4.4.4. Эффективные напряжение и ток

Силу переменного тока (напряжения) можно охарактеризовать при помощи амплитуды. Однако амплитудное значение тока непросто измерить экспериментально. Силу переменного тока удобно связать с каким-либо действием, производимым током, не зависящим от его направления. Таковым является, например, тепловое действие тока. Поворот стрелки амперметра, измеряющего переменный ток, вызывается удлинением нити, которая нагревается при прохождении по ней тока.

Действующим илиэффективнымзначением переменного тока (напряжения) называется такое значение постоянного тока, при котором на активном сопротивлении выделяется за период такое же количество теплоты, как и при переменном токе.

Свяжем эффективное значение тока с его амплитудным значением. Для этого рассчитаем количество теплоты, выделяемое на активном сопротивлении переменным током за время, равное периоду колебаний. Напомним, что по закону Джоуля-Ленца количество теплоты, выделяющееся на участке цепи cсопротивлениемпри

постоянномтокеза время, определяется по формуле. Переменный ток можно считать постоянным только в течение очень малых промежутков времени. Поделим период колебанийна очень большое число малых промежутков времени. Количество теплоты, выделяемое на сопротивленииза время:. Общее количество теплоты, выделяемое за период, найдется суммированием теплот, выделяемых за отдельные малые промежутки времени, или, другими словами, интегрированием:

.

Сила тока в цепи изменяется по синусоидальному закону

,

тогда

.

Опуская вычисления, связанные с интегрированием, запишем окончательный результат

.

Если бы по цепи шёл некоторый постоянный ток , то за время, равное, выделилось бы тепло. По определению постоянный ток, оказывающий такое же тепловое действие, что и переменный, будет равен эффективному значению переменного тока. Находим эффективное значение силы тока, приравнивая теплоты, выделяемые за период, в случаях постоянного и переменного токов

(4. 28)

Очевидно, точно такое же соотношение связывает эффективное и амплитудное значения напряжения в цепи с синусоидальным переменным током:

(4.29)

Например, стандартное напряжение в сети 220 В – это эффективное напряжение. По формуле (4.29) легко посчитать, что амплитудное значение напряжения в этом случае будет равно 311 В.

Пусть на некотором участке цепи с переменным током сдвиг фаз между током и напряжением равен , т.е. сила тока и напряжение изменяются по законам:

,.

Тогда мгновенное значение мощности, выделяемой на участке цепи,

.

Мощность изменяется со временем. Поэтому можно говорить лишь о ее среднем значении. Определим среднюю мощность, выделяемую в течение достаточно длительного промежутка времени (во много раз превосходящего период колебаний):

.

С использованием известной тригонометрической формулы

получим

.

Величину усреднять не нужно, так как она не зависит от времени, следовательно:

.

За длительное время значение косинуса много раз успевает измениться, принимая как отрицательные, так и положительные значения в пределах от (1) до 1. Понятно, что среднее во времени значение косинуса равно нулю

, поэтому(4.30)

Выражая амплитуды тока и напряжения через их эффективные значения по формулам (4.28) и (4.29), получим

. (4.31)

Мощность, выделяемая на участке цепи с переменным током, зависит от эффективных значений тока и напряжения и сдвига фаз между током и напряжением. Например, если участок цепи состоит из одного только активного сопротивления, тои. Если участок цепи содержит только индуктивность или только ёмкость, тои.

Объяснить среднее нулевое значение мощности, выделяемой на индуктивности и ёмкости можно следующим образом.

Индуктивность и ёмкость лишь заимствуют энергию у генератора, а затем возвращают её обратно. Конденсатор заряжается, а затем разряжается. Сила тока в катушке увеличивается, затем снова спадает до нуля и т. д. Именно по той причине, что на индуктивном и ёмкостном сопротивлениях средняя расходуемая генератором энергия равна нулю, их назвали реактивными. На активном же сопротивлении средняя мощность отлична от нуля. Другими словами провод с сопротивлением при протекании по нему тока нагревается. И энергия, выделяемая в виде тепла, назад в генератор уже не возвращается.

Если участок цепи содержит несколько элементов, то сдвига фаз может быть иным. Например, в случае участка цепи, изображенного на рис. 4.5, сдвиг фаз между током и напряжением определяется по формуле (4.27).

Пример 4.7.К генератору переменного синусоидального тока подключён резистор с сопротивлением. Во сколько раз изменится средняя мощность, расходуемая генератором, если к резистору подключить катушку с индуктивным сопротивлениема) последовательно, б) параллельно (рис. 4.10)? Активным сопротивлением катушки пренебречь.

