Меню

Методы создания переменного тока



Методы переменного тока

Одно из преимуществ этих методов – принципиальная возможность увеличения глубинности исследований и разрешающей способности в неблагоприятных условиях для метода сопротивлений.

Физическую основу методов составляет явление электромагнитной индукции и поэтому наличие в разрезе промежуточных изолирующих электрический ток пластов не препятствует возникновению индукционных вихревых токов в электропроводных слоях, что позволяет определять и изучать такие пласты в геологическом разрезе с непроводящими экранами.

Кроме того, специфика электромагнитной индукции позволяет избирательно выявлять зоны высокой электропроводности или магнитной восприимчивости, которыми обычно являются рудные залежи (индукционный метод рудной электроразведки).

Методы переменного тока дают также возможность зондировать геоэлектрический разрез в одной точке без изменения взаимного расположения приемных и питающих линий — «на одном их разносе», путем изменения частоты используемого электромагнитного поля. Длиннопериодные колебания проникают на значительную глубину и несут информацию о глубинном строении региона, а короткопериодные (вследствие проявления скин-эффекта) характеризуют верхние части геологического разреза.

Информативность электромагнитных методов повышается за счет одновременного измерения нескольких параметров поля, например фазы и амплитуды его электрических и магнитных составляющих.

Для возбуждения электромагнитных полей в земле используют генераторы переменного тока. Некоторые методы основаны на измерении электромагнитных полей широковещательных радиостанций, естественных электромагнитных полей ионосферного происхождения, разрядов молний.

Ток вводится в землю с использованием рамочных и магнитных антенн, раскладываемых на поверхности витков и отрезков провода. Это позволяет проводить геоэлектрические исследования в условиях затрудненного применения электрических заземлений.

Магнитотеллурические методыоснованы на изучении естественных электромагнитных полей, возникающих вследствие воздействия на ионосферу Земли потока заряженных частиц, идущих от Солнца и вызывающих вариации геомагнитного поля. Вариации вызывают синхронные изменения так называемого магнитотеллурического поля, электрическую составляющую которого называют теллурическими (т. е. — земными) токами. Магнитотеллурические методы применяют в вариантах профилирования (МТП) и зондирования (МТЗ).

Магнитотеллурическое зондирование осуществляют путем изучения четырех компонент естественного магнитотеллурического поля в диапазоне периодов от 0,1 до 1000 с. Измеряют две горизонтальные электрические Ех и Еу и магнитные Нх и Ну составляющие. Электрические составляющие измеряют с помощью двух взаимно перпендикулярных заземленных линий М1N1 и МN, а магнитные регистрируют магнитометрами, располагаемыми вдоль линий МN. Измерение осуществляют с помощью специальных аналоговых магнитотеллурических лабораторий (МТЛ) или цифровых электроразведочных станций (ЦЭС).

По результатам измерений строят кривые МТЗ ρт = F(Т), по которым определяют суммарную продольную проводимость разреза S. Карты S характеризуют поведение рельефа кристаллического фундамента. Глубинность МТЗ составляет несколько километров.

Если перед геофизическими исследованиями ставится задача быстрого и недорогого поиска месторождений или их разведки используются модификации электропрофилирования — магнитотеллурическое профилирование (МТП) и метод теллурических токов (МТТ).

МТП отличается от магнитотеллурического зондирования тем, что вариации естественного электрического и магнитного поля измеряются в диапазоне 10. 100 с. В методе теллурических токов измеряются только вариации естественного электрического поля.

Метод радиокип(радиокомпарации и пеленгации) заключается в измерении электромагнитных полей дальних широковещательных радиостанций.

Эти поля индуцируют электрические токи в проводящих объектах и создают таким образом вокруг объекта вторичное магнитное поле, изменяющее сигнал принимаемых радиостанций. Регистрирующим прибором, представляющим собой радиоприемник с направленной антенной и индикатором интенсивности сигнала, измеряются вертикальная и горизонтальная составляющие, а также угол наклона полного вектора суммарного электромагнитного поля. Применяется для геологического картирования и поисков объектов с высокой электропроводностью.

Зондирование становлением поля(метод ЗС) основано на изучении становления вторичного электромагнитного поля в горных породах после подачи прямоугольных импульсов постоянного тока в заземленную линию или незаземленную петлю. Первичный ток в диполе или петле устанавливается практически мгновенно. Однако в моменты его включения и выключения электромагнитное поле в земле устанавливается длительное время, и тем большее, чем меньше удельное сопротивление слоев геоэлектрического разреза. Переходный процесс в земных слоях (или процесс становления поля) регистрируется с помощью горизонтальной приемной рамки. Процесс становления поля регистрируют только в моменты выключения тока в генераторной рамке.

