Меню

Переменный ток получение изображение переменного тока



Тема 8. Переменный ток

Получение переменного тока и его параметры.

Генераторы переменного и постоянного тока.

Трансформаторы.

Индукционная катушка.

1) Получение переменного тока и его параметры.

При вращении рамки в однородном магнитном поле с постоянной угловой скоростью w получается синосиодальный переменный ток.

В отрезках провода АВ и СД возникает ЭДС индукции E1 и E2 ,направление которых определяется по правилу Правой руки.

Угол поворота рамки α выразим формулой.

T – время одного полного оборота рамки, это и есть период изменения переменного тока.

— частота переменного тока.

е=Emax sin wt формула расчета мгновенного значения ЭДС в рамке.

Параметры переменного тока.

1) Мгновенное значение ЭДС (E) напряжения (U) силы тока (I) определяются по формулам:

2) Максимальное значение (или амплитудные) ЭДС (Еmах), напряжение (Umах) или тока (Imах)

3) эффективными или действующими значениями переменного тока являются:

Все вольтметры предназначенные для переменного тока показывают эффективные значения ЭДС и напряжения.

2. Генераторы переменного и постоянного тока.

Электрические машины в которых механическая энергия превращается в электрическую с помощью явления электромагнитной индукции называется инд. генераторами.

Основные элементы генератора:

1) индуктор создающий магнитное поле.

2) якорь, проводник в котором наводится ЭДС.

3) металлические кольца.

4) Щетки, соединяющие неподвижные проводники с вращающимися проводниками. В данном рисунке ротор – якорь подвижный статор – индуктор неподвижный. Частота вращения ротора совпадает с частотой переменного тока.

Схема устройства генератора постоянного тока отличается от схемы генератора переменного тока только тем, что здесь вместо колец используется коллектор (кольцо, разрезание на секторы, изолированные друг от друга).

Левая щетка всегда соединяется с поднимающейся стороной рамки (витка), а правая с опускающейся стороны. Коллектор создает у потребителя ток, одинаковой по направлению.

Трансформатор – прибор для изменения напряжения и силы переменного тока.

Принцип работы трансформатора основан на явлении (электромагнитной индукции, трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника и двух обмоток (катушек)).

Первичная подсоединяется к источнику переменного напряжения, а вторичная к потребителю.

Первичная и вторичная обмотки изолированы друг от друга.

Если ключ вторичной цепи разомкнут, а на первичной обмотке w подадут переменное напряжение, то по этой обмотке пойдет ток, называемый током холостого хода.

Этот ток в сердечнике трансформатора создает переменный магнитный поток, который пронизывая витки первичной обмотки наводит в ней ЭДС самоиндукции, а в витках вторичной обмотки ЭДС индукции, так как вторичная и первичная обмотки находятся в одном и том же измененном магнитном поле, то наводимая ЭДС в каждом витке первичной и вторичной обмоток будет одинаковой, количество витков разное.

lw1 если не учитывать падения lw2 направления в первичной обмотке трансформатора, то можно считать u1,2

Сравним ЭДС и u в первичной и во вторичной обмотках.

kТР коэффициент трансформации

Вывод: для идеального трансформаторного напряжения в обмотках и количестве витков находится в прямой пропорциональной зависимости.

1) kтр > 1 трансформ.пониж.

Индукционная катушка является преобразователем постоянного тока низкого напряжения в изменяющий ток высокого напряжения.

При размыкании ключа (к) ток проходит через винт (В). Стальной молоточек (m) первичной катушки (w1) с сердечником так как сердечник при этом намагничивается, то молоточек (м) притягивается к нему и цепь размыкается, затем сердечник размагничивается молоточек выпрямляется и основа замыкает цепь через винт (В) вокруг первичной катушки создается переменное магнитное поле которое наводит ЭДС и во вторичной катушке имеющей большее число витков индукционная катушка позволяет получить напряжение конт. вторичной обмотки до 10 000 В.

Источник

Как получить переменный электрический ток?

Практически все знают, что в бытовой сети повсеместно используется переменное напряжение, как результат, питание всех домашних устройств осуществляется переменным током. Однако, далеко не всем известны способы получение переменного тока, особенности формирования электрической величины и способы, которыми он генерируется на практике. Поэтому в рамках статьи мы рассмотрим как теоретический, так и практический аспект данного вопроса.

Теория

С одной стороны каждому известно, что первое знакомство человечества с электрической энергией произошло на примере постоянного тока. Только в 1831 году исследование явления магнитной индукции привели к генерации переменных токов. Первые эксперименты задействовали электрический проводник, помещаемый в магнитный поток.

