Конспект урока: Переменный ток. Источник переменного тока

Определение переменного тока

Принято различать ток постоянный, который не меняется по силе с течением времени, и переменный, который может изменять значение силы тока с течением времени. Электросети городских квартир и промышленных объектов питаются переменных током.

Строго говоря, любой ток, сила которого изменяется с течением времени, можно назвать переменным. Однако наиболее распространённым из переменных токов является ток, сила которого изменяется по гармоническому закону. Поэтому переменным мы будем называть именно такой ток.

Принцип действия источника переменного тока

Чтобы понять, на чём основан принцип действия источника переменного тока, рассмотрим прямоугольную проволочную рамку, помещённую в однородное магнитное поле (рис. 1).

Рис. 1. Вращение рамки в однородном магнитном поле

Пусть вектор индукции магнитного поля равен $\overrightarrow{B}$, площадь поверхности, ограниченной рамкой, равна $S$, а угол между вектором $\overrightarrow{B}$ и перпендикуляром $\overrightarrow{n}$ к плоскости рамки равен $\phi$. Тогда поток магнитной индукции $\Phi$, пронизывающий контур, равен

$\Phi =B·S·\cos \phi$           (1).

Будем равномерно вращать рамку вокруг оси ОО^’ с угловой скоростью $\omega$. Тогда угол $\phi$ будет изменяться по закону

$\phi ={\phi }_0+\omega ·t$                           (2).

где ${\phi }_0$ — значение угла при $t=0$. В этом случае поток магнитной индукции $\Phi$ также будет изменяться. А уравнение (1) с учётом (2) примет вид

$\Phi =B·S·\cos (\omega ·t+{\phi }_0)$                     (3). 

Изменение с течением времени магнитного потока $\Phi$, согласно закону электромагнитной индукции, приводит к возникновению в рамке ЭДС, равной

$\epsilon =-\dot{\Phi }$           (4).

Подставив уравнение (3) в (4) получим

$\epsilon =B·S·\omega ·\sin (\omega ·t+{\phi }_0)={\epsilon }_m·\sin (\omega ·t+{\phi }_0)$         (5),

где ${\epsilon }_m=B·S·\omega$ — амплитуда ЭДС.

Если концы образующего рамку провода подсоединить через кольца и щётки к электрической лампочке, то в результате действия изменяющейся по гармоническому закону ЭДС индукции в образовавшейся цепи установятся  вынужденные электромагнитные колебания . В цепи установится переменный ток. Проводя аналогию с механическими колебаниями, можно сказать, что действие переменной ЭДС на электрическую цепь сходно с действием гармонической вынуждающей силы на механическую колебательную систему.

Для увеличения амплитуды ЭДС индукции, помимо увеличения площади рамки и модуля индукции магнитного поля, можно использовать рамку из нескольких витков провода. В этом случае уравнение (3) принимает вид $\Phi =N·B·S·\cos (\omega ·t+{\phi }_0)$, где $N$— число витков провода.

Соответственно, амплитуда ЭДС тоже пропорциональна $N$:

      ${\epsilon }_m=N·B·S·\omega$                         (6).

Пример решения задачи

Упражнение 1

1. 0,13 В

2. 3,18 Гц