КАБАРДИН О.Ф. "ФИЗИКА (справочные материалы)", 1991

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ

Машинный генератор переменного тока. В машинных генераторах переменного тока магнитное поле обычно создается электромагнитом, питаемым постоянным током. Допустимая сила тока ограничивается нагреванием скользящих контактов щеток. Поэтому в генераторах переменного тока большой мощности электромагнит является ротором, т.е. вращающейся частью машины (рис. 234). При вращении ротора возникает переменная ЭДС индукции в обмотках, расположенных в неподвижной части генератора - в статоре. Для увеличения ЭДС индукции используется обмотка статора с большим числом витков. Для увеличения магнитного потока эту обмотку наматывают на стальной сердечник и зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим.

Рис. 234

Если внутреннее сопротивление источника тока, т.е. сопротивление проводов обмотки статора, значительно меньше сопротивления внешней электрической цепи, то напряжение на выходе генератора можно считать равным по абсолютному значению ЭДС индукции в последовательно включенных витках обмотки:

. (68.5)

Самый мощный в мире турбогенератор переменного тока изготовлен для Костромской ГРЭС на Ленинградском заводе "Электросила". Его мощность - 1,2 млн. кВт.

Тепловая электростанция. Более 90% используемой человечеством энергии получается за счет сжигания угля, нефти, газа. Наиболее удобной для распределения между потребителями является электрическая энергия переменного тока. Для преобразования энергии химического горючего в электроэнергию используются тепловые электростанции. На тепловой электростанции освобождаемая при сжигании топлива энергия расходуется на нагревание воды, превращение ее в пар и нагревание пара. Струя пара высокого давления направляется на лопатки ротора паровой турбины и заставляет его вращаться. Вращающийся ротор турбины приводит во вращение ротор генератора электрического тока. Генератор переменного тока осуществляет превращение механической энергии в энергию электрического тока.

Преобразование энергии переменного тока. При использовании переменного тока преобразования энергии не заканчиваются превращением механической энергии вращающегося ротора генератора в энергию электромагнитных колебаний переменного тока.

Переменный ток от генератора по проводам поступает к различным потребителям электрической энергии. Термин "потребитель электроэнергии" не означает, что существуют приборы или устройства, в которых энергия исчезает. Закон сохранения и превращения энергии строго выполняется в любых физических процессах, происходящих в природе и технике. В любом потребителе энергия переменного тока не исчезает, а лишь превращается из одной формы в другую в равной количественной мере. С помощью электродвигателя переменного тока происходит преобразование энергии электромагнитных колебаний в механическую энергию, а в лампах накаливания, в спиралях электрических плит и электрических печей электрическая энергия переменного тока преобразуется во внутреннюю энергию нагреваемых тел.

Успехи и перспективы развития электроэнергетики СССР. Производство и использование электрической энергии в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте играют исключительно важную роль в развитии человеческого общества. В.И. Ленин создал учение об электрификации как необходимой материально-технической базе построения коммунистического общества. Ленинские идеи электрификации страны получили конкретное воплощение в плане ГОЭЛРО - первом едином государственном перспективном плане восстановления и развития народного хозяйства Советской Республики, разработанном под руководством В. И. Ленина в 1920 г. План был рассчитан на 10-15 лет и предусматривал коренную реконструкцию народного хозяйства на базе электрификации. Намечалось строительство 30 районных электростанций общей мощностью 1,5 млн. кВт с годовой выработкой электроэнергии 8,8 млрд. кВт·ч. План ГОЭЛРО был в основном выполнен к 1931 г. В процессе подготовки плана ГОЭЛРО В.И. Ленин определил важнейшие принципы электрификации народного хозяйства страны:

- широкое использование для производства электроэнергии местных непервоклассных сортов топлива и водной энергии;

- осуществление концентрации и централизации энергоснабжения путем строительства мощных электростанций и высоковольтных линий электропередач, объединяющих тепловые и гидравлические станции;

- широкое применение электроэнергии не только в промышленности, но и в сельскохозяйственном производстве, на транспорте.

