Уникальные учебные работы для студентов


Токи высокой частоты и их применение реферат по физике

Если ЭДС источника не изменяется со временем и остаются неизменными параметры цепи, то через некоторое время после замыкания цепи изменения силы тока прекращаются, в цепи течет постоянный ток.

Однако в современной технике широко применяются не только источники постоянного тока, но и различные генераторы электрического тока, в которых ЭДС периодически изменяется.

При подключении в электрическую цепь генератора переменной ЭДС в цепи возникают вынужденные электромагнитные колебания или переменный ток. Переменный ток — это периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника или Переменный ток — это электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону. Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.

Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что токи высокой частоты их применение реферат по физике протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.

Резистор в цепи переменного тока Пусть цепь состоит из проводников с малой индуктивностью и большим сопротивлением R из резисторов. Например, такой цепью может быть нить накаливания электрической лампы и подводящие провода. Величину R, которую мы до сих пор называли электрическим сопротивлением или просто сопротивлением, теперь будем называть активным сопротивлением. В цепи переменного тока могут быть токи высокой частоты их применение реферат по физике другие сопротивления, зависящие от индуктивности цепи и ее емкости.

Сопротивление R называется активным потому, что, только на нем выделяется энергия, то есть Сопротивление элемента электрической цепи резисторав котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным сопротивлением. Итак, в цепи имеется резистор, активное сопротивление которого R, а катушка индуктивности и конденсатор отсутствуют рис. Как и в случае постоянного тока, мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения.

Поэтому можно считать, что мгновенное значение силы тока определяется законом Ома: Следовательно, в проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения рис.

Катушка в цепи переменного тока Индуктивность влияет на силу переменного тока в цепи.

Это можно обнаружить с помощью простого опыта. Составим цепь из катушки большой индуктивности и лампы накаливания рис. С помощью переключателя можно присоединять эту цепь либо к источнику постоянного напряжения, либо к источнику переменного напряжения. При этом постоянное напряжение и действующее значение переменного напряжения должны быть одинаковы.

Опыт показывает, токи высокой частоты их применение реферат по физике лампа светится ярче при постоянном напряжении. Следовательно, действующее значение силы тока в рассматриваемой цепи меньше силы постоянного тока. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при нарастании силы тока вихревое электрическое поле тормозит движение электронов.

Лишь по прошествии некоторого времени сила тока достигает наибольшего установившегося значения, соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет успевать достигать тех установившихся значений, которые она приобрела бы с течением времени при постоянном напряжении, равном максимальному значению переменного напряжения.

Следовательно, максимальное значение силы переменного тока его амплитуда ограничивается индуктивностью L цепи и будет тем меньше, чем больше индуктивность и чем больше частота приложенного напряжения.

Пусть в цепь переменного тока включена идеальная катушка с электрическим сопротивлением провода, равным нулю рис. Следовательно, при изменении силы тока в катушке по гармоническому закону напряжение на ее концах изменяется тоже по гармоническому закону, но со сдвигом фазы: В момент, когда напряжение на катушке достигает максимума, сила тока равна нулю рис. В момент, когда напряжение становится равным нулю, сила тока максимальна по модулю. Отношение амплитуды колебаний напряжения на катушке к амплитуде колебаний силы тока в ней называется индуктивным сопротивлением обозначается XL: Связь амплитуды колебаний напряжения на концах катушки с амплитудой колебаний силы тока в ней совпадает по форме с выражением закона Ома для участка цепи постоянного тока: В отличие от электрического сопротивления проводника в цепи токи высокой частоты их применение реферат по физике тока, индуктивное сопротивление не является постоянной величиной, характеризующей данную катушку.

Оно прямо пропорционально частоте переменного тока. Поэтому амплитуда токи высокой частоты их применение реферат по физике силы тока в катушке при постоянном значении амплитуды колебаний напряжения должна убывать обратно пропорционально частоте.

Зависимость амплитуды колебаний силы тока в катушке от частоты приложенного напряжения можно наблюдать в опыте с генератором пере-менного напряжения, частоту которого можно изменять. Опыт показывает, что увеличение в два раза частоты переменного напряжения приводит к уменьшению в два раза амплитуды колебаний силы тока через катушку.

Конденсатор в цепи переменного тока Рассмотрим процессы, протекающие в электрической цепи переменного тока с конденсатором. Если подключить конденсатор к источнику постоянного тока, то в цепи возникнет кратковременный импульс тока, который зарядит токи высокой частоты их применение реферат по физике до напряжения источника, а затем ток прекратится.

Если заряженный конденсатор отключить от источника постоянного тока и соединить его обкладки с выводами лампы накаливания, то конденсатор будет разряжаться, при этом наблюдается кратковременная вспышка лампы.

При включении конденсатора в цепь переменного тока процесс его зарядки длится четверть периода. После достижения амплитудного значения напряжение между обкладками конденсатора уменьшается и конденсатор в течение четверти периода разряжается. В следующую четверть периода конденсатор вновь заряжается, но полярность напряжения на его обкладках изменяется на противоположную и т. Процессы зарядки и разрядки конденсатора чередуются с периодом, равным периоду колебаний приложенного переменного напряжения.

Как и в цепи постоянного тока, через диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора, электрические заряды не проходят.

