter får vi:

Det effektiva värdet för strömstyrkan kallas ett värde √2 gånger mindre än dess amplitudvärde:

Det effektiva värdet av strömstyrkan är lika med styrkan hos en sådan likström vid vilken medeleffekten som släpps ut i ledaren i växelströmskretsen är lika med effekten som frigörs i samma ledare i likströmskretsen.

På samma sätt kan det bevisas att det effektiva värdet för växelspänningen är √2 gånger mindre än dess amplitudvärde:

Observera att vanligtvis elektrisk utrustning i växelströmskretsar visar rms -värdena för de uppmätta mängderna. Genom att övergå till de effektiva värdena för ström och spänning kan ekvation (10) skrivas om:

Således bestäms effekten hos växelströmmen i kretsdelen exakt av de effektiva värdena för ström och spänning. Det beror också på fasskiftet cc mellan spänning och ström. Cos cc -faktorn i formeln kallas effektfaktorn.

I fallet när cc = ± p / 2 är energin som tillförs kretsdelen under perioden noll, även om det finns en ström i kretsen. Detta kommer att vara fallet, särskilt om kretsen endast innehåller en induktor eller endast en kondensator. Hur kan medeleffekten vara lika med noll i närvaro av ström i kretsen? Detta förklaras av graferna som visas i figur 10 över förändringen över tid av de momentana värdena för spänning, ström och effekt vid cc = - p / 2 (rent induktivt motstånd hos kretsdelen).

Diagrammet för beroendet av den momentana effekten i tid kan erhållas genom att multiplicera värdena för ström och spänning vid varje tidpunkt. Av denna graf kan det ses att under en fjärdedel av perioden är effekten positiv och energi tillförs denna sektion av kretsen; men under nästa kvartal av perioden är effekten negativ, och det här avsnittet ger tillbaka energin som mottagits tidigare utan förlust. Energin som levereras under en fjärdedel av perioden lagras i magnetfältet i strömmen och återgår sedan till nätet utan förlust.

Endast i närvaro av en ledare med aktivt motstånd i en krets som inte innehåller rörliga ledare, omvandlas elektromagnetisk energi till ledarens inre energi, som värms upp. Omvänd omvandling av intern energi till elektromagnetisk energi i området med aktivt motstånd sker inte längre.

Vid utformning av växelströmskretsar är det nödvändigt att se till att cos DC inte är liten. Annars kommer en betydande del av energin att cirkulera genom ledningarna från generatorn till konsumenterna och vice versa. Eftersom trådarna har ett aktivt motstånd, går energin åt för att värma upp trådarna.

Ogynnsamma förhållanden för energiförbrukning uppstår när elektriska motorer ansluts till nätet, eftersom deras lindning har ett lågt motstånd och hög induktans. För att öka cos cc i strömförsörjningsnät för företag med ett stort antal elmotorer ingår speciella kompenseringskondensatorer. Det är också nödvändigt att se till att elmotorerna inte går på tomgång eller underlast.

Detta minskar effektfaktorn för hela kretsen. Ökning av kostnaden är en viktig nationell ekonomisk uppgift, eftersom det gör det möjligt att använda kraftverkens generatorer med maximal effektivitet och minska energiförluster. Detta uppnås genom korrekt utformning av elektriska kretsar. Det är förbjudet att använda enheter med cos DC< 0,85.

Konstant och variabel då Till

Vad är skillnaden mellan likström från att växla

I en tidigare artikel, vad är elektrisk ström du lärde dig hur den ordnade rörelsen av elektroner i en sluten krets sker. Nu ska jag berätta vad en elektrisk ström är. Elektrisk ström är konstant och alternerande. Vad är skillnaden mellan växelström och likström? DC -egenskaper.

D.C

Likström eller likström på engelska betyder en elektrisk ström som inte ändrar rörelseriktningen under en längre tid och alltid går från plus till minus. I diagrammet anges det som plus (+) och minus (-), på en enhet som arbetar med likström tillämpas en beteckning i form av en (-) eller (=) ränder. En viktig egenskap hos likström är förmågan att ackumulera den, d.v.s. ackumulering i batterier eller mottagning av dem genom en kemisk reaktion i batterier. Många moderna bärbara elektriska apparater arbetar med den ackumulerade likströmsladdningen, som finns i ackumulatorerna eller batterierna i just dessa enheter.

