PhysBook:Электронный учебник физики — PhysBook

Содержание

• 1 Учебники
• 2 Механика
  • 2.1 Кинематика
  • 2.2 Динамика
  • 2.3 Законы сохранения
  • 2.4 Статика
  • 2.5 Механические колебания и волны
• 3 Термодинамика и МКТ
  • 3.1 МКТ
  • 3. 2 Термодинамика
• 4 Электродинамика
  • 4.1 Электростатика
  • 4.2 Электрический ток
  • 4.3 Магнетизм
  • 4.4 Электромагнитные колебания и волны
• 5 Оптика. СТО
  • 5.1 Геометрическая оптика
  • 5.2 Волновая оптика
  • 5. 3 Фотометрия
  • 5.4 Квантовая оптика
  • 5.5 Излучение и спектры
  • 5.6 СТО
• 6 Атомная и ядерная
  • 6.1 Атомная физика. Квантовая теория
  • 6.2 Ядерная физика
• 7 Общие темы
• 8 Новые страницы

Здесь размещена информация по школьной физике:

1. материалы из учебников, лекций, рефератов, журналов;
2. разработки уроков, тем;
3. flash-анимации, фотографии, рисунки различных физических процессов;
4. ссылки на другие сайты

и многое другое.

Каждый зарегистрированный пользователь сайта имеет возможность выкладывать свои материалы (см. справку), обсуждать уже созданные.

Учебники

Формулы по физике – 7 класс – 8 класс – 9 класс – 10 класс – 11 класс –

Механика

Кинематика

Основные понятия кинематики – Прямолинейное движение – Криволинейное движение – Движение в пространстве

Динамика

Законы Ньютона – Силы в механике – Движение под действием нескольких сил

Законы сохранения

Закон сохранения импульса – Закон сохранения энергии

Статика

Статика твердых тел – Динамика твердых тел – Гидростатика – Гидродинамика

Механические колебания и волны

Механические колебания – Механические волны

---

Термодинамика и МКТ

МКТ

Основы МКТ – Газовые законы – МКТ идеального газа

Термодинамика

Первый закон термодинамики – Второй закон термодинамики – Жидкость-газ – Поверхностное натяжение – Твердые тела – Тепловое расширение

---

Электродинамика

Электростатика

Электрическое поле и его параметры – Электроемкость

Электрический ток

Постоянный электрический ток – Электрический ток в металлах – Электрический ток в жидкостях – Электрический ток в газах – Электрический ток в вакууме – Электрический ток в полупроводниках

Магнетизм

Магнитное поле – Электромагнитная индукция

Электромагнитные колебания и волны

Электромагнитные колебания – Производство и передача электроэнергии – Электромагнитные волны

---

Оптика.

СТО

Геометрическая оптика

Прямолинейное распространение света. Отражение света – Преломление света – Линзы

Волновая оптика

Свет как электромагнитная волна – Интерференция света – Дифракция света

Фотометрия

Фотометрия

Квантовая оптика

Квантовая оптика

Излучение и спектры

Излучение и спектры

СТО

СТО

---

Атомная и ядерная

Атомная физика. Квантовая теория

Строение атома – Квантовая теория – Излучение атома

Ядерная физика

Атомное ядро – Радиоактивность – Ядерные реакции – Элементарные частицы

---

Общие темы

Измерения – Методы решения – Развитие науки- Статья- Как писать введение в реферате- Подготовка к ЕГЭ — Репетитор по физике

Новые страницы

Запрос не дал результатов.

Что такое напряжение, как понизить и повысить напряжение

Напряжение и сила тока — две основных величины в электричестве. Кроме них выделяют и ряд других величин: заряд, напряженность магнитного поля, напряженность электрического поля, магнитная индукция и другие. Практикующему электрику или электронщику в повседневной работе чаще всего приходится оперировать именно напряжением и током — Вольтами и Амперами. В этой статье мы расскажем именно о напряжении, о том, что это такое и как с ним работать.

Определение физической величины

Напряжение это разность потенциалов между двумя точками, характеризует выполненную работу электрического поля по переносу заряда из первой точки во вторую. Измеряется напряжение в Вольтах. Значит, напряжение может присутствовать только между двумя точками пространства. Следовательно, измерить напряжение в одной точке нельзя.

Потенциал обозначается буквой «Ф», а напряжение буквой «U». Если выразить через разность потенциалов, напряжение равно:

U=Ф1-Ф2

Если выразить через работу, тогда:

U=A/q,

где A — работа, q — заряд.

Измерение напряжения

Напряжение измеряется с помощью вольтметра. Щупы вольтметра подключают на две точки напряжение, между которыми нас интересует, или на выводы детали, падение напряжения на которой мы хотим измерить.

