Законы переменного тока

1. Переменный ток

Цель:
Раскрыть сущность, свойства и применения переменного тока
Актуальность:
Современная цивилизация не может существовать без
электрической энергии. Во всём мире в электросети
используется переменный ток. По сравнению с постоянным
током переменный имеет целый ряд преимуществ. Вся
медицинская техника питается от сети переменного тока.
Поэтому знание свойств переменного тока является очень
важным в подготовке врачей.

2.

Переменный электрический ток
План лекции:
Введение
1. Генерация переменного тока
2. Основные параметры цепи переменного тока
3. Активное сопротивление в цепи переменного
тока
4. Конденсатор в цепи переменного тока
5. Индуктивность в цепи переменного тока
6. Резонанс в цепи переменного тока
7. Использование частотных свойств конденсатора
и катушки индуктивности

3. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.

Условия для создания
электрического тока:
наличие свободных
носителей заряда
(электронов, ионов);
наличие электрического
поля;
замкнутость цепи.
3

4. Действия электрического тока: 1. тепловое, 2. химическое, 3. магнитное. 4. световое

4

5. Величина тока – физическая величина, характеризующая действие тока.

I
обозначается –
измеряется в Амперах – А
прибор для измерения
– Амперметр
I=q/t
5

6. Напряжение – физическая величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению единичного заряда между 2-мя

Обозначается – U
Измеряется в Вольтах, В
Прибор для измеренияВольтметр
U=A/q
6

7.

Генерация переменного
тока
В
Ф = BS coswt
E = -Ф` = Bswsinwt = Emsinwt
E
t
a
n
w
Вращающаяся рамка
Во вращающейся в однородном магнитном
поле рамке индуцируется синусоидальная ЭДС

8.

Простейший генератор
переменного тока
~
Катушка
Е
t
w
Вращающийся магнит

9.

RCL
в цепи переменного тока -1
.

10.

1. Действующие значения
тока и напряжения.
Активное сопротивление в
цепи переменного тока

11.

Действующие значения тока и напряжения, виды сопротивлений
Для рассмотрения этого вопроса давайте вспомним, чем обусловлено
сопротивление проводника прохождению тока через него:
-
Е
-
При прохождении тока через проводник свободные электроны
испытывают соударения с атомами кристаллической решетки, передавая
им часть своей энергии. При этом внутренняя энергия проводника
увеличивается (он нагревается и оказывает сопротивление току)
Такой вид сопротивления называется активным (есть еще один вид
сопротивления – реактивное, не вызывающее нагрева проводника и
обусловленное другими процессами)

12.

Действующие значения тока и напряжения, виды сопротивлений
Рассмотрим активное сопротивление в цепи переменного тока:
U U m cos wt
R
Мгновенное значение силы
тока через активное
сопротивление
пропорционально
мгновенному значению
напряжения
U U m cos wt
i
I m cos wt
R
R
Колебания напряжения и силы тока на активном сопротивлении
совпадают по фазе

13.

Активное сопротивление в цепи переменного тока
Графики изменения напряжения и силы
тока на активном сопротивлении
w
U
I
Время, с
Колебания напряжения
Колебания силы тока
Колебания напряжения и силы тока на активном сопротивлении
совпадают по фазе

14.

Сравнение действия постоянного и переменного
тока на активное сопротивление
Постоянный
ток
Переменный ток
U
Uд
Umax
Um
Uд
0,7U m
2
U = Umaxsin (wt)
I = Imax sin(wt)

15.

Активное сопротивление в цепи переменного тока
Аналогично действующее значение напряжения:
Um
Uд
0,7U m
2
Тогда действующая мощность (средняя мощность):
P Uд Iд
а выделяемое в проводнике тепло:
2
Uд
Q U д I д t I д R t
t
R
2

16.

Ток,
напряжение и мощность в активном
сопротивлении
P = UI cosf
f 0
w
I
U
Средняя мощность в активном
сопротивлении не равна нулю

17.

2. Конденсатор в цепи
переменного тока
C

18.