Ленинские идеи электрификации страны полностью реализуются в наши дни. На рисунке 235 представлена диаграммой годовая выработка электроэнергии в стране с 1913 по 1986 г. Годовое производство электроэнергии в стране выросло по сравнению с 1913 г. почти в 1000 раз и более чем в 3000 раз па сравнению с 1921 г.

Рис. 235

Единичная мощность электрических генераторов с 0,5 тыс. кВт в 1924 г. возросла до 1200 тыс. кВт, т.е. увеличилась в 2400 раз. Увеличение единичной мощности турбогенераторов ведет к снижению затрат материалов на их сооружение и строительство зданий, уменьшению числа обслуживающих работников. Все это обеспечивает снижение себестоимости производства электроэнергии.

В 1987 г. в стране выработано 1665 млрд. кВт·ч электроэнергии. Основными направлениями экономического и социального развития СССР планируется довести выработку электроэнергии в стране к 1990 г. до 1840-1880 млрд. кВт·ч.

При интенсивном развитии атомной энергетики и строительстве мощных гидроэлектростанций в настоящее время около 70% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях. Основные энергетические запасы химического горючего и энергии рек расположены в восточных районах страны, а около 90% производимой в стране электроэнергии потребляется в европейской части страны. Это приводит к необходимости строительства сверхдальних линий электропередач. Продолжается формирование единой энергетической системы страны, в которой важная роль будет принадлежать межсистемным линиям электропередачи с напряжением 500, 750 и 1150 кВ переменного тока, 1500 кВ постоянного тока.

Планируется повысить производительность труда в электроэнергетике на 21-23% и снизить себестоимость электрической энергии на 4-5%.

69. АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Если индуктивность проводника настолько мала, что индукционные электрические поля оказываются пренебрежимо малыми, то движение электрических зарядов в проводнике определяется действием электрического поля, напряженность которого в проводнике пропорциональна напряжению между концами проводника.

При изменении напряжения по гармоническому закону

(69.1)

напряженность электрического поля в проводнике изменяется по такому же закону. Под действием переменного электрического поля в проводнике возникает переменный электрический ток , частота и фаза колебаний которого совпадают с частотой и фазой колебаний напряжения:

. (69.2)

Колебания силы тока в цепи являются вынужденными электрическими колебаниями, возникающими под действием приложенного переменного напряжения.

Мощность переменного тока. При совпадении фаз колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность переменного тока равна

(69.3)

или

. (69.4)

Среднее значение квадрата косинуса за период равно 0,5; поэтому средняя мощность равна

(69.5)

Действующие значения напряжения и силы тока. Действующим значением силы тока называется сила постоянного тока, выделяющего в проводнике за то же время такое же количество теплоты, что и переменный ток. При амплитуде гармонических колебаний силы тока действующее значение силы тока равно

(69.6)

Действующее значение переменного напряжения в раз меньше его амплитудного значения :

(69.7)

Средняя мощность переменного тока или просто мощность переменного тока при совпадении фаз колебаний силы тока и напряжения определяется через действующее значение силы тока и напряжения выражением

. (69.8)

Активное сопротивление. Активным сопротивлением называется физическая величина, определяемая отношением мощности переменного тока на участке электрической цепи к квадрату действующего значения силы тока на этом участке:

(69.9)

Отсюда средняя мощность на участке цепи переменного тока равна произведению квадрата действующего значения силы тока нa активное сопротивление участка цепи:

. (69.10)

При небольших частотах переменного тока активное сопротивление проводника не зависит от частоты и практически совпадает с его электрическим сопротивлением в цепи постоянного тока.

Катушки и конденсаторы также обладают некоторым активным сопротивлением, так как проводники и диэлектрики нагреваются при пропускании переменного тока под действием переменного электрического поля.