При этом любое подключение к схеме может влиять на её работу. Это значит, что при добавлении параллельно элементу какой-либо нагрузки ток в цепи изменить и напряжение на элементе измениться по закону Ома.

Вывод:

Вольтметр должен обладать максимально высоким входным сопротивлением, чтобы при его подключении итоговое сопротивление на измеряемом участке оставалось практически неизменным. Сопротивление вольтметра должно стремиться к бесконечности, и чем оно больше, тем большая достоверность показаний.

На точность измерений (класс точности) влияет целый ряд параметров. Для стрелочных приборов – это и точность градуировки измерительной шкалы, конструктивные особенности подвеса стрелки, качество и целостность электромагнитной катушки, состояние возвратных пружин, точность подбора шунта и прочее.

Для цифровых приборов — в основном точность подбора резисторов в измерительном делителе напряжения, разрядность АЦП (чем больше, тем точнее), качество измерительных щупов.

Для измерения постоянного напряжения с помощью цифрового прибора (например, мультиметра), как правило, не имеет значения правильность подключения щупов к измеряемой цепи. Если вы подключите положительный щуп к точке с более отрицательным потенциалом, чем у точки, к которой подключен отрицательный щуп — то на дисплее перед результатом измерения появится знак «–».

А вот если вы меряете стрелочным прибором нужно быть внимательным, При неправильном подсоединении щупов стрелка начнет отклоняться в сторону нуля, упрется в ограничитель. При измерении напряжений близких к пределу измерений или больше она может заклинить или погнуться, после чего о точности и дальнейшей работе этого прибора говорить не приходится.

Для большинства измерений в быту и в электронике на любительском уровне достаточно и вольтметра встроенного в мультиметры типа DT-830 и подобных.

Чем больше измеряемые значения — тем ниже требования к точности, ведь если вы измеряете доли вольта и у вас погрешность в 0.1В — это существенно исказит картину, а если вы измеряете сотни или тысяч вольт, то погрешность и в 5 вольт не сыграет существенной роли.

Что делать если напряжение не подходит для питания нагрузки

Для питания каждого конкретного устройства или аппарата нужно подать напряжение определенной величины, но случается, так что имеющийся у вас источник питания не подходит и выдает низкое или слишком высокое напряжение. Решается эта проблема разными способами, в зависимости от требуемой мощности, напряжения и силы тока.

Как понизить напряжение сопротивлением?

Сопротивление ограничивает ток и при его протекании падает напряжение на сопротивление (токоограничивающий резистор). Такой способ позволяет понизить напряжение для питания маломощных устройств с токами потребления в десятки, максимум сотни миллиампер.

Примером такого питания можно выделить включение светодиода в сеть постоянного тока 12 (например, бортовая сеть автомобиля до 14.7 Вольт). Тогда, если светодиод рассчитан на питание от 3.3 В, током в 20 мА, нужен резистор R:

R=(14.7-3.3)/0.02)= 570 Ом

Но резисторы отличаются по максимальной рассеиваемой мощности:

P=(14.7-3.3)*0.02=0.228 Вт

Ближайший по номиналу в большую сторону — резистор на 0.25 Вт.

Именно рассеиваемая мощность и накладывает ограничение на такой способ питания, обычно мощность резисторов не превышает 5-10 Вт. Получается, что если нужно погасить большое напряжение или запитать таким образом нагрузку мощнее, придется ставить несколько резисторов т.

к. мощности одного не хватит и ее можно распределить между несколькими.

Способ снижения напряжения резистором работает и в цепях постоянного тока и в цепях переменного тока.

Недостаток — выходное напряжение ничем нестабилизировано и при увеличении и снижении тока оно изменяется пропорционально номиналу резистора.

Как понизить переменное напряжение дросселем или конденсатором?

Если речь вести только о переменном токе, то можно использовать реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление есть только в цепях переменного тока, это связно с особенностями накопления энергии в конденсаторах и катушках индуктивности и законами коммутации.

Дроссель и конденсатор в переменном токе могут быть использованы в роли балластного сопротивления.

Реактивное сопротивление дросселя (и любого индуктивного элемента) зависит от частоты переменного тока (для бытовой электросети 50 Гц) и индуктивности, оно рассчитывается по формуле:

где ω – угловая частота в рад/с, L-индуктивность, 2пи – необходимо для перевода угловой частоты в обычную, f – частота напряжения в Гц.

