Конденсатор и катушка в цепи переменного тока: Урок 9. конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного электрического тока — Физика — 11 класс

Урок 9. конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного электрического тока — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 9. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного электрического тока

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Процессы, происходящие в цепи переменного электрического тока при наличии конденсатора и катушки индуктивности;

Устройство и принцип действия генератора переменного тока и трансформатора;

Автоколебания;

Проблемы передачи электроэнергии и способы повышения эффективности её использования.

Глоссарий по теме

Автоколебания – незатухающие колебания в системе, поддерживаемые за счет постоянного источника энергии.

Электрические машины преобразующие механическую энергию в электрическую называются генераторами.

Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения переменного напряжения.

Коэффициент трансформации – величина равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.

Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004

Основное содержание урока

Переменный ток, которым мы пользуемся, вырабатывается с помощью генераторов переменного тока на электростанциях. Для передачи произведенной электроэнергии строятся линии электропередачи. В каждом населенном пункте имеются трансформаторы. Какую роль играют трансформаторы при передаче электроэнергии? Об этом мы поговорим на данном уроке.

В июле 1832 года Фарадей получил анонимное письмо, в котором автор описывал устройство созданного им генератора постоянного тока. Ознакомившись с содержанием письма Фарадей тут же отослал его в редакцию научного журнала. Автор этого письма не назвал себя, его фамилия осталась неизвестной.

Электрические машины преобразующие механическую энергию в электрическую называются генераторами. Впоследствии генераторы постоянного тока непрерывно совершенствовались. Потом, когда начали использовать переменный ток они уступили место генераторам переменного тока. Переменный ток в основном вырабатывается генераторами переменного тока. Простой моделью генератора может служить прямоугольная рамка, вращающаяся в магнитном поле. При вращении рамки, магнитный поток пронизывающий площадь поверхности, ограниченную рамкой, меняется по гармоническому закону:

N- число витков.

Возникает ЭДС индукции который меняется по гармоническому закону.

ЭДС индукции в рамке равна:

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щёток соединить концы рамки с электрической цепью, то в цепи возникнет переменный ток.

В современной энергетике для производства электроэнергии используются электромеханические индукционные генераторы. Принцип действия таких генераторов основан на явлении электромагнитной индукции. Основными частями генератора являются статор и ротор. Неподвижная часть генератора называется статором, а вращающаяся – ротором.

Постоянный ток не может идти по цепи содержащей конденсатор, т. к. цепь оказывается разомкнутой. При включении конденсатора в цепь переменного тока конденсатор будет периодически заряжаться и разряжаться с частотой равной частоте приложенного напряжения. В результате периодически меняющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора в цепи течет переменный ток. Лампа накаливания, включенная в цепь переменного тока последовательно с конденсатором кажется горящей непрерывно, т.к. при высокой частоте колебаний силы тока человеческий глаз не способен заметить периодического ослабления нити накала. Конденсатор оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

Величину Х_C, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора называют ёмкостным сопротивлением.

Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току. Чем больше ёмкость конденсатора и частота колебаний, тем больше ток перезарядки. При наличии в цепи переменного тока конденсатора колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения конденсаторе на 90º. Сдвиг фазы колебаний силы тока на 90º относительно фазы колебания напряжения на конденсаторе приводит к тому, что мощность переменного тока в течение одной четверти периода имеет положительный знак, а в течение второй четверти – отрицательный. Поэтому среднее значение мощности за период равно нулю.

Индуктивность в цепи, так же, как и ёмкость, влияет на силу переменного тока. Объясняется это явлением самоиндукции. В любом проводнике, по которому протекает переменный ток, возникает ЭДС самоиндукции. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при этом вихревое электрическое поле тормозит движение электронов. Лишь спустя некоторое время сила тока достигает максимального значения, соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет успевать достигать тех значений, которые она приобрела бы при постоянном напряжении. Следовательно, максимальное значение силы переменного тока ограничивается индуктивностью цепи и его частотой колебаний.

Величину Х_L, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю. Поэтому постоянный ток как бы не «замечает» катушку индуктивности в цепи.

Колебания напряжения на катушке опережают по фазе колебания силы тока на 90º.

Сдвиг фазы колебаний приводит к тому, что средняя мощность за период колебаний равна нулю.

Генератор на транзисторе используется для создания высокочастотных электромагнитных колебаний.

Для потребления электрической энергии нужно доставить его от источника к потребителю. Для этого строят линии электропередачи. При передаче электроэнергии на расстояние возникают потери энергии вследствие нагревания проводов. Тепловые потери можно определить используя закон Джоуля – Ленца:

Из этой формулы следует, что для уменьшения потерь энергиинужно уменьшить сопротивление или повысить напряжение. Уменьшения сопротивления проводов ЛЭП требует увеличения их площади поперечного сечения, что приведет к увеличению массы проводов. Увеличение массы проводов связано с большими расходами на укрепление столбов линии электропередачи, для их удержания и на производство металла для них. Наиболее эффективным является увеличение напряжения.

Для изменения напряжения в сети используют трансформаторы. Трансформатор был изобретен в 1876 году Яблочковым и в 1882 году усовершенствован Усагиным. Простейший трансформатор состоит из двух катушек, надетых на общий замкнутый стальной сердечник. Эти катушки называются обмотками трансформатора. Обмотка трансформатора, подключаемая к источнику переменного напряжения, называют первичной, а другая к которой присоединяют нагрузку – вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в трансформаторе возникает переменное магнитное поле. Это поле пронизывает обе обмотки и в них возникает вихревое электрическое поле, которое действуя на заряженные частицы во вторичной обмотке способствует возникновению в ней переменного напряжения.

Величина равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора называют коэффициентом трансформации. Его обозначают буквой «k».

k– коэффициент трансформации.

U₁ и_{U2 – напряжения на первичной и на вторичной обмотке.}

N₁ и _{N2— число витков на первичной и на вторичной обмотке.}

Если k < 1 — трансформатор повышающий,

k > 1 — трансформатор понижающий.

КПД трансформатора равен отношению мощности в нагрузке к мощности, подаваемой из сети на первичную обмотку:

Для передачи электроэнергии на расстояние напряжение повышают с помощью трансформатора, а для потребления — понижают. В массивных проводниках при изменении магнитного поля возникают индукционные токи (токи Фуко), которые нагревают проводник. Чтобы эти индукционные токи не нагревали сердечник трансформатора его делают не сплошным, а из отдельных пластин, скрепленных вместе.

Закон Ома гласит: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

Из формулы закона Ома для переменного тока мы видим, что при постоянной амплитуде напряжения, амплитуда силы тока зависит от частоты. Амплитуда силы тока будет максимальной, если полное сопротивление минимально. Полное сопротивление цепи минимально при равенстве индуктивного и ёмкостного сопротивления. В этом заключается условие возникновения резонанса в электрической цепи.

