§ 14. Вимушені електромагнітні коливання. Змінний струм

Вільні електромагнітні коливання завжди затухають з часом і тому дуже рідко використовуються на практиці Широке практичне застосування знайшли незатухаючі коливання. З одним способом збудження в колі незату­хаючих електромагнітних коливань, так званих автоколи-вань, ми вже ознайомилися. Не менш важливу роль у тех­ніці відіграють незатухаючі коливання, які виникають під дією зовнішньої періодично змінної ЕРС.

Незатухаючі коливання, які здійснюються в колі під дією періодично змінної ЕРС, називають вимушеними електромагнітними коливаннями.

Особливо важливим прикладом вимушених електро­магнітних коливань є звичайний змінний струм, який широко використовується для освітлення, приведення в рух верстатів, механізмів і машин. В електричному колі увімкнутому до джерела змінної ЕРС, під дією змін­ної сили електрони почнуть переміщатися. При цьому рух електронів точно повторює характер змін ЕРС Змін

ний струм — це по суті вимушені коливання електричних зарядів у провіднику під дією прикладеної змінної ЕРС.

Змінний струм за характером змін сили струму може бути різноманітним. Найбільш важливими є струми, сила яких змінюється за гармонічним законом, тобто за зако­ном синуса чи косинуса. Саме такі змінні струми вироб­ляють генератори на електростанціях; вони часто засто­совуються в радіотехніці. В подальшому вивчатимуться лише такі змінні струми.

Щоб дістати в колі змінний струм, сила якого змінює­ться за законом синуса, необхідно увімкнути в коло дже­рело ЕРС, яка періодично змінюється за синусоїдальним законом: де — амплітудне значення,

— циклічна частота змінної ЕРС.

Розглянемо спосіб збудження синусоїдальної ЕРС, який використовується в техніці для одержання змінного елект­ричного струму. Плоский прямокутний контур (рамка) обертається навколо осі ОО\ перпендикулярної до індукції магнітного поля (мал. 21). Нехай магнітне поле є однорідним: індукція і контур обертається

рівномірно з кутовою швидкістю а>= const. Тоді магнітний потік Ф, що пронизує контур в будь-який момент часу, дорівнюватиме:

де S — площа, обмежена контуром, а— кут по-

вороту контуру, який відраховується від початкового положення, при якому

При обертанні контуру потік Ф періодично змінюється. У зв'язку з цим в контурі виникав періодично змін­на ЕРС індукції, що дорівнює:

Максимальне значення цієї ЕРС, яке досягається при , дорівнюєтому

(14.1)

Отже, під час рівномірного обертання в однорідному магнітному полі провідного контуру в ньому збуджується електрорушійна сила, яка змінюється за законом синуса. При замиканні цього контуру на зовнішнє коло в ньому йтиме синусоїдальний змінний струм

— максимальне значення сили струму в колі,

R — опір контуру і зовнішньої частини кола,— зсув фази між коливаннями сили струму і ЕРС. (Причини виникнення зсуву фаз розглянемо пізніше.)

Змінний струм є гармонічним коливанням, тому назви характеристик механічного коливального процесу і змін­ного струму однакові. А саме:називається амплітудою електрорушійної сили, І_т — амплітудою сили струму, — коловою (циклічною) частотою струму,— фазою струму. Змінний струм характеризується також періодом

струму Т і частотою струму v, причому. Зміст

цих понять такий самий, як і для механічних коливань.

? 1. Які коливання називають вимушеними електромагнітними коли­ваннями? 2. Як можна одержати ЕРС, яка б змінювалася за законом синуса?

Вправа 2