Реактивное сопротивление конденсатора зависит от его емкости (чем меньше С, тем больше сопротивление) и частоты тока в цепи (чем больше частота, тем меньше сопротивление). Его можно рассчитать так:

Когда переменный ток проходит через проводник, вокруг проводника образуется магнитное поле. Если проводник намотан на катушку, то магнитное поле увеличивается. Если в цепи образуется значительное магнитное поле, то в этой цепи возникает противодействие потоку тока, что называется индуктивным реактивным сопротивлением.

Пример использования индуктивного сопротивления — это питание люминесцентных ламп освещения, ДРЛ ламп и ДНаТ. Дроссель ограничивает ток через лампу, в ЛЛ и ДНаТ лампах он используется в паре со стартером или импульсным зажигающем устройством (пусковое реле) для формирования всплеска высокого напряжения включающего лампу. Это связано с природой и принципом работы таких светильников.

А конденсатор используют для питания маломощных устройств, его устанавливают последовательно с питаемой цепью. Такой блок питания называется «бестрансфоматорный блок питания с балластным (гасящим) конденсатором».

Очень часто встречают в качестве ограничителя тока заряда аккумуляторов (например, свинцовых) в носимых фонарях и маломощных радиоприемниках. Недостатки такой схемы очевидны — нет контроля уровня заряда аккумулятора, их выкипание, недозаряд, нестабильность напряжения.

Как понизить и стабилизировать напряжение постоянного тока

Чтобы добиться стабильного выходного напряжения можно использовать параметрические и линейные стабилизаторы. Часто их делают на отечественных микросхемах типа КРЕН или зарубежных типа L78xx, L79xx.

Линейный преобразователь LM317 позволяет стабилизировать любое значение напряжения, он регулируемый до 37В, вы можете сделать простейший регулируемый блок питания на его основе.

Если нужно незначительно снизить напряжение и стабилизировать его описанные ИМС не подойдут. Чтобы они работали должна быть разница порядка 2В и более. Для этого созданы LDO(low dropout)-стабилизаторы. Их отличие заключается в том, что для стабилизации выходного напряжение нужно, чтобы входное его превышало на величину от 1В. Пример такого стабилизатора AMS1117, выпускается в версиях от 1.2 до 5В, чаще всего используют версии на 5 и 3.3В, например в платах Arduino и многом другом.

Конструкция всех вышеописанных линейных понижающих стабилизаторов последовательного типа имеет существенный недостаток – низкий КПД. Чем больше разница между входным и выходным напряжением – тем он ниже. Он просто «сжигает» лишнее напряжение, переводя его в тепло, а потери энергии равны:

Pпотерь = (Uвх-Uвых)*I

Компания AMTECH выпускает ШИМ аналоги преобразователей типа L78xx, они работают по принципу широтно-импульсной модуляции и их КПД равен всегда более 90%.

Они просто включают и выключают напряжение с частотой до 300 кГц (пульсации минимальны). А действующее напряжение стабилизируется на нужном уровне. А схема включения аналогичная линейным аналогам.

Как повысить постоянное напряжение?

Для повышения напряжения производят импульсные преобразователи напряжения. Они могут быть включены и по схеме повышения (boost), и понижения (buck), и по повышающе-понижающей (buck-boost) схеме. Давайте рассмотрим несколько представителей:

1. Плата на базе микросхемы XL6009

2. Плата на базе LM2577, работает на повышение и понижение выходного напряжения.

3. Плата преобразователь на FP6291, подходит для сборки 5 V источника питания, например powerbank. С помощью корректировке номиналов резисторов может перестраиваться на другие напряжения, как и любые другие подобные преобразователь – нужно корректировать цепи обратной связи.

4. Плата на базе MT3608

Здесь всё подписано на плате – площадки для пайки входного – IN и выходного – OUT напряжения. Платы могут иметь регулировку выходного напряжения, а в некоторых случая и ограничения тока, что позволяет сделать простой и эффективный лабораторный блок питания. Большинство преобразователей, как линейных, так и импульсных имеют защиту от КЗ.

Как повысить переменное напряжение?

Для корректировки переменного напряжения используют два основных способа:

1. Автотрансформатор;

2. Трансформатор.

Автотрансформатор – это дроссель с одной обмоткой. Обмотка имеет отвод от определенного количества витков, так подключаясь между одним из концов обмотки и отводом, на концах обмотки вы получаете повышенное напряжение во столько раз, во сколько соотносится общее количество витков и количество витков до отвода.

Промышленностью выпускаются ЛАТРы – лабораторные автотрансформаторы, специальные электромеханические устройства для регулировки напряжения. Очень широко применение они нашли в разработке электронных устройств и ремонте источников питания. Регулировка достигается за счет скользящего щеточного контакта, к которому подключается питаемое устройство.