Глубинность исследований методом ЗС определяется промежутком времени между моментами включения тока в генераторной петле и регистрации вторичного поля. Чем дольше длится этот промежуток, тем на большую глубину проникает устанавливающееся электромагнитное поле. Таким образом, измеряя переходный процесс в различные моменты времени после выключения первичного поля, можно изменять глубину исследований и осуществлять зондирование геологического разреза становлением электромагнитного поля.

Для определения параметров геоэлектрического разреза в методе ЗСТ строят кривые кажущегося сопротивления ρт, либо кривые кажущейся продольной проводимости S, по которым определяют глубины залегания высокоомных горизонтов. В отличие от метода МТЗ, метод ЗСТ является детальным методом и используется при поиске локальных структур.

В последние годы получил распространение метод электромагнитной геолокации подземных объектов, позволяющий получать сведения о геометрической структуре геологического разреза, различающегося по диэлектрической проницаемости и удельному электрическому сопротивлению. Для этого используют портативный радиолокатор – георадар, направленный в исследуемый объем земли. Глубинность метода составляет до 20 м в варианте непрерывных измерений и до 100 м – в импульсном варианте. Факторами, осложняющими геолокацию, являются наличие приповерхностных и надповерхностных проводящих объектов (провода, деревья).

Читайте также:  Защитные трансформаторы тока что это

Областями наиболее эффективного применения электрического метода являются:

1. Инженерно-геологические и гидрогеологические исследования.

2. Поиски рудных и нерудных твердых полезных ископаемых.

3. Региональные исследования, поиски и изучение локальных структур на большой глубине.

Вопросы для самоконтроля

На изучении каких явлений основан электрический метод геофизики? Чем обусловлена возможность использования этого метода для исследования земной коры?

Какие физические параметры характеризуют электрические свойства горных пород?

Какой из параметров считается основным для электрического метода, в каких единицах он измеряется? Как дифференцируются горные породы по этому параметру?

Как подразделяется электрический метод?

В чем заключается метод сопротивлений, как выглядит электрическая схема его измерительной установки?

Что такое кажущееся электрическое сопротивление и как определяется этот параметр?

Какие модификации метода постоянного тока наиболее распространены? Какую информацию они позволяют получить и как они реализуются?

Как осуществляется интерпретация данных этого метода?

Как выглядит кривая ВЭЗ для трехслойного геоэлектрического разреза?

Какие методы, изучающие естественные электрические поля вы знаете? На проявлении каких процессов они основаны? Какие схемы измерительных установок в них используются?

Какие параметры используются в методе ВП? Какую информацию позволяет получать этот метод?

Какие преимущества имеет метод переменного тока, как он реализуется?

На чем основан магнитотеллурический метод?

В чем заключается метод «радиокип»?

На изучении каких процессов основано зондирование становлением поля?

Что такое георадар? Какую информацию он позволяет получить?

Источник

§46. Получение переменного тока

В промышленности в основном применяют синусоидальный переменный ток, который в отличие от постоянного каждое мгновение изменяет свое значение и периодически направление. Для получения такого тока используют источники электрической энергии, создающие переменную э. д. с, периодически изменяющуюся по величине и направлению; такие источники называются генераторами переменного тока.

Принцип получения переменного тока. Простейшим генератором переменного тока может служить виток, вращающийся в равномерном магнитном поле (рис. 168, а). Пользуясь правилом правой руки, легко определить, что в процессе вращения витка направление э. д.с. е, индуцированной в рабочих участках 1 и 2 витка, непрерывно изменяется (показано стрелками), следовательно, изменяется и направление проходящего по замкнутой цепи тока i.

По закону электромагнитной индукции э. д. с, индуцируемая в витке при вращении его с окружной скоростью ? в магнитном поле с индукцией В,

2l — длина двух рабочих частей витка, находящихся в магнитном поле;

? — угол между направлением силовых магнитных линий и направлением движения витка в рассматриваемый момент времени (направлением вектора скорости ?).