Решение.Когда к генератору подключено одно только активное сопротивление, расходуемая мощность

(см. формулу (4.30)).

Рассмотрим цепь на рис. 4.10, а. В примере 4.6 было определено амплитудное значение силы тока генератора: . Из векторной диаграммы на рис. 4.11,а определяем сдвиг фаз между током и напряжением генератора

.

В результате средняя расходуемая генератором мощность

.

Ответ: при последовательном включении в цепь индуктивности средняя мощность, расходуемая генератором, уменьшится в 2 раза.

Рассмотрим цепь на рис. 4.10,б. В примере 4.6 было определено амплитудное значение силы тока генератора . Из векторной диаграммы на рис. 4.11,б определяем сдвиг фаз между током и напряжением генератора

.

Тогда средняя мощность, расходуемая генератором

.

Ответ: при параллельном включении индуктивности средняя мощность, расходуемая генератором, не изменяется.

Предложен эффективный способ управления параметрами терагерцевого излучения

12 февраля, 2021 15:53

Источник: Коммерсант

Ученые предложили новый способ управления поляризацией терагерцевого излучения. Он проще по сравнению с аналогами, так как требует относительно слабых магнитных полей и нормальных температурных условий. Управление терагерцевым излучением поможет развить новые высокоскоростные коммуникационные технологии: увеличить скорость передачи информации для 6G Wi-Fi и развить сети когнитивного радио, способные настраивать собственные параметры. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).

Поделиться

Терагерцевое излучение — область электромагнитного излучения между инфракрасным и микроволновым диапазонами (длины волн от 0,03 до 1 мм). Это излучение уже используют для разработки связи нового поколения, для определения химического состава вещества и неповреждающей медицинской диагностики. Передача такого сигнала происходит обычно в линейно-поляризованном виде, когда электрическое поле волны колеблется только вдоль одной линии в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Эффективное управление направлением поляризации необходимо для развития новых систем сверхбыстрой и сверхточной связи.

«Управление поляризацией терагерцевого излучения открывает новые функциональные возможности систем поляризационной микроскопии субмиллиметрового диапазона. Одной из перспективных областей применения разработки является беспроводная связь. По сравнению с микроволновым диапазоном использование такого излучения позволяет на порядок увеличить скорость передачи информации, в частности для 6G Wi-Fi. Для этих систем возможность управления поляризацией позволяет создавать как новые функциональные базовые элементы, так и новые коммуникационные технологии. Они включают энергоэффективную связь, сети когнитивного радио, которые могут настраиваться самостоятельно, и внутриполосный полнодуплексный режим, который позволит увеличить пропускную способность в два раза»,— рассказывает Александр Сигов, академик РАН, доктор физико-математических наук, руководитель проекта по гранту РНФ, заведующий кафедрой наноэлектроники и президент МИРЭА — Российского технологического университета.

Есть несколько способовуправлять направлением поляризации, но все известные технологически сложны, а приборы на основе этих методов дороги и трудны в настройке. Ученые из РТУ МИРЭА, Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН (Москва) совместно с физиками из Института электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (Лилль, Франция) обнаружили и изучили более простой и эффективный способ управления поляризацией. Он основан на эффектах спинового тока в гетероструктурах TbCo2 / FeCo.

«Особенность гетероструктуры, используемой в наших экспериментах, заключается в возможности создавать в ней спин-переориентационный переход при изменении величины намагничивающего поля,— поясняет Александр Сигов. — Для разработки этого принципа управления поляризацией использован более чем 20-летний опыт исследования явлений спин-переориентационного перехода и связанных эффектов в специально синтезируемых гетероструктурах при тесном сотрудничестве с французской научной группой профессора Перно и доктора Тиерселян из ИЭМН».

Чтобы получить гетероструктуры, тонкие слои из железа и кобальта (FeCo), тербия и кобальта (TbCo2) и рутения (Ru) нанесли на стеклянную подложку. Это сделали с помощью катодного распыления, когда напыляемые частицы выбиваются из мишени ионами газа в электрическом поле. Полученный наноматериал, помещенный в относительно слабое магнитное поле, облучали импульсами инфракрасного лазера с одной стороны и детектировали терагерцевое излучение и его поляризацию с другой. Для управления поляризацией оказалось достаточно только изменения величины напряженности магнитного поля, прикладываемого к излучателю.

