Переменный электрический ток – кратко формулы, мощность, применение (11 класс)
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 184.
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 184.
Из курса физики за 11 класс известно, что электрический ток — это движение по проводнику заряженных частиц. Ток может быть постоянным и переменным. Рассмотрим особенности переменного электрического тока.
Постоянный и переменный электрический ток
Действие электрического тока состоит в том, что носители заряда движутся по цепи под действием электрического поля источника тока и совершают работу на сопротивлении нагрузки (энергия при этом выделяется в виде тепла). Исторически первыми источниками тока были гальванические элементы. В таких элементах электрическое поле не меняет направление. В цепи, подключенной к гальваническому элементу, носители движутся также в одном направлении.
Рис. 1. Гальванические элементы.Однако это не единственная возможность движения носителей.
Носители могут не совершать поступательное движение, а колебаться вокруг некоторого среднего положения. При этом на сопротивлении нагрузки также будет выделяться мощность.
Электрический ток, в котором носители заряда движутся в одном направлении, называется постоянным. Если носители заряда не движутся в одном направлении, а совершают гармонические колебания вокруг некоторого среднего положения, такой электрический ток называется переменным.
Рис. 2. Постоянный и переменный ток.Электрические параметры переменного тока
Переменный ток, так же, как и постоянный, имеет все электрические параметры: напряжение, силу тока, мощность. Мгновенные значения этих параметров имеют то же самое выражение и смысл. Однако в случае переменного тока мгновенные значения параметров постоянно меняются во времени. Поэтому они неудобны для использования.
Для практического применения удобно взять такие параметры переменного тока, при которых он совершал бы такое же тепловое и механическое действие, как и постоянный.
2 R \over 2 }$$
Из этой формулы можно получить действующее значение силы тока. Оно должно быть таким, чтобы на том же сопротивлении R выделялась та же мощность:
$$I_{действ}={\sqrt{ P_{ср}\over R}} = {I_m\over \sqrt 2 }$$
Действующее значение напряжения находится аналогично:
$$U_{действ}= {U_m\over \sqrt 2 }$$
Отметим, что формула электрической мощности переменного тока для сопротивления с реактивной составляющей сложнее и включает учет сдвига фаз между током и напряжением. Эта тема рассматривается отдельно.
Для переменного тока действующие значения напряжения и силы тока в $\sqrt 2$ раза меньше амплитудных. Именно эти значения указываются на всех приборах переменного тока. В обычной осветительной сети переменного тока 220 В — это действующее значение. Реально мгновенное значение напряжения может превышать 310 В.
Рис. 3. Амплитудные и действующие значения.Что мы узнали?
Ток, при котором носители заряда движутся не постоянно в одном направлении, а колеблются вокруг некоторого среднего положения, называется переменным.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Олег Гаврюшкин
5/5
Оценка доклада
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 184.
А какая ваша оценка?
определение и разница между ними
Электрическим током называется перенос заряда или движение заряженных частиц между точками, с разными электрическими потенциалами. Переносить электрический заряд могут ионы, протоны и/или электроны. В повседневной жизни практически везде применяется движение электронов по проводникам. Обычно встречаются две разновидности электричества — переменное и постоянное. Важно знать, чем постоянный ток отличается от переменного.
- Постоянный и переменный ток
- Дополнительные параметры сети
- Практическое значение различий
Постоянный и переменный ток
Любое явление, которое нельзя увидеть или «пощупать» непосредственно, легче понять с помощью аналогий.
В случае с электричеством можно рассмотреть воду в трубе как самый близкий пример. Вода и электричество текут по своим проводникам — проводам и трубам.
- Объём протекающей воды — сила тока.
- Давление в трубе — напряжение.
- Диаметр трубы — проводимость, обратная сопротивлению.
- Объём на давление — мощность.
Давление в трубе создаётся насосом — сильнее насос качает, давление выше, воды течёт больше. Диаметр трубы больше — сопротивление меньше, воды протекает больше. Источник выдаёт напряжение больше — электричества протекает больше. Провода толще — сопротивление меньше, ток выше.
Для примера можно взять любой химический источник питания — батарейку или аккумулятор. На его клеммах имеются обозначения полюсов: плюс или минус. Если к батарейке, через провода и выключатель подключить соответствующую лампочку, то она загорится. Что при этом происходит? Минусовая клемма источника испускает электроны — элементарные частицы, несущие отрицательный заряд.
Направление движения зарядов остаётся неизменным всё время — от минуса к плюсу. Это и есть постоянный ток, он может быть пульсирующим — слабеть или увеличиваться.