Конденсатор в цепи переменного тока
Давайте вспомним, что такое конденсатор
Конденсатор – это система из двух
проводников, разделенных слоем
диэлектрика (воздуха, слюды,
керамики …)
Ясно, что конденсатор
– это разрыв в цепи
(подобно
разомкнутому
выключателю),
поэтому постоянный
ток конденсатор не
проводит

19.

Конденсатор в цепи переменного тока
Посмотрим, как ведет себя конденсатор в цепи переменного
тока:
Замкнем цепь и понаблюдаем движение электронов в цепи:
~
Источник ~ тока,
обладающий
Мы видим, что ток между обкладками конденсатора по
прежнему не идет, однако вследствие перезарядки
конденсатора через лампочку идет переменный ток – т.е.
конденсатор проводит переменный ток
и
r

20.

Конденсатор в цепи переменного тока
Итак, конденсатор проводит переменный ток, однако он
оказывает току сопротивление, которое называется емкостным
сопротивлением
1
1
XС
wC 2 C
w
XС
- емкостное
сопротивление
- циклическая частота протекающего тока
С – электроемкость конденсатора
- частота тока

21.

Конденсатор в цепи переменного тока
График зависимости сопротивления конденсатора от частоты:
XС
XС1
XС2
С1
С2
С2>C1
Сопротивление конденсатора зависит и от его электроемкости:
при фиксированной частоте конденсатор с большей емкостью будет
обладать меньшим сопротивлением

22.

Конденсатор в цепи переменного тока
Сдвиг фаз между напряжением и током:
Если напряжение на конденсаторе меняется по закону:
U U m cos wt
то заряд на конденсаторе равен:
q CU m cos wt
тогда сила тока в цепи:
i q (CU m cos wt ) U m Cw sin wt
U m Cw cos(wt )
2
Колебания тока на конденсаторе опережают колебания
напряжения на /2

23.

Конденсатор в цепи переменного тока
Графики тока и напряжения на конденсаторе:
I
U
w
Время, с
Колебания напряжения
Колебания силы тока
В конденсаторе ток опережает напряжение

24.

Мощность
в ёмкостном сопротивлении
P = UI cos φ
φ = - /2
I
w
ϕ
U
В конденсаторе средняя
мощность за период равна нулю!

25.

3. Индуктивность в цепи
переменного тока
L

26.

Индуктивность в цепи переменного тока
Давайте вспомним, что такое индуктивность
Индуктивность L– это физическая величина,
подобная массе в механике. Как в механике для
изменения скорости тела нужно время, и масса
является мерой этого времени (инерция), так и
электродинамике для изменения тока через
проводник нужно время и индуктивность является
мерой этого времени (самоиндукция)
L
Катушка индуктивности –
это обычный проводник с
необычной формой,
обладающий активным
сопротивлением.
Поэтому катушка хорошо
проводит постоянный ток,
значение которого
ограничено только его
активным сопротивлением
Явление самоиндукции возникает только в моменты включения и
выключения (препятствует любому изменению тока)

27.

Индуктивность в цепи переменного тока
Посмотрим, как ведет себя индуктивность в цепи переменного
тока:
Замкнем цепь и сравним яркость горения лампочек 1 и 2
Л1
Л2
R
L
~
Источник ~ тока,
обладающий
и
r
В цепи сопротивление R поберем равным активному сопротивлению L
Лампочка Л1 горит гораздо ярче, чем Л2
Почему ?

28.

Индуктивность в цепи переменного тока
Все дело в явлении самоиндукции, возникающей в катушке при
любом изменении тока, которое мешает этому изменению –
поэтому у катушки индуктивности кроме активного
сопротивления провода, из которого она сделана, появляется
еще одно сопротивление, обусловленное явлением
самоиндукции и называемое индуктивным сопротивлением
X L wL 2 L
w-
циклическая частота протекающего тока
L – индуктивность катушки
- частота тока
XL

29.

Индуктивность в цепи переменного тока
Сдвиг фаз между напряжением и током:
Если ток в катушке изменяется по закону:
i I m cos wt
то напряжение на катушке изменяется по закону:
U U m cos(wt )
2
Ток в катушке индуктивности отстает от напряжения
/2

30.

Индуктивность в цепи переменного тока
Графики тока и напряжения на индуктивности:
U
I
w
Время, с
Колебания напряжения
Колебания силы тока
В катушке ток отстаёт от напряжения

31.

