Обозначения, параметры.
Мы знаем, что постоянный электрический ток, это ток не
меняющийся во времени как по величине, так и по направлению
движения электронов. Основное назначение постоянного тока,
это питание различной радио и электронной аппаратуры.
Источниками постоянного тока являются аккумуляторы,
солнечные фотоэлементы, батарейки и генераторы постоянного
тока.
В быту и промышленности используется переменный
синусоидальный ток. Это связано с тем, что современная
энергетика основана на передаче энергии на дальние расстояния
от гидро, тепловых и атомных электростанций к потребителю.
Для получения электрической энергии на электростанциях
используют генераторы переменного тока.
Прередача переменного тока выгодна вследствие преимуществ
его преобразования и из за малых потерь в линиях электропередачи.
Переменный электрический ток легко преобразовать в
постоянный ток, а так же получить любые нужные напряжения
переменного тока. Например напряжение переменного тока
передаваемое по линиям электропередачи составляет несколько
тысяч вольт. В жилых кварталах линия электропередачи
подключается к трансформатору который преобразует высокое
напряжение в стандартное бытовое напряжение 220 вольт.
Именно это напряжение мы и имеем в розетках наших квартир.
Стандартная частота в бытовой электрической сети равна 50 Гц.
В некоторых зарубежных странах стандартная частота равна 60 Гц.
Так же, как и постоянный ток, переменный ток передается по
двум проводам. Если у постоянного тока есть два полюса - плюс
и минус, то у переменного тока один провод является
токоведущим и называется "фаза", а второй провод является
общим и называется "земля" или "ноль".
Напряжение в бытовой электрической розетке равно 220 вольт.
В отличие от постоянного тока,
переменный синусоидальный ток
(а так же и переменное напряжение)
изменяется со временем по амплитуде
(величине) и направлению движения
электронов. На графике переменный
ток имеет вид синусоиды.
Расстояние между двумя соседними
вершинами на графике переменного
синусоидального тока называется
периодом и обозначается буквой Т.
Период, это время одного
колебания переменного тока.
Измеряется период в секундах или
в более малых единицах времени:
миллисекундах; микросекундах;
наносекундах и т.д.
Величина: период Т=1 сек. в минус
первой степени (Т -1) или 1/Т
называется частотой в 1 Герц.
Частота обозначается буквой f. В радио и электронных приборах,
в зависимости от их назначения, частота может быть в единицах
герц (Гц или Hz), тысячах герц (кГц или kHz) и так далее.
В отличие от постоянного тока, переменный электрический ток
(или напряжение) изменяют свою величину, со временем, от
максимального до минимального значения. В связи с этим
значение переменного тока или напряжения будет несколько ниже
значения U или I.
Эти значения называются эффективными
(действующими) значениями тока или напряжения и обозначаются
соответственно Iэф и Uэф (смотрите рисунок). Именно такие
значения показывают измерительные приборы переменного тока.
Для исследования параметров переменного тока наиболее
подходящим измерительным прибором является осциллограф.
На электронно лучевой трубке осциллографа - дисплее
(см. рисунок) можно наблюдать не только форму переменного
тока, но и провести количественный анализ исследуемого сигнала.
Ось Х на дисплее проградуирована в делениях времени, а ось Y
проградуирована в делениях амплитуды сигнала. На рисунке
переключатель "Время" установлен на время 0.01 микросекунда
на деление по оси Х.
На приведенном рисунке период сигнала равен 2 делениям,
следовательно: Т = 2 * 0.01 = 0.02 мкС, а частота сигнала
f = 1/T = 1/(0.02 -6) = 1/0.00000002 = 50000000 Гц = 50 МГц
(МГц - мегагерц).
Переключатель "Значение Y" установлен на амплитуду 10 Вольт
на деление по оси Y. Сигнал имеет амплитуду 6 делений,
следовательно напряжение сигнала равно 6 * 10 = 60 вольт.
В заключение этой темы хотелось бы сказать о том, что
переменный синусоидальный ток применяется не только для
питания бытовых и промышленных электрических приборов.
В радио и электронике широко используются, например,
высокочастотные генераторы переменного тока для радио-
передатчиков (как мощные для теле и радио студий, так и
маломощные для телефонов сотовой связи, пейджеров и т.д.).
В последующих наших темах мы будем часто сталкиваться с
переменным электрическим током и законами его усиления,
преобразования и так далее.
Электрический ток
Переменный и его применение в медицине.
- Переменный ток, его виды и основные характеристики.
Переменный ток – это такой ток, направление и числовое значение которого меняются с течением времени (знакопеременный ток).