Но в результате периодически повторяющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора по проводам, соединенным с его выводами, течет переменный ток. Лампа накаливания, включенная последовательно с конденсатором в цепь переменного тока рис.

Электрический ток в цепи возникает в результате изменения заряда конденсатора: Поэтому колебания силы тока в цепи происходят по закону: Это означает, что в момент, когда конденсатор начинает заряжаться, сила тока максимальна, а напряжение равно нулю.

После того как напряжение достигает максимума, сила тока становится равной нулю и т. Отношение амплитуды колебаний токи высокой частоты их применение реферат по физике на конденсаторе к амплитуде колебаний силы тока называют емкостным сопротивлением конденсатора обозначается ХC: Связь между амплитудным значением силы тока и амплитудным значением напряжения по форме совпадает с выражением закона Ома для участка цепи постоянного тока, в котором вместо электрического сопротивления фигурирует емкостное сопротивление конденсатора: Емкостное сопротивление конденсатора, как индуктивное сопротивление катушки, не является постоянной величиной.

Оно обратно пропорционально частоте переменного тока. Поэтому амплитуда колебаний силы тока в цепи конденсатора при постоянной амплитуде колебаний напряжения на конденсаторе возрастает прямо токи высокой частоты их применение реферат по физике частоте.

Закон Ома для электрической цепи переменного тока Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора, конденсатора и катушки рис. Установим связь между амплитудами колебаний силы тока и напряжения.

Поэтому можно считать, что колебания силы тока во всех элементах последовательной цепи происходят по закону: Поэтому уравнение 1 можно записать так: Амплитуду колебаний напряжения в цепи переменного тока можно выразить через амплитудные значения напряжения на отдельных ее элементах, воспользовавшись методом векторных диаграмм.

При построении векторной диаграммы необходимо учитывать, что колебания напряжения на резисторе совпадают по фазе с колебаниями силы тока, поэтому вектор, изображающий амплитуду напряжения URm, совпадает по направлению с вектором, изображающим амплитуду силы тока Im.

Мгновенное значение напряжения во всей цепи равно сумме мгновенных напряжений uR, uC и uL на отдельных элементах цепи, т. Так как сумма проекций векторов на произвольную ось равна проекции суммы этих векторов на ту же ось, то амплитуду полного напряжения можно найти как модуль суммы векторов: Поэтому мгновенное значение полного напряжения определяется формулой: Мощность в цепи переменного тока Мощность в цепи постоянного тока определяется произведением напряжения на силу тока: Физический смысл этой формулы прост: Мощность электрического тока на данном участке цепи положительна, если энергия поступает к этому участку из остальной сети, и отрицательна, если энергия с этого участка возвращается в сеть.

На протяжении очень малого интервала времени переменный ток можно считать неизменным. Поэтому мгновенная мощность в цепи переменного тока определяется такой же формулой: Поэтому для мгновенной мощности можно записать: При этом мощность меняется со временем как по модулю, так и по знаку. Как правило, во всех случаях нам надо знать среднюю мощность на участке цепи за достаточно большой промежуток времени, включающий много периодов.

Для этого достаточно определить среднюю мощность за один период. Чтобы найти среднюю мощность за период, преобразуем полученную формулу таким образом, чтобы выделить в ней член, токи высокой частоты их применение реферат по физике зависящий от времени.

С этой целью воспользуемся известной формулой для произведения двух косинусов: Выражение для мгновенное мощности состоит из двух слагаемых. Первое не зависит от времени, а второе дважды за каждый период изменения напряжения изменяет знак: Поэтому среднее значение второго слагаемого за период равно нулю. Следовательно, средняя мощность Р за период равна первому члену, не зависящему от времени: Действующее значение силы тока равно силе такого постоянного тока, при котором средняя мощность, выделяющаяся в проводнике в цепи переменного тока, равна мощности, выделяющейся в том же проводнике в цепи постоянного тока.

Заметим, что обычно электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает действующие значения измеряемых величин. Переходя к действующим значениям силы тока и напряжения, уравнение 10 можно переписать: Так будет, в частности, если цепь содержит только катушку индуктивности или только конденсатор. Как же средняя мощность может оказаться равной нулю при наличии тока в цепи?

График зависимости мгновенной мощности от времени можно получить, перемножая значения силы тока и напряжения в каждый момент времени. Из этого графика видно, что токи высокой частоты их применение реферат по физике течение одной четверти периода мощность положительна и энергия поступает к данному участку цепи; но в течение следующей четверти периода мощность отрицательна, и данный участок отдает без потерь обратно в сеть полученную ранее энергию.

Поступающая в течение четверти периода энергия запасается в магнитном поле тока, а затем без потерь возвращается в сеть. Обратного превращения внутренней энергии в электромагнитную на участке с активным сопротивлением уже не происходит. Токи высокой частоты их применение реферат по физике значительная часть энергии будет циркулировать по проводам от генератора к потребителям и обратно.

Так как провода обладают активным сопротивлением, то при этом энергия расходуется на нагревание проводов. Неблагоприятные условия для потребления энергии возникают при включении в сеть электродвигателей, так как их обмотка имеет малое активное сопротивление и большую индуктивность.

Нужно также следить, чтобы электродвигатели не работали вхолостую или с недогрузкой. Это уменьшает коэффициент мощности всей цепи.

VK
OK
MR
GP