Лекція 20. Змінний струм. Основи радіоелектроніки.
Змінний електричний струм – електричний струм, сила якого періодично змінюється з часом. Здебільшого коливання струму відбуваються за гармонічним законом
I = I0cos(2πνt − φ),
де I0 — амплітуда струму, ν — частота, φ — фаза струму.
Змінний струм виникає в електричному колі зі змінною напругою. Коливання напруги відбуваються за подібним законом, проте, в загальному випадку із зсувом фази Δφ
U = U0cos(2πνt − φ − Δφ)
Перевагою змінного струму над постійним є те, що його легше виробляти й передавати до споживача. Постійний струм можна отримати зі змінного за допомогою випрямлення.
Змінний струм - це такий струм, напрямок і числове значення якогозмінюються з плином часу (знакозмінних струм). На практиці під змінним струмом частіше за все мають на увазі періодичнийзмінний струм. Фізична сутність змінного струму зводитися до коливань електричнихзарядів у середовищі (провіднику або діелектрику).
Види струму:
1. Струм провідності.
2. Струм зміщення.
Струм провідності - це такий струм, який обумовлений коливаннями електронів та іонів у середовищі.
Струм зміщення - це струм, який обумовлений зсувом електричнихзарядів на кордоні «провідник - діелектрик» (наприклад, струм черезконденсатор).
Струм зміщення пов'язаний зі зміною в часі електричного поля накордоні провідник - діелектрик і має особливості.
Амплітуда струму зсуву та його направлення збігаються по фазі. За означенням він завжди дорівнює струму провідності.
Частиним випадком струму зміщення є струм поляризації. Струм поляризації - це струм зсуву не у вакуумі, а в матеріальній діелектричному середовищі. Сума струмів зміщення і поляризації становить повний струм зміщення.
У 1882-1885р.р. вчені Голар і Гіббс подали документи для отримання патентів на створення трансформатора, однак отримали відмову через попереднє використання трансформаторів Нікола Тесла.
Загальні відомості про трансформатор
Трансформатор складається з обмоток на спільному осерді. Одна з обомоток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. В ідеальному випадку
,
де індексом P позначені величини, що стосуються первинної обмотки, а індексом S — відповідні величини для вторинної обмотки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму.
Радіоте́хніка – це така галузь науки (технології), що стосується застосування радіохвиль для передавання інформації та енергії.
Основними напрямками радіотехніки є:
генеруввання, підсилення та перетворення електричних коливань;
антенна техніка;
поширення радіохвиль;
відтворення переданих сигналів (демодуляція, детектування та ін.).
Історичні відомості.
1832 англійський фізик Майкл Фарадей теоретично передбачив існування електромагнітного випромінювання. У 1864 році Дж. К. Максвелл опублікував перші з основних рівнянь класичної електродинаміки, такі, що описують еволюцію електромагнітного поля і його взаємодію із зарядами і струмами.
У 1888 році можливість передачі енергії за допомогою електромагнітних хвиль експериментально довів німецький фізик Г. Герц, який за допомогою пристрою, який він назвав вібратором, випромінював електромагнітне поле на відстань і без проводів.
25 квітня (7 травня) 1895 року на засіданні Російського фізико-хімічного товариства в Санкт-Петербурзі О. С. Попов продемонстрував апарат для прийому електромагнітних хвиль.
7 травня 1945 в СРСР урочисто відсвяткували 50-річчя цієї події, а день 7 травня постановою уряду проголошено Днем Радіо — професійним святом працівників радіотехнічних галузей.
У 1896 р. італійський інженер Гульєльмо Марконі, отримав перший патент і провів перші досліди безпровідного телеграфування в Лондоні.
Перша згадка практичного застосування змінного струму зустрічається у Гійома Дюшена, винахідника та розробника електротерапії. У 1855 році він оголосив, що змінний струм краще від постійного струму викликає електротерапевтичний запуск м'язових скорочень.
У медичній практиці застосовуються наступні види струмів за формою кривоїструму:
. Синусоїдальний
. Прямокутний
. Трикутний
. Трапецієподібний
. Голчасто-експоненційний
Найпростішим є періодичний синусоїдальний струм. Він легко описується математично та графічно, форма його не спотворюється в електричних ланцюгах з R, C, L елементами.
Основні характеристики змінного струму.