По многим причинам применение только постоянного напряжения нецелесообразно: взять хотя бы невозможность использовать трансформаторы. Поэтому к настоящему времени сложилась система подачи и потребления переменного напряжения питания, под которую и создаются бытовые приборы.
Существует простой ответ, какова разница между постоянным и переменным током. В этом примере с лампочкой на одной клемме источника питания напряжение всегда будет равно нулю. Это нулевой провод, а вот на другом — фазном, напряжение изменяется. И не только по величине, но и по направлению — с плюса на минус.
Дополнительные параметры сети
Помимо напряжения, силы, мощности и сопротивления/проводимости появляются два новых признака, описывающих процессы. Эти параметры являются обязательными, как и первые четыре. При изменении любого из них изменяются свойства всей цепи.
- Форма.
- Частота.
Большую роль играет вид графика изменения напряжения. В идеале он имеет вид синусоиды с плавными переходами от значения к значению. Отклонения от синусоидальной формы могут привести к снижению качества энергии.
Частота — это количество переходов из одного крайнего состояния в другое за определённое время. Европейский стандарт в 50 Гц (герц) означает, что напряжение меняет плюс на минус 50 раз за секунду, а электроны сто раз поменяют направление движения.
Для справки: увеличение частоты в два раза приводит к четырёхкратному уменьшению габаритов устройств.
Если в розетке переменный ток 50 Гц и 220 В (вольт), то это значит, что максимальное напряжение питания в сети достигает 380 В. Откуда это? В постоянной сети значение напряжения неизменно, а при переменке оно то падает, то растёт. Вот эти 220 В и являются значением действующего напряжения синусоидального тока с амплитудой в 380 В. Потому так важна форма изменения значений, что при сильном отличии от синусоиды сильно изменится и действующее напряжение.
Практическое значение различий
Вот такой он, переменный и постоянный ток. В чем разница, разобраться не так уж сложно. Различие есть и очень большое. Источник постоянного тока не позволит подключить сварочный, да и любой другой, трансформатор. При расчёте изоляции или конденсаторов на пробой берётся не действующее, а максимальное значение напряжения.
Ещё один «парадокс». Конденсатор имеет бесконечное сопротивление в сети постоянного тока, и проводимость в сети переменного, чем выше частота, тем меньше сопротивление конденсатора. С катушками иначе — увеличение частоты вызывает рост индуктивного сопротивления. Это их свойство используется в колебательном контуре — основе всей связи.
ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА
- Главная
- ФНОРД
Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.
Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.
Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?
SparkFun GPS Logger Shield
26 в наличии GPS-13750
$52,50 26,25 $
4
Избранное Любимый 20
Список желаний
Мини-тензодатчик — 500 г, прямой стержень (TAL221)
Нет в наличии SEN-14728
10,95 $
Избранное Любимый 6
Список желаний
МОП-транзисторный выключатель питания
В наличии SPX-19799
Избранное Любимый 3
Список желаний
МИКРОЕ ЧСС 5 Click
Нет в наличии СЕН-19995
$31,95
Избранное Любимый 0
Список желаний
Приходи за своим мультиксом!
3 июля 2020 г.
Теперь доступны новые версии комплекта Qwiic Mux Breakout и RPi Zero W Camera Kit, а также датчик охлаждения SparkX и Pimoroni Automation HAT Mini.
Избранное Любимый 1
Пример использования SparkFun: PurpleAir
23 сентября 2021 г.
Мы продаем множество продуктов, но что компании делают с этими продуктами? Использование PurpleAir продуктов SparkFun помогает миру контролировать качество воздуха.
Избранное Любимый 1
Модификация инвертора EL Wire
18 июля 2019 г.
В этом руководстве мы изменим 12-вольтовый инвертор EL, чтобы обеспечить питание EL Sequencer/EL Escudo Dos от одного источника питания.
Избранное Любимый 3
Веб-сервер ретрансляции ESP32
10 сентября 2019 г.
Целью этого проекта является размещение веб-сайта на ESP32, который управляет любым устройством, управляемым через реле, подключенным к локальной сети, и сохраняет динамически обновляемое состояние этих устройств.
Избранное Любимый 10
20.5 Переменный ток в сравнении с постоянным током — College Physics 2e
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объясните различия и сходства между переменным и постоянным током.
- Рассчитать среднеквадратичное значение напряжения, тока и средней мощности.
- Объясните, почему переменный ток используется для передачи энергии.
Переменный ток
Большинство примеров, рассмотренных до сих пор, и особенно те, в которых используются батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он, таким образом, также является постоянным.
Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического заряда только в одном направлении. Это устойчивое состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник переменного напряжения. Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь известна как цепь переменного тока. Примеры включают коммерческую и жилую энергию, которая удовлетворяет многие из наших потребностей. На рис. 20.14 показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичной мощности постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.
Рисунок
20.14
(a) Напряжение постоянного тока и ток постоянны во времени, как только ток установится. (b) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока с частотой 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и находятся в фазе для простой цепи сопротивления.
Частоты и пиковые напряжения источников переменного тока сильно различаются.
Рисунок 20.15 Разность потенциалов VV между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано на рисунке. Математическое выражение для VV имеет вид V=V0sin 2 πftV=V0sin 2 πft.
На рис. 20.15 показана схема простой цепи с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано, с напряжением переменного тока, заданным
.V=V0sin 2πft,V=V0sin 2πft,
20,38
где VV — напряжение в момент времени tt , V0V0 — пиковое напряжение, а ff — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления I=V/RI=V/R, поэтому переменный ток равен
.I=I0 sin 2πft,I=I0 sin 2πft,
20,39
, где II — ток в момент времени tt, а I0=V0/RI0=V0/R — пиковый ток. В этом примере говорят, что напряжение и ток совпадают по фазе, как показано на рис.
20.14(b).
Ток в резисторе колеблется туда-сюда точно так же, как управляющее напряжение, поскольку I=V/RI=V/R. Например, если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, поскольку ток многократно проходит через ноль. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстрое для ваших глаз, но если вы помахаете рукой между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе. Тот факт, что светоотдача колеблется, означает, что мощность колеблется. Подаваемая мощность равна P=IVP=IV. Используя приведенные выше выражения для II и VV, мы видим, что зависимость мощности от времени P=I0V0sin2 2πftP=I0V0sin2 2πft, как показано на рис. 20.16.
Установление связей: домашний эксперимент — освещение переменного/постоянного тока
Проведите рукой вперед-назад между лицом и флуоресцентной лампочкой. Наблюдаете ли вы то же самое с фарами на вашем автомобиле? Объясните, что вы наблюдаете.
Предупреждение: Не смотрите прямо на очень яркий свет .
Рисунок 20.16 Мощность переменного тока как функция времени. Поскольку здесь напряжение и ток совпадают по фазе, их произведение неотрицательно и колеблется между нулем и I0V0I0V0. Средняя мощность (1/2)I0V0(1/2)I0V0 .
Чаще всего нас интересует средняя мощность, а не ее колебания — например, 60-ваттная лампочка в вашей настольной лампе потребляет в среднем 60 Вт. Как показано на рис. 20.16, средняя мощность PavePave равна
.Выложить=12I0V0.Выложить=12I0V0.
20.40
Это видно из графика, так как площади выше и ниже линии (1/2)I0V0(1/2)I0V0 равны, но это можно доказать и с помощью тригонометрических тождеств. Точно так же мы определяем средний или среднеквадратический ток IrmsIrms и среднее или среднеквадратичное напряжение VrmsVrms равными, соответственно,
Iэфф =I02Iэфф =I02
20,41
и
Вэфф =V02.
Вэфф =V02.
20,42
где rms означает среднеквадратичное значение, особый тип среднего значения. В общем, для получения среднеквадратичного корня конкретную величину возводят в квадрат, находят ее среднее (или среднее) и извлекают квадратный корень. Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Теперь
Pave=IrmsVrms, Pave=IrmsVrms,
20,43
, что дает
Pave=I02⋅V02=12I0V0,Pave=I02⋅V02=12I0V0,
20,44
, как указано выше. Стандартной практикой является указывать IrmsIrms, VrmsVrms и PavePave, а не пиковые значения. Например, напряжение в большинстве бытовых электросетей составляет 120 В переменного тока, что означает, что среднеквадратичное значение VrmsVrms равно 120 В. Обычный автоматический выключатель на 10 А отключит устойчивое среднеквадратичное значение IrmsI более 10 А. Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет Pave=1,0 кВтPave=1,0 кВт , и так далее.
Вы можете думать об этих среднеквадратичных и средних значениях как об эквивалентных значениях постоянного тока для простой резистивной цепи.
Подводя итог, при работе с переменным током закон Ома и уравнения для мощности полностью аналогичны уравнениям для постоянного тока, но для переменного тока используются среднеквадратические и средние значения. Таким образом, для переменного тока закон Ома записывается как
Irms=VrmsR.Irms=VrmsR.
20.45
The various expressions for AC power PavePave are
Pave=IrmsVrms,Pave=IrmsVrms,
20.46
Pave=Vrms2R,Pave=Vrms2R,
20.47
and
Pave=Irms2R.Pave=Irms2R.