Примечание: не оговаривается форма кривой тока, периодичность, длительность его изменения.
На практике под переменным током чаще всего подразумевают периодический переменный ток.
Физическая сущность переменного тока сводиться к колебаниям электрических зарядов в среде (проводнике или диэлектрике).
Виды тока:
Ток проводимости.
Ток смещения.
Ток проводимости – это такой ток, который обусловлен колебаниями электронов и ионов в среде.
Ток смещения – это ток, который обусловлен смещением электрических зарядов на границе «проводник – диэлектрик» (например, ток через конденсатор).
Ток смещения связан с изменением во времени электрического поля на границе проводник – диэлектрик и имеет особенности:
Амплитуда тока смещения и его направления совпадают по фазе с таковыми тока проводимости.
По значению он всегда равен току проводимости.
Частным случаем тока смещения является ток поляризации. Ток поляризации – это ток смещению не в вакууме, а в материальной диэлектрической среде.
Сумма токов смещения и поляризации составляет полный ток смещения.
В медицинской практике применяются следующие виды токов по форме кривой тока:
Игольчато-экспоненциальный
Самым простым является периодический синусоидальный ток. Он легко описывается математически и графически, форма его не искажается в электрических цепях с R, C, L элементами.
Основные характеристики переменного тока.
Период – время одного цикла изменения тока по направлению и числовому значению (T, c).
Частота – это число циклов изменения тока в единицу времени.
=1/Т (величина обратная периоду с -1 , Гц)
Круговая частота ( , 2 /Т радиан/с)
Фаза ( ) – это величина, определяющая во времени взаимоотношение тока и напряжения в электрической цепи.
Мгновенное значение тока и напряжения - значение этих величин в данный момент времени (i, u).
Амплитудное значение тока и напряжения – это максимальное за полупериод значение этих величин (I m , U m).
Среднеквадратическое (действующее, эффективное) значение тока и напряжения - вычисляется как положительный квадратный корень из среднего значению квадрата напряжения или тока по формулам.
I = I 2 cp
U = U 2 cp
Среднее значение (U ср ) за период (постоянная составляющая) – это среднее арифметическое мгновенных значений ток или напряжения за период.
На практике среднеквадратическое значение определяется по эффективному (действующему) значению. (I cp , U cp), которое для синусоидального тока вычисляется по формулам:
I эф = I = 0,707 I m
U эф = U = 0,707 U m
В отдельных случаях медицинского применения электрического тока приходиться учитывать и другие характеристики (например, коэффициент амплитуды К а, и коэффициент формы К ф).
Для практики имеют значения следующие формулы связи характеристик:
i(u) ≤I m (U m)
I эф = I = I m / 2 =0,707 I m I m = 1,41 I эф
U эф = U= U m / 2 =0,707 U m U m = 1,41 U эф
2. Цепи переменного тока с активным сопротивлением, индуктивностью, емкостью и их особенности.
Электрическая цепь - это реальная или мыслимая совокупность физических элементов, передающих электрическую энергию от одной точки пространства к другой.
Физическими элементами электрических цепей являются проводники, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Элементы цепи являются и элементами её связи, и, кроме того, реализуют соответствующие свойства сопротивления, емкости и индуктивности.
Виды электрических цепей:
Простые цепи содержат только единичные R, C, L – элементы, а сложные имеют их в различных количествах и сочетаниях.
Общей особенностью элементов электрической цепи является то, что при прохождении переменного тока они оказывают сопротивление, которое называется активным (R), индуктивным (X l), емкостным (X c).
Особенности простых идеальных цепей.
Цепь, состоящая из генератора тока и идеального резистора, называется простой цепью с активным сопротивлением.
Условию идеальности цепи :
Активное сопротивление не равно нулю,
индуктивность и ёмкость его равны нулю.
R 0
C
r
= 0 ~ R
Особенности:
Нет сдвига фаз ( ) между током и напряжением.
Это значит, что ток и напряжение одновременно проходят свои максимальные (амплитудные) и нулевые значения.
На R – элементе происходят потери энергии в виде выделения тепла.
Цепь с индуктивностью – это электрическая цепь, состоящая из генератора переменного тока и идеального L – элемента- катушки индуктивности.
У
словия
идеальности
цепи:
Индуктивность катушки не равна нулю
Её ёмкость и сопротивление равны нулю.
L 0
Особенности цепи:
X L = L = 2 L
В цепи есть сдвиг фаз между напряжением и током: V опережает I по фазе на угол /2
Индуктивное сопротивление не потребляет энергии, т.к. она запасается в магнитном поле катушки, а затем отдается в электрическую цепь. Поэтому индуктивное сопротивление называется кажущимся или мнимым.