При вращении витка с угловой скоростью ? угол ? = ?t, следовательно,

Переменный угол ? t называется фазой э. д. с. Величина 2lB ? представляет собой максимальное значение э. д. с. е, которое она принимает при ?t = 90° (когда плоскость витка перпендикулярна силовым магнитным линиям). Обозначив его Eт получим:

Полученная зависимость изменения э. д. с. е от угла ?t или от времени t графически изображается синусоидой (рис. 168,б). Э. д. с, токи и напряжения, изменяющие свои значения и направления по закону синусоиды, называются синусоидальными. Ось, по которой откладывают углы ? t, можно рассматривать как ось времени t.

Рассмотрим несколько отдельных положений витка. В момент времени, соответствующий углу ?t1 (см. рис. 168, а), когда виток находится в горизонтальном положении, его рабочие участки как бы скользят вдоль силовых магнитных линий, не пересекая их; поэтому в этот момент э. д. с. в них не индуцируется (точка 1 на рис. 168,б). При дальнейшем повороте витка стороны его начнут пересекать магнитные силовые линии. По мере увеличения угла поворота увеличивается и число силовых линий, пересекаемых сторонами витка в единицу времени, и соответственно возрастает индуцированная в витке э. д. с е.

В момент времени, соответствующий углу ?t2, виток пересекает наибольшее число силовых магнитных линий, так как его рабочие участки 1 и 2 движутся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля; в этот момент э. д. с. е достигает своего максимального значения Ет (точка 2 на графике). При дальнейшем вращении витка число пересекаемых силовых линий уменьшается и соответственно уменьшается индуцированная в витке э. д. с. В момент времени, соответствующий углу рабочие участки витка опять как бы скользят вдоль магнитных силовых линий, в результате чего э. д. с. е будет равна нулю (точка 3). Затем рабочие участки 1 и 2 витка вновь начинают пересекать магнитные силовые линии, но уже в другом направлении, поэтому в витке появляется э. д. с. противоположного направления. В момент времени, соответствующий углу ?t4. при вертикальном расположении витка э. д. с. в достигает максимального значения — Ет (точка 4), затем она уменьшается, и в момент времени, соответствующий ?t5, снова становится равной нулю (точка 5). При дальнейшем движении витка с каждым

Рис. 168. Индуцирование синусоидальной э. д. с. (а) и кривая ее изменения (б)

Рис. 168. Индуцирование синусоидальной э. д. с. (а) и кривая ее изменения (б)

новым оборотом описанный выше процесс индуцирования э. д. с. будет повторяться.

Читайте также:  Постоянные по направлению импульсные токи это

В современных генераторах переменного тока магниты или электромагниты, создающие магнитное поле, обычно располагаются на вращающейся части машины — роторе, а витки, в которых индуцируется переменная э. д. с,— на неподвижной части генератора — статоре. Однако с точки зрения принципа действия генератора переменного тока безразлично, на какой части машины — роторе или статоре — расположены витки, в которых индуцируется переменная э. д. с.

Работа приемников электрической энергии при переменном токе. Если подключить к генератору переменного тока электрическую лампу (см. рис. 168, а), то нить ее будет периодически накаляться и остывать. Однако если частота изменений переменного тока достаточно велика, то нить лампы не будет успевать охлаждаться и глаз человека не будет улавливать изменений ее накала. Такие же условия имеют место и при работе электродвигателей переменного тока; такой двигатель при работе получает от источника импульсы переменного тока, следующие один за другим с большой частотой, и его ротор будет вращаться с постоянной частотой.

Источник

Переменный ток

Переменный ток – род тока, направление протекания которого непрерывно меняется. Становится возможным, благодаря наличию разницы потенциалов, подчиняющейся закону. В повседневном понимании форма переменного тока напоминает синусоиду. Постоянный способен изменяться по амплитуде, направление прежнее. В противном случае получаем переменный ток. Трактовка радиотехников противоположна школьной. Ученикам говорят – постоянный ток одной амплитуды.

Создание переменного тока

Создание переменного тока

Как образуется переменный ток

Начало переменному току положил Майкл Фарадей, читатели подробнее узнают ниже по тексту. Показано: электрическое и магнитное поля связаны. Ток становится следствием взаимодействия. Современные генераторы работают за счет изменения величины магнитного потока через площадь, охватываемую контуром медной проволоки. Проводник может быть любым. Медь выбрана из критериев максимальной пригодности при минимальной стоимости.

Статический заряд преимущественно образуется трением (не единственный путь), переменный ток возникает в результате незаметных глазу процессов. Величина пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, охваченную контуром.