Резонанс в электрической цепи – это явление резкого возрастания амплитуды колебаний силы тока в контуре при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний контура.

 Явление резонанса широко используется в радиотехнике, в схемах настройки радиоприемников. Меняя электроемкость конденсатора в колебательном контуре можно настроить его на нужную волну, т.е. выделить частоту на которой работает передающая станция

Разбор тренировочных заданий

1. Каково амплитудное значение ЭДС, возникающей в рамке из 50 витков, если она вращается с циклической частотой 180 рад/с в магнитном поле индукцией 0,4 Тл? Площадь рамки 0,02 м².

Дано:

N=50

ω=180 рад/с

B=0,4 Тл

S=0,02 м²

_________

Ԑ_m=?

Решение:

Ответ: 72 В.

2. Катушка с индуктивностью 0,08 Гн присоединена к источнику переменного тока частотой 1000 Гц. При этом вольтметр показывает 100 В. Определить амплитуду тока в цепи. Ответ округлить до десятых.

Дано:

L=0,08 Гн

ν= 1000 Гц

U=100 В

__________

I_m=?

Решение:

Напишем закон Ома для переменного тока

Т.к. Х_C и R равны нулю, то

Учитывая, что , получаем:

Найдем амплитудное значение напряжения:

Подставим числовые данные в формулу для расчета амплитуды силы тока:

Ответ: I_m = 0,3 А.

Переменный ток. Резистор, конденсатор и катушка в цепи переменного тока.

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 11Следующая ⇒

Элементы цепи переменного тока

Резистор в цепи постоянного тока

По закону Ома, в замкнутой цепи постоянного тока

напряжение на зажимах источника меньше ЭДС

U = IR; U = E — Ir

Резистор в цепи переменного тока

Рассмотрим схему, состоящую из источника переменного

тока, резистора и идеальных проводов.

Предположим, что напряжение на резисторе

изменяется по гармоническому закону

U = U₀ cos ω t .

Найдем силу тока, протекающего через резистор.

По закону Ома для участка цепи

I=U/R ==> I = I₀ cos ω t

Амплитуда силы тока I₀ = U₀/R

Ток и напряжение изменяются по одинаковому гармоническому закону (косинуса), то есть совпадают по фазе. Это означает, что, например, в тот момент времени, когда в цепи максимальна сила тока, напряжение на резисторе также максимально.

Конденсатор в цепи переменного тока

Включим конденсатор в цепь постоянного тока. Некоторый заряд перетечет от источника тока на обкладки конденсатора. В цепи возникает кратковременный импульс зарядного тока. Конденсатор заряжается до напряжения источника, после чего ток прекращается. Через конденсатор постоянный ток течь не может!

Рассмотрим процессы, происходящие при включении конденсатора в цепь переменного тока

зарядный ток

.

Через диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора, электрический ток протекать, как и прежде, не может. Но в результате периодически повторяющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора в цепи появится переменный ток.

Если напряжение в цепи изменяется по гармоническому закону,

U = U₀cos ωt

то заряд на обкладках конденсатора изменяется

также погармоническому закону

q=Cu = CU₀cos ωt

и силу тока в цепи можно найти как производную заряда

i = q^/

i= -CU₀ ω sin ωt = CU₀ω cos(ωt+π/2),

i= I₀ω cos(ωt+π/2)

Амплитуда силы тока I₀ = CU₀ω

Из полученной формулы видно, что в любой момент времени

фаза тока больше фазы напряжения на π/2.

В цепи переменного напряжение на конденсаторе тока отстает по фазе от тока на π/2, или на четверть периода.

Емкостное сопротивление

Величину

называют емкостным сопротивлением.

Связь между амплитудными значениями силы тока и напряжения формально совпадает с законом Ома для участка цепи

Такое же соотношение выполняется для действующих значений силы тока и напряжения.

Емкостное сопротивление конденсатора зависит от частоты переменного напряжения. С увеличением частоты колебаний напряжения емкостное сопротивление уменьшается, поэтому амплитуда силы тока увеличивается прямо пропорционально частоте I₀ = CU₀ω.

При уменьшении частоты амплитуда силы тока уменьшается и при ω=0 обращается в 0. Отметим, что нулевая частота колебаний означает, что в цепи протекает постоянный ток.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Мы предполагаем, что катушка индуктивности обладает пренебрежимо малым активным сопротивлением R. Такой элемент включать в цепь постоянного тока нельзя, потому что произойдет короткое замыкание.

В цепи переменного тока мгновенному нарастанию силы тока препятствует ЭДС самоиндукции. При этом для сверхпроводника e_i+u=0.

Используя закон Фарадея для самоиндукции e_i= -Li^/ ,

можно показать, что, если сила тока в цепи изменяется по гармоническому закону

i= I₀cos(ωt),

то колебания напряжения на катушке описываются

уравнением

U = — I₀ Lωsin ωt = I₀ Lω cos(ωt+π/2),

то есть колебания напряжения опережают по фазе колебания силы тока на π/2. Произведение U₀ = I₀Lω является амплитудой напряжения:

U = U₀ cos(ωt+π/2)

Индуктивное сопротивление

Величину

Трансформатор. Производство, передача и потребление электроэнергии.

Трансформаторы

Переменное напряжение можно преобразовывать — повышать или понижать.

Устройства, с помощью которых можно преобразовывать напряжение называются трансформаторами. Работа трансформаторов основана на явлении электромагнитной индукции.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника, на который надеты две катушки.

Первичной обмоткой называется катушка, подключенная к источнику переменного напряжения U₁.

Вторичной обмоткой называется катушка, которую можно подключать к приборам, потребляющим электрическую энергию.

Приборы, потребляющие электрическую энергию, выполняют роль нагрузки, и на них создается переменное напряжение U₂.

Если U₁ > U₂, то трансформатор называется понижающим, а если U₂ > U₁ — то повышающим.

Принцип работы

В первичной обмотке создается переменный ток, следовательно, в ней создается переменный магнитный поток. Этот поток замыкается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает каждый виток обеих обмоток. В каждом из витков обеих обмоток появляется одинаковая ЭДС индукции e_i0

Если n₁ и n₂ — число витков в первичной и вторичной обмотках соответственно, то

ЭДС индукции в первичной обмотке e_i1=n₁*e_i0
ЭДС индукции во вторичной обмотке e_i2 = n₁*e_i0

где e_i0 — ЭДС индукции, возникающая в одном витке вторичной и первичной катушки.