Växelström

(Växelström) eller växelström en engelsk förkortning som anger en ström som ändrar dess riktning och storlek över ett tidsintervall. På elektriska kretsar och höljen för elektriska anordningar som arbetar från växelström betecknas växelströmssymbolen som ett segment av en sinusformad "~". Om vi talar om växelström i enkla ord, då kan vi säga att om en glödlampa är ansluten till ett växelström, kommer plus och minus på dess kontakter att byta plats med en viss frekvens eller på annat sätt, kommer strömmen att ändra sin riktning från direkt till bakåt. I figuren är den motsatta riktningen området i diagrammet under noll.

Låt oss nu ta reda på vad frekvens är. Frekvens är den tidsperiod under vilken strömmen utför en fullständig oscillation, antalet fullständiga oscillationer på 1 s kallas för strömmen och betecknas med bokstaven f. Frekvensen mäts i hertz (Hz). I industrin och vardagen i de flesta länder används växelström med en frekvens på 50 Hz.Detta värde visar antalet förändringar i strömriktningen på en sekund till motsatsen och återgår till sitt ursprungliga tillstånd. Med andra ord, i ett eluttag som finns i varje hem och där vi slår på strykjärn och dammsugare, kommer plus och minus på uttagen till höger och vänster att byta plats med en frekvens på 50 gånger per sekund - detta är växelströmens frekvens. Varför behöver du en sådan "växlingsbar" växelström, varför inte bara använda likström? Detta görs för att kunna erhålla den nödvändiga spänningen i valfri mängd genom att använda transformatorer utan några speciella förluster. Användningen av växelström möjliggör överföring av el i industriell skala över långa avstånd med minimala förluster.

Spänningen som levereras av kraftfulla generatorer av kraftverk är cirka 330 000-220 000 volt. Sådan spänning kan inte appliceras på hus och lägenheter, det är mycket farligt och svårt ur teknisk synvinkel. Därför matas växelström från kraftverk till elektriska substationer, där en transformation sker från högspänning till den lägre som vi använder.

AC till DC konvertering

Från växelström är det möjligt att få likström, för detta är det tillräckligt att ansluta växelströmnätet till en diodbro eller som det också kallas en "likriktare". Från namnet "likriktare" är det helt klart vad diodbron gör, det rättar sinusformen till växelströmmen till en rak linje och tvingar därigenom elektronerna att röra sig i en riktning.

vad är en diod och hur fungerar en diodbro, kan du ta reda på det i mina nästa artiklar.

Förr eller senare tvingas varje person möta en situation när det är nödvändigt att lära känna el bättre än på fysiklektioner i skolan. Utgångspunkten för detta kan vara som nedbrytning av elektriska apparater eller uttag, och bara ett uppriktigt intresse för elektronik från en persons sida. En av de viktigaste frågorna att överväga är hur DC och AC indikeras. Om du är bekant med begreppen: elektrisk ström, spänning och strömstyrka, gör du det lättare att förstå, vilket är vad den här artikeln handlar om.

Elektrisk spänning är indelad i två typer:

konstant (dc)
variabel (ac)

Likströmssymbol (-), växelströmssymbol (~). AC- och dc-förkortningarna är väletablerade och används tillsammans med namnen "konstant" och "variabel". Låt oss nu titta på vad som är deras skillnad. Faktum är att konstant spänning flödar i endast en riktning, från vilken dess namn följer. Och variabeln, som du redan förstod, kan ändra dess riktning. I speciella fall kan variabelns riktning förbli densamma. Men förutom riktningen kan dess storlek också förändras. I en konstant förändras varken storleken eller riktningen. Omedelbart värde av växelström anropa dess värde, som tas vid en given tidpunkt.

I Europa och Ryssland antas en frekvens på 50 Hz, det vill säga den ändrar riktning 50 gånger per sekund, medan i USA är frekvensen 60 Hz. Därför kan utrustning som köps i USA och i andra länder brinna ut med en annan frekvens. Därför bör du noga titta på det faktum att frekvensen är 50 Hz när du väljer utrustning och elektriska apparater. Ju högre strömmen är, desto större är dess motstånd. Du kan också märka att det är variabeln som flyter i uttagen i vårt hus.

Dessutom har växelström en indelning i ytterligare två typer:

en fas
tre fas

För enfas krävs en ledare som leder spänning och en returledare. Och om vi överväger en trefasströmgenerator, genererar den en växelspänning med en frekvens på 50 Hz på alla tre lindningar. Ett trefassystem är inget annat än tre enfas elektriska kretsar, fasskiftade i förhållande till varandra i en vinkel på 120 grader. Genom att använda det kan du samtidigt ge energi tre oberoende nätverk, medan endast sex ledningar används, som behövs för alla ledare: framåt och bakåt, för att leda spänning.