Цепь с ёмкостью
– это электрическая
цепь, состоящая
из генератора
переменного
тока и идеального
C – элемента
- конденсатора.
Условия идеальности цепи:
Ёмкость конденсатора не равна нулю, а его активное сопротивление и индуктивность равны нулю. С 0, R С = 0, L C = 0.
Особенности цепи с ёмкостью:
1
.
Соблюдается
закон Ома.
2. Ёмкость оказывает переменному току сопротивление, которое называется ёмкостным. Оно обозначается X с и уменьшается с увеличением частоты не линейно.
В цепи есть сдвиг фаз между напряжением и током: V отстает от I по фазе на угол /2
Ёмкостное сопротивление не потребляет энергии, т.к. она запасается в электрическом поле конденсатора, а затем отдается в электрическую цепь. Поэтому ёмкостное сопротивление называется кажущимся или мнимым.
- Полная цепь переменного тока и её виды. Импеданс и его формула. Особенности импеданса живой ткани.
Полная цепь переменного тока - это цепь из генератора, а также R, C, и L элементов, взятых в разных сочетаниях и количествах.
Для разбора проходящих в электрических цепях процессов используют полные последовательные и параллельные цепи.
Последовательная цепь - это такая цепь, где все элементы могут быть соединены последовательно, один за другим.
В параллельной цепи R, C, L элементы соединены параллельно.
Особенности полной цепи:
Соблюдается закон Ома
Полная цепь оказывает переменному току сопротивление. Это сопротивление называется полным (мнимым, кажущимся) или импедансом.
Импеданс зависит от сопротивления всех элементов цепи, обозначается Z и вычисляется не простым, а геометрическим (векторным) суммированием. Для последовательно соединенных элементов формула импеданса имеет следующее значение:
Z - импеданс последовательной цепи,
R - активное сопротивление,
X L – индуктивное и X C – ёмкостное сопротивление,
L - индуктивность катушки (генри),
C - ёмкость конденсатора (фарад).
Так как ёмкостное и индуктивное сопротивления дают для напряжения сдвиг фаз в противоположном направлении, возможен случай, когда X L = X C . При этом алгебраическая сумма модулей будет равна нулю, а импеданс – наименьшим.
Состояние, при котором в цепи переменного тока ёмкостное сопротивление равно индуктивному, называется резонансом напряжения. Частота, при которой X L = X C , называется резонансной частотой. Эту частоту p можно определить по формуле Томсона:
- Особенности импеданса живой ткани и её эквивалентная электрическая схема.
При пропускании тока через живую ткань, её можно рассматривать как электрическую цепь, состоящую из определенных элементов.
Экспериментально установлено, что это цепь обладает свойствами активного сопротивления и ёмкости. Это доказывается выделением тепла и уменьшением полного сопротивления ткани с возрастанием частоты. Свойств индуктивности у живой ткани практически не обнаруживается. Таким образом, живая ткань представляет собой сложную, но не полную электрическую цепь.
Импеданс живой ткани можно рассматривать как для последовательного, так и для параллельного соединения её элементов.
При последовательном соединении токи через элементы равны, общее приложенное напряжение будет векторной суммой напряжений на R и C элементах и формула импеданса последовательной цепи будет иметь вид:
Z_ - импеданс последовательной цепи,
R - её активное сопротивление,
X C - ёмкостное сопротивление.
При параллельном соединении напряжения на R и C элементах равны, общий ток будет векторной суммой токов каждого элемента, а фомула импеданса будет следующей:
Теоретические формулы импеданса живой ткани при параллельном и последовательном соединении её элементов от экспериментальных отличаются следующим:
При последовательной схеме соединения практические данные дают большие отклонения на низких частотах.
При параллельной схеме эти измерения показывают конечное значение Z, хотя теоретически оно должно стремиться к нулю.
Эквивалентная электрическая схема живой ткани – э то условная модель, приближенно характеризующаяживую ткань, как проводник переменного тока.
Схема позволяет судить:
Какими электрическими элементами обладает ткань
Как соединены эти элементы.
Как будут меняться свойства ткани при изменении частоты тока.
В основе схемы лежат три положения:
Внеклеточная среда и содержимое клетки есть ионные проводники с активным сопротивлением среды Rср и клетки Rк.
Клеточная мембрана есть диэлектрик, но не идеальный, а с небольшой ионной проводимостью, а, следовательно, и сопротивлением мембраны Rм.