Передача электроэнергии

Передача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой. Потери энергии (мощности) на нагревание проводов можно рассчитать по формуле

Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линияхиспользуется переменный ток частотой 50 Гц. На рисунке представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии



Переменный ток. Активное сопротивление. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока

Огромное практическое значение имеют незатухающие вынужденные колебания. Свободные электромагнитные колебания в контуре быстро затухают и поэтому практически не используются. Переменный ток, используемый потребителями, представляет собой не что иное, как вынужденные электромагнитные колебания.  Частота переменного тока показывает число колебаний за 1 секунду. Стандартная частота промышленного тока равна 50 Герц. Значит, на протяжении 1 с ток 50 раз течет в одну сторону и 50 раз в другую. Частота 50 Герц принята для промышленного тока во многих странах мира. Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону. Это вытекает из следующих рассуждений. Если напряжение на концах цепи меняется по гармоническому закону, то напряженность электрического поля внутри проводников будет также меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля вызовут гармонические колебания скорости упорядоченного движения заряженных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока. При изменении напряжения на концах цепи электрическое поле не меняется мгновенно во всей цепи. Если время распространения изменений поля в цепи гораздо меньше периода колебаний напряжения, то можно считать, что электрическое поле во всей цепи меняется почти мгновенно при изменении напряжения на концах цепи.  Переменное напряжение, использующее потребителями в осветительной сети, создается генераторами на электростанциях. Проволочную рамку, вращающуюся в постоянном однородном магнитном поле, можно рассматривать как простейшую модель генераторов переменного тока.  Поток магнитной индукции, который пронизывает проволочную рамку, пропорционален косинусу угла альфа между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции. При равномерном вращении рамки угол альфа увеличивается прямо пропорционально времени. Поэтому поток магнитной индукции меняется гармонически. Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС индукции в рамке равна взятой со знаком минус скорости изменения потока магнитной индукции по времени. Иначе ЭДС электромагнитной индукции равна производной потока магнитной индукции по времени. При изменении напряжения по гармоническому закону 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 совпадает с частотой и фазой колебаний напряжения. Цепи с резистором. Цепь состоит из соединительных проводов и нагрузки с малой индуктивностью и большим сопротивлением, называемым активным сопротивлением. При наличии нагрузки, обладающей активным сопротивлением, цепь поглощает энергию, поступающую от генератора. Эта энергия превращается во внутреннюю энергию проводников — они нагреваются. В проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения. В цепи переменного тока промышленной частоты, равной 50 Герц, сила тока и напряжение изменяются сравнительно быстро. Мощность в цепи постоянного тока на участке с сопротивлением равна по определению произведению квадрата силы тока на сопротивление. На протяжении очень малого интервала времени переменный ток можно считать неизменным. Поэтому мгновенная мощность в цепи переменного тока на участке, имеющем активное сопротивление, определяется произведением квадрата мгновенного значения силы тока на сопротивление. Под средней за период мощностью переменного тока понимают отношение суммарной энергии, поступающей в цепь за период, к периоду. Человеку необходимо знать среднюю мощность тока на участке цепи за большой промежуток времени, включающий много периодов. 

Здесь изображен график зависимости мгновенной мощности от времени. На протяжении одной четверти периода мощность больше половины амплитудного значения. Но на протяжении следующей четверти периода мощность меньше этой величины. На протяжении одной четверти периода эта функция пробегает ряд положительных значений.  Половина квадрата амплитуды силы тока в колебательном электромагнитном контуре   есть среднее за период значение квадрата силы тока. Величина, равная квадратному корню из среднего значения квадрата силы тока, называется действующим значением силы переменного тока. Всегда можно подобрать такое значение силы постоянного тока, чтобы энергия, выделяемая за некоторое время этим током, равнялась энергии, выделяемой за то же время переменным током. Действующее значение силы переменного тока равно силе постоянного тока, выделяющего в проводнике то же количество теплоты, что и переменный ток за то же время. Нам важны общие характеристики колебаний, такие как амплитуда, период, частота, действующие значения силы тока и напряжения и средняя мощность. Именно действующие значения силы тока и напряжения регистрируют амперметры и вольтметры переменного тока.  Колебания силы тока в цепи с резистором совпадают по фазе с колебаниями напряжения. Мощность в цепи переменного тока определяется действующими значениями силы тока и напряжения. Мощность равна произведению силы тока и напряжения.  Фактически цепь, содержащая конденсатор, оказывается разомкнутой, так как обкладки конденсатора разделены диэлектриком. Поэтому постоянный ток не может существовать в цепи, содержащей конденсатор. Переменный ток способен течь в цепи, содержащей конденсатор. Проведем опыт. Составим последовательную цепь из конденсатора и лампы накаливания.  Постоянное напряжение на зажимах источника равно действующему значению переменного напряжения. При включении постоянного напряжения лампа не светится. Но при включении переменного напряжения лампа загорается. При этом емкость конденсатора достаточно велика. Происходит периодическая зарядка и разрядка конденсатора под действием переменного напряжения. Ток, текущий в цепи при перезарядке конденсатора, нагревает нить лампы. Рассмотрим цепь, содержащую только конденсатор, где сопротивлением проводов и обкладок конденсатора можно пренебречь. Напряжение на конденсаторе совпадает по значению с напряжением на концах цепи. Следовательно, заряд конденсатора меняется по гармоническому закону. Сила тока представляет собой производную заряда по времени. Приведем графики зависимости силы тока и напряжения от времени. Видно, что колебания силы тока опережают колебания напряжения на конденсаторе на пи вторых.  Амплитуда силы тока равна произведению максимального напряжения емкости конденсатора и циклической частоты колебаний. Величину икс-цэ, равную обратному произведению циклической частоты на электрическую емкость конденсатора, называют емкостным сопротивлением. Роль этой величины аналогична роли активного сопротивления в законе Ома.  Это и позволяет рассматривать емкостное сопротивление как сопротивление конденсатора переменному току. Чем больше емкость конденсатора, тем больше ток перезарядки. Это легко обнаружить по увеличению накала лампы при увеличении емкости конденсатора. С увеличением емкости конденсатора емкостное сопротивление уменьшается. Уменьшается оно и с увеличением частоты.

