Цепи переменного тока

Физические процессы, происходящие в электрических цепях переменного тока, отличаются от аналогичных процессов в цепях постоянного тока. Переменный ток регулярно меняет направление, периодически становясь равным нулю (100 раз в секунду в европейских странах и 120 раз в секунду в Северной Америке соответственно частотам в сети 50 и 60 Гц). Переменный ток становится поочередно то положительным, то отрицательным. Постоянный ток всегда течет в одном и том же направлении.

Волна тока и компоненты цепи. Форма «волны тока» (кривой, представляющей изменения его величины со временем) может быть бесконечно разнообразной. В большинстве случаев она синусоидальна.

Число повторений полного цикла изменений «волны тока» в секунду называется частотой и измеряется в герцах (Гц). Один цикл в секунду равен 1 Гц. Синусоидальное напряжение U, приложенное к цепи, вызывает синусоидальный ток, значение которого в любой момент цикла равно U/Z, где Z-полное сопротивление (оно зависит от активного сопротивления, емкости и индуктивности цепи и частоты тока); оно измеряется в омах (Ом). Это соотношение аналогично закону Ома для постоянного тока: ток прямо пропорционален электродвижущей силе (напряжению), создающей его, и обратно пропорционален сопротивлению проводника.

Цепь переменного тока состоит из трех основных элементов: катушки индуктивности, конденсатора и резистора. Резисторы ведут себя одинаково как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока, чего, однако, нельзя сказать о катушках и конденсаторах. В этих устройствах ток не совпадает по фазе с приложенным напряжением.

В цепи переменного тока, имеющей только сопротивление (А), приложенные напряжение и ток находятся точно в фазе, т.е. их точки максимума, минимума и нуля всегда приходятся на один и тот же момент времени. В цепи, имеющей емкость или индуктивность, напряжение и ток не совпадают по фазе. В цепи с индуктивностью (Б) ток, как говорят, отстает от напряжения. В цепи с емкостью происходит обратное: ток опережает напряжение. Катушка индуктивности и конденсатор запасают энергию и освобождают ее не в фазе с энергией на входе (они действуют подобно маховым колесам парового двигателя).

Катушка индуктивности-это элемент цепи, представляющий собой соленоид. При прохождении тока по катушке возникает магнитное поле. Так как интенсивность поля изменяется с изменением тока, количество силовых линий, пересекающих витки катушки, увеличивается или уменьшается. Это своего рода генератор, э.д.с. которого изменяется противоположно изменениям тока. Эффективность катушки индуктивности можно изменить, ввинчивая внутрь нее или вывинчивая из нее железный сердечник

Конденсатор (А)- это элемент цепи переменною тока. Две параллельные пластины попеременно запасают электроны при изменениях направления тока. Конденсатор удерживает электроны в равновесии и освобождает их с той же скоростью, что и источник питания, но не в фазе с ним. На рисунке (А) показан переменный конденсатор (вверху), обычно используемый в ручке настройки радиоприемника. Электролитический конденсатор (внизу) состоит из рулона алюминиевой фольги. Здесь же (Б) изображен большой промышленный конденсатор

Запаздывание и опережение по фазе. Простую аналогию фазовым различиям переменного тока и напряжения можно найти в действии игрушки «йо-йо»; здесь рука, которая сообщает энергию вращающемуся предмету, может двигаться в направлении, противоположном направлению его движения. Ток, текущий через конденсатор, не совпадает по фазе с приложенным напряжением: он равен нулю, когда напряжение достигает максимума, и наоборот. Синусоидальные волны можно представить в виде вращающихся векторов (вектор характеризуется величиной и направлением). На векторной диаграмме ток через конденсатор на 90° опережает по фазе напряжение.

На катушке индуктивности наблюдается обратная картина: ток отстает по фазе от напряжения на 90°. В резисторе ток и напряжение находятся в фазе.

В цепи, где имеются катушка индуктивности и конденсатор, а резистор отсутствует, один из токов опережает по фазе напряжение на 90°, а другой (равный по величине) отстает от напряжения на 90°. В итоге эти эффекты гасят друг друга. Когда это происходит, говорят, что наступил резонанс токов; в этом случае ток конденсатора питает катушку индуктивности и наоборот, поскольку этим устройствам ток требуется в разные моменты цикла. Они как бы непрерывно «ссужают» ток одно другому и «возвращают долг».

В обычной цепи всегда присутствует некоторое сопротивление. Фазовый угол Ф между напряжением и током зависит от индуктивности, емкости, сопротивления и частоты. Резонанс может возникать и в цепи с сопротивлением, если опережение и запаздывание по фазе гасят друг друга.

Действительное значение тока, потребляемого конденсатором или катушкой индуктивности, зависит от трех параметров: напряжения, частоты и величин индуктивности и емкости. Чем больше емкость, тем выше ток, тогда как с увеличением индуктивности ток уменьшается. Используя специальные математические приемы, векторы тока или напряжения можно складывать и вычитать.

Эффективные значения тока и напряжения. В цепях переменного тока величины тока и напряжения определяются как средние квадратичные (корни из средних квадратов этих величин), или «эффективные» значения. Их приходится использовать, поскольку сами средние значения этих величин равны нулю: за любой малый промежуток времени число полупериодов в одном направлении равно числу полупериодов в другом. В инструкциях к электроприборам указывают эффективные значения тока и напряжения. Надпись на электрическом утюге «230 В, 2 А» обозначает эффективные значения напряжения и тока. При этом напряжение и ток непрерывно меняются как синусоидальная волна, достигая ± 325 В и 2,828 А 50 раз в секунду-

Все электрические приборы, обладающие преимущественно сопротивлениями, например лампы накаливания, нагреватели и утюги, действуют одинаково хорошо в цепях как постоянного, так и переменного тока (при одинаковом напряжении). Однако оборудование, содержащее катушки и конденсаторы-электродвигатели, трансформаторы, люминесцентные лампы и т.д.,- может работать лишь на переменном токе. Переменный ток предпочтительнее для бытовых электрических сетей, поскольку его можно эффективно и просто передавать с электростанции домашнему потребителю и он безопаснее с точки зрения включения и выключения.

Ход электрических часов, включенных в сеть переменного тока, зависит от работы системы, использующей частоту сети для точного отсчета времени. Вот почему кухонные часы (А) показывают то же самое время, что и контрольные часы на электростанции (Б). При уменьшении частоты часы идут медленнее, и наоборот. Так как многие важные устройства для отсчета времени зависят от частоты сети, она поддерживается постоянной (в Европе обычно 50 Гц). Любое падение частоты можно постепенно выровнять путем регулировки.

В цепи с индуктивностью L, сопротивлением R и емкостью С напряжение не совпадает по фазе с током. Когда действия конденсатора и катушки индуктивности компенсируют друг друга, в цепи наблюдается резонанс. Резонансные цепи используются в радиоприемниках.

Мощность, вырабатываемая генератором переменного тока, зависит от его напряжения, выходного тока и частоты. При увеличении частоты коэффициент передачи мощности возрастает, поэтому генераторы самолетов работают на частоте 400 Гц.