Och om du till exempel bara har 4 ledningar, så blir det inga problem. Du behöver bara ansluta returledarna. Genom att kombinera dem får du en ledare, som kallas neutral. Vanligtvis är det jordat. De återstående yttre ledarna kallas kortfattat L1, L2 och L3.

Men det finns också en tvåfas, det är ett komplex av två enfasströmmar, där det också finns en direktledare för att leda spänning och en omvänd, de skiftas i fas i förhållande till varandra med 90 grader.

Ansökan

Eftersom konstanten bara flödar i en riktning är dess användning vanligtvis begränsad till bärare med låg energikapacitet, till exempel kan den hittas i konventionella batterier, batterier för elektriska apparater med låg strömförbrukning, såsom ficklampor eller telefoner och batterier som använder solenergi. Men en konstant källa är nödvändig, inte bara för laddning av små batterier, så högeffekts likström används för drift av elektrifierade järnvägar, för elektrolys av aluminium eller för ljusbågssvetsning, liksom andra. industriella processer.

För att generera en likström med sådan styrka används speciella generatorer. Det kan också erhållas genom att konvertera en variabel, för detta används en enhet där en elektronisk lampa används, den kallas en kenotronlikriktare och själva processen kallas för rättelse. En helvågslikriktare används också för detta. I den, till skillnad från en enkel lamplikriktare, finns det elektroniska rör som har två anoder - två -anodkenotroner.

Om du inte vet hur du bestämmer vilken pol en likström strömmar från, kom ihåg: den flyter alltid från "+"-tecknet till "-"-tecknet. De första källorna till likström var speciella kemiska element, de kallas galvaniska. Senare uppfann människor ackumulatorer.

Variabel används nästan överallt, i vardagen, för drift av hushållsapparater som drivs från ett hemuttag, i fabriker och fabriker, på byggarbetsplatser och många andra platser. Järnvägselektrifiering kan också vara likspänning. Så, spänningen går längs kontaktledningen, och skenorna är returelektrisk ledare. Ungefär hälften av alla järnvägar i vårt land och OSS -länderna arbetar enligt denna princip. Men förutom elektriska lok som bara fungerar på en konstant och endast på en variabel, finns det också elektriska lok som kombinerar förmågan att arbeta både på en typ av el och på en annan.

Växelström används också inom medicin

Så till exempel är darsonvalisering en metod för exponering för elektricitet vid hög spänning, på kroppens yttre lock och slemhinnor. Genom denna metod hos patienter förbättras blodtillförseln, tonen i venkärlen och metaboliska processer i kroppen förbättras. Darsonvalisering kan vara både lokal, i ett visst område och generellt. Men oftare använder de lokal terapi.

Således lärde vi oss det Det finns två typer av elektrisk ström: direkt och växlande, på ett annat sätt kallas de ac och dc, så om du säger en av dessa förkortningar kommer de definitivt att förstå dig. Dessutom ser beteckningen AC och DC i diagrammen ut som (-) och (~), vilket gör dem lättare att känna igen. Nu, när du reparerar elektriska apparater, kommer du utan tvekan att säga att de använder växelspänning, och om du får frågan om vilken ström som finns i batterierna kommer du att svara att den är konstant.

Innehåll:

I mer än ett decennium har det funnits tvister om vilken typ av ström som är farligare - alternerande eller direkt. Vissa hävdar att det är just den korrigerade spänningen som bär ett stort hot, medan andra är uppriktigt övertygade om att växelströmens sinusform, som sammanfaller i amplitud med människans hjärtslag, stoppar det. Men, som alltid händer i livet, hur många människor - så många åsikter. Därför är det värt att titta på denna fråga rent vetenskapligt. Men det bör göras på ett språk som är förståeligt även för dummies, sedan inte alla har en civilingenjörsexamen. Samtidigt vill säkert alla veta ursprunget till likström och växelström.

Var ska du börja? Ja, förmodligen från definitioner - vad är elektricitet, varför kallas det variabel eller konstant, vilken av dessa typer är farligare och varför.

De flesta vet att likström kan fås från olika block eller batterier, och växelström levereras till lägenheter och lokaler via elnätet och tack vare det, hushållsapparater och belysningsarbete. Men få människor tänkte på varför en spänning låter dig få en annan och varför den behövs.

Det är vettigt att svara på alla dina frågor.

Vad är elektrisk ström?