Индуктивность в цепи влияет на силу переменного тока. Это можно доказать с помощью простого опыта. Составим цепь из катушки большой индуктивности и электрической лампы накаливания. С помощью переключателя можно подключить эту цепь или к источнику постоянного напряжения, или к источнику переменного напряжения с равными значениями. Лампа светится ярче при постоянном напряжении. Следовательно, действующее значение силы переменного тока в рассматриваемой цепи меньше силы постоянного тока. Здесь проявляется самоиндукция.  При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при нарастании силы тока вихревое электрическое поле тормозит движение электронов. Лишь со временем сила тока достигает наибольшего установившегося значения, соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет достигать тех значений, которые оно бы приобрело с течением времени при постоянном напряжении. Следовательно, максимальное значение силы переменного тока (его амплитуда) ограничивается индуктивностью цепи и будет тем меньше, чем больше индуктивность и чем больше частота приложенного напряжения. При изменении силы тока по гармоническому закону ЭДС самоиндукции будет равна противоположному значению производной индуктивности.  Так как удельная работа кулоновского поля равна напряжению на концах катушки, то напряжение на концах катушки оказывается гармонически связанным с амплитудным значением напряжения контура. Следовательно, колебания напряжения на катушке опережают колебания силы тока на пи-пополам. В момент, когда напряжение на катушке достигает максимума, сила тока равна нулю. В момент, когда напряжение становится равным нулю, сила тока будет максимальной. Величину икс-эл, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением. Амплитуда силы тока в катушке можно найти отношением амплитуды напряжения на индуктивное сопротивление. Так выглядит закон Ома для цепи постоянного тока с катушкой. Индуктивное сопротивление увеличивается с ростом частоты, значит, катушка хорошо проводит низкочастотные колебания и плохо – высокочастотные, а для постоянного тока оно равно нулю. Рассмотрим использование частотных свойств конденсатора и катушки индуктивности. Реальные электрические цепи содержат все виды сопротивлений: активное, индуктивное, емкостное, поэтому ток в реальной цепи зависит от ее полного эквивалентного сопротивления.

Конденсатор хорошо проводит высокочастотные колебания и плохо – низкочастотные колебания. Катушка наоборот: хорошо проводит низкочастотные колебания и плохо – высокочастотные колебания. Эти свойства позволяют создать различные частотные фильтры – схемы, позволяющие выделить из всего сигнала низкочастотные и высокочастотные составляющие.

Колебательный контур обладает замечательным свойством – пропускать колебания только определенной частоты, зависящей от емкости конденсатора и индуктивности катушки, под действием резонанса. Эти свойства контура широко применяются в радио- и телеприёмной и передающей аппаратуре для селекции сигналов.

Задача 

Конденсатор включен в цепь переменного тока с частотой 200 Герц. Напряжение в цепи 40 Вольт, сила тока 0,64 Ампера. Какова емкость конденсатора?

Вспомнив закон Ома для цепи с колебательным контуром, выразим емкость конденсатора как отношение силы тока к напряжению и циклической частоте. Чтобы определить циклическую частоту, необходимо частоту переменного тока разделить на два-пи. Получаем результат 0,5 микрофарад есть емкость конденсатора.

 

Презентация по физике на тему «Конденсатор и катушка в цепи переменного тока» (11 класс)

Инфоурок
›

Физика
›Презентации›Презентация по физике на тему «Конденсатор и катушка в цепи переменного тока» (11 класс)

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Резистор, конденсатор, катушка индуктивности в цепи переменного тока Презентацию подготовил Трубачев Валерий Иванович, учитель физики МБОУ «Александровская школа»

2 слайд

Описание слайда:

3 слайд

Описание слайда:

Резистор в цепи переменного тока Схема включения ~ R Umcosωt u=Umcosωt R – активное сопротивление Y O X Im Um T/2 T u i Um -Um -Im Im O T= 2π/ω Напряжение и сила тока в резисторе совпадают по фазе в любой момент времени t

4 слайд

Описание слайда:

5 слайд

Описание слайда:

3. Конденсатор в цепи переменного тока Схема включения ~ С Umcosωt u=Umcosωt Ёмкостное сопротивление u i T/2 T T= 2π/ω Um Im O -Im -Um t Im Сила тока через конденсатор опережает напряжение на нем на π/2 O X Um

6 слайд

Описание слайда:

7 слайд

Описание слайда:

8 слайд

Описание слайда:

5. катушка индуктивности в цепи переменного тока Схема включения ~ L Umcosωt u=Umcosωt Индуктивное сопротивление u i T/2 T T= 2π/ω Um Im O -Im t Im Колебания силы тока в катушке индуктивности отстают по фазе на π/2 от колебаний напряжения на ней O X Um

9 слайд

Описание слайда:

10 слайд

Описание слайда:

11 слайд

Описание слайда:

12 слайд

Описание слайда:

По указанным графикам определите что включено в цепь переменного тока

13 слайд

Описание слайда:

14 слайд

Описание слайда:

Задача

15 слайд

Описание слайда:

16 слайд

Описание слайда:

I вариант Катушка с ничтожно малым активным сопротивлением включена в цепь переменного тока стандартной частоты. Сила тока в цепи 2 А. Определить напряжение на катушке, если её индуктивность 0,2Гн. Как изменится емкостное сопротивление воздушного конденсатора, если частота тока увеличится в 2 раза? II вариант Катушка с ничтожно малым активным сопротивлением включена в цепь переменного тока стандартной частоты. Напряжение на катушке 120В. Определить силу тока в катушке, если её индуктивность 0,3Гн. Как изменится емкостное сопротивление воздушного конденсатора, если емкость конденсатора увеличить в 2 раза?

17 слайд

Описание слайда:

18 слайд

Описание слайда:

19 слайд

Описание слайда:

Д/З §32-34

Курс повышения квалификации

Курс профессиональной переподготовки

Учитель физики

Курс повышения квалификации

Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

Выберите категорию:
Все категорииАлгебраАнглийский языкАстрономияБиологияВнеурочная деятельностьВсеобщая историяГеографияГеометрияДиректору, завучуДоп. образованиеДошкольное образованиеЕстествознаниеИЗО, МХКИностранные языкиИнформатикаИстория РоссииКлассному руководителюКоррекционное обучениеЛитератураЛитературное чтениеЛогопедия, ДефектологияМатематикаМузыкаНачальные классыНемецкий языкОБЖОбществознаниеОкружающий мирПриродоведениеРелигиоведениеРодная литератураРодной языкРусский языкСоциальному педагогуТехнологияУкраинский языкФизикаФизическая культураФилософияФранцузский языкХимияЧерчениеШкольному психологуЭкологияДругое

Выберите класс:
Все классыДошкольники1 класс2 класс3 класс4 класс5 класс6 класс7 класс8 класс9 класс10 класс11 класс

Выберите учебник:
Все учебники

Выберите тему:
Все темы

также Вы можете выбрать тип материала:

Общая информация

Номер материала:

ДБ-035958

Похожие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Как заколебать ток. Конденсаторы и катушки

РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Основы электроники >

Как заколебать ток. Конденсаторы и катушки

Начинаем с первого и самого главного блока — ГВЧ (Генератор Высокой частоты).

Как вы помните, генератор обязан преобразовать постоянный ток батарейки в переменный ток ВЧ. Для этого обычно используют транзистор и еще две детали, с которыми мы пока что не знакомы: конденсатор и катушку индуктивности.

Конденсатор — это элемент, способный накапливать в себе электрическую энергию.
Конденсатор состоит из двух металлических пластин, изолированных между собой непроводящим материалом (диэлектриком). Эти пластины называют обкладками конденсатора.

Обозначение конденсатора на схеме полностью объясняет его конструкцию:

Конденсатор можно сравнить с батарейкой. Вот только, в нем нет той силы, которая перекидывает заряд в обратную сторону.

