Переменный ток и его характеристики
⚡ Физика · 11 класс
Что такое переменный ток
Переменный ток — это электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению. В быту используют синусоидальный переменный ток с частотой 50 Гц в России. Он получается за счёт явления электромагнитной индукции при вращении рамки в магнитном поле.
Получение переменного тока
При равномерном вращении проволочной рамки в однородном магнитном поле магнитный поток через неё меняется по закону косинуса, а ЭДС — по закону синуса:
e = E₀ · sin(ω·t), гдеE₀— амплитуда ЭДС,ω— циклическая частота.
Так устроен генератор переменного тока — основное устройство электростанций. Частота вырабатываемого тока зависит от скорости вращения рамки и числа пар полюсов магнита.
График переменного тока представляет собой синусоиду. Время одного полного колебания называют периодом T, а число колебаний в секунду — частотой ν. Они связаны соотношением ν = 1 / T, а циклическая частота равна ω = 2π·ν. При частоте 50 Гц ток сто раз в секунду меняет направление.
Действующие значения
Чтобы сравнивать переменный ток с постоянным по тепловому действию, вводят действующие (эффективные) значения. Они меньше амплитудных в корень из двух раз:
I = I₀ / √2 и U = U₀ / √2
Именно действующее напряжение 220 В показывают бытовые вольтметры, хотя амплитуда достигает примерно 310 В. Смысл действующего значения в том, что переменный ток с таким действующим значением выделяет на резисторе столько же тепла, сколько и постоянный ток той же величины.
Сопротивления в цепи переменного тока
В цепи переменного тока, кроме обычного активного сопротивления, проявляются реактивные:
- активное
R— на нём выделяется тепло; - индуктивное
X_L = ω·L— у катушки, растёт с частотой; - ёмкостное
X_C = 1 / (ω·C)— у конденсатора, падает с частотой.
| Элемент | Сопротивление | Формула |
|---|---|---|
| Резистор | активное | R |
| Катушка | индуктивное | X_L = ω·L |
| Конденсатор | ёмкостное | X_C = 1/(ω·C) |
Разбор примера
Амплитуда напряжения в сети U₀ = 310 В. Найдём действующее значение.
U = U₀ / √2 = 310 / 1,41 ≈ 220 В — стандартное бытовое напряжение.
Полное сопротивление цепи, содержащей резистор, катушку и конденсатор, находят с учётом того, что реактивные сопротивления складываются особым образом. Когда индуктивное и ёмкостное сопротивления равны, наступает явление резонанса: сопротивление цепи минимально, а сила тока достигает наибольшего значения. Резонанс широко используют в радиотехнике для настройки приёмников на нужную волну.
Частые ошибки. Не путайте амплитудное и действующее значения. На реактивных сопротивлениях (катушке и конденсаторе) тепло не выделяется — они не потребляют активную мощность. Реактивные сопротивления зависят от частоты, а активное — нет.
Кратко о главном
- Переменный ток меняется по синусоиде, частота в России —
50 Гц. - Получают вращением рамки в магнитном поле (генератор).
- Действующие значения:
I = I₀ / √2,U = U₀ / √2. - Индуктивное сопротивление растёт с частотой, ёмкостное — падает.