17.(2) Техническое использование переменного тока.

Электрический ток, упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц; если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Переменный ток, в широком смысле электрический ток, изменяющийся во времени. Обычно в технике под П. т. понимают периодический ток, в котором среднее значение за период силы тока и напряжения равно нулю. Переменный ток получают, используя явление электромагнитной индукции, при котором в проводнике, пересекающем магнитное поле, возникает электродвижущая сила.

Для передачи и распределения электрической энергии преимущественно используется П. т. благодаря простоте трансформации его напряжения почти без потерь мощности. Широко применяются трёхфазные системы П. т. Генераторы и двигатели П. т. по сравнению с машинами постоянного тока при равной мощности меньше по габаритам, проще по устройству, надёжнее и дешевле. П. т. может быть выпрямлен, например полупроводниковыми выпрямителями, а затем с помощью полупроводниковых инверторов преобразован вновь в П. т. другой, регулируемой частоты; это создаёт возможность использовать простые и дешёвые безколлекторные двигатели П. т. (асинхронные и синхронные) для всех видов электроприводов, требующих плавного регулирования скорости.П. т. широко применяется в устройствах связи (радио, телевидение, проволочная телефония на дальние расстояния и т. п.).

18.(2) Основные закономероности цепей переменного тока. Закон ома для цепей переменного тока. Последовательный и переменный резонансы. Явление резонанса и его применение в науке и технологиях.

Переменный ток — это ток, сила и направление которого изменяются во времени. Переменный ток получают, используя явление электромагнитной индукции, при котором в проводнике, пересекающем магнитное поле, возникает электродвижущая сила.

ЭДС переменного тока определяется выражением: E=E_m sin(wt+j),

где E_m, — максимальное или амплитудное значение ЭДС, w = 2pf —

круго­вая частота, f == 1/T — частота изменения направления тока в секунду,

Т — период колебания, j — фаза относительно некоторого начального момента

времени.

Различают мгновенное и действующее значения напряжения и тока,

имеющие соотношение:

Мощность в цели переменного тока равна

,

где E_m, и 1_m — амплитудные значения

напряжения и тока в электрической цепи, j — сдвиг фазы между ними.

Любой проводник электрической цепи обладает тремя видами сопротивления:

— активным — R = U/I; реактивным индуктивным — Х_L, =

wL; и реактивным емкостным Хс = 1/wС.

В активном сопротивлении ток и напряжение совпадают по фазе, в индуктивном ток

отстает по фазе на 90^о, в емкостном — опережает по фазе на 90^о. Поэтому общее сопротивление цепи, в которой имеются сопротивление (резистор), индуктивность и емкость, будет определяться выражением:

(52)

При равенстве wД= 1/wС в цепи наступает резонанс.

В промышленности переменный ток используется для литания электромоторов, в основном. асинхронного типа, в быту — для питания электронагревательных приборов, освещения, холодильников, бытовых электромоторов и т. п.

Резонанс - явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Существует несколько видов резонанса: механический, акустический, электрический, который разделяется на резонанс натяжения и резонанс токов, и магнитный.

Явление резонанса характерно для так называемых колебательных контуров, в которых энергия способна преобразовываться из одного вида в другой - из потенциальной энергии в кинетическую и обратно. В электрических колебательных контурах энергия преобразуется из потенциальной энергии электростатического поля конденсатора в кинетическую энергию электрического тока в индуктивности.

Колебательный контур состоит из последовательно включенных емкости С и индуктивности L, но кроме того в цепи всегда присутствует активное сопротивление R, поскольку индуктивность изготавливается в виде катушки провода, а провод всегда обладает активным сопротивлением.

По отношению к внешним цепям колебательный контур может быть последовательным, если он включен последовательно с источником переменного напряжения, или параллельным, если включен параллельно.

При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы.

Применение. Резонансные цепи широко используются в радиотехнике для выделения из общего состава электромагнитных волн нужной частоты. Меняя величины емкости и индуктивности, можно колебательный контур настроить на любую частоту и тем самым выделить именно ее, отсеяв все остальные, поскольку энергия только этой частоты будет накапливаться в колебательном контуре и усиливаться, остальные частоты будут этим контуром подавляться. В радиотехнике используется при настройке радиостанций, резонанс токов используется для повышения коэффициентом мощности электронных установок. В СВЧ электронике широко используются объёмные резонаторы, в которых возможны добротные колебания электромагнитного поля на отдельных частотах, определяемых граничными условиями.

19.(2) ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ЗАКОН ОМА, 1-Е И 2-Е ПРАВИЛА КИРХГОФА. ПРИМЕНЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ТЕХНИКЕ И ТЕХНОЛОГИЯХ.

Электрический ток - упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Различают электрический ток проводимости, связанный с движением заряженных частиц относительно той или иной среды, и конвекционный ток - движение макроскопических заряженных тел как целого. Силой тока называется количество электричества, проходящее через поверхность за единицу времени:

I=dq/dt. Плотностью тока называется величина тока, проходящего через единичную площадь: j = dI/dS. Для возникновения и существования Э. т. необходимо наличие свободных заряженных частиц (т. е. положительно или отрицательно заряженных частиц, не связанных в единую электрически нейтральную систему) и силы, создающей и поддерживающей их упорядоченное движение. Обычно силой, вызывающей такое движение, является сила со стороны электрического поля внутри проводника, которое определяется электрическим напряжением на концах проводника. Постоянный ток - электрический ток, не изменяющийся с течением времени ни по силе, ни по направлению. П. т. возникает под действием постоянного напряжения и может существовать лишь в замкнутой цепи; во всех сечениях неразветвлённой цепи сила П. т. одинакова.

Основные законы цепей постоянного тока. Расчет и анализ электрических цепей производится с использованием закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа. На основе этих законов устанавливается взаимосвязь между значениями токов, напряжений, ЭДС всей электрической цепи и отдельных ее участков и параметрами элементов, входящих в состав этой цепи.

Закон Ома — физический закон, определяющий связь между Электродвижущей силой источника или напряжением с силой тока и сопротивлением проводника.

Закон Ома для полной цепи:

•  — ЭДС источника напряжения(В),

•  — сила тока в цепи (А),

•  — сопротивление всех внешних элементов цепи(Ом) ,

•  — внутреннее сопротивление источника напряжения(Ом) .

Закон Ома для участка цепи. сила тока в проводнике пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:

Первый закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в любом узле любой цепи равна нулю (значения вытекающих токов берутся с обратным знаком):

Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Данный закон следует из закона сохранения заряда. Если цепь содержит p узлов, то она описывается p − 1 уравнениями токов.

Второй закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура. Если в контуре нет ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю:

для постоянных напряжений

для переменных напряжений

Постоянный ток низкого напряжения используется в различных отраслях промышленности, например в электрометаллургии для расплава и электролиза руд, в первую очередь алюминиевых. П. т. применяется в тяговых электродвигателях на транспорте, а также в электроприводах, когда необходимы двигатели, обладающие большой перегрузочной спос-ю, скорость которых можно плавно и экономично менять в широких пределах. Питание устройств связи, автоматики, сигнализации и телемеханики производится П. т. Перспективно использование П. т. для передачи электроэнергии на расстояния, превышающие 1000 км. Также используется в электрохимическом получении меди, алюминия; электронике, медицине, фотобатареях.