Если вспомнить нашу научно-экспериментальную установку с бутылками, то сначала (пока мы не стали вычерпывать воду из в одной бутылки в другую) ее можно было сравнить именно с конденсатором. То есть: наливаем воду в одну бутылку, вторая пуста. Пускаем воду по шлангу. Вторая бутылка — заполняется, первая — опустошается. Это происходит до тех пор, пока уровни в двух бутылках не сравняются, и ток не прекратится.

Так же и в конденсаторе. Когда он заряжен — на одной обкладке электронов больше, чем на другой. То есть, у них разные заряды, а значит — есть разность потенциалов (напряжение). Если к заряженному конденсатору подключить нагрузку, скажем, резистор — потечет ток, и через определенное время заряды двух обкладок сравняются, ток прекратится. То есть — конденсатор разрядится. Чтобы ток пошел снова, нужно опять создать разность потенциалов — то есть, зарядить конденсатор.

Вот так, в общем, все несложно.

Катушка индуктивности — это такая обычная катушка из металлической проволоки.

Можно на что угодно намотать кусок проволоки — это уже будет катушка индуктивности.

На схеме она изображается так:

Катушка обладает некоторыми полезными электрическими свойствами. Какими? Сейчас разберемся.

Итак, коль уж вспомнилась нам лабораторная установка из бутылок — давайте ее апгрейдить.

На сей раз нам понадобится водяная турбина. Честно говоря, я не пробовал ее делать, поэтому — не скажу рецепт приготовления =). Однако, если кто-то решится, и у него получится — можете поделиться с народом своим счастьем… и технологией.

Водяная турбина состоит из лопастей, сидящих на оси. Все это находится внутри герметичного кожуха, но ось выводится наружу. При протекании воды, лопасти начинают вращаться. Такие турбины используют, например, на гидроэлектростанциях. На их оси сидят электрогенераторы.

У нас же все проще и меньше. И на ось мы посадим не мощный генератор, а просто какое-нибудь тяжелое круглое колесико, чтобы воде было трудно его вращать.

Кстати! Протекающая вода вращает турбину. Но возможно и обратное: вращающаяся турбина может вызывать ток воды. Помним об этом…

Ну, в общем, всобачим эту турбину между двумя бутылками, и нальем в левую бутылку воды. Смотрим, что происходит.

А вот что происходит. Поскольку есть разность потенциалов (то есть, давлений) — вода хочет течь из левой бутылки в правую. Но на пути — турбина! Ничего не остается, как ее крутить. Хочешь жить — умей вертеться. =)

Однако, турбина начинает крутиться не сразу, а постепенно, потому что на ее оси — тяжелое колесо, которое создает инерцию. Поэтому, сначала вода течет медленно, и постепенно, своим током разгоняет турбину. Чем быстрее крутится турбина — тем быстрее перетекает вода в правую бутылку. Перетекает, перетекает… И вот — уровни сравнялись! Казалось бы, пора остановиться. Куда там! Турбина раскрутилась до таких оборотов, что и не думает остановиться, и продолжает по инерции гнать воду из левой бутылки в правую. Однако, постепенно ее скорость снижается, и через некоторое время, она, все же, останавливается.

Но теперь уже в правой бутылке воды больше, чем в левой. И она хочет течь обратно. Турбина начинает крутиться в обратную сторону. Сначала — нехотя, потом — все быстрее и быстрее. В момент, когда уровни равны, турбина опять несется на полных оборотах, и продолжает гнать. Останавливается она, когда в левой бутылке уровень снова больше, чем в правой. Все повторяется заново.

То, что мы видим, называется простым и знакомым нам словом — «колебания».

В идеальных условиях (отсутствие трения и т.п.), этот колебательный процесс длится бесконечно. В реальности — через несколько циклов (периодов), он затухнет. То есть, уровни таки сравняются. Но не в этом суть. Главное, что мы только что познакомились с принципом работы самого распространенной в радиотехнике схемы — колебательного контура. На водяной его модели. =)

Так вот, турбина в нашей научно-экспериментальной мегаустановке — это и есть катушка индуктивности.

У катушки индуктивности, надо сказать, весьма скверный характер. Она, по русски выражаясь, «тормозит». То есть, когда ток, текущий через нее начинает увеличиваться — она всячески препятствует его увеличению. А когда ток уменьшается — она наоборот, «подгоняет» его, не давая уменьшаться. Ну чем не турбина?!

Однако, в счастливом союзе с конденсатором, катушка образует тот самый колебательный контур, без которого не смог бы работать ни один радиоприемник и передатчик.

Вот как выглядит колебательный контур:

Если зарядить конденсатор, а потом подключить к нему катушку — ток в катушке начнет мотаться туда-сюда точно так же, как вода — в турбине.

Как вы, может быть, уже догадались — именно колебательный контур мы будем использовать для преобразования постоянного тока в переменный в нашем генераторе. Однако, прежде чем преступить к преобразованию, познакомимся еще с одним элементом. Без него ничего не получится.

<<—Вспомним пройденное—-Поехали дальше—>>

39. Переменный ток. Резистор, конденсатор и катушка в цепи переменного тока.

14. Элементы цепи переменного тока

Резистор в цепи постоянного тока

По закону Ома, в замкнутой цепи
постоянного тока

напряжение на зажимах источника меньше
ЭДС

U =
IR; U = E — Ir

15. Резистор в цепи переменного тока

Рассмотрим
схему, состоящую из источника переменного

тока, резистора и идеальных проводов.

Предположим, что напряжение на резисторе

изменяется по гармоническому закону

U = U₀
cos ω t .

Найдем силу тока, протекающего через
резистор.

По закону Ома для участка цепи

I=U/R ==> I = I₀
cos ω t

Амплитуда силы тока I₀
= U₀/R

Ток и напряжение изменяются по
одинаковому гармоническому закону
(косинуса), то есть совпадают по фазе.
Это означает, что, например, в тот
момент времени, когда в цепи максимальна
сила тока, напряжение на резисторе также
максимально.

16. Конденсатор в цепи переменного тока

Включим конденсатор в цепь постоянного
тока.Некоторый заряд перетечет от
источника тока на обкладки конденсатора.В цепи возникает кратковременный
импульс зарядного тока. Конденсатор
заряжается до напряжения источника,
после чего ток прекращается. Через
конденсатор постоянный ток течь не
может!

Рассмотрим
процессы, происходящие при включении
конденсатора в цепь переменного тока

зарядный ток

.

Через диэлектрик, разделяющий обкладки
конденсатора, электрический ток
протекать, как и прежде, не может. Но в
результате периодически повторяющихся
процессов зарядки и разрядки конденсатора
в цепи появится переменный ток.

