Анализ идеальных однофазных электрических цепей

Вопрос № 1. Получение переменного тока (15 мин.)

Переменный ток (ПТ) – это ток, который периодически изменяется по величине и направлению.

Для получения переменного тока используют генераторы переменного тока. Работа генератора переменного тока основана на законе электромагнитной индукции: в проводе или замкнутом контуре, который при движении в магнитном поле пересекает магнитные линии, возбуждается электродвижущая сила электромагнитной индукции.

Рассмотрим устройство и принцип действия простейшего однофазного генератора и выясним с помощью нижеприведенной схемы, как создается переменная ЭДС, под действием которой в электрической цепи протекает переменный ток (рис. 1).

Основные конструктивные элементы простейшего генератора:

1) постоянный магнит или электромагнит, подключенный к внешнему источнику постоянного тока, создающие постоянное магнитное поле;

2) виток медной проволоки, укрепленный на оси и вращаемый вокруг нее каким-либо двигателем;

3) контактные кольца, вра­щающиеся вместе с витком, изолированные от оси и обеспечивающие соединение витка с внешней цепью;

4) неподвижные щетки, прижатые к контактным кольцам, к которым присоединяется приемник электроэнергии;

5) воз­душный зазор между полюсами магнита и витком, профилированный для создания индукции МП, меняющейся по синусоидальному закону.

Рис. 1

Известно, что величина индуктированной ЭДС e, возникающей в проводнике при пересечении им магнитного потока, зависит от магнитной индукции B, рабочей длины проводника l, скорости движения проводника в магнитном поле v, синуса угла a между направлением движения проводника и направлением магнитного потока:

На рис. 2,а показаны различные положения витка, вращающегося в однородном магнитном поле генератора с равномерной скоростью. В положении 1 виток перемещается вдоль магнитного потока. В положении 1 в правой половине рамки вектор скорости сонаправлен вектору магнитной индукции В, в левой половине направлен противоположно ему, поэтому сила Лоренца, действующая на заряды в рамке равна 0 (рис. 2,б).

Следовательно, виток не пересекает магнитных линий, угол a между направлением движения проводника и магнитным потоком равен нулю, а sin0°=0. Поэтому и индуктированная в витке ЭДС:

а б в

Рис. 2

Виток, вращаясь по окружности, через некоторое время, повернется на угол a=90° и займет положение 2. Воздушный зазор профилирован таким образом, что именно в этом положении виток пересекает наибольшее количество магнитных линий, следовательно, скорость изменения магнитного потока, пересекающего виток в этом положении, будет максимальной, а, следовательно, максимальной будет и величина ЭДС ЭМИ, что следует из второй части закона ЭДС ЭМИ, т.к.:

При повороте рамки на угол a более 0° в сторонах рамки под действием силы Лоренца начинает происходить разделение зарядов (рис. 2,б). В сторонах 2 и 4 разделение зарядов незначительно, и поэтому ЭДС индукции, возникающей в них, можно пренебречь. В сторонах рамки 1 и 3 разделение зарядов значительное, т.к. эти стороны в пронизываются наибольшим числом линий магнитной индукции. Индуктированная в витке ЭДС будет наибольшей потому, что sin90°=1 и

.

Из положения 2 виток, продолжая вращаться, займет положение 3 и будет пересекать магнитный поток под углом a=180°. На пути от положения 2 до положения 3 индуктированная ЭДС будет постепенно уменьшатся и в положении 3 станет равной 0, т.к. в этом положении виток опять не будет пересекать магнитный поток: sin180°=0 и

Пользуясь правилом правой руки, определим направление ЭДС в витке, когда он перемещается в магнитном поле по окружности от положения 1 до положения 3. ЭДС будет направлена от нас за плоскость чертежа. Условимся считать это направление положительным.

Далее виток при свое вращении займет поочередно положения 4,5 и вновь вернется в положение 1. ЭДС в витке при этом постепенно увеличится и в положении 4 станет наибольшей (a=270°), после чего ЭДС уменьшится и в положении 5 вновь станет равной 0 (sin360°=0). Далее весь процесс изменений ЭДС повторится.

Пользуясь правилом правой руки можно убедиться в том, что вторую половину оборота витка возникающая в нем ЭДС изменит свое направление и будет направлена к нам. Это направление ЭДС условно будем считать отрицательным.

Электродвижущая сила, изменяющаяся по синусоиде, называется синусоидальной. Под действием такой ЭДС в электрических цепях возникает синусоидальный переменный ток (рис. 3).

Рис. 3

Рассмотрим более наглядно принцип действия генератора переменного тока с помощью следующего видеофильма (видео: принцип действия генератора переменного тока).

Таким образом, при переменном токе электроны в проводнике совершают не поступательное движение, как при постоянном токе, а колебательное. Оттого, что переменная ЭДС двигает заряды в разные стороны - то туда, то обратно, работоспособность этих зарядов ничуть не уменьшается. Они также, как при однонаправленном, одностороннем движении, сталкиваются с атомами вещества, нагревают его, заставляют светиться.

Вывод по первому вопросу: переменный ток получил большее распространение, чем постоянный, т.к. его легче получить и преобразовать. Источником переменного тока является генератор переменного тока, принцип действия которого основан на законе электромагнитной индукции. Наводимая в обмотке генератора ЭДС ЭМИ изменяется по синусоидальному закону, следовательно, и в нагрузке появляется синусоидальный переменный ток, т.е. ток периодически меняющий свое направление и значение.

Дата добавления: 2014-01-07