С наибольшей скоростью изменяется ток около своих нулевых значений. Около максимальных значений скорость изменения тока падает, а при максимальном значении тока прирост его равен нулю. Таким образом, переменный ток меняется не только по величине и направлению, но также и по скорости своего изменения. Переменный ток, проходя по виткам катушки, создает переменное магнитное поле. Магнитные линии этого поля, пересекая витки своей же катушки, индуктируют в них ЭДС самоиндукции. Так как индуктивность катушки в нашем случае остается неизменной, ЭДС самоиндукции будет зависеть только от скорости изменения тока. Наибольшая скорость изменения тока имеет место около нулевых значений тока. Следовательно, наибольшее значение ЭДС самоиндукции имеет в те же моменты.
В начальный момент времени ток резко и быстро увеличивается от нуля, а поэтому имеет отрицательное максимальное значение. Так как ток увеличивается, то ЭДС самоиндукции по правилу Ленца должна препятствовать изменению тока. Поэтому ЭДС самоиндукции при возрастании тока будет иметь направление, обратное току. Скорость изменения тока по мере приближения его к максимуму уменьшается. Поэтому ЭДС самоиндукции также уменьшается, пока, наконец, при максимуме тока, когда изменения его будут равны нулю, она не станет равной нулю.
Переменный ток, достигнув максимума, начинает убывать. По правилу Ленца ЭДС самоиндукции будет мешать току убывать и, направленная уже в сторону протекания тока, будет его поддерживать.
При дальнейшем изменении переменный ток быстро убывает до нуля. Резкое уменьшение тока в катушке повлечет за собой также быстрое уменьшение магнитного поля и в результате пересечения магнитными линиями витков катушки в них будет индуктироваться наибольшая ЭДС самоиндукции.
Так как ЭДС самоиндукции в цепях переменного тока непрерывно противодействует изменениям тока, то, чтобы дать возможность току протекать по виткам катушки, напряжение сети должно уравновешивать ЭДС самоиндукции. То есть напряжение сети в каждый момент времени должно быть равно и противоположно ЭДС самоиндукции.
Величина XL = ?L называется индуктивным сопротивлением, которое представляет собой своеобразное препятствие, которое оказывает цепь изменениям тока в ней.
Величина XC = 1/(?C) называется емкостным сопротивлением, которое, как и индуктивное сопротивление, зависит, от частоты переменного тока.
Рассмотрим случай получения переменного тока посредством разряда конденсатора на катушку.
Заряженный конденсатор обладает запасом электрической энергии. При замыкании на катушку он начнет разряжаться и запас электрической энергии в нем будет уменьшаться. Ток разряда конденсатора, проходя по виткам катушки, создает магнитное поле. Следовательно, катушка начнет запасать магнитную энергию. Когда конденсатор полностью разрядится, его электрическая энергия станет равной нулю. В этот момент катушка будет обладать максимальным запасом магнитной энергии. Теперь сама катушка становится генератором электрического тока и начнет перезаряжать конденсатор. ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке в период нарастания магнитного поля, препятствовала нарастанию тока. Теперь же, когда магнитное поле катушки будет уменьшаться, ЭДС самоиндукции стремится поддерживать ток в прежнем направлении. В момент, когда магнитная энергия катушки станет равной нулю, обкладки конденсатора окажутся заряженными противоположно тому, как они были заряжены вначале, и если сопротивление цепи равно нулю, то конденсатор получит первоначальный запас электрической энергии. Затем конденсатор получит первоначальный запас электрической энергии. Затем конденсатор вновь начнет разряжаться, создавая в цепи ток обратного направления, и процесс будет повторяться.
Попеременные превращения электрической энергии в магнитную и обратно составляют основу процесса электромагнитных колебаний. Цепь, состоящая из емкости и индуктивности, в которой происходит процесс электромагнитных колебаний, называется колебательным контуром.
Периодические колебания энергии, происходящие в колебательном контуре, могли бы продолжаться бесконечно долго в виде незатухающих колебаний, если бы отсутствовали потери в самом колебательном контуре. Однако наличие активного сопротивления приводит к тому, что запас энергии контура с каждым периодом уменьшается за счет потерь на тепло в активном сопротивлении, в результате чего колебания затухают.