История открытия переменного тока

Впервые переменным токам стали уделять внимание ввиду коммерческой ценности после появления на свет изобретений, созданных Николой Тесла. Материальный конфликт с Эдисоном отметил сильным отпечатком судьбы обоих. Когда американский предприниматель забрал назад обещания перед Николой Тесла, потерял немалую выгоду. Выдающемуся ученому не понравилось вольное обращение, серб выдумал двигатель переменного тока промышленного типа (изобретение сделал намного раньше). Предприятия пользовались исключительно постоянным. Эдисон продвигал указанный вид.

Тесла впервые показал: переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, резко снижая потери на активном сопротивлении. Приемная сторона параметры вновь возвращает к исходным. Неплохо сэкономите на толщине проводов.

Сегодня показано: передача постоянного тока экономически выгоднее. Тесла изменил ход истории. Придумай ученый преобразователи постоянного тока, мир выглядел бы иначе.

Начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. Опыты передачи энергии на значительные расстояния расставили факты по своим местам: неудобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.

Отличие переменного тока от постоянного

Школьный вариант трактовки переменного и постоянного тока

Переменный ток демонстрирует ряд свойств, отличающих явление от постоянного. Вначале обратимся к истории открытия явления. Родоначальником переменного тока в обиходе человечества считают Отто фон Герике. Первым заметил: заряды природные двух знаков. Ток способен протекать в разном направлении. Касательно Тесла, инженер больше интересовался практической частью, авторские лекции упоминают двух экспериментаторов британского происхождения:

  1. Вильям Споттисвуд лишен странички русскоязычной Википедии, национальная часть – замалчивает работы с переменным током. Подобно Георгу Ому, ученый – талантливый математик, остается сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался муж науки.
  2. Джеймс Эдвард Генри Гордон намного ближе практической части вопроса применения электричества. Много экспериментировал с генераторами, разработал прибор собственной конструкции мощностью 350 кВт. Много внимания уделял освещению, снабжению энергией заводов, фабрик.

Считается, первые генераторы переменного тока созданы в 30-е годы XIX века. Майкл Фарадей экспериментально исследовал магнитные поля. Опыты вызывали ревность сэра Хемфри Дэви, критиковавшего ученика за плагиат. Сложно потомкам выяснить правоту, факт остается фактом: переменный ток полвека просуществовал невостребованным. В первой половине XIX-го века выдуман электрический двигатель (авторство Майкла Фарадея). Работал, питаемый постоянным током.

Никола Тесла впервые догадался реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Понадобились две фазы переменного тока (сдвиг 90 градусов). Попутно Тесла отметил: возможны более сложные конфигурации (текст патента). Позднее изобретатель трехфазного двигателя, Доливо-Добровольский, тщетно силился запатентовать детище плодотворного ума.

Продолжительное время переменный ток оставался невостребованным. Эдисон противился внедрению явления в обиход. Промышленник боялся крупных финансовых потерь.

Н. Тесла изучал переменный ток

Никола Тесла изучал электрические машины

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Ученые доказали недавно: передавать постоянный ток выгоднее. Снижаются потери излучения линии. Никола Тесла перевернул ход развития истории, правда восторжествовала.

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Никола Тесла посетил конкурирующую с эдисоновской компанию, продвигая новое явление. Увлекся, часто ставил эксперименты на себе. В противовес сэру Хемфри Дэви, который укоротил жизнь, вдыхая различные газы, Тесла добился немалого успеха: покорил рубеж 86 лет. Ученый обнаружил: изменение направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду делает процесс безопасным для человека.

Читайте также:  Внешний источник тока роль

Во время лекций Тесла брал руками лампочку с платиновой нитью накала, демонстрировал свечение прибора, пропуская через собственное тело токи высокой частоты. Утверждал: явление безвредно, даже приносит пользу здоровью. Ток, протекая по поверхности кожи, одновременно очищает. Тесла говорил, экспериментаторы прежних дней (смотрите выше) пропускали удивительные явления по указанным причинам:

  • Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в прямом смысле: при помощи двигателя раскручивался ротор. Подобный принцип бессилен выдать токи высокой частоты. Сегодня проблематично, невзирая на нынешний уровень развития технологии.
  • В простейшем случае применялись ручные размыкатели. Вовсе нечего говорить о высоких частотах.

Сам Тесла использовал явление заряда и разряда конденсатора. Подразумеваем RC-цепочку. Будучи заряжен до определённого уровня, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление. Параметров элементов определяют скорость процесса, протекающего согласно экспоненциальному закону. Тесла лишен возможности использовать методы управления контуров полупроводниковыми ключами. Термионные диоды были известны. Рискнем предположить, Тесла мог использовать изделия, имитируя стабилитроны, оперируя с обратимым пробоем.