Недостатком таких устройств является отсутствие гальванической развязки. Это значит, что на выходных клеммах может запросто оказаться высокое напряжение, отсюда опасность поражения электрическим током.

Трансформатор – это классический способ изменения величины напряжения. Здесь есть гальваническая развязка от сети, что повышает безопасность таких установок. Величина напряжения на вторичной обмотке зависит от напряжений на первичной обмотки и коэффициента трансформации.

Uвт=Uперв*Kтр

Kтр=N1/N2

Отдельный вид – это импульсные трансформаторы. Они работают на высоких частотах в десятки и сотни кГц. Используются в подавляющем большинстве импульсных блоках питания, например:

Зарядное устройство вашего смартфона;

Блок питания ноутбука;

Блок питания компьютера.

За счет работы на большой частоте снижаются массогабаритные показатели, они в разы меньше чем у сетевых (50/60 Гц) трансформаторов, количество витков на обмотках и, как следствие, цена. Переход на импульсные блоки питания позволил уменьшить габариты и вес всей современной электроники, снизить её потребление за счет увеличения кпд (в импульсных схемах 70-98%).

В магазинах часто встречаются электронные траснформаторы, на их вход подаётся сетевое напряжение 220В, а на выходе например 12 В переменное высокочастотное, для использования в нагрузке которая питается от постоянного тока нужно дополнительно устанавливать на выход диодный мост из высокоскоростных диодов.

Внутри находится импульсный трансформатор, транзисторные ключи, драйвер, или автогенераторная схема, как изображена ниже.

Достоинства – простота схемы, гальваническая развязка и малые размеры.

Недостатки – большинство моделей, что встречаются в продаже, имеют обратную связь по току, это значит что без нагрузки с минимальной мощностью (указано в спецификациях конкретного прибора) он просто не включится. Отдельные экземпляры оборудованы уже ОС по напряжению и работают на холостом ходу без проблем.

Используются чаще всего для питания 12В галогенных ламп, например точечные светильники подвесного потолка.

Заключение

Мы рассмотрели базовые сведения о напряжении, его измерении, а также регулировки. Современная элементная база и ассортимент готовых блоков и преобразователей позволяет реализовывать любые источники питания с необходимыми выходными характеристиками. Подробнее о каждом из способов можно написать отдельную статью, в пределах этой я постарался уместить базовые сведения, необходимые для быстрого подбора удобного для вас решения.

Алексей Бартош

Источник: http://electrik.info

4.5 Сравнение переменного тока и постоянного тока – Колледж Дугласа, физика 1207

Глава 4 Электрический ток, сопротивление и закон Ома

Резюме

• 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.

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. 1 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 1. (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 2. Разность потенциалов В между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для В определяется как В = В ₀ sin 2πft .

На рис. 2 показана схема простой цепи с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано, с напряжением переменного тока, заданным

.

В = Vo sin(2 π f t)

, где В — напряжение в момент времени t, В _o — пиковое напряжение, а f — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления I = V/R , поэтому переменный ток равен

.

I = Io sin(2 π f t)

, где I — ток в момент времени t , а Io = Vo / R — пиковый ток. В этом примере говорят, что напряжение и ток совпадают по фазе, как показано на рисунке 1(b).

Ток в резисторе колеблется туда-сюда точно так же, как управляющее напряжение, поскольку I = V / R . Если резистор представляет собой, например, люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, когда ток многократно проходит через нуль. 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. Потребляемая мощность P = IV . Используя выражения для I и V выше, мы видим, что зависимость мощности от времени имеет вид .

Налаживание связей: домашний эксперимент — освещение переменного/постоянного тока

Проводите 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 3. Мощность переменного тока в зависимости от времени. Поскольку напряжение и ток здесь совпадают по фазе, их произведение неотрицательно и колеблется от нуля до I ₀ В ₀ . Средняя мощность (1/2)I ₀ В ₀ .

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 рисунке выше среднее мощность P _{среднее} равно P _авен = ¹ / ₂ Io Vo.

 

Это видно из графика, так как площади выше и ниже линии ¹ / ₂ Io Vo равны, но это можно доказать и с помощью тригонометрических тождеств. Точно так же мы определяем средний или среднеквадратический ток I _RMS и среднее или среднеквадратичное напряжение В _RMS  соответственно

и

, 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. Сейчас

P _{среднее значение} = I _{среднеквадратичное значение} В _{среднеквадратичное значение}

что дает

, как указано выше. Это стандартная практика цитировать I _{среднеквадратичное значение}  , V _{среднеквадратичное значение} и P _ave , а не пиковые значения. Например, в большинстве бытовых электросетей напряжение переменного тока составляет 120 В, что означает, что V _{действ. СВЧ печь потребляет Р среднее =1,0кВт, и т.д. 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

Различные выражения для мощности переменного тока P _ave  являются

P _ave    = I _{действ.} В _{действ.}

                P _ave    =  ( V _rms  ) ² / R             и

   P _ave    =  (I _{СКЗ) ²}   В _СКЗ

Пример 1: 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 В _{среднеквадратичное значение}    равно 120 В, а P _ave равно 60,0 Вт. Мы можем использовать определение мощности, чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем найти пиковое напряжение. пиковая мощность от заданной средней мощности.

