Переменный электрический ток

Электромагнетизм ( часть II )

Самоиндукция

Это явление - частный случай электромагнитной индукции. Явление самоиндукции заключается в возникновении индукционного тока в проводнике, по которому протекает ток переменной силы I(t). Действительно, при протекании тока по проводнику вокруг него создаётся изменяющееся со временем магнитное поле, которое пронизывает контур, содержащий данный проводник и источник переменного тока. Следовательно, магнитный поток Ф, пронизывающий контур, также изменяется со временем, и поэтому, в соответствии с законом Фарадея, в контуре с переменным током должна индуцироваться ЭДС индукции, называемая в этом случае ЭДС самоиндукции e _s.

Так как магнитный поток Ф, порождаемый проводником с током I, пропорционален силе тока, то можно записать (где L - некоторый коэффициент). Тогда  и ЭДС самоиндукции в проводнике, равна: 

.

Ток самоиндукции I_s, направление которого также определяют по правилу Ленца, противодействует изменению силы основного тока I. Так как , то коэффициент L, называемый индуктивностью контура (проводника), характеризует способность контура (или данного элемента электрической схемы) сохранять силу протекающего в нём тока, т.е. L аналогична массе тела в поступательном движении и моменту инерции во вращательном движении. Таким образом, можно утверждать, что индуктивность проводника L есть мера его электрической инертности, т.е. – мера способности проводника сохранять силу протекающего по нему тока.

Индуктивность проводника L зависит от: 1) магнитной проницаемости m среды, в которой находится проводник;    2) формы и размеров проводника.

Суть (физический смысл) явления самоиндукции заключается в невозможности как мгновенного создания магнитного поля (разновидности материи) вокруг проводника с током, так и мгновенного уничтожения этого поля при отключении тока в проводнике, так как реализация любого процесса требует некоторого времени Dt. Причём, энергия магнитного поля вокруг проводника равна  (не случайно эта формула похожа на формулу для расчёта кинетической энергии тела ) и при исчезновении поля (при отключении тока) вся его энергия возвращается в электрическую цепь (через порождённое вихревое электрическое поле) также за некоторое время ~L.

Вследствие этого при подаче на проводник прямоугольного импульса электрического напряжения форма импульса протекающего через проводник тока будет немного иной ("смазанной"):

Переменный электрический ток

Это ток, изменяющийся как по величине, так и по направлению. Наиболее распространённым является переменный ток, напряжение и сила которого изменяются по гармоническому закону:  и I(t) = .

Именно такой ток используют в электрических силовых сетях, причём частота n промышленного тока выбрана равной 50 Гц, что обеспечивает минимальные потери при передаче электроэнергии по проводам. Другими важными достоинствами переменного тока, по сравнению с постоянным, являются: простота изменения его силы и напряжения посредством трансформаторов, простота преобразования электрической энергии в механическую.

Для переменного тока введены понятия эффективных значений силы тока I _эфф и напряжения U _эфф. Они численно равны значениям силы тока и напряжения такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется такое же количество теплоты, что и при протекании данного переменного тока. Связь I _эфф и U _эфф  с амплитудными значениями I_m и U_m следующая:

   ;  .

Измерительные приборы показывают именно эффективные значения силы тока и напряжения. Например, в осветительной сети напряжение 220 В соответствует его эффективному значению, амплитудное же значение напряжения равно U_m= ×220 В » 308 B.

В промышленности переменный ток получают, в основном, с помощью электродинамических генераторов. Такой генератор состоит из статора - неподвижного постоянного электромагнита и ротора – вращающегося под действие внешней силы (неэлектрической природы) контура с множеством витков провода. Магнитный поток, пронизывающий один виток контура, изменяется при вращении ротора по закону:

.

Если же на роторе не один, а N витков, то магнитный поток через все витки равен: Ф(t)= N×Ф₁(t) = N×B×S×cos(wt). Тогда с токосъёмных колец ротора можно снять ЭДС:

.

Если через обмотку ротора генератора пропустить переменный ток, то под действием силы Ампера ротор придёт во вращение. Так электродинамический генератор  превращают

в электродвигатель. Первый электродвигатель был создан в 1834 году в Петербурге инженером Борисом Семёновичем Якоби (ещё был жив А.С. Пушкин!).