Когда
в электрическую цепь переменного тока подключается активное
сопротивление R, то под воздействием
разницы потенциалов источника в цепи начинает течь ток I. В
тех случаях, когда изменение напряжения происходит по синусоидальному закону,
который выражается, как u = Um sin ωt,
то изменение тока i также идет по синусоиде:
i = Im sin
ωt
При этом
Im =
|
Um
R
|
Так
что получается, что изменение напряжения и тока происходят по одинаковым
законам. При этом через нулевое значение они проходят одновременно и своих
максимальных значений также достигают одновременно. Из этого следует, что когда
в электрическую цепь переменного тока подключается активное
сопротивление R, то напряжение и ток
совпадают по фазе.
Мощность, ток, напряжение
Если взять равенство Im = Um / R и
каждую из его частей разделить на √2,
то в итоге получится ни что иное, как закон Ома, применимый для той цепи,
которая рассматривается: I = U/R.
Таким образом, получается, что это основополагающий
закон для той цепи, которая имеет в своем составе только активное
сопротивление, с точки зрения математики имеет такую же форму, что и для цепи
тока постоянного.
Электрическая мощность
Такой
показатель, как электрическая мощность P для
цепи, имеющей в своем составе активное
сопротивление, равняется произведению мгновенного значения
напряжения U на мгновенное значение силы
тока i в любой момент времени. Из
этого следует, что в цепях переменного тока, в
отличие от цепей тока постоянного, мгновенная
мощность P – величина непостоянная, а
ее изменение происходит по кривой. Для того чтобы получить ее графическое
представление, необходимо ординаты кривых напряжения U и
силы тока i перемножить при разных
углах ωt. Мощность изменяется по
отношению к изменению тока с двойной частотой ωt.
Это означает, что половине периода изменения напряжения и тока соответствует
один период изменения мощности. Следует заметить, что абсолютно все значения,
которые может принимать мощность, являются положительными величинами. С точки
зрения физики это означает, что от источника к приемнику передается энергия.
Своих максимальных значений мощность достигает тогда, когда ωt = 270° и ωt = 90°.
В практическом отношении о той
энергии W, которую создает электрический
ток, принято судить по средней мощности, выражаемой формулой Рср = Р, а
не по мощности максимальной. Ее можно определить, перемножив на время
протекания тока среднее значение мощности W = Pt.
Относительно линии АБ,
соответствующей среднему значению мощности P,
кривая мгновенной мощности симметрична. По этой причине
P = Pmax / 2 = UI
Если
использовать закон Ома, то можно выразить активную мощность в следующем виде:
P = I2R или P = U2/R.
Специалисты
в области электротехники ту среднюю мощность, которую потребляет активное
сопротивление, чаще всего именуют или просто мощностью, или
активной мощностью, а для ее обозначения используется буква P.
Поверхностный эффект
Необходимо особо отметить такую
особенность проводников, включенных в сеть переменного тока:
их активное сопротивление во всех случаях
оказывается больше, чем если бы они были включены в сеть тока постоянного.
Причина этого состоит в том, что переменный ток не
протекает равномерно распределяясь по всему поперечному сечению проводника, как
ведёт себя постоянный ток, а выводится на его поверхность. Таким образом,
получается, что при включении проводника в цепь переменного тока его
полезное сечение оказывается значительно меньшим, чем при включении в цепь
тока постоянного. Именно поэтому его сопротивление возрастает.
В физике и электротехнике это явление называется поверхностным эффектом.
То, что переменный
ток распределяется по сечению проводника неравномерно,
объясняется действием электродвижущей силы самоиндукции. Она
индуцируется в проводнике тем магнитным полем, которое создается током,
проходящим по нему. Необходимо заметить, что действие этого магнитного поля
распространяется не только на окружающее проводник пространство, но и на
внутреннюю его часть. По этой простой причине те слои проводника, которые
располагаются ближе к его центру, находятся под воздействием большего
магнитного потока, чем те слои, что располагаются ближе к его поверхности.
Соответственно, электродвижущая сила самоиндукции, которая возникает во
внутренних слоях, существенно больше, чем та, что образуется в слоях внешних.
Электродвижущая
сила самоиндукции является существенным препятствием для изменения тока, и
поэтому он будет следовать преимущественно по поверхностным слоям проводника.
Необходимо также отметить, что сопротивление активных
проводников в цепях переменного тока существенно
зависит от частоты: чем она больше, тем выше ЭДС самоиндукции,
и поэтому ток в большей степени подвергается вытеснению на поверхность.
Комментариев нет:
Отправить комментарий