16. Основные закономерности цепей переменного тока.

Техническое использование переменного тока

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. Э.д.с, переменного тока определяется выражением:

E=Em sin(wt+j), (49)

гае Em, — максимальное или амплитудное значение э.д.с., 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:

(50)

Мощность в цели переменного тока равна

, (51)

где Em, и 1m — 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 — ХL, =wL; и реактивным емкостным Хс = 1/wС.

В активном сопротивлении ток и напряжение совпадают по фазе, в индуктивном ток отстает по фазе на 90о, в емкостном — опережает по фазе на 90о. 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 связи с удобством преобразования из высокого напряжения,необходимого для передачи электроэнергии на большие расстояния, а низкое, необходимое для непосредственного использования в быту и в технике, переменный ток нашел широкое применение в промышленности и в быту. 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.

17. Выделение информации на фоне помех. Явление

резонанса, его сущность. Примеры использования

резонансных явлений в электро- и радиотехнике

Всякая информация должна быть выражена каким-нибудь физическим сигналом. Однако всякий полезный сигнал сопровождается другими сигналами, представляющими собой для полезного сигнала помеху. Поэтому возникает проблема выделения полезного сигнала на фоне помех. Примером является вся радиотехника, поскольку в эфире одновременно присутствует множество электромагнитных волн, но нужную информацию несет лишь одна из них, все остальные по отношению к ней являются помехами.

Существует несколько способов выделения полезного сигнала на фоне помех. Однимиз них является использование резонанса.

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.

Резонансная частота контура определяется выражением:

(53)

При совпадении частоты возбуждающего напряжения сопротивление последовательного контура уменьшается до значения его активного сопротивления, а для параллельного — возрастает, при этом в последовательном контуре напряжение на реактивных элементах — конденсаторе и индуктивности резко возрастает в Q раз, где Q — добротность контура, равная отношению реактивного сопротивления к активному в момент резонанса:

(54)

Для параллельного контура во столько же рве возрастает его сопротивление для внешнего возбуждающего источника.

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.

18. Электромагнетизм как физическое явление.

Взаимодействие токов, закон Ампера.

Принцип действия электродвигателей

Воздействие электрического тока на магнитную стрелку было открыто X. Эрстедом в 1820 году. Это явление было детально исследовано А. Ампером, который в 1826 г. издал специальный труд “Теория электродинамических явлений, выведенных исключительно из опыта”. В нем Ампер изложил первую теорию магнетизма, основанную на гипотезе молекулярных токов. Ампером было детально исследовано взаимодействие токонесущих проводников и выведен закон, носящий его имя.

При прохождении тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле. Напряженность магнитного паля, возникающего вокруг прямолинейного провела, определяетсяиз Закона полного тока:

(55)

откуда

(56)

гае Н — напряженность магнитного поля, А/м; I — ток. А; R — расстояние от измеряемой точки до центра проводника, м.

Если проводников несколько, то напряженность магнитного поля увеличивается пропорционально произведению тока на число проводов.

Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, называют силой Ампера. Элементарная сила Ампера dF, действующая на малый элемент dl длины проводника, по которому идет электрический ток I, равна (закон Ампера):

(57)

Если по двум параллельным проводникам текут токи I1 и I2, то сила, действующая на элемент длины dl первого проводника со стороны второго проводника, будет равна:

(58)

где R — расстояние между проводниками.

В электродвигателях проводники помещаются на якорь (ротор) — вращающуюся часть машины, через коллектор к ним подводится ток, а на статоре устраивается обмотка, создающая магнитное поле. В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора (якоря) силы, действующие на проводники якоря, приводят его во вращение.