70. ИНДУКТИВНОСТЬ И ЕМКОСТЬ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Индуктивность в цени переменного тока. В любом проводнике, по которому протекает переменный ток, возникает ЭДС самоиндукции. Поэтому ни одна электрическая цепь не обладает только активным сопротивлением.

В проводнике с малым активным сопротивлением и большой индуктивностью при изменении силы тока по гармоническому закону (69.2) напряжение на концах изменяется также по гармоническому закону. Так как напряжение на концах идеальной катушки равно по модулю и противоположно по знаку ЭДС самоиндукции

,

то колебания напряжения на катушке описываются уравнением

или

, (70.1)

т.е. колебания напряжения опережают по фазе колебания силы тока на . Произведение является амплитудой колебаний напряжения:

. (70.2)

Индуктивное сопротивление. Произведение циклической частоты на индуктивность называют индуктивным сопротивлением. Обозначив индуктивное сопротивление , запишем

. (70.3)

Связь между амплитудой колебаний напряжения на концах проводника индуктивностью с амплитудой колебаний силы тока в нем совпадает по форме с выражением закона Ома для участка цепи постоянного тока:

(70.4)

Зависимость индуктивного сопротивления от частоты. Хотя выражения (43.3). и (70.4) совпадают по форме, между ними имеются принципиальные отличия по существу. Электрическое сопротивление проводника при данной температуре является постоянной величиной, характеризующей проводник. Индуктивное сопротивление не является постоянной величиной, его значение прямо пропорционально частоте переменного тока. Поэтому амплитуда колебаний силы тока в проводнике индуктивностью при постоянном значении амплитуды колебаний напряжения убывает обратно пропорционально частоте:

(70.5)

Емкость в цепи переменного тока. Рассмотрим процессы, протекающие в электрической цепи переменного тока с конденсатором. При включении конденсатора последовательно с источником постоянного тока в цепи возникает кратковременный импульс тока, заряжающий конденсатор до напряжения источника, а затем ток прекращается.

Если заряженный конденсатор отключить от источника постоянного тока и соединить его обкладки с выводами лампы накаливания, то конденсатор будет разряжаться, при этом наблюдается кратковременная вспышка лампы.

При включении конденсатора в цепь переменного тока, как и в случае цепи постоянного тока, через диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора, электрические заряды проходить не будут. Но в результате периодически повторяющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора в проводах, соединенных с его выводами, появится переменный ток. Лампа накаливания, включенная последовательно с конденсатором в цепь переменного тока, кажется горящей непрерывно, так как человеческий глаз при высокой частоте колебаний силы тока не замечает периодического ослабления свечения нити лампы.

При изменениях напряжения на обкладках конденсатора по гармоническому закону:

(70.6)

заряд на его обкладках изменяется также по гармоническому закону:

. (70.7)

Электрический ток в цепи возникает в результате изменения заряда конденсатора, поэтому колебания силы тока в цепи будут происходить по закону:

или , т.е.

(70.8)

Сравнение выражений (70.6) и (70.8) показывает, что гармонические колебания напряжения на обкладках конденсатора в цепи переменного тока отстают по фазе от колебаний силы тока на .

Произведение является амплитудой колебаний силы тока:

. (70.9)

Емкостное сопротивление. Величину, обратную произведению циклической частоты на электроемкость конденсатора, называют емкостным сопротивлением конденсатора. Обозначив емкостное сопротивление , запишем

(70.10)

Связь между амплитудным значением силы тока и амплитудным значением напряжения по форме совпадает с выражением закона Ома для участка цепи постоянного тока, в котором вместо электрического сопротивления используется емкостное сопротивление конденсатора :

(70.11)

Для действующих значений напряжения и силы тока выполняется такое же соотношение.

Как и индуктивное сопротивление катушки, емкостное сопротивление конденсатора не является постоянной величиной. Его значение обратно пропорционально частоте переменного тока. Поэтому амплитуда колебаний силы тока в цепи конденсатора при постоянной амплитуде колебаний напряжения на конденсаторе возрастает прямо пропорционально частоте .