Elektrisk ström kallas en konstant eller variabel mängd som uppstår på grundval av riktad eller ordnad rörelse som skapas av laddade partiklar - i metaller är dessa elektroner, i en elektrolyt - joner och i en gas - båda. Med andra ord sägs att en elektrisk ström "flödar" genom trådarna.

Vissa människor tror felaktigt att varje laddad elektron rör sig längs en ledare från källa till konsument. Det är inte sant. Den överför endast laddning till närliggande elektroner, som förblir på plats själv. De där. dess rörelse är kaotisk, men mikroskopisk. Tja, själva laddningen, som rör sig längs ledaren, når konsumenten.

Elektrisk ström har sådana mätparametrar som: spänning, d.v.s. dess värde, mätt i volt (V) och strömstyrka, som mäts i ampere (A). Vad som är mycket viktigt vid transformering, d.v.s. minska eller öka med hjälp av specialanordningar, det ena värdet påverkar det andra i omvänd proportion. Detta innebär att genom att minska spänningen med hjälp av en konventionell transformator uppnås en ökning av strömstyrkan och vice versa.

DC- och AC -ström

Det första att förstå är skillnaden mellan likström och växelström. Faktum är att växelström inte bara är lättare att få, även om detta också är viktigt. Dess egenskaper tillåter överföring över alla avstånd över ledare med minst förlust, särskilt vid högre spänning och lägre spänning. Det är därför kraftledningar mellan städer är högspända. Och redan i bosättningar omvandlas strömmen till en lägre spänning.

Men likström är mycket lätt att få från växelström, för vilken de använder multidirektionsdioder (den så kallade diodbron). Faktum är att växelströmmen (AC), eller snarare frekvensen av dess oscillationer, är en sinusformad, som passerar genom likriktaren, förlorar några av svängningarna. Således erhålls en konstant spänning (AC) vid utgången, som inte har någon frekvens.

Det är vettigt att specificera hur de trots allt skiljer sig åt.

Skillnader i strömmar

Naturligtvis är den största skillnaden mellan AC och DC förmågan att transportera DC över långa avstånd. Samtidigt, om likströmmen transporteras på samma sätt, kommer den helt enkelt inte att förbli. På grund av potentialskillnaden kommer den att användas. Det är också värt att notera att konvertering till en variabel är mycket svårt, medan i omvänd ordning är en sådan åtgärd ganska lätt att utföra.

Det är mycket mer ekonomiskt att omvandla elektricitet till mekanisk energi med hjälp av motorer som drivs av växelström, även om det finns områden där endast likströmsmekanismer kan användas.

Och sist men inte minst är växelström säkrare för människor. Det är av den anledningen att alla apparater som används i vardagen och drivs av likström har låg ström. Men att helt överge användningen av de farligare till förmån för en annan kommer inte att fungera på något sätt exakt av de skäl som anges ovan.

Allt ovanstående leder till ett generellt svar på frågan om hur växelström skiljer sig från likström - det här är egenskaper som påverkar valet av en viss kraftkälla i ett visst område.

Långdistansströmöverföring

Vissa människor har en fråga, till vilken ett ytligt svar gavs ovan: varför kommer en mycket hög spänning genom kraftledningar (kraftledningar)? Om du inte känner till alla de komplicerade elektroteknikerna kan du hålla med om denna fråga. Om en spänning på 380 V kom via kraftöverföringsledningen skulle det inte behövas installera dyra transformatorstationer. Och du skulle inte behöva lägga pengar på deras underhåll, eller hur? Det visar sig att nej.

Faktum är att tvärsnittet av ledaren genom vilken elektricitet strömmar beror endast på strömstyrkan och på dess strömförbrukning och spänningen förblir helt bortsett från detta. Det betyder att med en ström på 2 A och en spänning på 25 000 V kan du använda samma kabel som för 220 V med samma 2 A. Så vad följer av detta?

Här är det nödvändigt att återgå till lagen om omvänd proportionalitet - när strömmen omvandlas, dvs. öka spänningen, strömmen minskar och vice versa. Således skickas högspänningsströmmen till transformatorstationen via tunnare ledningar, vilket också säkerställer lägre överföringsförluster.

Överföringsfunktioner

Svaret på frågan varför det är omöjligt att överföra likström över långa avstånd ligger just i förluster. Om vi betraktar DC från denna vinkel, så är det av denna anledning att det efter en kort sträcka inte kommer att finnas någon elektricitet kvar i ledaren. Men det viktigaste här är inte energiförluster, utan deras omedelbara orsak, som återigen ligger i en av egenskaperna hos AC och DC.