Читайте также:  Разновидности автоматов по току

Для примера вам следует рассмотреть обычный проводник, приведенный в состояние замкнутого контура, края проводника можно подключить к измерительному прибору для фиксации изменения электрических величин.

Далее вам необходимо:

  • взять хороший магнит, если под рукой имеется мощный неодимовый, то он подойдет лучше всего;
  • подключите проводник к гальванометру, всю электрическую цепь положите на стол или другую поверхность из изолирующего материала;
  • поднесите магнит к проводнику как можно ближе, желательно, чтобы расстояние было не больше 10 мм;
  • сделайте резкое движение в перпендикулярной плоскости по отношению к проводнику;
  • обратите внимание на прибор, стрелка гальванометра отклонится от равновесного положения в какую-либо сторону – в результате электромагнитных колебаний в проводнике наводится ЭДС индукции, которая и обуславливает возникновение переменного тока в замкнутом контуре.

Повторите манипуляцию с магнитом несколько раз, и вы увидите, как гальванометр равномерно отклоняется в сторону, по мере приближения полюса к проводнику и так же равномерно возвращается в исходную позицию по мере удаления магнита. Отклонение стрелки свидетельствует об изменении величины тока и потенциала, индуцируемых в металле. Амплитуда колебаний тока не постоянна во времени, из-за чего данная величина и называется переменной.

Заметьте, если перемещать возле провода один магнитный полюс, то стрелка будет отклоняться в одном направлении, если повернуть противоположным магнитным полюсом, то и направление отклонения стрелки соответственно изменится.

Один контур представляет собой лишь пример для понимания сути получения переменного электрического тока, так как ЭДС в нем будет слишком малой и мощности не хватит даже для питания светодиода. В промышленных масштабах вместо вращения витка используют целые обмотки с множеством витков. На практике не имеет значения, происходит движение магнита относительно проводника или это замкнутый контур движется по отношению к полюсу магнита.

Поэтому для изменения ЭДС в обмотках генератора может применяться как принцип вращения ротора из магнитного материала внутри обмоток статора, так и наоборот, обмоток ротора внутри магнитного статора.

Сама величина электродвижущей силы определяется из соотношения физических параметров по такой формуле:

Формула электродвижущая сила

где n – это количество витков обмоток

а соотношение B/dt – это скорость изменения электромагнитной индукции во времени.

Способы получения

Сегодня насчитывается довольно большое количество методов получения переменного тока. Поэтому в рамках статьи мы рассмотрим наиболее интересные с практической точки зрения.

Рамка с магнитами

Для этого вам понадобится рамка из любого металла, концы которой позволяют организовать вращение. С противоположных концов по отношению к рамке устанавливаются два магнита, направленные противоположными полюсами. Следует заметить, что величина переменного тока будет зависеть от сопротивления проводов, поэтому лучше брать изделие большого сечения и с высокой удельной проводимостью. При вращении контура в его электрической сети будет наводится ЭДС, которая и приведет к протеканию переменного тока.

Рамкой и магнитами

Рис. 1. Рамкой и магнитами

Как видите на рисунке выше, при равномерном максимальном удалении сторон металлического кольца от полюсов магнита величина электродвижущей силы равна нулю, магнитные линии не пересекают проводник. Синусоида напряжения и тока берут начало из нулевой отметки. Затем происходит движение рамки и ЭДС изменяется до тех пор, пока не достигнет своего максимума при оптимальном приближении сторон к магнитам. По мере дальнейшего вращения рамки ее стороны снова будут удаляться от магнитов и переменная ЭДС снова снизится до нуля.

При перемене положения меняется и направление протекания переменного тока, что на графике отображается в виде перехода кривой в отрицательную плоскость графика. Разумеется, для промышленных генераторов такая схема не подходит, поэтому в них используется усовершенствованный принцип.

Асинхронный и синхронный генератор

Асинхронная электрическая машина по своей конструкции схожа с устройством трансформатора. Ее используют для генерации и передачи электроэнергии переменного тока в трехфазных сетях. Как правило, электрическая машина может использоваться и как трехфазный двигатель, и как генератор, многие из них являются обратимыми.

По своему устройству она напоминает рамку, но в трехфазном исполнении – для каждой из фаз в статоре помещается своя катушка, заменяющая один виток кольца. Все обмотки фаз смещены друг относительно друга на 120° в геометрической плоскости.

