Превращение энергии в колебательном контуре. Переменный ток. Генератор переменного тока

1.

Превращение энергии в
колебательном контуре.
Переменный
ток.
Генератор переменного
тока.

2.

Природа колебаний
В электрических цепях, так же как и в механических системах,
таких как груз на пружине или маятник, могут
возникать свободные колебания.
Электромагнитными колебаниями называют периодические
взаимосвязанные изменения заряда, силы тока и напряжения.
Свободными колебаниями называют такие, которые
совершаются без внешнего воздействия за счет первоначально
накопленной энергии.
Вынужденными называются колебания в цепи под действием
внешней периодической электродвижущей силы
Свободные электромагнитные колебания – это периодически
повторяющиеся изменения электромагнитных величин (q –
электрический заряд, I – сила тока, U – разность потенциалов),
происходящие без потребления энергии от внешних источников.
Простейшей электрической системой, способной совершать
свободные колебания, является последовательный RLCконтур или колебательный контур.

3.

Колебательный контур – это система, состоящая из
последовательно соединенных конденсатора емкости C, катушки
индуктивности L и проводника с сопротивлением R. Рассмотрим
закрытый колебательный контур, состоящий из индуктивности L и
емкости С.
Чтобы возбудить колебания в этом контуре,
необходимо сообщить конденсатору некоторый
заряд от источника ε. Когда ключ Kнаходится в
положении 1, конденсатор заряжается до
напряжения . После переключения ключа в
положение 2 начинается процесс разрядки
конденсатора через резистор R и катушку
индуктивности L. При определенных условиях
этот процесс может иметь колебательный
характер

4.

Свободные электромагнитные колебания
можно наблюдать на экране осциллографа.
Осциллограф – прибор, который
позволяет обнаружить наличие
колебаний.
Как видно из графика колебаний, полученного на осцилографе,
свободные электромагнитные колебания являются затухающими,
т.е.их амплитуда уменьшается с течением времени. Это происходит
потому, что часть электрической энергии на активном
сопротивлении R превращается во внутреннюю энерги. проводника
(проводник нагревается при прохождении по нему электрического
тока).

5.

Рассмотрим, как происходят колебания в колебательном
контуре и какие изменения энергии при этом происходят.
Рассмотрим сначала случай, когда в контуре нет
потерь электромагнитной энергии (R = 0).
Если зарядить конденсатор до напряжения U0 то в
начальный момент времени t1=0 на обкладках
конденсатора установятся амплитудные значения
напряжения U0 и заряда q0 = CU0.
Полная энергия W системы равна энергии
электрического поля Wэл:
Если цепь замыкают, то начинает течь ток. В контуре
возникает э.д.с. самоиндукции

6.

Вследствие самоиндукции в катушке конденсатор
разряжается не мгновенно, а постепенно (так как,
согламно правилу Ленца, возникающий индукционный
ток своим магнитным полем противодействует тому
изменению магнитного потока, которым он вызван. Т.е.
магнитное поле индукционного тока не дает
мгновенно увеличиться магнитному потоку тока в
контуре). При этом ток увеличивается постепенно,
достигая своего максимального значения I0 в момент
времени t2=T/4, а заряд на конденсаторе становится
равным нулю.
По мере разрядки конденсатора энергия электрического
поля уменьшается, но одновременно возрастает энергия
магнитного поля. Полная энергия контура после
разрядки конденсатора равна энергии магнитного поля
Wм:

7.

В момент времени t3=T/2 заряд конденсатора опять максимален и равен
первоначальному заряду q = q0, напряжение тоже равно
первоначальному U = U0, а ток в контуре равен нулю I = 0.
Затем конденсатор снова разряжается, ток через индуктивность течёт в
обратном направлении. Через промежуток времени Т система приходит в
исходное состояние. Завершается полное колебание, процесс повторяется.

8.

В любой момент времени полная энергия:
-При свободных колебаниях происходит периодическое превращение
электрической энергии Wэ, запасенной в конденсаторе, в магнитную
энергию Wм катушки и наоборот. Если в колебательном контуре нет
потерь энергии, то полная электромагнитная энергия системы
остается постоянной.
-Свободные электрические колебания аналогичны механическим
колебаниям. На рисунке приведены графики изменения заряда q(t)
конденсатора и смещения x(t) груза от положения равновесия, а также
графики тока I(t) и скорости груза υ(t) за один период колебаний.

9.

В отсутствие затухания свободные колебания в электрическом контуре
являются гармоническими, то есть происходят по закону
q(t) = q0cos(ωt + φ0)
Параметры L и C колебательного контура определяют только
собственную частоту свободных колебаний
и период колебаний
- формула Томпсона
Амплитуда q0 и начальная фаза φ0 определяются начальными
условиями, то есть тем способом, с помощью которого система была
выведена из состояния равновесия.
Для колебаний заряда, напряжения и силы тока получаются формулы:
Для конденсатора:
q(t) = q0cosω0t
U(t) = U0cosω0t
Для катушки индуктивности:
i(t) = I0cos(ω0t + π/2)
U(t) = U0cos(ω0t + π)

10.

Вспомомним основные характеристики колебательного
движения:
q0, U0, I0 - амплитуда – модуль наибольшего значения
колеблющейся величины
Т - период – минимальный промежуток времени через который
процесс полностью повторяется
ν - Частота – число колебаний в единицу времени
ω - Циклическая частота – число колебаний за 2п секунд
φ - фаза колебаний - величина стоящая под знаком косинуса
(синуса) и характеризующая состояние системы в любой
момент времени.
У свободных колебаний со временем амплитуда уменьшается и
они затухают. Для того, чтобы колебания не затухали,
необходимо воздействовать на колебательную
систему внешней периодически изменяющейся силой. Такие
колебания называют вынужденными.
Вынужденные электрические колебания называют переменным
электрическим током.
Электрический ток, изменяющийся со временем по
направлению и по величине по гармоническому закону,
называют переменным током.

