Конспект урока: Переменный электрический ток

Получение переменного тока

Вспомним, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Если заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в единицу времени, не изменяется с течением времени, сила тока в цепи является величиной постоянной I = const.
 

В данной главе мы начинаем изучение токов, изменяющихся с течением времени, поэтому для определения величины силы тока необходимо рассматривать достаточно малый промежуток времени, такой, что силу тока на рассматриваемом промежутке времени можно считать постоянной.
 

В связи с этим необходимо ввести новое определение силы тока.

Электрический ток в бытовых электросетях изменяется с течением времени, то есть является переменным. Обычно значение силы тока изменяется по гармоническому закону.

Чтобы понять, как получают переменный электрический ток, необходимо вспомнить, в чём заключается явление электромагнитной индукции. При любом изменении числа магнитных линий, пронизывающих площадь замкнутого контура, в цепи возникает индукционный ток. Чем быстрее происходит изменение магнитного поля в области пространства, ограниченной замкнутым проводником, тем больше величина индукционного тока.

Рис. 1. Вращение рамки в поле постоянного магнита

Пусть в поле постоянного магнита находится проволочная рамка (рис. 1). В начальный момент времени линии магнитной индукции входят в площадь, ограниченную рамкой, под углом 
90° — количество магнитных линий, пронизывающих площадь рамки, максимально. При равномерном вращении рамки количество магнитных линий, пронизывающих площадь рамки, начнёт уменьшаться.

Если бы проводник был замкнут, в цепи бы возник индукционный ток. В тот момент, когда рамка расположится вдоль линий магнитной индукции, число линий, пронизывающих рамку, окажется равным нулю.
 

Продолжим вращение рамки в первоначальном направлении, количество магнитных линий будет расти, при этом линии магнитной индукции будут пронизывать рамку с противоположной стороны. В некоторый момент времени количество линий, пронизывающих площадь рамки, вновь будет максимальным. При дальнейшем вращении рамки количество магнитных линий сначала будет уменьшаться вплоть до нуля, а затем увеличиваться до максимального значения. К этому моменту рамка повернётся на 360° и окажется в первоначальном положении.

Рис. 2. Сила индукционного тока во вращающейся рамке изменяется по гармоническому закону

Если бы в рассматриваемом примере рамка была замкнутой, в ней возникал бы индукционный ток, сила тока которого, согласно закону электромагнитной индукции, также изменялась бы по гармоническому закону (рис. 2).
 

Экспериментально установлено, что между разомкнутыми концами равномерно вращающейся в однородном магнитном поле рамки возникает переменное напряжение, изменяющееся по гармоническому закону. Если подключить к концам этой рамки любой электроприбор, получается замкнутая электрическая цепь, в которой течёт переменный электрический ток. В данном случае вращающаяся в магнитном поле рамка выполняет роль источника переменного тока.

Рис. 3. Получение переменного тока при вращении постоянного магнита в рамке

Точно такого же результата можно достигнуть, если равномерно вращать магнит вокруг (или внутри) неподвижной рамки (рис. 3).
 

Именно на равномерном вращении источника магнитного поля в рамке основан принцип действия индукционного генератора электрического тока, вырабатывающего электричество на электростанциях.

На рисунке 4 изображено устройство такого генератора.

Рис. 4. Конструкция индукционного генератора

 

Индукционный генератор состоит из корпуса (статора) 1 — это неподвижная часть генератора, в которой находится рамка 2. При вращении мощного электромагнита 3 в рамке индуцируется электрический ток. Цифрой 4 обозначены скользящие контакты электромагнита, необходимые для предотвращения закручивания проводов при вращении конструкции.

Частота переменного электрического тока в России равна 50 Гц. Следовательно, ток, протекающий в любом электроприборе в вашей квартире, за секунду 100 раз меняет направление.

Трансформаторы

Передача электроэнергии на расстояния всегда сопровождается некоторыми потерями энергии, обусловленными выделением тепла в проводниках при протекании в них электрического тока. При этом чем больше амплитуда колебаний напряжения, тем меньше потери энергии на линиях электропередач. В связи с этим относительно небольшое напряжение ∼10 кВ, вырабатываемое генераторами на электростанциях, увеличивают с помощью трансформаторов до нескольких сотен киловольт и лишь затем подают на высоковольтные линии передачи электроэнергии (рис. 5, 1–4–1).

Рис. 5. Схема передачи электроэнергии от электростанции к конечному потребителю

Схема простейшего трансформатора представлена на рисунке 5.

Трансформатор представляет собой сердечник квадратной формы, на котором находятся две обмотки с разным количеством витков. Сердечник состоит из плотно прижатых изолированных друг от друга пластин, изготовленных из магнитно-мягкого материала.

Рис. 6. Устройство трансформатора

К концам первой обмотки с количеством витков N₁ приложено переменное напряжение с амплитудой U₁, по ней течет переменный электрический ток. Вокруг первой обмотки образуется переменное магнитное поле, благодаря чему во второй обмотке возникает переменный индукционный ток, амплитуда напряжения которого равна U₂. Экспериментально установлено, что отношение амплитуд напряжений равно отношению витков в обмотках:

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}$.

Если трансформатор повышающий, то $\frac{N_2}{N_1}>1$; если понижающий — $\frac{N_2}{N_1}<1$. Таким образом, на рисунке 6 представлена схема понижающего трансформатора.

Именно благодаря тому, что амплитуду напряжения можно достаточно легко изменить, переменный электрический ток по сравнению с постоянным током получил наибольшее распространение.

Итоги

• Сила тока в момент времени t — это физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за достаточно малый промежуток времени $\Delta t$, начинающийся сразу после момента времени t, к длительности этого промежутка времени.
• Если сила тока в цепи изменяется по гармоническому закону, такой ток называется переменным .
• Для увеличения или уменьшения амплитуды колебаний напряжения используются трансформаторы .