1. Період - час одного циклу зміни струму за напрямком і числовому значенню (T, c).
2. Частота - це кількість циклів зміни струму в одиницю часу.
(= 1/Т (величина зворотна періоду з-1, Гц)
3. Кругова частота ((, 2 (/ Т радіан/с)
4. Фаза - це величина, що визначає в часі взаємовідношення струму і напруги в електричному ланцюзі.
5. Миттєве значення струму і напруги - значення цих величин в даний момент часу (i, u).
6. Амплітудне значення струму і напруги - це максимальне за напівперіод значення цих величин (Im, Um).
7. Середньоквадратичне (реальне, ефективне) значення струму і напруги - обчислюється як позитивний квадратний корінь із середнього значення квадрата напруги. Середнє значення (Uср) за період (постійна складова) - це середнійарифметичне миттєвих значень струм або напруги за період. На практиці середньоквадратичне значення визначається з ефективного (чинного) значенням. (Icp, Ucp), що для синусоїдальної струмуобчислюється за формулами:
Iеф = I = 0,707 Im
Uеф = U = 0,707 Um
В окремих випадках медичного застосування електричного струму приходиться враховувати й інші характеристики (наприклад, коефіцієнт амплітуди Ка, і коефіцієнт форми Кф).
Електричне коло - це реальна чи уявна сукупність фізичних елементів, що передають електричну енергію від однієї точки простору до іншої. Фізичними елементами електричних ланцюгів є провідники,резистори, конденсатори, котушки індуктивності. Елементи ланцюга є іелементами її зв'язку. Види електричних ланцюгів:
1. Прості.
2. Складні.
Прості ланцюга містять лише поодинокі R, C, L - елементи, а складні мають їх у різних кількостях і поєднаннях.
Спільною особливістю елементів електричного кола є те, що при проходженні змінного струму вони чинять опір, якийназивається активним (R), індуктивним (Xl), ємнісним (Xc).
Особливості простих ідеальних ланцюгів.
Ланцюг, що складається з генератора струму і ідеального резистора, називаєтьсяпростий ланцюгом з активним опором.
Умовою ідеальності ланцюга:
. Активний опір не дорівнює нулю,
. індуктивність і ємність його дорівнюють нулю.
R (0
Lr = 0
Cr = 0 ~ R
Особливості:
1. Дотримується закон Ома для миттєвих, амплітудних і середньоквадратичне значень струму і напруги.
2. Активний опір не залежить від частоти (поверхневий «скін - ефект» не враховуємо)
3. Немає зрушення фаз між струмом і напругою. Це означає, що струм і напруга одночасно проходять свої максимальні (амплітудні) і нульові значення.
4. На R - елементі відбуваються втрати енергії у вигляді виділення тепла.
Ланцюг з індуктивністю - це електричний ланцюг, що складається згенератора змінного струму і ідеального L - елементу-котушки індуктивності.
Умови ідеальності ланцюга:
. Індуктивність котушки не дорівнює нулю
. Її ємність і опір дорівнюють нулю. (L =0, RL = 0, CL = 0)
Особливості ланцюга:
1. Дотримується закон Ома.
2. L-елемент надає змінному струму опір, який називається індуктивним. Позначається XL і зростає зі збільшенням частоти лінійно, відповідно формулі:
3. У ланцюзі є зрушення фаз між напругою і струмом.
4. Індуктивне опір не споживає енергії, тому що вона запасається у магнітному полі котушки, а потім віддається в електричний ланцюг. Тому індуктивний опір називається удаваним або уявним.
Ланцюг з ємністю - це електричний ланцюг, що складається з генераторазмінного струму і ідеального C - елементу - конденсатора.
Умови ідеальності ланцюга:
Ємність конденсатора не дорівнює нулю, а його активний опір і індуктивність дорівнюють нулю.
Особливості ланцюга з ємністю:
1. Виконується закон Ома.
2. Ємність надає змінному струму опір, який називаєтьсяємнісним.
Позначається Xс і зменшується зі збільшенням частоти нелінійно.
3. У ланцюзі є зрушення фаз між напругою і струмом
4. Ємнісне опір не споживає енергії, тому що вона запасається в електричному полі конденсатора, а потім віддається в електричний ланцюг. Тому ємнісне опір називається удаваним або уявним.