20,48
Пример 20,9
Пиковое напряжение и мощность переменного тока
(a) Каково значение пикового напряжения для сети переменного тока 120 В? (b) Какова пиковая мощность, потребляемая лампочкой переменного тока мощностью 60,0 Вт?
Стратегия
Нам говорят, что VrmsVrms составляет 120 В, а PavePave составляет 60,0 Вт.
Мы можем использовать Vrms =V02Vrms =V02, чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданного среднего значения. власть.
Решение для (a)
Решение уравнения Vrms =V02Vrms =V02 для пикового напряжения V0V0 и подстановка известного значения VrmsVrms дает
V0=2Vrms= 1,414(120 В)= 170 В. 120 В)= 170 В.
20,49
Обсуждение для (a)
Это означает, что переменное напряжение колеблется от 170 В до –170 В–170 В и обратно 60 раз в секунду. Эквивалентное постоянное напряжение равно 120 В.
Решение для (b)
Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом,
P0=I0V0= 212I0V0= 2Pave.P0=I0V0= 212I0V0= 2Pave.
20,50
Мы знаем, что средняя мощность равна 60,0 Вт, поэтому
P0= 2(60,0 Вт)= 120 Вт.
P0= 2(60,0 Вт)= 120 Вт. мощность колеблется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды в каждом цикле), а средняя мощность составляет 60 Вт.
Зачем использовать переменный ток для распределения электроэнергии?
Большинство крупных систем распределения электроэнергии работают на переменном токе. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоких напряжениях, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве стран мира), которые мы используем дома и на работе. Экономия за счет масштаба делает строительство нескольких очень крупных электростанций дешевле, чем строительство множества мелких. Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно, чтобы потери энергии в пути были сведены к минимуму. Как мы увидим, высокое напряжение может передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкое напряжение. (См. рис. 20.17.) Из соображений безопасности напряжение у пользователя снижено до привычных значений. Решающим фактором является то, что переменное напряжение намного проще увеличивать и уменьшать, чем постоянное, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.
Рисунок 20.17 Энергия распределяется на большие расстояния при высоком напряжении для уменьшения потерь мощности в линиях передачи. Напряжения, генерируемые на электростанции, повышаются пассивными устройствами, называемыми трансформаторами (см. Трансформаторы), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру). В месте использования трансформаторы снижают передаваемое напряжение для безопасного бытового и коммерческого использования. (Источник: GeorgHH, Wikimedia Commons)
Пример 20.10
Потери мощности меньше при высоковольтной передаче
(a) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при 200 кВ? (b) Какова мощность, рассеиваемая линиями передачи, если они имеют сопротивление 1,00 Ом 1,00 Ом? в) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?
Стратегия
Имеем Pave=100 MWPave=100 МВт, Vrms=200 кВVrms=200 кВ, сопротивление линий R=1,00ΩR=1,00Ω. Используя эти данные, мы можем найти протекающий ток (из P=IVP=IV), а затем мощность, рассеиваемую в линиях (P=I2RP=I2R), и взять отношение к общей передаваемой мощности.
Решение
Чтобы найти ток, мы перестраиваем отношение Pave=IrmsVrmsPave=IrmsVrms и подставляем известные значения. Это дает
Irms = PaveVrms = 100 × 106 W200 × 103 В = 500 A. Irms = PaveVrms = 100 × 106 W200 × 103 В = 500 A.
20,52
Решение
линий мощность, рассеиваемая в них, находится из Pave=Irms2RPave=Irms2R. Подстановка известных значений дает
Pave=Irms2R=(500 А)2(1,00 Ом)= 250 кВт. Pave=Irms2R=(500 А)2(1,00 Ом)= 250 кВт.
20,53
Решение
Потери в процентах представляют собой отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100:
% потерь=250 кВт100 МВт×100=0,250 %.% потерь=250 кВт100 МВт× 100=0,250 %.
20,54
Обсуждение
Одна четвертая процента – допустимая потеря. Заметим, что если бы передавалось 100 МВт мощности при напряжении 25 кВ, то понадобился бы ток 4000 А.
Это приведет к потере мощности в линиях 16,0 МВт, или 16,0%, а не 0,250%. Чем ниже напряжение, тем больше требуется тока и тем больше потери мощности в линиях передачи с фиксированным сопротивлением. Конечно, можно построить линии с меньшим сопротивлением, но для этого нужны более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было производить экономично, то в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в одной из последующих глав, в сверхпроводниках также существует предел тока. Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи мощности, а напряжение переменного тока гораздо легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупномасштабных систем распределения электроэнергии.
Широко известно, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредными. Так что не только напряжение определяет опасность.
