Эффективные значения напряжения и силы тока

При постоянном токе мы знаем значение силы тока, например, 2 А, это значит, что за каждую секунду через сечение проводника проходит заряд 2 Кл. Мы можем вычислять работу и мощность электрического тока, выделяемую прибором теплоту, если это нагревательный прибор:

А как быть, если ток переменный, его значение меняется каждое мгновение, направление меняется 50 раз в секунду – какое значение тока брать? Брать амплитудное значение было бы неправильно, большую часть времени значение силы тока меньше амплитудного. Удобно ввести некое эффективное (или другое название – действующее) значение силы тока, которое равно величине тока, который совершает такую же работу, как и данный переменный, но будучи постоянным. Поясню: переменный ток с амплитудой 10 А совершает такую же работу, какую совершал бы постоянный ток 7,07 А, это значит, что эффективное значение такого переменного тока 7,07 А. К напряжению применимо всё то, что мы сказали для тока.

Как эти значения вычислить – у нас пока нет для этого математических инструментов, поэтому я дам готовые формулы для эффективного значения силы тока и напряжения для синусоидального тока:

То знакомое нам значение напряжения 220 В в бытовой сети – это как раз эффективное значение напряжения.

Если всё же для работы прибора требуется постоянный ток, то сделать преобразователь переменного тока в постоянный тоже не проблема. Мы не будем сейчас разбирать, как он устроен, но главное, что это реализуемо. Всевозможные зарядные устройства и блоки питания представляют собой такие преобразователи.

Зато у переменного тока есть ряд преимуществ перед постоянным: его удобнее передавать на большие расстояния, а также в сетях переменного тока можно легко изменять напряжение, об этом чуть позже.

Давайте усовершенствуем способ получения тока, ведь обеспечивать поступательное движение магнита внутри катушки неудобно. Изменять магнитный поток можно не только изменяя магнитное поле, можно изменять угол между магнитом и катушкой, и это намного удобнее.

Теперь можно закрепить катушку (эту часть еще называют статор, потому что она статична), поместить внутри нее магнит так, чтобы он мог там вращаться (его назвали ротор, от слова «rotate» – вращаться), и останется соединить магнит с турбиной, которая и будет его вращать. Основная часть электростанции готова, это называется генератор, и у нас есть инструменты для его расчета: мы можем связать магнитное поле магнита, скорость его вращения, количество витков в катушке, силу тока.

Рис. 16 – Модель простейшего генератора

В промышленных сетях принят стандарт частоты переменного тока: 50 Гц. С такой большой скоростью турбины на электростанциях не вращаются, поэтому катушку-статор делают с несколькими обмотками, ориентированными под углом друг к другу, и тогда магнитный поток меняется чаще, увеличивается частота тока.

Рис. 17 – Катушка-статор

Сами обмотки для более эффективной генерации тока делают не цилиндрическими, а более приспособленными к вращению магнита. Это немного корректирует расчеты, но принцип не меняется.

Остается еще вопрос, каким способом вращать турбину генератора. Мы в начале урока говорили о гидроэлектростанции, где турбину вращает поток падающей воды – это один способ. Есть разновидность гидроэлектростанций, которые используют потоки воды при приливах и отливах.

Можно вращать турбину потоком водяного пара. А чтобы этот пар получить, воду нужно нагреть: сжигая топливо, как делается на теплоэлектростанциях, или используя ядерные реакции, как на атомных электростанциях. Можно вращать турбину с помощью ветра, ветряные электростанции популярны как одни из наиболее экологически чистых.

Есть еще электростанции на солнечных батареях, но в основе их работы лежит совсем другое явление, там ничего не вращается, и электромагнитная индукция не используется.

 

Трансформатор

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, которое мы сегодня изучили. Трансформатор представляет собой две катушки, надетые на один и тот же железный сердечник. Так как чаще всего это несъемные катушки, которые наматываются прямо на сердечник, их называют обмотками трансформатора.

Посмотрим, что будет происходить, если по одной из обмоток пустить переменный ток. Эту обмотку назвали первичной. Этот ток создаст магнитное поле, которое усилится железным сердечником. Так как ток переменный, магнитное поле тоже будет всё время изменяться. Изменяющееся магнитное поле в сердечнике, а значит и внутри второй обмотки, будет создавать в ней индукционный ток (если обмотка не разомкнута). Эту обмотку назвали вторичной. Мы сейчас не заостряем внимание на направлении магнитного поля и тока во вторичной обмотке в каждый момент, в любом случае это будет тоже синусоида с той же частотой, что и ток в первичной обмотке.

И что самое важное, напряжения на обмотках трансформатора отличаются во столько раз, во сколько раз отличается количество витков в обмотках:

Это уравнение справедливо для идеального трансформатора, в котором нет потерь энергии, но оно позволяет достаточно точно рассчитать и параметры реального трансформатора.

В зависимости от количества витков на обмотках, напряжение на вторичной обмотке может быть больше, чем на первичной, такой трансформатор назвали повышающим, а если наоборот – то понижающим.

Принципиально первичная и вторичная обмотки ничем не отличаются, поэтому мы можем их поменять местами: к другой обмотке подключить источник переменного тока, а оставшуюся подключить к нагрузке. Так можно из повышающего трансформатора сделать понижающий, и наоборот.

Трансформатор полезен не только для изменения напряжения переменного тока. Может быть полезен сам факт, что электроэнергия передается без электрического контакта между обмотками. Это используется для так называемой гальванической развязки, например, в медицинских приборах, чтобы исключить всякий контакт прибора с сетью 220 В.

 

Ссылки на литературу:

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е изд, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.

2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. — 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.

 

Ссылки на источники Интернет:

1. Интернет-портал «Класс!ная физика»

2. Интернет-портал «Класс!ная физика»

3. Интернет-портал «Класс!ная физика»

4. Интернет-портал «Класс!ная физика»

5. Интернет-портал «Класс!ная физика»

Домашнее задание:

1. Какова индукция магнитного поля, в которой на проводник с длиной активной части 5см действует сила 50 мН? Сила тока в проводнике 25 А. проводник расположен перпендикулярно индукции магнитного поля.

2. Определить силу тока в проводнике длиной 20 см, расположенному перпендикулярно силовым линиям магнитного поля с индукцией 0,06 Тл, если на него со стороны магнитного поля действует сила 0,48 Н.