Внеклеточная среда и содержимое клетки, разделённые мембраной, являются конденсаторами См определенной ёмкости (0,1 – 3,0 мкФ/см 2).
Если в качестве модели живой ткани взять жидкую тканевую среду – кровь, содержащую только эритроциты, то при составлении эквивалентной схемы нужно учитывать пути электрического тока.
В обход клетки, через внеклеточную среду.
Через клетку.
Путь в обход клетки представлен только сопротивлением средыRср.
Путь через клетку сопротивлением содержимого клетки Rк, а также сопротивлением и ёмкостью мембраны.Rм, См.
Если заменить электрические характеристики соответствующими обозначениями, то получим эквивалентные схемы разной степени точности:
Схема Фрике (ионная проводимость не
учитывается).
Схема Швана (ионная проводимость учитывается в виде сопротивления мембраны)
Обозначения на схеме:
Rcp - активное сопротивление клеточной среды
Rk - Сопротивление клеточного содержимого
Cm - ёмкость мембраны
Rm - сопротивление мембраны.
Анализ схемы показывает, что при увеличении частоты тока проводимость клеточных мембран увеличивается, а полное сопротивление тканевой среды уменьшается, что соответствует практически проведенным измерениям.
5. Живая ткань как проводник переменного электрического тока. Дисперсия электропроводности и её количественная оценка.
Экспериментально установлены следующие особенности живой ткани как проводника переменного ток:
1. Сопротивление живой ткани переменном току меньше, чем постоянному.
2. Электрические характеристики ткани зависят как от её вида, так и от частоты тока.
3. С увеличением частоты полное сопротивление живой ткани нелинейно уменьшается до определенного значения, а затем остаётся практически постоянным (в большинстве на частотах свыше 10 6 Гц)
4. На определенной частоте полное сопротивление зависит также от физиологического состояния (кровенаполнения), что используется на практике. Исследование периферического кровообращения на основе измерения электрического сопротивления называются реография (импедансплетизмография).
5. При умирании живой ткани её сопротивление уменьшается и от частоты не зависит.
6. При прохождении переменного тока через живые ткани наблюдается явление, которое называется дисперсией электропроводности.
Д
исперсия
электропроводности
- это явление
зависимости
полного (удельного)
сопротивления
живой ткани
от частоты
переменного
тока.
Графики такой зависимости называют дисперсионными кривыми. Дисперсионные кривые строят в прямоугольной системе координат, где по вертикали откладывают значения полного (Z) или удельного сопротивления, а по горизонтали - частоту в логарифмическом масштабе (Lg ).
Частотные зависимости по форме кривой для разных тканей сходный, но отличается значением сопротивления.
Имеется несколько диапазонов частот, на которых дисперсия особенно выражена. Один из них соответствует интервалу 10 2 -10 6 Гц
Особенности дисперсии:
1. Присуща только живым тканям.
2. Более выражена на частотах до 1 МГц.
3. На практике используется для оценки физиологического состояния и жизнеспособности тканей.
Количественно оценка дисперсии проводиться по коэффициенту дисперсии (К).
Коэффициент дисперсии это безразмерная величина, равная отношению низкочастотного (10 2) полного (или удельного) сопротивления к высокочастотному (10 6 Гц).
Z 1 – полное сопротивление на частоте 10 2 Гц
Z 2 – полное сопротивление на частоте 10 6 Гц
1 , 2 - удельное сопротивление на этих частотах
Значение коэффициента дисперсии зависит от вида ткани, её физиологического состояния, эволюционной стадии развития животного. Например, для печени животного К = 9 -10 единиц, а для печени лягушки 2 -3 единицы. При умирании ткани коэффициент дисперсии стремиться к единице.
Явление дисперсии связывают с наличием в живых тканях поляризации, которая с увеличением частоты меньше влияет на полное сопротивление. Поэтому коэффициент дисперсии часто называют коэффициентом поляризации.
Кроме частотных зависимостей в живых тканях отмечаются фазовые сдвиги между током и напряжением, которые тоже, но в меньшей степени, зависят от частоты.
Фазовые сдвиги тоже уменьшаются при умирании тканей и, в перспективе, могут быть использованы для практических целей.
Похожие рефераты:
Порядок определения степени проводимости электрической цепи по закону Кирхгофа. Комплекс действующего напряжения. Векторная диаграмма данной схемы. Активные, реактивные и полные проводимости цепи. Сущность законов Кирхгофа для цепей синусоидального тока.