11.

В цепи переменного тока мощность тоже будет менять своё значение. Как
правило, нам надо знать среднюю мощность. Для её вычисления удобно
пользоваться действующими значениями силы тока и напряжения.
Вольтметр и амперметр переменного тока всегда показывают действующие
значения.
Мгновенное значение переменного тока, текущего по активному сопротивлению
R,
определяется по закону Ома:
где I0 = ε0/R – амплитудное значение силы тока.
Ток по фазе совпадает с э.д.с.
Величина, равная квадратному корню из среднего значения квадрата
мгновенного тока, называется действующим значением переменного тока.
Обозначается I.
Действующее значение переменного напряжения определяется аналогично
действующему значению силы тока:
Действующее (эффективное) значение переменного
тока и действующее (эффективное) значение напряжения равно
напряжению и силе постоянного тока, выделяющего в проводнике то же
количество теплоты, что и переменный ток за то же время.

12.

«Генератор переменного
тока»
Генератор переменного тока
(альтернатор) является
электромеханическим
устройством, которое преобразует
механическую энергию в
электрическую энергию
переменного тока. Большинство
генераторов переменного тока
используют вращающееся
магнитное поле.

13.

История:
Системы производящие переменный ток были
известны в простых видах со времён открытия
магнитной индукции электрического тока. Ранние
машины были разработаны Майклом Фарадеем и
Ипполитом Пикси.
Фарадей разработал «вращающийся треугольник»,
действие которого было многополярным — каждый
активный проводник пропускался последовательно
через область, где магнитное поле было в
противоположных направлениях. Первая публичная
демонстрация наиболее сильной «альтернаторной
системы» имела место в 1886 году. Большой
двухфазный генератор переменного тока был
построен британским электриком Джеймсом
Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году. Лорд
Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали
ранний альтернатор, производивший частоты между
100 и 300 герц. В 1891 году Никола Тесла
запатентовал практический «высокочастотный»
альтернатор (который действовал на частоте около
15000 герц). После 1891 года, были введены
многофазные альтернаторы.
Принцип действия генератора основан на действии
электромагнитной индукции — возникновении
электрического напряжения в обмотке статора,
находящейся в переменном магнитном поле. Оно
создается с помощью вращающегося
электромагнита — ротора при прохождении по его
обмотке постоянного тока. Переменное напряжение
преобразуется в постоянное полупроводниковым
выпрямителем.

14.

Общий вид генератора
переменного тока с
внутренними полюсами.
Ротор является индуктором,
а статор — якорем
Ротор – сердечник,
вращающийся вокруг
горизонтальной или
вертикальной оси вместе
со своей обмоткой.
Статор – неподвижный сердечник с его обмоткой.

15.

Схема устройства
генератора: 1 —
неподвижный
якорь, 2 —
вращающийся
индуктор,
3— контактные
кольца,
4— скользящие по
ним
щетки

16.

Вращающийся
индуктор
генератора I
(ротор) и якорь
(статор) 2, в
обмотке которого

17.

Ротор
(индуктор)
генератора
переменного
тока
с
внутренними
полюсами. На валу ротора
справа
показан
ротор
вспомогательной
машины,

18.

19.

20.

Виды генераторов:
Турбогенератор – это генератор,
который приводится в действие
паровой или газовой турбиной.

21.

Дизельагрегат
-
генерат
ор,
ротор
которог
о
вращает
ся от
двигате

22.

Гидроге
нератор
вращает
гидроту
рбина.

23.

Генератор переменного тока начала 20-го века сделанный в Будапеште,
Венгрия, в зале производства электроэнергии гидроэлектростанции
(фотография Прокудина-Горского, 1905—1915).

24.

Автомобильный
генератор
переменного
тока.
Приводной
ремень снят.

25.

Широкое применение генераторов переменного тока:
Ни для кого не станет удивительным тот факт, что в наши дни популярность,
востребованность и спрос таких устройств, как электростанции и генераторы
переменного тока, достаточно высоки. Это объясняется, прежде всего, тем, что
современное генераторное оборудование имеет для нашего населения огромное
значение. Помимо этого необходимо добавить и то, что генераторы переменного
тока нашли свое широкое применение в самых различных сферах и областях.
Промышленные генераторы могут быть установлены в таких местах, как
поликлиники и детские сады, больницы и заведения общественного питания,
морозильные склады и многие другие места, требующие непрерывной подачи
электрического тока. Обратите свое внимание на то, что отсутствие электричества
в больнице может привести непосредственно к гибели человека. Именно поэтому
в подобных местах генераторы должны быть установлены обязательно.
Также довольно распространенным является явление использования генераторов
переменного тока и электростанций в местах проведения строительных работ. Это
позволяет строителям использовать необходимое им оборудование даже на тех
участках, где полностью отсутствует электрификация. Однако и этим дело не
ограничилось. Электростанции и генераторные установки были
усовершенствованы и дальше. В результате этого нам были предложены бытовые
генераторы переменного тока, которые вполне удачно можно было устанавливать
для электрификации коттеджей и загородных домов.
Таким образом, мы можем сделать вывод о том, что современные генераторы
переменного тока имеют довольно широкую область применения. Кроме того они
способны решить большое количество важных проблем, связанных с некорректной
работой электрической сети, либо ее отсутствием.