Читайте также:  Первичные измерительные преобразователи тока схемы соединения

Устройство асинхронного генератора

Рис. 2. Устройство асинхронного генератора

Благодаря физическому смещению обмоток, переменный ток наводится в них с тем запозданием, по отношению к предыдущей фазе, которое требует ротору для преодоления соответствующего расстояния. За счет чего напряжение и ток в каждой из фаз получаются смещенными друг относительно друга. Частота вращения определяет скорость пересечения синусоидой оси абсцисс за единицу времен. В отечественных сетях промышленная частота переменного тока составляет 50Гц.

Напряжение в трехфазной сети

Рис. 3. Напряжение в трехфазной сети

Однако, как генераторы переменного тока, асинхронные машины имеют ряд недостатков:

  • большие пусковые токи;
  • отставание электродвижущей силы от магнитного поля, которое ее индуцирует;
  • меньшая степень контроля за системой.

Поэтому сейчас довольно часто применяется схема генератора синхронного типа. Конструктивно он схож с предыдущей моделью, с тем отличием, что он имеет дополнительную катушку, подключаемую через скользящий контакт. Она в значительной мере снижает пусковые токи и облегчает работу.

схема синхронного генератора

Рис. 4. Схема синхронного генератора

Инвертор

За счет развития технологий, переменный ток в современном мире можно запросто получить не только от трехфазных генераторов. Немаловажную роль играют солнечные электростанции, которые производят постоянный ток, мало применяемый в быту и производстве напрямую. Для преобразования готового постоянного тока в переменный, используются специальные приборы – инверторы.

Схема инвертора

Рис. 5. Схема инвертора

На рисунке 5 выше приведен пример простейшего инвертора для получения переменного тока. Как видите, постоянное напряжение с батареи подается на пару транзисторов VT1 и VT2. За счет отличий в скорости открытия, один из транзисторов будет открываться раньше и весь ток пойдет через него до получения некоторого прообраза полупериода. Конечно, такая кривая переменного тока будет далека от идеальной синусоиды, но более чем достаточно для повышения величины напряжения на трансформаторе Tr до 220В.

Это наиболее простой вариант преобразования постоянного напряжения в переменное, он может не выдавать одинаковую частоту с индукционными генераторами и рассматривается нами только в качестве примера. Для домашнего и производственного использования выпускают более сложные модели.

Источник

Понятие о переменном токе

До сих пор мы рассматривали электрический ток, направ­ление и сила которого оставались постоянными, т. е. не изме­нялись с течением времени. Такой ток мы называли постоян­ным. При постоянном токе электроны движутся по проводнику все время в одном и том же направлении (если не считать хаотического теплового движения электронов), причем количе­ство движущихся электронов и скорость, их движения все время остаются постоянными.

Условное графическое изображение постоянного тока при­ведено на рисунке 1.

Постоянный ток

Рисунок 1. График переменного тока.

Переменный ток отличается от постоянного тем, что он периодически изменяет свое направление, т. е. течет по про­воднику то в одну, то в другую сторону.

Переменный ток можно получить при помощи очень про­стой схемы, изображенной на рисунке 2а. При каждом передви­жении переключателя изменяется лишь направление тока в цепи, сила же тока при этом остается все время неизменной.

Рисунок 2. Простейший способ получения переменного тока а) и его график б).

Графическое изображение переменного тока, полученного таким способом, приведено на рисунке 2б, где ток, протекающий по проводнику в одном направлении, отложен над горизонтальной осью времени, а ток обратного направления — под осью времени.

Рассмотрим другой, белее распространенный случай пере­менного тока, когда изменяется не только направление тока, но и его сила.

Представим себе проводник, согнутый в виде рамки и вра­щающийся в равномерном магнитном поле (рисунок 3).

Вращение рамки в магнитном поле

Рисунок 3. Рамка вращающаяся в равномерном магнитном поле.

При вращении рамки магнитный поток, охватываемый ею, будет изменяться, следовательно, в рамке возникнет ЭДС индук­ции. В этом случае форма ЭДС индукции возникающей в рамке, а при подключению нагрузки к ней и форма переменного электрического тока текущего по цепи будет иметь вид показанный на рисунке 4, то есть изменение переменного тока будет осуществляться по закону синиуса.

Переменный синусоидальный ток

Рисунок 4. График синусоидального переменного тока.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Источник

Конспект урока по теме «Переменный ток. Параметры, характеризующие переменный ток. Графическое изображение переменного тока»

Разделы: Физика

Читайте также:  Тока в свадебном платье токийский гуль

Тип урока – формирование новых знаний.