Изучение процессов в электрической однофазной цепи с параллельным соединением приемников, содержащих индуктивные и емкостные элементы, при различном соотношении их параметров. Опытное определение условий достижения в данной цепи явления резонанса тока.
Расчет разветвленной цепи постоянного тока с одним или несколькими источниками энергии и разветвленной цепи синусоидального переменного тока. Построение векторной диаграммы по значениям токов и напряжений. Расчет трехфазной цепи переменного тока.
Вынужденными колебаниями называют такие колебания, которые вызываются действием на систему внешних сил, периодически изменяющихся с течением времени. В случае электромагнитных колебаний такой внешней силой является периодически изменяющаяся э.д.с. источника тока.
Влияние величины индуктивности катушки на электрические параметры цепи однофазного синусоидального напряжения, содержащей последовательно соединенные катушки индуктивности и конденсатор. Опытное определение условий возникновения резонанса напряжений.
Переменный ток , в отличие от , непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени.
Чтобы вызвать в цепи такой ток, используются источники переменного тока, создающие переменную ЭДС, периодически изменяющуюся по величине и направлению.
Такие источники называются генераторами переменного тока.
На рис. 1 показана схема устройства (модель) простейшего .
Прямоугольная рамка, изготовленная из медной проволоки, укреплена на оси и при помощи ременной передачи вращается в поле . Концы рамки припаяны к медным контактным кольцам, которые, вращаясь вместе с рамкой, скользят по контактным пластинам (щеткам).
Рисунок 1. Схема простейшего генератора переменного тока
Убедимся в том, что такое устройство действительно является источником переменной ЭДС.
Предположим, что магнит создает между своими полюсами , т. е. такое, в котором плотность магнитных силовых линий в любой части поля одинаковая. вращаясь, рамка пересекает силовые линии магнитного поля, и в каждой из ее сторон а и б .
Стороны же в и г рамки - нерабочие, так как при вращении рамки они не пересекают силовых линий магнитного поля и, следовательно, не участвуют в создании ЭДС.
В любой момент времени ЭДС, возникающая в стороне а, противоположна по направлению ЭДС, возникающей в стороне б, но в рамке обе ЭДС действуют согласно и в сумме составляют обшую ЭДС, т. е. индуктируемую всей рамкой.
В этом нетрудно убедиться, если использовать для определения направления ЭДС известное нам правило правой руки .
Для этого надо ладонь правой руки расположить так, чтобы она была обращена в сторону северного полюса магнита, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения той стороны рамки, в которой мы хотим определить направление ЭДС. Тогда направление ЭДС в ней укажут вытянутые пальцы руки.
Для какого бы положения рамки мы ни определяли направление ЭДС в сторонах а и б, они всегда складываются и образуют общую ЭДС в рамке. При этом с каждым оборотом рамки направление общей ЭДС изменяется в ней на обратное, так как каждая из рабочих сторон рамки за один оборот проходит под разными полюсами магнита.
Величина ЭДС, индуктируемой в рамке, также изменяется, так как изменяется скорость, с которой стороны рамки пересекают силовые линии магнитного поля. Действительно, в то время, когда рамка подходит к своему вертикальному положению и проходит его, скорость пересечения силовых линий сторонами рамки бывает наибольшей, и в рамке индуктируется наибольшая ЭДС. В те моменты времени, когда рамка проходит свое горизонтальное положение, ее стороны как бы скользят вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их, и ЭДС не индуктируется.
Таким образом, при равномерном вращении рамки в ней будет индуктироваться ЭДС, периодически изменяющаяся как по величине, так и по направлению.
ЭДС, возникающую в рамке, можно измерить прибором и использовать для создания тока во внешней цепи.
Графическое изображение постоянного и переменного токов
Графический метод дает возможность наглядно представить процесс изменения той или иной переменной величины в зависимости от времени.
Построение графиков переменных величин, меняющихся с течением времени, начинают с построения двух взаимно перпендикулярных линий, называемых осями графика. Затем на горизонтальной оси в определенном масштабе откладывают отрезки времени, а на вертикальной, также в некотором масштабе, - значения той величины, график которой собираются построить (ЭДС, напряжения или тока).
На рис. 2 графически изображены постоянный и переменный токи . В данном случае мы откладываем значения тока, причем вверх по вертикали от точки пересечения осей О откладываются значения тока одного направления, которое принято называть положительным, а вниз от этой точки - противоположного направления, которое принято называть отрицательным.