Решение для (a)

Решение уравнения для пикового напряжения V ₀ и замену известного значения для V _ОБРАТА . что переменное напряжение колеблется от 170 В до –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

Мы знаем, что средняя мощность равна 60,0 Вт, поэтому

P _o = 2(60,0 Вт) = 120 Вт

Обсуждение

Итак, мощность колеблется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за цикл), а мощность в среднем составляет 60 Вт.

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. 4.) 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 4. Мощность распределяется на большие расстояния при высоком напряжении для снижения потерь мощности в линиях передачи. Напряжение, генерируемое электростанцией, повышается с помощью пассивных устройств, называемых трансформаторами (см. главу 23.7 «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 2: потери мощности меньше для высоковольтной передачи

(a) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 200 кВ? б) Какова мощность, рассеиваемая линиями передачи, если они имеют сопротивление 1,00 Ом? в) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?

Стратегия

Имеем P _пр = 100 МВт , В _{действующее значение} = 200 кВ , а сопротивление линий 0 Ом = 1. Используя эти данные, мы можем найти ток, протекающий (от P = IV ), а затем мощность, рассеиваемая в линиях P = I ² R ), и берем отношение к общей передаваемой мощности.

Решение

Чтобы найти ток, преобразуем соотношение P _ave = I _{действующее значение} В _{действующее значение} и подставим известные значения. Это дает

Решение

Зная силу тока и учитывая сопротивление линий, мощность, рассеиваемая в них, находится из P _ave = I _rms ² R. Substituting the known values ​​gives

P _ave = I _rms ² R = (500 A) ² (1.00 Ω) = 250 кВт

Решение

Потери в процентах представляют собой отношение этой потерянной мощности к общей или потребляемой мощности, умноженное на 100:

Обсуждение

Одна четвертая процента является приемлемой потерей. 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 признано, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое напряжение. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредны. Так что не только напряжение определяет опасность. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока. Томас Эдисон считал, что удары переменного тока более вредны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные споры, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой, которые выступали за использование переменного тока в первых системах распределения электроэнергии. Переменный ток преобладает во многом благодаря трансформаторам и меньшим потерям мощности при передаче высокого напряжения.

PhET Исследования: Генератор

Генерировать электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.

Рис. 5. Генератор

• Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического тока только в одном направлении. Это относится к системам, в которых напряжение источника постоянно.
• Источник напряжения системы переменного тока (AC) выдает В = В _o  sin 2 πf t  , где В — напряжение в момент времени t, В _o — пиковое напряжение, а f — частота в герцах.
• В простой цепи I = V/R , а переменный ток равен I  = I _o  sin 2 πf t , где I – ток в момент времени t , а 3 o
I 900 V _o  / R  – пиковый ток.
• Средняя мощность переменного тока .
• Средний (действующий) ток I _rms   и среднее (rms) напряжение В _{rms s}    равны   и , где rms означает среднеквадратичное значение.
• Таким образом, P _ave = I _СКЗ В _СКЗ .
• Закон Ома для переменного тока: В _{действ.}
• Выражения для средней мощности цепи переменного тока

  P _ave    = I _{действ.} В _{действ.}

                  P _ave    =  ( V _rms  ) ² / R             и

     P _ave    =  (I _{СКЗ) ²}   В _СКЗ

Упражнения с задачами

1: а) Чему равно тепловое сопротивление лампочки мощностью 25 Вт, работающей от сети переменного тока 120 В? б) Если рабочая температура лампы 2700°С, каково ее сопротивление при 2600°С?

2: Некоторое тяжелое промышленное оборудование использует переменный ток с пиковым напряжением 679 В. Каково среднеквадратичное значение напряжения?

3: Определенный автоматический выключатель срабатывает при среднеквадратичном токе 15,0 А. Каков соответствующий пиковый ток?

4: Военные самолеты используют переменный ток с частотой 400 Гц, поскольку на этой более высокой частоте можно проектировать более легкое оборудование. Каково время одного полного цикла этой мощности?