71. РЕЗОНАНС В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Если к выводам электрической цепи из последовательно соединенных активного сопротивления, конденсатора и катушки (рис. 236) подвести переменное напряжение, то в цепи возникают вынужденные электрические колебания силы тока и напряжения.

Рис. 236

Емкостное сопротивление конденсатора и индуктивное сопротивление катушки зависят от частоты приложенного напряжения. Поэтому при постоянной амплитуде колебаний напряжения амплитуда колебаний силы тока в цепи зависит от частоты со переменного напряжения.

При постепенном увеличении (от нуля) частоты приложенного напряжения емкостное сопротивление конденсатора уменьшается. Это приводит к возрастанию амплитуды колебаний силы тока. В противоположность емкостному сопротивлению индуктивное сопротивление катушки с увеличением частоты возрастает. Увеличение амплитуды колебаний силы тока в цепи при увеличении частоты приложенного напряжения продолжается до тех пор, пока индуктивное сопротивление катушки не станет равным емкостному сопротивлению конденсатора:

(71.1)

При выполнении условия (71.1), т.е. при равенстве индуктивного сопротивления катушки емкостному сопротивлению конденсатора, и одинаковой силе тока одинаковыми оказываются и амплитуды колебаний напряжения на конденсаторе и катушке. Колебания напряжения на катушке и конденсаторе противоположны по фазе, поэтому сумма напряжений на них при выполнении условия (71.1) в любой момент времени равна нулю. В результате напряжение на активном сопротивлении при резонансе оказывается равным полному напряжению:

,

а сила тока в цепи достигает максимального значения, т.е. наступает резонанс.

При дальнейшем увеличении частоты индуктивное сопротивление катушки начинает превышать емкостное сопротивление конденсатора. Увеличение индуктивного сопротивления приводит к уменьшению амплитуды колебаний силы тока (рис. 237).

Рис. 237

Из уравнения (71.1) следует, что электрический резонанс в последовательной цепи, содержащей конденсатор и катушку, наступает при частоте , равной

(71.2)

Сравнение выражений (71.2) и (66.5) показывает, что резонансная частота электрической цепи совпадает с собственной частотой свободных электрических колебаний в этой цепи.

72. ТРАНСФОРМАТОР

Передача электрической энергии. Передача электрической энергии от электростанции на значительное расстояние до большого города или промышленного центра является сложной научно-технической проблемой.

Потери энергии на нагревание проводов прямо пропорциональны квадрату силы тока в линии электропередачи. Поэтому для уменьшения потерь необходимо уменьшить силу тока в линии. Мощность тока равна произведению силы тока на напряжение. Чтобы при уменьшении силы тока в линии не уменьшалась передаваемая мощность, следует увеличить напряжение во столько же раз, во сколько раз была уменьшена сила тока.

При высоком напряжении переменный ток передается на большие расстояния с малыми потерями, но для использования на промышленных предприятиях, транспорте, в быту необходимо понижение напряжения. Повышение и понижение напряжения переменного тока осуществляются трансформаторами.

Трансформатор. Трансформатор был изобретен в 1878 г. русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым (1847-1894). Самый простой трансформатор переменного тока состоит из двух катушек.

Одна из катушек, концы которой подключаются к источнику переменного напряжения, называется первичной катушкой (обмоткой), другая - вторичной катушкой (обмоткой). При подключении выводов первичной катушки к источнику переменного напряжения в катушке возникает переменный ток. Если напряжение изменяется со временем по гармоническому закону с частотой , то по гармоническому закону с той же частотой происходят изменения силы тока в катушке и магнитного потока , создаваемого этим током:

.

При изменениях магнитного потока в каждом витке провода первичной катушки возникает изменяющаяся по гармоническому закону ЭДС самоиндукции:

.

Произведение является амплитудой колебаний ЭДС в одном витке:

.