Рисунок 2. Графическое изображение постоянного и переменного тока
Сама точка О служит одновременно началом отсчета значений тока (по вертикали вниз и вверх) и времени (по горизонтали вправо). Иначе говоря, этой точке соответствует нулевое значение тока и тот начальный момент времени, от которого мы намереваемся проследить, как в дальнейшем будет изменяться ток.
Убедимся в правильности построенного на рис. 2, а графика постоянного тока величиной 50 мА.
Так как этот ток постоянный, т. е. не меняющий с течением времени своей величины и направления, то различным моментам времени будут соответствовать одни и те же значения тока, т. е. 50 мА. Следовательно, в момент времени, равный нулю, т. е. в начальный момент нашего наблюдения за током, он будет равен 50 мА. Отложив по вертикальной оси вверх отрезок, равный значению тока 50 мА, мы получим первую точку нашего графика.
То же самое мы обязаны сделать и для следующего момента времени, соответствующего точке 1 на оси времени, т. е. отложить от этой точки вертикально вверх отрезок, также равный 50 мА. Конец отрезка определит нам вторую точку графика.
Проделав подобное построение для нескольких последующих моментов времени, мы получим ряд точек, соединение которых даст прямую линию, являющуюся графическим изображением постоянного тока величиной 50 мА.
Перейдем теперь к изучению графика переменной ЭДС
. На рис. 3 в верхней части показана рамка, вращающаяся в магнитном поле, а внизу дано графическое изображение возникающей переменной ЭДС.
Рисунок 3. Построение графика переменной ЭДС
Начнем равномерно вращать рамку по часовой стрелке и проследим за ходом изменения в ней ЭДС, приняв за начальный момент горизонтальное положение рамки.
В этот начальный момент ЭДС будет равна нулю, так как стороны рамки не пересекают магнитных силовых линий. На графике это нулевое значение ЭДС, соответствующее моменту t
= 0, изобразится точкой 1
.
При дальнейшем вращении рамки в ней начнет появляться ЭДС и будет возрастать по величине до тех пор, пока рамка не достигнет своего вертикального положения. На графике это возрастание ЭДС изобразится плавной поднимающейся вверх кривой, которая достигает своей вершины (точка 2).
По мере приближения рамки к горизонтальному положению ЭДС в ней будет убывать и упадет до нуля. На графике это изобразится спадающей плавной кривой.
Следовательно, за время, соответствующее половине оборота рамки, ЭДС в ней успела возрасти от нуля до наибольшей величины и вновь уменьшиться до нуля (точка 3).
При дальнейшем вращении рамки в ней вновь возникнет ЭДС и будет постепенно возрастать по величине, однако направление ее уже изменится на обратное, в чем можно убедиться, применив правило правой руки.
График учитывает изменение направления ЭДС тем, что кривая, изображающая ЭДС, пересекает ось времени и располагается теперь ниже этой оси. ЭДС возрастает опять-таки до тех пор, пока рамка не займет вертикальное положение.
Затем начнется убывание ЭДС, и величина ее станет равной нулю, когда рамка вернется в свое первоначальное положение, совершив один полный оборот. На графике это выразится тем, что кривая ЭДС, достигнув в обратном направлении своей вершины (точка 4), встретится затем с осью времени (точка 5)
На этом заканчивается один цикл изменения ЭДС, но если продолжать вращение рамки, тотчас же начинается второй цикл, в точности повторяющий первый, за которым, в свою очередь, последует третий, а потом четвертый, и так до тех пор, пока мы не остановим вращение рамки.
Таким образом, за каждый оборот рамки ЭДС, возникающая в ней, совершает полный цикл своего изменения.
Если же рамка будет замкнута на какую-либо внешнюю цепь, то по цепи потечет переменный ток, график которого будет по виду таким же, как и график ЭДС.
Полученная нами волнообразная кривая называется синусоидой
, а ток, ЭДС или напряжение, изменяющиеся по такому закону, называются синусоидальными
.
Сама кривая названа синусоидой потому, что она является графическим изображением переменной тригонометрической величины, называемой синусом.
Синусоидальный характер изменения тока - самый распространенный в электротехнике, поэтому, говоря о переменном токе, в большинстве случаев имеют в виду синусоидальный ток.
Для сравнения различных переменных токов (ЭДС и напряжений) существуют величины, характеризующие тот или иной ток. Они называются параметрами переменного тока .
Период, амплитуда и частота - параметры переменного тока
Переменный ток характеризуется двумя параметрами - периодом и амплитудо й, зная которые мы можем судить, какой это переменный ток, и построить график тока.
Рисунок 4. Кривая синусоидального тока
Промежуток времени, на протяжении которого совершается полный цикл изменения тока, называется периодом.