5: Турист из Северной Америки берет свою бритву мощностью 25,0 Вт и 120 В переменного тока в Европу, находит специальный адаптер и подключает ее к сети 240 В переменного тока. Предполагая постоянное сопротивление, какую мощность потребляет бритва при ее поломке?

6: В этой задаче вы проверите утверждения, сделанные в конце о потерях мощности для Примера 2. (a) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 25,0 кВ? (b) Найдите потери мощности в линии передачи 1 Ом . (c) Какой процент потерь это представляет?

7: Кондиционер небольшого офисного здания работает от сети переменного тока 408 В и потребляет 50,0 кВт. а) Каково его эффективное сопротивление? (b) Какова стоимость работы кондиционера в жаркий летний месяц, когда он работает по 8 часов в день в течение 30 дней, а электроэнергия стоит 9.00 центов/кВт • ч?

8: Какова пиковая потребляемая мощность микроволновой печи на 120 В переменного тока, которая потребляет 10,0 А?

9: Каков пиковый ток через комнатный обогреватель мощностью 500 Вт, работающий от сети переменного тока 120 В?

10: Два разных электрических устройства имеют одинаковую потребляемую мощность, но одно предназначено для работы от сети переменного тока 120 В, а другое от сети переменного тока 240 В. а) Каково отношение их сопротивлений? б) Каково отношение их токов? (c) Если предположить, что его сопротивление не изменится, во сколько раз увеличится мощность, если устройство на 120 В переменного тока подключить к сети 240 В переменного тока?

11: Нихромовая проволока используется в некоторых радиационных нагревателях. (a) Найдите необходимое сопротивление, если средняя выходная мощность должна составлять 1,00 кВт при использовании переменного тока 120 В. б) Какая длина нихромовой проволоки с площадью поперечного сечения 5 мм ² мм потребуется, если рабочая температура составляет 500°С? в) Какую мощность он потребляет при первом включении?

12: Найдите время после t=0, когда мгновенное напряжение переменного тока частотой 60 Гц впервые достигает следующих значений: (а) В _o /2 (б) В _o   (в) 0,

13: (а) В какие два раза в первый период после t=0 мгновенное напряжение переменного тока частотой 60 Гц равно В _{среднеквадратичное значение} ? (б) -V_ _СКЗ ?

постоянный ток

(DC) поток электрического заряда только в одном направлении

переменный ток

(AC) поток электрического заряда, который периодически меняет направление на противоположное

Напряжение переменного тока

напряжение, которое колеблется синусоидально во времени, выраженное как В = В ₀ sin 2 πft , где В — напряжение в момент времени t, В ₀ — пиковое напряжение2, а 9004 f — пиковое напряжение2 частота в герцах

Переменный ток

ток, синусоидально колеблющийся во времени, выражается как I = I ₀ sin 2 πft , где I — ток в момент времени t, I ₀ — пиковый ток, а f — частота в герцах

Действующее значение тока

среднеквадратичное значение тока, где I ₀ пиковое значение тока в системе переменного тока

среднеквадратичное значение напряжения

среднеквадратичное значение напряжения, где В ₀ пиковое напряжение в системе переменного тока

 

Переменный ток — определение, принцип работы, генератор переменного тока

Что такое переменный ток?

Переменный ток можно определить как ток, который меняет свою величину и полярность через равные промежутки времени. Его также можно определить как электрический ток, который неоднократно меняет или меняет свое направление, противоположное направлению постоянного тока или постоянного тока, который всегда течет в одном направлении, как показано ниже.

 

Из графика видно, что заряженные частицы в переменном токе стремятся начать движение от нуля. Он увеличивается до максимума, а затем снова уменьшается до нуля, завершая один положительный цикл. Затем частицы меняют свое направление и достигают максимума в противоположном направлении, после чего AC снова возвращается к исходному значению, завершая отрицательный цикл. Один и тот же цикл повторяется снова и снова.

Переменные токи также обычно сопровождаются переменными напряжениями. Кроме того, переменный ток также легко преобразуется из более высокого уровня напряжения в более низкий уровень напряжения.

Производство переменного тока

Переменный ток может производиться или генерироваться с помощью устройств, известных как генераторы переменного тока. Однако переменный ток также может быть получен различными способами, в которых используется множество цепей. Одним из наиболее распространенных или простых способов генерации переменного тока является использование основного генератора переменного тока с одной катушкой, который состоит из двухполюсных магнитов и одного контура провода прямоугольной формы.

В этой установке генератор переменного тока следует принципу электромагнитной индукции Фарадея, где он преобразует механическую энергию в электрическую.

При этом переменный ток подается на оборудование по 3 проводам. Они следующие;

• Энергия передается по горячему проводу.
• Нейтральный провод, соединенный с землей, обеспечивает обратный путь для тока в горячем проводе.
• Третий провод, который также соединен с землей, соединен с металлическими частями оборудования, чтобы исключить опасность поражения электрическим током.