Если число витков в первичной катушке , а ЭДС самоиндукции в одном витке равна , то мгновенное значение ЭДС самоиндукции в первичной катушке равно

. (72.1)

Вторичную катушку пронизывает тот же самый магнитный поток, который проходит через первичную катушку. При изменениях магнитного потока в каждом ее витке возникает ЭДС индукции, изменяющаяся по гармоническому закону, амплитуда изменений ЭДС индукции в одном витке имеет такое же значение, что и ЭДС самоиндукции в одном витке первичной катушки. Если число витков провода вторичной катушки , то мгновенное значение ЭДС в ней равно

. (72.2)

Отношение ЭДС самоиндукции в первичной катушке к ЭДС индукции во вторичной катушке равно отношению числа витков в первичной катушке к числу витков во вторичной катушке:

(72.3)

Если активное сопротивление провода первичной катушки мало по сравнению с его индуктивным сопротивлением, то приложенное напряжение в любой момент времени примерно равно ЭДС самоиндукции, взятой с противоположным знаком.

При разомкнутой цепи вторичной катушки - режим холостого хода трансформатора - напряжение на ее концах в любой момент времени равно ЭДС индукции , взятой с противоположным знаком. Поэтому из выражения (72.3) следует, что

(72.4)

Это отношение называется коэффициентом трансформации :

При трансформатор понижающий, при - повышающий.

При подключении нагрузки к концам вторичной катушки во вторичной цепи возникает переменный ток. Мощность тока в первичной и вторичной цепях, если пренебречь потерями, одинакова. Поэтому увеличение напряжения на выходе повышающего трансформатора в раз сопровождается уменьшением силы тока во вторичной катушке в раз. Трансформаторы для преобразования переменных токов больших мощностей обладают высокими КПД, достигающими 98-99,5%. Снижение КПД трансформатора обусловлено потерями энергии на нагревание проводов его обмоток и стального сердечника. Сердечник нагревается в результате перемагничивания и возникновения в нем вихревых индукционных токов. Для уменьшения вихревых токов сердечники трансформаторов обычно изготавливают из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Это приводит к значительному увеличению электрического сопротивления сердечника и уменьшению потерь на его нагревание вихревыми токами.

73. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Гипотеза Максвелла. Различные виды механических волн, как поперечных, так и продольных, объединяет одно общее свойство: они могут распространяться только в непрерывной среде, только в твердых телах, жидкостях или газах. В вакууме, т.е. в пустоте, механические волны распространяться не могут.

Английский физик Джеймс Максвелл (1831-1879) на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству и магнетизму в 1864 г. высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами.

Для выдвижения гипотезы о возможности возникновения электромагнитных волн Максвелл имел следующие основания. В 1831 г. Фарадей установил, что любое изменение магнитного потока в контуре вызывает появление в нем индукционного тока. Максвелл объяснил появление индукционного тока возникновением вихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля. Далее он предположил, что электрическое поле обладает такими же свойствами: при любом изменении электрического поля в окружающем пространстве возникает вихревое магнитное поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далее непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 238).

Рис. 238

Процесс распространения переменных магнитного и электрического полей и есть электромагнитная волна. Связь направлений векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля при возрастании напряженности и индукции представлена на рисунке 239,а,б. При убывании напряженности и индукции соответствующие векторы имеют противоположное направление.

Рис. 239

Электрическое и магнитное поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитной волны в вакууме.

Условие возникновения электромагнитных волн. Изменения магнитного поля происходят при изменении силы тока в проводнике, а сила тока в проводнике изменяется при изменении скорости движения электрических зарядов в нем, т.е. при движении зарядов с ускорением. Следовательно, электромагнитные волны должны возникать при ускоренном движении электрических зарядов.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть равной примерно 300000 км/с.

⇦ Ctrl предыдущая страница / следующая страница Ctrl ⇨

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ 

cartalana.orgⒸ 2008-2020 контакт: koshka@cartalana.org