Период электромагнитных колебаний, происходящих в колебательном контуре без сопротивления, определяется формулой Томсона.
Изменить время периода колебаний контура можно двумя способами – изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора. Тот и другой способы используются для этой цели в радиотехнике.
Колебательный контур является необходимой принадлежностью каждого радиоприемника и радиопередатчика.
Принцип радиопередачи заключается в следующем. В антенне передающей радиостанции при помощи ламповых генераторов создаются электромагнитные колебания. Амплитуда колебаний зависит от ряда факторов и в том числе от величины тока, протекающего в цепи микрофона, принимающего звуковые колебания, обусловленные речью или музыкой.
Изменения колебаний высокой частоты с помощью звуковых колебаний называются модуляцией.
Радиосвязь впервые была осуществлена выдающимся русским ученым А.С. Поповым (1859–1905).
67. ТРЕХФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
Многофазной системой называется совокупность переменных ЭДС одной частоты и сдвинутых по фазе одна относительно другой на какие-либо углы.
Каждая ЭДС может действовать в своей самостоятельной цепи и не быть связанной с другими ЭДС. Такая система называется несвязанной.
Недостатком несвязанной многофазной системы является большое число проводов, равное 2m.Так, например, для передачи энергии по трехфазной системе потребуется шесть проводов. Многофазная система, у которой отдельные фазы электрически соединены одна с другой, называется связанной многофазной системой.
Многофазный ток обладает важными преимуществами:
1) при передаче одной и той же мощности многофазным током требуется меньшее сечение проводов, чем при однофазном токе;
2) с помощью неподвижных катушек или обмоток он создает вращающееся магнитное поле, используемое в работе двигателей и различных приборов переменного тока.
Из систем многофазного тока наибольшее применение на практике получил трехфазный переменный ток.
Получается он следующим образом. Если в однородном магнитном поле полюсов поместить три витка, расположив каждый из них по отношению к другому под углом 120°, и вращать витки с постоянной угловой скоростью, то в витках будут индуктироваться ЭДС, которые также будут сдвинуты по фазе 120°.
На практике для получения трехфазного тока на статоре генератора переменного тока делают три обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 120°.
Они называются фазными обмотками или просто фазами генератора.
Несвязанная система трехфазного тока на практике не применяется.
Фазные обмотки генераторов и потребителей трехфазного тока соединяются по схеме звездой или треугольником.
Если фазные обмотки генератора или потребителя соединить так, чтобы концы обмоток были замкнуты в одну общую точку, а начала обмоток подключены к линейным проводам, то такое соединение называется звездой. При соединении звездой линейное напряжение в V3 раз больше фазного напряжения. При неравномерной нагрузке фазные напряжения потребителя различны по величине, причем величина фазного напряжения пропорциональна сопротивлению фазы. Смещение нулевой точки потребителя, происходящее в результате неравномерной нагрузки, приводит к нежелательному явлению в осветительных сетях. Чем больше будет число и мощность ламп, включенных в фазе, тем меньше будет их сопротивление, тем меньше будет их фазное напряжение, тем слабее они будут гореть.
Кроме соединения звездой, генераторы или потребители трехфазного тока могут включаться треугольником.
При равномерной нагрузке, соединенной треугольником, линейный ток в V3 раз больше фазного тока.
В двигателях и других потребителях трехфазного тока в большинстве случаев выводят все шесть концов трех обмоток, которые по желанию можно соединять либо звездой, либо треугольником. Обычно к трехфазной машине крепится доска из изоляционного материала (клеммная доска), на которую и выводят все шесть концов.
Мощность трехфазной системы можно рассчитать по формуле: P = ?3· IUcos ?.
В 1876 г. П.И. Яблочков предложил пользоваться трансформатором для питания свечей. В дальнейшем конструкции трансформаторов разрабатывал другой русский изобретатель, механик И.Ф. Усагин, который предложил применять трансформаторы для питания не только свечей Яблочкова, но и других потребителей электрической энергии.