Однако вопросы безопасности лишены почетного первого места. Частоту 60 Гц (общепринятая США) предложил Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Сильно отличается от безопасного диапазона. Проще сконструировать генератор. Переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.

Через эфир

Поныне безуспешно ведутся споры, касаемо первооткрывателя радио. Прохождение волны через эфир обнаружил Герц, описав законы движения, показав, сродство оптическим. Сегодня известно: переменное поле бороздит пространстве. Явление Попов (1895 год) использовал, передавая первое Земное сообщение «Генрих Герц».

Видим, ученые мужи дружны между собой. Сколько уважения демонстрирует первое сообщение. Дата остается спорной, каждое государство первенство хочет присвоить безраздельно. Переменный ток создает поле, распространяющееся через эфир.

Сегодня общеизвестны диапазоны вещания, окна, стены атмосферы, различных сред (вода, газы). Важное место отводится частоте. Установлено, каждый сигнал можно представить суммой элементарных колебаний-синусоид (согласно теоремам Фурье). Спектральный анализ оперирует простейшими гармониками. Суммарный эффект рассматривается, как равнодействующая элементарных составляющих. Произвольный сигнал раскладывается преобразованием Фурье.

Окна атмосферы определяются аналогичным образом. Увидим частоты, проходящие сквозь толщу хорошо и плохо. Не всегда последнее оказывается негативным эффектом. Микроволновые печи используют частоты 2,4 ГГц, ударно поглощаемые парами воды. Для связи волны бесполезны, зато хороши кулинарными способностями!

Новичков тревожит вопрос распространения волны через эфир. Обсудим подробнее неразрешенную поныне учеными загадку.

Диполь антенна Герца

Диполь антенна Герца

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Взаимосвязь электрического, магнитного полей впервые продемонстрировал в 1821 году Майкл Фарадей. Чуть позднее показали: конденсатор пригоден для создания колебаний. Нельзя сказать, чтобы связь двух событий немедленно осознали. Феликс Савари разряжал лейденскую банку через дроссель, сердечником которому служила стальная игла.

Неизвестно доподлинно, чего добивался астроном, результат оказался любопытным. Иногда игла оказывалась намагниченной в одном направлении, иногда – противоположном. Ток генератора одного знака. Ученый правильно сделал вывод: затухающий колебательный процесс. Толком не зная индуктивных, емкостных реактивных сопротивлений.

Теорию процесс подвели позже. Опыты повторены Джозефом Генри, Вильямом Томпсоном, определившим резонансную частоту: где процесс продолжался максимальный период времени. Явление позволило количественно описать зависимости характеристик цепи от элементов составляющих (индуктивность и емкость). В 1861 году Максвелл вывел знаменитые уравнения, одно следствие особенно важно: «Переменное электрическое поле порождает магнитное и наоборот».

Возникает волна, векторы индукции взаимно перпендикулярны. Пространственно повторяют форму породившего процесса. Волна бороздит эфир. Явление использовал Генрих Герц, развернув обкладки конденсатора в пространстве, плоскости стали излучателями. Попов догадался закладывать информацию в электромагнитную волну (модулировать), что используется сегодня повсеместно. Причем в эфире и внутри полупроводниковой техники.

Где используется переменный ток

Переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Проще сказать, где применяется постоянный, читатели сделают выводы:

  1. Постоянный ток применяется в аккумуляторах. Переменный порождает движение – не может храниться современными устройствами. Потом в приборе электричество преобразуется в нужную форму.
  2. КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине выгодно применять указанные разновидности.
  3. При помощи постоянного тока действуют магниты. К примеру, домофонов.
  4. Постоянное напряжение применяется электроникой. Потребляемый ток варьируется в некоторых пределах. В промышленности носит название постоянного.
  5. Постоянное напряжение применяется кинескопами для создания потенциала, увеличения эмиссии катода. Случаи назовем аналогами блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие значительно.

В остальных случаях переменный ток выказывает весомое преимущество. Трансформаторы – неотъемлемая составляющая техники. Даже в сварке далеко не всегда господствует постоянный ток, но в любом современном оборудовании этого типа имеется инвертор. Так гораздо проще и удобнее получить достойные технические характеристики.

Хотя исторически первыми получены были статические заряды. Вспомним шерсть и янтарь, с которыми работал Фалес Милетский.

Источник