Период обозначается буквой Т и измеряется в секундах.Промежуток времени, на протяжении которого совершается половина полного цикла изменения тока, называется полупериодом. Следовательно, период изменения тока (ЭДС или напряжения) состоит из двух полупериодов. Совершенно очевидно, что все периоды одного и того же переменного тока равны между собой.
Как видно из графика, в течение одного периода своего изменения ток достигает дважды максимального значения.
Максимальное значение переменного тока (ЭДС или напряжения) называется его амплитудой или амплитудным значением тока.
Im, Em и Um - общепринятые обозначения амплитуд тока, ЭДС и напряжения.
Мы прежде всего обратили внимание на , однако, как это видно из графика, существует бесчисленное множество промежуточных его значений, меньших амплитудного.
Значение переменного тока (ЭДС, напряжения), соответствующее любому выбранному моменту времени, называется его мгновенным значением.
i , е и u - общепринятые обозначения мгновенных значений тока, ЭДС и напряжения.
Мгновенное значение тока, как и амплитудное его значение, легко определить с помощью графика. Для этого из любой точки на горизонтальной оси, соответствующей интересующему нас моменту времени, проведем вертикальную линию до точки пересечения с кривой тока; полученный отрезок вертикальной прямой определит значение тока в данный момент, т. е. мгновенное его значение.
Очевидно, что мгновенное значение тока по истечении времени Т/2 от начальной точки графика будет равно нулю, а по истечении времени - T/4 его амплитудному значению. Ток также достигает своего амплитудного значения; но уже в обратном на правлении, по истечении времени, равного 3/4 Т.
Итак, график показывает, как с течением времени меняется ток в цепи, и что каждому моменту времени соответствует только одно определенное значение как величины, так и направления тока. При этом значение тока в данный момент времени в одной точке цепи будет точно таким же в любой другой точке этой цепи.
Число полных периодов, совершаемых током в 1 секунду, называется частотой переменного тока и обозначается латинской буквой f .
Чтобы определить частоту переменного тока, т. е. узнать, сколько периодов своего изменения ток совершил в течение 1 секунды , необходимо 1 секунду разделить на время одного периода f = 1/T . Зная частоту переменного тока, можно определить период: T = 1/f
Измеряется единицей, называемой герцем.
Если мы имеем переменный ток , частота изменения которого равна 1 герцу, то период такого тока будет равен 1 секунде. И, наоборот, если период изменения тока равен 1 секунде, то частота такого тока равна 1 герцу.
Итак, мы определили параметры переменного тока - период, амплитуду и частоту , - которые позволяют отличать друг от друга различные переменные токи, ЭДС и напряжения и строить, когда это необходимо, их графики.
При определении сопротивления различных цепей переменному току использовать еще одна вспомогательную величину, характеризующую переменный ток, так называемую угловую или круговую частоту .
Круговая частота обозначается буквой ω и связана с частотой f соотношениемω = 2π f
Поясним эту зависимость. При построении графика переменной ЭДС мы видели, что за время одного полного оборота рамки происходит полный цикл изменения ЭДС. Иначе говоря, для того чтобы рамке сделать один оборот, т. е. повернуться на 360°, необходимо время, равное одному периоду, т. е. Т секунд. Тогда за 1 секунду рамка совершает 360°/T оборота. Следовательно, 360°/T есть угол, на который поворачивается ра мка в 1 секунду, и выражает собой скор ость вращения рамки, которую принято называть угловой или круговой скоростью.
Но так как период Т связан с частотой f соотношением f=1/T, то и круговая скорость может быть выражена через частоту и будет равна ω = 360°f.
Итак, мы пришли к выводу, что ω = 360°f. Однако для удобства пользования круговой частотой при всевозможных расчетах угол 360°, соответствующий одному обороту, заменяют его радиальным выражением, равным 2π радиан, где π =3,14. Таким образом, окончательно получим ω = 2π f. Следовательно, чтобы определить круговую частоту переменного тока (), надо частоту в герцах умножить на постоянное число 6,28.
В данной статье поговорим о параметрах переменного тока. Например, всем привычная бытовая розетка является источником переменного тока и переменной ЭДС.
Изменение ЭДС и изменение тока линейной нагрузки, подключенной к такому источнику, будет происходить по синусоидальному закону. При этом переменные ЭДС, переменные напряжения и токи, можно характеризовать основными четырьмя их параметрами:
период;
частота;
амплитуда;
действующее значение.
Есть и вспомогательные параметры:
угловая частота;
фаза;
мгновенное значение.
