Глава 11. Самопроверка

1. Где в конденсаторе сохраняется заряд?

2. Четыре конденсатора с емкостями 1,5 мкФ, 0,05 мкФ, 2000 пФ и 25 пФ соединены последовательно. Чему равна полная емкость цепи?

3. Четыре конденсатора с емкостями 1,5 мкФ, 0,05 мкФ, 2000 пФ и 25 пФ соединены параллельно. Чему равна полная емкость цепи?

ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность — электрик

Электрик может специализироваться в изготовлении аппаратуры, в ее эксплуатации или и в том, и в другом. Электрики собирают, устанавливают и эксплуатируют раз­личное оборудование: нагревательное, осветительное, энер­госнабжающее, кондиционирующее и холодильное.

Работа электрика является активной и напряженной. Электрик рискует получить поражение электрическим током, упасть или порезаться об острые предметы. Элект­рик должен уметь пользоваться защитным оборудованием и одеждой для того, чтобы избежать травм, и неукоснитель­но соблюдать правила техники безопасности.

Большая часть электриков подготавливается на основе учебных программ, которые позволяют им получать ква­лификацию по эксплуатации и по изготовлению различно­го оборудования.

К 2000 году ожидается увеличение потребности в элек­триках. По мере роста населения и экономики возрастет потребность в электриках для эксплуатации электрических систем, используемых в промышленности и дома.

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в со­стоянии:

• Описать получение напряжения переменного тока с помощью генератора переменного тока.

• Дать определения цикла, герца, синусоиды, периода и частоты.

• Описать части генератора переменного тока.

• Дать определения пикового значения, полного размаха колебания и эффективного или среднеквадратичного значения.

• Объяснить соотношение между временем и частотой.

• Описать три основных вида несинусоидальных сигна­лов.

• Знать, что несинусоидальный сигнал имеет основную частоты и гармоники.

Переменный ток широко используется в настоящее вре­мя. В отличие от постоянного тока, который течет только в одном направлении, переменный ток периодически из­меняет свое направление. Переменный ток сначала течет в одном направлении, а потом меняет направление и течет в противоположном.

Переменный ток легче генерировать и передавать на большие расстояния. Генераторы переменного тока проще и более экономичны в работе. Напряжение переменного тока может быть увеличено или уменьшено с помощью трансформатора с очень малой потерей мощности. Кроме того, переменный ток легко преобразуется в постоянный. Переменный ток можно использовать для передачи инфор­мации из одного пункта в другой по линиям передачи, а также преобразовать в электромагнитные волны и переда­вать и принимать с помощью антенных систем.

В этой главе описываются способы производства и важ­ные электрические характеристики переменного тока.

11. 1. Получение переменного тока

Генератор переменного тока преобразует механическую энергию в электрическую. Генератор переменного тока вырабатывает переменное напряжение, используя принци­пы электромагнитной индукции. Электромагнитная индук­ция — это процесс индуцирования напряжения в провод­нике, движущемся в магнитном поле.

Как описано в главе 9, правило левой руки для генера­торов может быть использовано для определения направ­ления тока в проводнике, который перемещается в магнит­ном поле: когда большой палец указывает направление движения проводника, а указательный (расположенный под прямым углом к большому) указывает направление магнитных силовых линий от севера к югу, то средний па­лец (расположенный под прямым углом к двум другим) укажет направление тока в проводнике. Максимальное на­пряжение индуцируется, когда проводник движется пер­пендикулярно силовым линиям. Если же проводник пере­мещается параллельно силовым линиям, напряжение не индуцируется.

На рис. 12-1 показана рамка, вращающаяся в магнит­ном поле. В положении А рамка (т.е. ее горизонтальные проводники) перемещается параллельно силовым линиям, и напряжение при этом не индуцируется. Повернувшись в положение Б, рамка при движении пересекает макси­мальное число магнитных силовых линий и, следователь­но, индуцируется максимальное напряжение. При переме­щении рамки в положение В количество пересекаемых си­ловых линий уменьшается, и индуцированное напряжение уменьшается также. Поворот рамки из положения А в по­ложение В представляет собой поворот на 180 градусов. Пе­ремещение рамки в положение Г приводит к возникнове­нию тока противоположного направления. Как и в преды­дущем случае, максимальное напряжение индуцируется,

Рис. 12-1. Генератор переменного тока, индуцирующий выходное напряжение.

когда плоскость рамки находится под прямым углом к си­ловым линиям. При возвращении рамки в исходное поло­жение Д индуцируемое напряжение падает до нуля.