Faktum är att frekvensen för växelström i offentliga elektriska nät i Ryssland är 50 Hz (hertz). Detta betyder amplituden för laddningsfluktuationerna mellan positiva och negativa, lika med 50 förändringar per sekund. Enkelt uttryckt, var 1/50 sekund. laddningen ändrar sin polaritet, detta är skillnaden mellan likström - det finns praktiskt taget inga svängningar i den eller helt frånvarande. Det är av denna anledning som DC förbrukas av sig själv, som flödar genom den långa ledaren. Förresten, oscillationsfrekvensen, till exempel i USA, skiljer sig från den ryska och är 60 Hz.

Alstrande

Frågan om hur likström och växelström genereras är också mycket intressant. Naturligtvis kan både det ena och det andra produceras, men detta väcker problemet med storlek och kostnad. Faktum är att om vi tar en vanlig bil som exempel, skulle det vara mycket lättare att sätta en likströmsgenerator på den, exklusive diodbryggan från kretsen. Men det finns en fångst.

Om du tar bort likriktaren från bilgeneratorn verkar det som att volymen också borde minska, men det kommer inte att hända. Och anledningen till detta är DC -generatorns storlek. Dessutom kommer kostnaden att öka avsevärt, därför används variabla generatorer.

Så det visar sig att generera likström är mycket mindre lönsamt än AC, och det finns konkreta bevis på detta.

Två stora uppfinnare på en gång inledde det så kallade "strömkriget", som slutade först 2007. Och motståndarna i den var Nikola Tesla, tillsammans med George Westinghouse, ivriga anhängare av växelspänning och Thomas Edison, som stod för användning av likström överallt. Så, 2007, stod New York helt på sidorna med Tesla och markerade därmed hans seger. Det är värt att uppehålla sig vid detta lite mer detaljerat.

Historia

Thomas Edisons företag, kallat Edison Electric Light, grundades i slutet av 1870 -talet. Då, under ljusens, fotogenlampans och gasbelysningens dagar, kunde glödlampor från Edison arbeta kontinuerligt i 12 timmar. Och även om det här kan verka löjligt litet nu, så var det ett riktigt genombrott. Men redan på 1880-talet kunde företaget inte bara patentera produktion och överföring av likström över ett tretrådssystem (dessa var "noll", "+110 V" och "-110 V"), utan också att presentera en glödlampa med en resurs på 1200 timmar ...

Det var då Thomas Edisons fras föddes, som senare blev känt för hela världen - "Vi kommer att göra elektrisk belysning så billig att bara de rika kommer att bränna ljus."

Tja, år 1887 fungerade mer än 100 kraftverk framgångsrikt i USA som genererar likström och där det är ett tretrådssystem som används för överföring, som används för att åtminstone något minska elförlusterna.

Men forskaren inom fysik och matematik, George Westinghouse, efter att ha läst Edisons patent, fann en mycket obehaglig detalj - det var en enorm energiförlust under överföring. Vid den tiden fanns det redan generatorer, som inte var populära på grund av utrustning som skulle fungera med sådan energi. Vid den tiden arbetade den begåvade ingenjören Nikola Tesla fortfarande för Edison i företaget, men en gång, när han återigen nekades en löneökning, kunde Tesla inte stå ut med det och gick till jobbet för en konkurrent, som var Westinghouse. På en ny plats skapar Nikola (1988) den första elmätaren.

Det är från detta ögonblick som själva "strömningskriget" börjar.

Slutsatser

Låt oss försöka sammanfatta informationen som presenteras. Idag är det omöjligt att föreställa sig användningen (både i vardagen och i produktionen) av någon av de typer av elektricitet - både likström och växelström finns nästan överallt. När allt kommer omkring behövs en konstant, men dess överföring över långa avstånd är omöjlig, men någonstans är den variabel.

Naturligtvis har det bevisats att AC är mycket säkrare, men hur är det med enheter som hjälper till att spara energi många gånger, medan de bara kan fungera på DC?

Det är av dessa skäl som strömmarna nu "fredligt samexisterar" i våra liv och avslutar "kriget" som varade mer än 100 år. Det enda som inte får glömmas bort är att oavsett hur säkrare det ena är än det andra (konstant, växelspänning - det spelar ingen roll) kan det orsaka enorm skada på kroppen, till och med döden.

Och det är därför, när du arbetar med spänning, är det nödvändigt att noggrant följa alla säkerhetsstandarder och regler och inte glömma uppmärksamhet och noggrannhet. När allt kommer omkring, som Nikola Tesla sa, ska du inte vara rädd för el, den ska respekteras.