Если напряжение в цепи изменяется по
гармоническому закону,

U = U₀cos ωt

то заряд на обкладках конденсатора
изменяется

также погармоническому закону

q=Cu = CU₀cos
ωt

и силу тока в цепи можно найти как
производную заряда

i = q^/

i= -CU₀
ω sin ωt
= CU₀ω
cos(ωt+π/2),

i= I₀ω
cos(ωt+π/2)

Амплитуда силы тока I₀
= CU₀ω

Из полученной формулы видно, что в любой
момент времени

фаза тока больше фазы напряжения на
π/2.

В цепи переменного напряжение на
конденсаторе тока отстает по фазе от
тока на π/2, или
на четверть периода.

Емкостное сопротивление

Величину

называют емкостным сопротивлением.

Связь между амплитудными значениями
силы тока и напряжения формально
совпадает с законом Ома для участка
цепи

Такое же соотношение выполняется для
действующих значений силы тока и
напряжения.

Емкостное сопротивление конденсатора
зависит от частоты переменного
напряжения. С увеличением частоты
колебаний напряжения емкостное
сопротивление уменьшается, поэтому
амплитуда силы тока увеличивается прямо
пропорционально частоте I₀
= CU₀ω.

При уменьшении частоты амплитуда силы
тока уменьшается и при ω=0 обращается в
0. Отметим, что нулевая частота колебаний
означает, что в цепи протекает постоянный
ток.

17. Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Мы предполагаем, что катушка индуктивности
обладает пренебрежимо малым активным
сопротивлением R. Такой
элемент включать в цепь постоянного
тока нельзя, потому что произойдет
короткое замыкание.

В цепи переменного тока мгновенному
нарастанию силы тока препятствует ЭДС
самоиндукции. При этом для сверхпроводника
e_i+u=0.

Используя закон Фарадея для самоиндукции
e_i= -Li^/ ,

можно показать, что, если сила тока в
цепи изменяется по гармоническому
закону

i= I₀cos(ωt),

то колебания напряжения на катушке
описываются

уравнением

U = — I₀
Lωsin
ωt = I₀
Lω cos(ωt+π/2),

то есть колебания напряжения опережают
по фазе колебания силы тока на π/2.Произведение U₀
= I₀Lω
является амплитудой напряжения:

U = U₀
cos(ωt+π/2)

Индуктивное
сопротивление

Величину

Конденсатор и катушка в цепи переменного тока

Мультимедийное приложение к уроку изучения новой темы  «Индуктивное и ёмкостное сопротивление» для 11 класса по учебнику Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева, В.М. Сотского. На уроке организуется исследовательская деятельность через фронтальный эксперимент, урок сопровождается презентацией, применение которой  облекчает работу учителя при объяснении нового материала и помогает ученику повысить уровень усвоения информации, изучаемой на уроке.

Просмотр содержимого документа

«Конденсатор и катушка в цепи переменного тока »

§ 33-34

— ёмкостное сопротивление – сопротивление конденсатора ~ току.

Величину , обратную произведению циклической частоты на электроёмкость конденсатора называют ёмкостным сопротивлением

1

2

+

~

~

—

~

С

1). С = const — изменяется

Закон Ома для участка цепи с конденсатором

С — изменяется

2).

~

Найдём как меняется сила тока со временем в цепи, содержащей только конденсатор.

— на конденсаторе

~

— на концах цепи

Найдём силу тока:

Колебания силы тока опережают колебания напряжения на конденсаторе на

Амплитуда силы тока

— Индуктивное сопротивление – дополнительное сопротивление катушкой индуктивности ~ току.

2

1

Величину , равную произведению на называют индуктивным сопротивлением.

+

—

~

L

1) . L=const — изменяется

Закон Ома для участка цепи с катушкой

~

2). — const L — изменяется

~

Найдём как меняется со временем сила тока в цепи, содержащая только катушку.

— В катушке возникает ЭДС самоиндукции

~

По закону э/м индукции:

Из математики:

— Амплитуда напряжения

Колебания силы тока отстают от колебаний напряжения на

Конденсатор

в последовательной, параллельной и цепи переменного тока

Конденсатор является одним из наиболее часто используемых электронных компонентов. Он имеет способность накапливать энергию внутри себя в виде электрического заряда, создающего статическое напряжение (разность потенциалов) на его пластинах. Проще говоря, конденсатор похож на небольшую перезаряжаемую батарею. Конденсатор представляет собой просто комбинацию двух проводящих или металлических пластин, установленных параллельно, и электрически разделенных хорошим изолирующим слоем (также называемым диэлектриком ) , состоящим из вощеной бумаги, слюды, керамики, пластика и т. Д.

Существует множество применений конденсатора в электронике, некоторые из них перечислены ниже:

• Накопитель энергии
• Кондиционирование питания
• Коррекция коэффициента мощности
• Фильтрация
• Осцилляторы

Теперь дело в , как конденсатор работает ? Когда вы подключаете источник питания к конденсатору, он блокирует постоянный ток из-за изолирующего слоя и позволяет напряжению присутствовать на пластинах в виде электрического заряда.Итак, вы знаете, как работает конденсатор и каково его использование или применение, но вы должны научиться этому, как использовать конденсатор в электронных схемах.

Как подключить конденсатор в электронную схему?

Здесь мы собираемся продемонстрировать вам подключение конденсатора и связанный с ним эффект на примерах.

• Конденсатор серии
• Параллельный конденсатор
• Конденсатор в цепи переменного тока

Конденсатор в последовательной цепи

В схеме, когда вы соединяете конденсаторы последовательно, как показано на изображении выше, общая емкость уменьшается.Ток, проходящий через последовательно соединенные конденсаторы, равен (т.е. i _T = i ₁ = i ₂ = i _{3 =} i _n ). Следовательно, заряд, накопленный конденсаторами, также одинаков (т.е. Q _T = Q ₁ = Q ₂ = Q ₃ ), потому что заряд, накопленный пластиной любого конденсатора, исходит от пластины соседнего конденсатор в цепи.

Применяя Закон Кирхгофа (KVL) о напряжении в цепи, мы получаем

  V  T  = V  C1  + V  C2  + V  C3 … уравнение (1)  

Как известно,

  Q =  CV
  Итак, V = Q / C  

Где, V _C1 = Q / C ₁ ; V _C2 = Q / C ₂ ; V _C3 = Q / C ₃

Теперь, поместив вышеуказанные значения в уравнение (1)

   (1 / C  T ) = (1 / C  1 ) + (1 / C  2 ) + (1 / C  3 )  

Для n последовательно подключенных конденсаторов уравнение будет

.

  (1 / C  T ) = (1 / C  1 ) + (1 / C  2 ) + (1 / C  3 ) +….+ (1 / Cn)  

Следовательно, приведенное выше уравнение является уравнением конденсаторов серии .