Применение переменного тока

AC — это форма тока, которая в основном используется в различных приборах. Некоторые примеры переменного тока включают звуковой сигнал, радиосигнал и т. д. Переменный ток имеет большое преимущество перед постоянным током, поскольку переменный ток может передавать мощность на большие расстояния без больших потерь энергии.

AC используется в основном в домах и офисах, главным образом потому, что генерация и транспортировка переменного тока на большие расстояния намного проще. Между тем, переменный ток можно легко преобразовать в высокое напряжение и обратно с помощью трансформаторов. Переменный ток также может питать электродвигатели, которые дополнительно преобразуют электрическую энергию в механическую. Благодаря этому переменный ток также находит применение во многих крупных бытовых приборах, таких как холодильники, посудомоечные машины и многие другие приборы.

Форма волны переменного тока

Прежде чем мы узнаем больше об этой теме, давайте быстро разберемся с несколькими ключевыми терминами.

• Интервал времени между определенным значением двух последовательных циклов называется периодом.
• Количество циклов или количество периодов в секунду — это частота.
• Максимальное значение в обоих направлениях — это амплитуда.

 

Нормальная форма волны переменного тока в большинстве цепей имеет синусоидальный характер, в котором положительный полупериод соответствует положительному направлению тока и наоборот. Кроме того, треугольная или прямоугольная волна также может использоваться для представления формы волны переменного тока.

Аудиоусилители, работающие с аналоговыми голосовыми или музыкальными сигналами, создают нерегулярные волны переменного тока. Некоторые электронные генераторы производят прямоугольные или пилообразные волны.

Читайте также: Различия между переменным и постоянным током

Среднее значение AC

Среднее значение обычно определяется как среднее значение мгновенных значений переменного тока за полный цикл. Положительный полупериод асимметричных волн, таких как синусоидальная форма волны напряжения или тока, будет равен отрицательному полупериоду. Отсюда следует, что среднее значение после завершения полного цикла равно нулю.

Так как оба цикла выполняют некоторую работу, среднее значение получается без знаков. Следовательно, среднее значение переменных величин синусоидальных волн можно рассматривать, взяв только положительный цикл.

Среднеквадратичное значение волны переменного тока

Среднеквадратичное значение определяется как квадратный корень из средних квадратов мгновенных значений. Его также можно описать как количество мощности переменного тока, которое создает тот же эффект нагрева, что и эквивалентная мощность постоянного тока.

Векторные диаграммы

Векторная диаграмма используется для определения фазовых соотношений между двумя или более синусоидами, распространяющимися с одинаковой частотой. Здесь мы используем термины «опережение», «отставание», а также «в фазе», «вне фазы», ​​чтобы указать связь между одной формой сигнала с другой.

Векторные диаграммы будут иметь вид:

 

Цепь переменного тока, содержащая только сопротивление

Чистая резистивная цепь переменного тока содержит только чистое сопротивление R ом. В этой цепи не будет влияния индуктивности и емкости. Переменный ток и напряжение движутся в обоих направлениях как вперед, так и назад. Следовательно, ток и напряжение имеют форму синуса.

В чисто резистивной цепи мощность рассеивается резисторами, а фаза напряжения и тока остается неизменной. Это означает, что напряжение и ток достигают максимального значения одновременно.

 

Пусть напряжение питания будет,

v = V _м sinωt ……(1)

Мгновенное значение тока, протекающего по данной цепи,

i = v / R = V _м / R sinωt ……(2)

Из уравнения (2) значение тока должно быть максимальным при t = 90 ⁰ , поэтому sin t =1

Тогда мгновенное значение тока будет

i = I _м sinωt ……(3)

Итак, наблюдая за уравнением (1) и (3), становится ясно, что между приложенным напряжением и током, протекающим по цепи, нет разности фаз. Это означает, что фазовый угол между напряжением и током равен нулю.

Следовательно, в чисто резистивной цепи переменного тока ток совпадает по фазе с напряжением.

Это может быть выражено в форме волны как,

Цепь переменного тока, содержащая только индуктивность

Этот тип цепи содержит только индуктивность. Никакого влияния сопротивления и емкости в этой цепи не будет. Здесь ток будет отставать от напряжения на угол 90 ⁰ .

Схема будет,

 

Катушка индуктивности будет запасать электрическую энергию в магнитном поле, когда через нее протекает ток. Когда этот ток изменяется, изменяющееся во времени магнитное поле вызывает ЭДС, препятствующую протеканию тока. Это противодействие протеканию тока известно как индуктивное реактивное сопротивление.