Оборудование:

  • таблица “Принцип работы генератора переменного тока”,
  • видеофрагмент “Переменный ток против постоянного”,
  • модель генератора переменного тока.

Цель урока:

  • изучить устройство и принцип работы генератора переменного тока, определение переменного тока, параметры, характеризующие ток (амплитуда, период, частота, фаза), сформировать умение аналитическим и графическим методом определять параметры переменного тока;
  • развивать умение анализировать и классифицировать полученную информацию, пользоваться справочной литературой.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Актуализация опорных знаний. (Слайды 1,2)

1. Проводник находится в электрическом поле. Как движутся в нём свободные электрические заряды?

А. Совершают колебательное движение
Б. Хаотично
В. Упорядоченно

2. Что принято за направление электрического тока?

А. Направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц.
Б. Направление упорядоченного движения отрицательно заряженных частиц.
В. Определённого ответа дать нельзя.

3. Какова роль источника тока в электрической цепи?

А. Порождает заряженные частицы.
Б. Создаёт и поддерживает разность потенциалов в электрической цепи.
В. Разделяет положительные и отрицательные заряды.

4. В проводнике отсутствуют электрическое поле. Как движутся в нём свободные электрические заряды?

А. Совершают колебательное движение.
Б. Хаотично.
В. Упорядоченно.

5. Какие силы вызывают разделение зарядов в источнике тока?

А. Кулоновские силы отталкивания.
Б. Сторонние (неэлектрические) силы.
В. Кулоновские силы отталкивания и сторонние (неэлектрические) силы.

3. Сообщение цели и плана урока.

Мы повторили материал о постоянном электрическом токе, а теперь изучим переменный электрический ток. (Слайды 3,4)

знать:

  • определение переменного тока
  • параметры переменного тока (амплитуда, период, частота, фаза)
  • способ получения переменного тока

уметь:

  • определять параметры переменного тока
  • строить по данным таблицы и читать график переменного тока

4. Изучение нового материала.

До конца XIX века использовались только источники постоянного тока – химические элементы и генераторы. Это ограничивало возможности передачи электрической энергии на большие расстояния. Проблема была решена при использовании переменного тока и трансформаторов.

Переменный ток – это ток, изменение которого по величине и направлению повторяется периодически через равные промежутки времени и который характеризуется амплитудой, периодом, частотой, фазой.

Амплитуда – максимальное значение физической величины.(обозначают прописными буквами с индексом m: Im, Um, Em

Период – время, в течение которого переменный ток совершает полный цикл своих изменений. Т – период, с.

Частота – это число периодов в секунду . f – частота, Гц.

f = 50Гц– промышленная частота переменного тока в России.

Это интересно. (Слайд 7).

(Сообщение студента о выборе промышленной частоты в других странах).

Рассмотрим примеры параметров переменного тока. (Слайд 8)

Физические величины Амплитудные значения Действующие значения Мгновенные значения
Сила тока, А Im – тока Iд=

i= 5sin (2 f t + 0) =5sin(2 50t+ 0 )=

Получение (генерирование) переменного тока.

Честь создания генераторов переменного тока, совершивших революцию в электротехнике, принадлежит сербу Н. Тесле и русскому инженеру М.О. Доливо-Добровольскому.

Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции (ЭМИ).

Устройство генератора переменного тока. (Слайд 11)

  1. Обмотка статора с большим числом витков, размещенных в его пазах. В ней наводится ЭДС.
  2. Станина, внутри которой размещены статор и ротор.
  3. Ротор (вращающаяся часть генератора) создаёт магнитное поле от электромашины постоянного тока.
  4. Статор состоит из отдельных пластин для уменьшения нагрева от вихревых токов. Пластины – из электротехнической стали.
  5. Клеммный щиток на корпусе станины для снятия напряжения.

При равномерном вращении ротора в обмотках статора наводится ЭДС:

е = E sin t = BS N sin 2 nt,

где e = BS N – максимальное значение ЭДС; n – число оборотов ротора в секунду; N – число витков обмотки статора.

Вырабатываемое напряжение в промышленных генераторах — В.

При вращении рамки в магнитном поле меняется магнитный поток. В рамке наводится переменная ЭДС индукции. Если цепь замкнута, то возникает индуктивный ток, который непрерывно меняется по модулю, а через 1 /2 Т – по направлению.

Вынужденные электрические колебания, возникшие в цепях под действием напряжения, осуществляются по синусоидальному закону u = sin t или u = cos t.

Построение графика синусоидального тока по данным таблицы.

Источник