Где, C _T = Общая емкость цепи

C ₁ … n = емкость конденсаторов

Уравнение емкости для двух особых случаев определено ниже:

Случай I: , если два конденсатора соединены последовательно, с разными значениями емкость будет выражена как:

  (1 / C  T ) = (C  1  + C  2 ) / (C  1  * C  2 ) 
  Или, C  T  = (C  1  * C  2 ) / (C  1  + C  2 )… уравнение (2)  

Случай II: , если два конденсатора включены последовательно, с одинаковым значением емкость будет выражаться как:

  (1 / C  T ) = 2 / C  2  = 2 / C 
  Или, C  T  = C / 2  

Пример цепи последовательного конденсатора:

Теперь, в приведенном ниже примере мы покажем вам, как рассчитать общую емкость и индивидуальное среднеквадратичное падение напряжения на каждом конденсаторе.

Как и на приведенной выше принципиальной схеме, есть два конденсатора , соединенных последовательно с разными номиналами. Значит, падение напряжения на конденсаторах также неодинаково. Если мы подключим два конденсатора с одинаковым значением, падение напряжения также будет одинаковым.

Теперь для определения общего значения емкости воспользуемся формулой из уравнения (2)

  Итак, C  T  = (C  1  * C  2 ) / (C  1  + C  2 ) 
  Здесь C  1  = 4.7 мкФ и C  2  = 1 мкФ 
  C  T  = (4,7 мкФ * 1 мкФ) / (4,7 мкФ + 1 мкФ) 
  C  T  = 4,7 мкФ / 5,7 мкФ 
  C  T  = 0,824 мкФ  

Теперь падение напряжения на конденсаторе C ₁ составляет:

  VC  1  = (C  T  / C  1 ) * V  T  
  VC  1  = (0,824 мкФ / 4,7 мкФ) * 12 
  VC  1  = 2,103V  

Теперь падение напряжения на конденсаторе C ₂ составляет:

  VC  2  = (C  T  / C  2 ) * V  T  
  VC  2  = (0.824 мкФ / 1 мкФ) * 12 
  VC  2  = 9,88 В  

Конденсатор в параллельной цепи

При параллельном подключении конденсаторов общая емкость будет равна сумме емкостей всех конденсаторов. Потому что верхняя пластина всех конденсаторов соединена вместе, как и нижняя пластина. Таким образом, при соприкосновении друг с другом эффективная площадь пластин также увеличивается. Следовательно, емкость пропорциональна отношению площади и расстояния.

Применяя Текущий закон Кирхгофа (KCL) в указанной выше схеме,

  i  T  = i  1  + i  2  + i  3   

Как мы знаем, ток через конденсатор выражается как;

  i = C (dV /   dt  ) 
  So, i  T  = C  1  (dV /   dt  ) + C  2  (dV /   dt  ) + C  3  (dV /   dt  ) 
  А,
   i    T     = (C  1  + C  2  + C  3 ) * (dV /   dt  ) 
  i  T  = C  T  (dV /   dt  )… уравнение (3)  

Из уравнения (3) уравнение параллельной емкости:

  C  T  = C  1  + C  2  + C  3   

Для числа n конденсаторов, подключенных параллельно, уравнение выше выражается как:

  C  T  = C  1  + C  2  + C  3  +… + Cn  

Пример параллельной цепи конденсатора

На приведенной ниже принципиальной схеме три конденсатора подключены параллельно .Поскольку эти конденсаторы подключены параллельно, эквивалентная или общая емкость будет равна сумме индивидуальных емкостей.

  C  T  = C  1  + C  2  + C  3  
  Где, C  1  = 4,7 мкФ; C  2  = 1 мкФ и C  3  = 0,1 мкФ 
  Так, С  Т  = (4,7 +1 + 0,1) мкФ 
  C  T  = 5,8 мкФ  

Конденсатор в цепях переменного тока

Когда конденсатор подключен к источнику постоянного тока, конденсатор начинает медленно заряжаться.И когда напряжение зарядного тока конденсатора равно напряжению питания, это считается полностью заряженным. Здесь в этом состоянии конденсатор работает как источник энергии, пока подается напряжение. Кроме того, конденсаторы не позволяют току проходить через него после полной зарядки.

Когда на конденсатор подается переменное напряжение, как показано на чисто емкостной схеме выше. Затем конденсатор непрерывно заряжается и разряжается до каждого нового уровня напряжения (заряжается при положительном уровне напряжения и разряжается при отрицательном уровне напряжения).Емкость конденсатора в цепях переменного тока зависит от частоты входного напряжения, подаваемого в цепь. Сила тока прямо пропорциональна скорости изменения напряжения, приложенного к цепи.

  i = dQ /   dt   = C (dV /   dt  )  

Векторная диаграмма конденсатора в цепи переменного тока

Как вы видите на векторной диаграмме конденсатора переменного тока на изображении ниже, ток и напряжение представлены в виде синусоидальной волны.При наблюдении при 0 ° зарядный ток достигает своего пикового значения из-за постоянного увеличения напряжения в положительном направлении.

Теперь при 90 ° нет тока через конденсатор, потому что напряжение питания достигает максимального значения. При 180 ° напряжение начинает медленно снижаться до нуля, а ток достигает максимального значения в отрицательном направлении. И снова заряд достигает своего пикового значения на 360 °, потому что напряжение питания находится на минимальном значении.

Таким образом, из приведенного выше сигнала мы можем видеть, что ток опережает напряжение на 90 °.Итак, мы можем сказать, что напряжение переменного тока отстает от тока на 90⁰ в идеальной конденсаторной цепи .

Реактивное сопротивление конденсатора (Xc) в цепи переменного тока

Рассмотрим приведенную выше принципиальную схему, поскольку мы знаем, что входное напряжение переменного тока выражается как

  V = V  м  Sin  wt   

А, заряд конденсатора Q = CV,

Итак, Q = CV _м Sin _wt

А, ток через конденсатор, i = dQ / dt

Итак,

  i = d (CV  м  Sin  wt ) / dt 
  i = C * d (V  м  Sin  wt ) / dt 
  i = C * V  м  Cos  wt  * w 
  i = w * C * V  м  Sin (wt + π / 2) 
  ат, wt = 0 
  sin (вес + π / 2) = 1 
 , следовательно, i  м  = wCV  м  
  V  м  / i  м  = 1 / туалет  

Как известно, w = 2πf

Итак,

  Емкостное реактивное сопротивление (Xc) = V  м  / i  м  = 1 / 2πfC  

Пример емкостного реактивного сопротивления в цепи переменного тока

диаграмма

Рассмотрим значение C = 2.2uf и напряжение питания V = 230 В, 50 Гц

  Теперь емкостное реактивное сопротивление (Xc) = V  м  / i  м  = 1 / 2πfC 
  Здесь C = 2,2 мкФ и f = 50 Гц 
  Итак, Xc = 1/2 * 3,1414 * 50 * 2,2 * 10 -6  
  Xc = 1446,86 Ом  

.