Пусть приложенное к цепи напряжение равно

v = V _м sinωt ……(1)

ЭДС, индуцированная в катушке индуктивности, будет,

E = -L x di/dt

Эта ЭДС, индуцированная в цепи, равна и противоположна приложенному напряжению.

v = -e ……(2)

Подставляя значение e в (2), получаем

v = (-L x di/dt)

или

В _м sinωt = L x di / dt

или

di = V _m / L sinω dt ……(3)

Интегрируя обе стороны, получаем

Здесь,

Индуктивное сопротивление равно X _L = ωL

Значение тока будет максимальным, если sin (ωt – π/2) = 1

Следовательно,

I _м = V _м / X _L ……(5)

Применить значение I _m из (5) и ввести в (4)

Получаем,

i = I _m sin (ωt – π / 2)

Это означает, что ток в чисто индуктивных цепях переменного тока отстает от напряжения на 90 ⁰ .

Это может быть выражено в форме волны как,

 

Если напряжение и ток имеют свои пиковые значения как положительное значение, мощность также будет положительной. Точно так же, если напряжение и ток имеют отрицательный пик, мощность будет отрицательной. Это связано с разницей фаз между ними.

Цепь переменного тока, содержащая только конденсатор

Этот тип схемы включает только чистый конденсатор. Это не повлияет на свойства сопротивления и индуктивности. Конденсатор будет запасать электроэнергию в электрическом поле. Это известно как емкость.

Электрическое поле возникает на пластинах конденсатора, когда на конденсатор подается напряжение. Кроме того, между ними не будет протекать ток.

Схема будет,

 

Как известно, конденсатор состоит из двух изолирующих пластин, разделенных диэлектрической средой. Обычно конденсатор работает как накопитель и заряжается, если питание включено, и разряжается, если питание выключено.

Пусть приложенное к цепи напряжение равно

v = V _м sinωt ……(1)

Заряд конденсатора есть,

q = Cv ……(2)

Тогда ток через цепь будет

я = dq / dt

Подставляя значение q в приведенное выше уравнение, мы получаем,

i = d (Cv) / dt ……(3)

Теперь подставляем значение v в (3), получаем

Где X _C = 1/C, что является емкостной индуктивностью.

Значение тока будет максимальным, если sin(ωt + π/2) = 1.

Затем максимальное значение тока,

I _м = V _м / X _C

Подставляя значение I _m в (4) получаем,

i = I _m sin (ωt + π / 2)

Это означает, что ток, протекающий через конденсатор, опережает напряжение на 90 ⁰ .

Это может быть выражено в форме волны как,

Переменный ток – 10 самых важных и ожидаемых основных вопросов JEE

Переменный ток VS Постоянный ток

Переменный ток	Постоянный ток
Безопаснее перевозить на большие расстояния и помогает поддерживать электроэнергию.	Нельзя передавать на очень большие расстояния. Он имеет тенденцию терять электроэнергию.
Переменный ток может менять свое направление во время электрического тока. 909:00	Он не меняет своего направления во время потока и остается постоянным.
Частота переменного тока зависит от страны.	Частота постоянного тока равна нулю.
Генератор используется для выработки переменного тока.	Постоянный ток генерируется генераторами, фотогальваническими элементами и батареями.
Электроны продолжают менять свое направление. Он может быть как назад, так и вперед.	Электроны движутся только в прямом направлении. 909:00
Нагрузка переменного тока может быть индуктивной, емкостной или резистивной.	Нагрузка постоянного тока всегда резистивная.

Переменный ток Важные основные вопросы JEE

Часто задаваемые вопросы по переменному току

Определите период переменного тока.

Период переменного тока – это время, за которое он совершает один цикл.

Определить частоту переменного тока.

Частота переменного тока – это количество циклов, совершаемых переменным током за одну секунду.

Укажите один из способов получения синусоидального переменного тока.

Синусоидальный переменный ток может быть получен путем вращения катушки в однородном магнитном поле с постоянной скоростью.

Какое среднеквадратичное значение переменного тока?

Среднеквадратичное значение переменного тока представляет собой квадратный корень из среднего значения квадратов мгновенных значений, полученных за полный цикл.

Каковы преимущества переменного тока перед постоянным?

Переменный ток можно повышать или понижать с помощью трансформатора.
С помощью электронных блоков питания переменный ток можно преобразовать в постоянный.
Устройства переменного тока более долговечны, так как рассеиваемая мощность меньше.
Передача электроэнергии более эффективна и экономична в виде переменного тока.

Определить период переменного тока.

Период чередования – это время, за которое он совершает один цикл.