Каждый раз, когда рамка генератора переменного тока делает полный оборот, говорят о завершении одного цик­ла. Величина выходного напряжения за время одного цик-

Якорь

Щетки

Рис. 12-3. Напряжение сни­мается с якоря генератора переменного тока с помо­щью токосъемных колец.

ла возвращается к исходному значению. Время, в течение которого совершается полный цикл, называется периодом. Аналогично, генератор вырабатывает в замкнутой цепи выходной ток, имеющий периодическую форму. Каждую половину периода происходит изменение полярности на­пряжения (рис. 12-2). Напряжение имеет одну полярность в течение половины цикла (периода) и противоположную полярность в течение следующей половины цикла (перио­да). В первую половину периода вырабатывается напряже­ние положительной полярности, во вторую половину пе­риода вырабатывается напряжение отрицательной поляр­ности. Один цикл в секунду определяется как герц.

Вращающаяся рамка называется якорем. Напряжение переменного тока, индуцируемое во вращающемся якоре, снимается с концов рамки с помощью скользящих контак­тов, расположенных с двух сторон якоря (рис. 12-3). Два металлических кольца, называемых токосъемными коль­цами, подсоединены к двум концам рамки. Скользящие щетки, прилегающие к токосъемным кольцам, снимают переменное напряжение. На практике генератор перемен­ного тока должен содержать много рамок для увеличения амплитуды индуцируемого напряжения.

Форма вырабатываемого генератором переменного тока напряжения называется синусоидой (рис. 12-4). Синусои­да является основной и наиболее широко используемой из всех форм переменного тока. Ее можно получить как ме­ханическим, так и электронным методом. И напряжение, и ток изменяются в виде синусоиды.

11. 

    Рис 12-4. Синусоида — основная форма перемен­ного тока.

    1. Вопросы

1. В чем функция генератора переменного linca?

2. Объясните, как работает генератор переменного тока.

3. Дайте определения следующих терминов:

а. Цикл

б. Период

в. Герц

г. Синусоида

4. Опишите главные части генератора переменного тока.

5. В чем разница между двумя половинами периода?

11. 2. ВЕЛИЧИНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Каждая точка синусоиды характеризуется двумя пара­метрами. Один из них — угол, на который повернулся якорь. Второй указывает амплитуду индуцируемой вели­чины. Амплитуда — это максимальное значение перемен­ного тока или синусоиды. Существует несколько методов определения этих значений.

Пик

Пик

Пиковое значение синусоиды — это наибольшее значе­ние функции в течение периода (рис. 12-5). Существуют два

Рис. 12-5. Пиковое зна- 360" чение синусоиды — это

точка ее наибольшего значения. Пиковое зна­чение может быть как положительным, так и отрицательным.

Рис. 12-6. Размах можно определить как сумму абсолют­ных величин пико­вых значений раз­ного знака.

пиковых значения — одно положительное, а другое отри­цательное, они равны по абсолютной величине.

Значение полного размаха синусоиды означает верти­кальное расстояние между двумя пиковыми значениями (рис. 12-6). Значение полного размаха можно определить сложением абсолютных значений пиковых величин.

Эффективное значение переменного тока — это такое значение постоянного тока, при котором на данном сопро­тивлении выделяется столько же тепла, что и при перемен­ном токе. Эффективное значение можно определить, вычис­лив среднеквадратичное значение, поэтому эффективное значение часто называют среднеквадратичным. Вычисле­ние среднеквадратичного значения показывает, что эффек­тивное значение синусоиды равно 0,707 от пикового зна­чения. Когда указывается значение переменного тока или напряжения без каких-либо уточнений, предполагается, что это эффективное значение. Большинство измеритель­ных приборов проградуировано в эффективных значениях тока или напряжения.

Е = 0,707 Е ,

эфф ⁷ макс ⁷

где Е_эфф — эффективное значение напряжения, Е_макс — максимальное или амплитудное значение напряжения.

1^ = 0,707 I ,

эфф ⁷ макс ⁷

где I .. — эффективное значение тока, I — максималь-

^ эфф ~ ~ макс

ное или амплитудное значение тока.

ПРИМЕР: Синусоида тока имеет максимальное (пико­вое) значение 10 ампер. Чему равно эффективное значение?

Дано: Решение:

1_Л =? I = 0,707 1 =(0,707)(10)

эфф. эфф ^I макс. ^х '

I = 10 А. I = 7,07 А.

макс. эфф. ’

ПРИМЕР: Синусоида напряжения имеет эффективное значение 40 вольт. Чему равно максимальное (пиковое) значение синусоиды?

Дано: Решение:

Е = ? Е = 0,707 Е

ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОНИКУ 2

Техника безопасности 10

шшз 30

КШИт) 30

= х 33