Мощность
в индуктивном сопротивлении
P = UI cos φ φ = + /2
U
ϕ
I
w
Средняя мощность за период в катушке равна нулю!

32.

4. Использование
частотных свойств
конденсатора и катушки
индуктивности

33.

5. Использование частотных свойств конденсатора и катушки
Таким образом, в цепи переменного тока можно выделить 3 вида
сопротивлений (или три вида элементов, оказывающих сопротивление
току)
СОПРОТИВЛЕНИЕ
R
активное
реактивное
XL индуктивное
емкостное XC
Реальные электрические цепи содержат все виды сопротивлений
(активное, индуктивное и емкостное), поэтому ток в реальной цепи зависит
от ее полного (эквивалентного) сопротивления, а сдвиг фаз определяется
величиной L и C цепи

34.

5. Использование частотных свойств конденсатора и катушки
Итак,
• конденсатор хорошо проводит ВЧ колебания, и плохо – НЧ
колебания
• катушка наоборот: хорошо НЧ колебания и плохо – ВЧ
колебания
Эти свойства позволяют создать:
1. Различные частотные фильтры – схемы, позволяющие
выделить из всего сигнала (например от магнитофона) НЧ и ВЧ
составляющие:
Вход сигнала
от
магнитофона
НЧ
ВЧ
! Объясните на основе свойств конденсатора и катушки
действие частотного фильтра, представленного на схеме
Используя различные значения R, L и C, можно создавать
фильтры с заданными параметрами (полосой пропускания)

35.

XL
Z
Цепь
f
R; C; L
R
XC
R
UL
C
Если XL = XC,
L
U
то Z = R
Резонанс напряжений
I
ϕ
I
UR
UC
рез
1
2 LC
w

36.

5. Использование частотных свойств конденсатора и катушки
2. Электрический колебательный контур, состоящий из конденсатора и
катушки индуктивности
L
C
Резонанс токов
Колебательный контур обладает
замечательный свойством – пропускать
колебания (резонировать) только
определенной частоты, зависящей от
емкости конденсатора и индуктивности
катушки
рез
1
2 LC
Эти свойства контура широко
применяются в радио и
телеприемной и передающей
аппаратуре для селекции сигналов

37. Контрольные вопросы

1. Что такое электрический ток и в чём он измеряется.
2. Какие условия необходимы для существования тока?
3. На каком принципе работает генератор переменного тока?
4. Какое сопротивление является активным?
5. Особенности поведения конденсатора в цепи переменного тока
6. Особенности поведения катушки в цепи переменного тока
7. Что такое индуктивное и ёмкостное сопротивления?
8. Особенности мощности в цепи переменного тока в активном
сопротивлении, в конденсаторе и в катушке индуктивности
9. Что такое колебательный контур?
10. Что такое электрический резонанс и где он применяется?

38.

Основная литература
Ремизов, А.Н.
Медицинская и биологическая физика : учебник для студентов
медицинских вузов [8-е изд., стереотип.] / А. Н. Ремизов, А. Г.
Максина, А. Я. Потапенко − М. : Дрофа, 2008. − 558 с.
Дополнительная литература
Антонов,
В.Ф.
Колонда,
Г.Г.
Ремизов,
А.Н.
Физика и биофизика: учебник для вузов / В.Ф. Антонов, А.М.
Черныш, Е.К. Козлова [и др.]; ред. В.Ф. Антонов − М.: ГЭОТАРМедиа, 2008. − 480 с.
Лекции по курсу медицинской и биологической физики. Раздел
«Электродинамика»: учебное пособие / Г.Г. Колонда, Р.Ш.
Ибрагимов − Новосибирск: Сибмедиздат, 2006. − 92 с.
Курс физики : учебник для студентов вузов / А.Н. Ремизов, А.Я.
Потапенко − М. : Дрофа, 2004. − 720 с.
Медицинская и биологическая физика: курс лекций с задачами;
учебное пособие / В.Н. Федорова, Е.В. Фаустов − М.: ГЭОТАРФедорова,
Медиа, 2010. − 592 с.
В.Н.