Введение, Генерация переменного тока, переменного и постоянного тока и трансформаторы

Введение

Электрическая цепь — это полный проводящий путь, по которому электроны текут от источника к нагрузке и обратно к источнику. Однако направление и величина потока электронов зависят от типа источника. В «Электротехника » есть два основных типа источника напряжения или тока (электрическая энергия), которые определяют тип цепи, и они есть; переменного тока (или напряжения) и постоянного тока .

В следующих двух статьях мы сосредоточимся на переменном токе и рассмотрим темы от , что такое переменный ток до , формы волны переменного тока, и так далее.

Цепи переменного тока

Цепи переменного тока, как следует из названия («Переменный ток»), — это просто цепи, питаемые от переменного источника напряжения или тока. Переменный ток или напряжение — это тот, в котором значение либо напряжения, либо тока изменяется около определенного среднего значения и периодически меняет направление.

Большинство современных бытовых и промышленных устройств и систем питаются от переменного тока. Все подключаемые к сети электроприборы на базе постоянного тока и устройства на базе аккумуляторных батарей технически работают от переменного тока, поскольку все они используют некоторую форму постоянного тока, получаемую от переменного тока, либо для зарядки своих батарей, либо для питания системы. Таким образом, переменный ток — это форма, по которой мощность передается в сеть.

Схема переменного тока возникла в 1980-х годах, когда Тесла решил решить проблему неспособности генераторов постоянного тока Томаса Эдисона на больших расстояниях.Он искал способ передачи электроэнергии при высоком напряжении, а затем использовал трансформаторы для повышения или понижения его, что может потребоваться для распределения, и, таким образом, смог минимизировать потери мощности на большом расстоянии, что было основной проблемой Direct. Текущий в то время.

Переменный ток и постоянный ток (переменный и постоянный)

переменного тока и постоянного тока различаются по-разному от поколения к передаче и распределения, но для простоты мы сохраним сравнение их характеристик в этом посте.

Основное различие между переменным и постоянным током, которое также является причиной их разных характеристик, заключается в направлении потока электрической энергии. В постоянном токе электроны движутся в одном направлении или вперед, в то время как в переменном токе электроны периодически меняют направление потока. Это также приводит к изменению уровня напряжения, когда он переключается с положительного на отрицательный в соответствии с током.

Ниже приведена сравнительная таблица, чтобы выделить некоторые из различий между переменного и постоянного тока.Другие различия будут выделены, когда мы углубимся в изучение цепей переменного тока.

Базовый источник переменного тока (генератор переменного тока с одной катушкой)

Принцип в отношении поколения переменного тока прост. Если магнитное поле или магнит вращается вдоль стационарного набора катушек (проводов) или вращается катушка вокруг стационарного магнитного поля, переменный ток генерируется с помощью генератора переменного тока (генератора переменного тока).

Самая простая форма генератора переменного тока состоит из проволочной петли, которая механически вращается вокруг оси, находясь между северным и южным полюсами магнита.

Обратите внимание на изображение ниже.

Когда катушка якоря вращается в магнитном поле, создаваемом магнитами северного и южного полюсов, магнитный поток через катушку изменяется, и заряды, таким образом, проталкиваются через провод, создавая эффективное напряжение или индуцированное напряжение. Магнитный поток через петлю зависит от угла петли относительно направления магнитного поля. Рассмотрите изображения ниже;

Из изображений, показанных выше, мы можем сделать вывод, что определенное количество линий магнитного поля будет обрезано при вращении якоря, количество «обрезанных линий» определяет выходное напряжение .С каждым изменением угла поворота и результирующим круговым движением якоря относительно магнитных линий также изменяется величина «перерезания магнитных линий», следовательно, изменяется и выходное напряжение. Например, линии магнитного поля, обрезанные под нулевым градусом, равны нулю, что делает результирующее напряжение равным нулю, но при 90 градусах почти все линии магнитного поля обрезаются, таким образом, максимальное напряжение в одном направлении генерируется в одном направлении. То же самое относится к 270 градусам, только если они генерируются в противоположном направлении.Таким образом, возникает результирующее изменение напряжения при вращении якоря в магнитном поле, что приводит к формированию синусоидальной формы волны . Таким образом, результирующее индуцированное напряжение имеет синусоидальную форму с угловой частотой ω, измеряемой в радианах в секунду.

Наведенный ток в приведенной выше схеме определяется уравнением:

I = V / R

Где V = NABwsin (вес)

Где N = Скорость

A = Площадь

B = Магнитное поле

w = Угловая частота.

Настоящие генераторы переменного тока, очевидно, сложнее этого, но они работают на основе тех же принципов и законов электромагнитной индукции, которые описаны выше. Переменный ток также генерируется с помощью определенных типов преобразователей и схем генераторов, которые можно найти в инверторах.

Трансформаторы

Принципы индукции, на которых основан переменный ток, не ограничиваются только его производством, но также и его передачей и распределением .Как и в то время, когда переменный ток приходил в расчет, одной из основных проблем было то, что постоянный ток не мог передаваться на большие расстояния, поэтому одной из основных проблем, которую необходимо было решить, чтобы переменный ток стал жизнеспособным, была возможность для безопасной доставки генерируемых высоких напряжений (KV) потребителям, которые используют напряжения в диапазоне V, а не KV. Это одна из причин, по которой трансформатор описывается как один из основных компонентов переменного тока, и о нем важно говорить.

В трансформаторах две катушки соединены таким образом, что при приложении переменного тока к одной он индуцирует напряжение в другой.Трансформаторы — это устройства, которые используются для понижения или повышения напряжения, подаваемого на одном конце (первичная катушка), для создания более низкого или более высокого напряжения соответственно на другом конце (вторичная катушка) трансформатора. Наведенное напряжение во вторичной обмотке всегда равно напряжению, приложенному к первичной обмотке, умноженному на отношение количества витков вторичной обмотки к первичной обмотке.

Трансформатор, являющийся понижающим или повышающим трансформатором, таким образом, зависит от отношения количества витков вторичной катушки к числу витков проводника первичной обмотки.Если на первичной обмотке на витков больше, чем на вторичной, трансформатор понижает напряжение на , но если первичная обмотка имеет меньшее количество витков по сравнению с вторичной обмоткой, трансформатор увеличивает напряжение на применяется на первичной.

Трансформаторы сделали распределение электроэнергии на большие расстояния очень возможным, рентабельным и практичным. Чтобы уменьшить потери при передаче, электроэнергия передается от генерирующих станций с высоким напряжением и низким током, а затем распределяется по домам и офисам с низким напряжением и большим током с помощью трансформаторов.

На этом мы остановимся, чтобы не перегружать статью слишком большим количеством информации. Во второй части этой статьи мы обсудим формы сигналов переменного тока и рассмотрим некоторые уравнения и расчеты. Будьте на связи.

.

Конденсатор в цепи переменного тока

.