Периодом Т переменного тока называется промежуток времени, за который ток или напряжение совершает один полный цикл изменений.
Поскольку источником переменного тока является генератор, то период связан со скоростью вращения его ротора, и чем выше скорость вращения витка или ротора генератора, тем меньшим оказывается период генерируемой переменной ЭДС, и, соответственно, переменного тока нагрузки.
Период измеряется в секундах, миллисекундах, микросекундах, наносекундах, в зависимости от конкретной ситуации, в которой данный ток рассматривается. На вышеприведенном рисунке видно, как напряжение U с течением времени изменяется, имея при этом постоянный характерный период Т.
Частота f является величиной обратной периоду, и численно равна количеству периодов изменения тока или ЭДС за 1 секунду. То есть f = 1/Т. Единица измерения частоты - герц (Гц), названная в честь немецкого физика Генриха Герца, внесшего в 19 веке немалый вклад в развитие электродинамики. Чем меньше период, тем выше частота изменения ЭДС или тока.
Сегодня в России стандартной частотой переменного тока в электрических сетях является 50 Гц, то есть за 1 секунду происходит 50 колебаний сетевого напряжения.
В других областях электродинамики используются и более высокие частоты, например 20 кГц и более - в современных инверторах, и до единиц МГц в более узких сферах электродинамики. На приведенном выше рисунке видно, что за одну секунду происходит 50 полных колебаний, каждое из которых длится 0,02 секунды, и 1/0,02 = 50.
По графикам изменения синусоидального переменного тока с течением времени видно, что токи различной частоты содержат разное количество периодов на одном и том же отрезке времени.
За один период фаза синусоидальной ЭДС или синусоидального тока изменяется на 2пи радиан или на 360°, поэтому угловая частота переменного синусоидального тока равна:
Под термином «фаза» понимают стадию развития процесса, и в данном случае, применительно к переменным токам и напряжениям синусоидальной формы, фазой называют состояние переменного тока в определенный момент времени.
На рисунках можно видеть: совпадение напряжения U1 и тока I1 по фазе, напряжения U1 и U2 в противофазе, а также сдвиг по фазе между током I1 и напряжением U2. Сдвиг по фазе φ измеряется в радианах, долях периода, в градусах. Так, сдвиг по фазе между током I1 и напряжением U2 равен φ = π радиан, как и между напряжением U1 и напряжением U2.
Амплитуда Uм и Iм
Говоря о величине синусоидального переменного тока или синусоидальной переменной ЭДС, наибольшее значение ЭДС или тока называют амплитудой или амплитудным (максимальным) значением.
Наибольшее значение величины, совершающей гармонические колебания (например, максимальное значение силы тока в переменном токе, отклонение колеблющегося маятника от положения равновесия), наибольшее отклонение колеблющейся величины от некоторого значения, условно принятого за начальное нулевое.
Если речь о генераторе переменного тока, то ЭДС на его выводах дважды за период достигает амплитудного значения, первое из которых +Eм, второе -Eм, соответственно во время положительного и отрицательного полупериодов. Аналогичным образом ведет себя и ток I, и обозначается соответственно Iм.
Мгновенное значение u и i
Значение ЭДС или тока в конкретный текущий момент времени называется мгновенным значением, они обозначаются маленькими буквами u и i. Но поскольку эти значения все время меняются, то судить о переменных токах и ЭДС по ним неудобно.
Действующие значения I, E и U
Способность переменного тока к совершению какой-нибудь полезной работы, например механически вращать ротор двигателя или производить тепло на нагревательном приборе, удобно оценивать по действующим значениям ЭДС и токов.
Так, называется значение такого постоянного тока, который при прохождении по проводнику в течение одного периода рассматриваемого переменного тока, производит такую же механическую работу или такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.
Действующие значения напряжений, ЭДС и токов обозначают заглавными буквами I, E и U. Для синусоидального переменного тока и для синусоидального переменного напряжения действующие значения равны:
Действующее значение тока и напряжения удобно практически использовать для описания электрических сетей. Например значение в 220-240 вольт - это действующее значение напряжения в современных бытовых розетках, а амплитуда гораздо выше - от 311 до 339 вольт.
Так же и с током, например когда говорят, что по бытовому нагревательному прибору протекает ток в 8 ампер, это значит действующее значение, в то время как амплитуда составляет 11,3 ампер.
Так или иначе, механическая работа и электрическая энергия в электроустановках пропорциональны действующим значениям напряжений и токов. Значительная часть измерительных приборов показывает именно действующие значения напряжений и токов.
Loading...