Авторы объясняют этот эффект объединением спинтронного принципа генерации и эффекта управляемой спиновой переориентации. Спинтронный принцип генерации заключается в том, что короткий оптический импульс возбуждает импульсный спиновый ток от облучаемой поверхности вглубь структуры, то есть происходит перенос намагниченности без переноса заряда. Внутриатомные электрические поля отклоняют спиновый ток, генерируя связанный с ним электрический ток, протекающий в плоскости структуры перпендикулярно направлению спиновой поляризации. В результате импульсный электронный ток излучает электромагнитную терагерцевую волну, которая также оказывается поляризованной перпендикулярно намагниченности структуры.

Управляемая спиновая переориентация обусловлена тем, что изменение величины намагничивающего внешнего поля в области спин-переориентационного перехода приводит к повороту магнитного момента в плоскости структуры от 0°до 180°. Из-за этого изменяется поляризация излучения. Ученые отмечают, что управление поляризацией осуществляется относительно слабыми магнитными полями и при нормальной температуре. Предложенный метод управления гораздо проще и эффективнее существующих аналогов, что позволит использовать разработку для управления терагерцевым излучением уже в ближайшем будущем.

«Сейчас в наших исследованиях внимание сосредоточено в основномна фундаментальных аспектах проблемы, касающихся механизмов взаимодействия спиновой системы с фемтосекундным лазерным излучением. Мы ищем способы повышения эффективности спинтронной эмиссии электромагнитного излучения и снижения энергоемкости систем управления поляризацией излучения,— комментируют доктора физико-математических наук, профессора Владимир Преображенский и Елена Мишина.— Мы считаем, что наиболее перспективный вариант для решения наших задач — это мультиферроидные гетероструктуры на основе тех, что использованы в данной работе, так как они сочетают спиновое упорядочение и спонтанную электрическую поляризацию. Накопленный совместно с французскими коллегами опыт работы с такими материалами позволит использовать их и для других приложений, в частности для систем магнитоэлектрической памяти с ультранизким энергопотреблением».

 

Теги

Физика и космос, Спецпроект

Действующий ток Определение и значение

• Основные определения
• Викторина
• Примеры

Показывает уровень оценки в зависимости от сложности слова.

Сохрани это слово!

Показывает уровень сложности слова.

---

сущ. Электричество.

Величина переменного тока, имеющая такое же нагревательное действие, как и у постоянного тока данной величины.

ВИКТОРИНА

ВЫ ПРОЙДЕТЕ ЭТИ ГРАММАТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИЛИ НАТЯНУТСЯ?

Плавно переходите к этим распространенным грамматическим ошибкам, которые ставят многих людей в тупик. Удачи!

Вопрос 1 из 7

Заполните пропуск: Я не могу понять, что _____ подарил мне этот подарок.

Слова рядом с эффективным током

стирание, стирание, стирание, эффект, эффективный, эффективный ток, эффективная доза, эффективно, эффективность, эффективное сопротивление, эффективное звуковое давление

Dictionary.com Unabridged На основе Random House Unabridged Dictionary, © Random House, Inc., 2023 г.

Как использовать эффективный ток в предложении

• Нынешние и бывшие сотрудники разведки говорят, что Северная Корея уже давно является приоритетной целью для американских шпионов.

  Sony подверглась второму взлому?|Шейн Харрис|8 января 2015|DAILY BEAST

• Один из ее высокопоставленных чиновников является нынешним министром внутренних дел в Багаде.

  Что иранские похороны говорят нам о войнах в Ираке|IranWire|6 января 2015 г.|DAILY BEAST

• Он мог произнести быструю и эффектную речь или провести настоящую пресс-конференцию.

  Политика Обамы в отношении марихуаны – это безумие по рекомендации|Джеймс Пулос|5 января 2015|DAILY BEAST

• Примерно через неделю она бросила JSwipe и нашла своего нынешнего бойфренда, нееврея, на OkCupid.

  Моя неделя на еврейском Tinder|Эмили Шайр|5 января 2015|DAILY BEAST

• Судя по текущим цифрам, на этот вариант тоже будет значительный спрос.

  У мужчин когда-нибудь будут дети без женщин|Саманта Аллен|3 января 2015|DAILY BEAST

• Но он омрачил все это настолько неуправляемым характером, что в Париже вошло в обиход пословицу «Взрывной, как Гарнаш».

  St. Martin’s Summer|Rafael Sabatini

• Все, что можно сделать для быстрого и эффективного использования этой новой системы банковских расчетов, будет сделано.

  Чтения по деньгам и банковскому делу|Честер Артур Филлипс

• Это — а также отсутствие существующих учреждений и текущих проблем — является главной заботой нынешнего века.

  Спасение цивилизации|H. Г. (Герберт Джордж) Уэллс

• В текущем году было обнаружено, что невозможно читать даже газету!

  Эдинбургский журнал Blackwood, № CCCXXXIX. Январь 1844 г.