Переменный ток. Производство, передача и потребление электрической энергии

Амплитуда колебаний ${\displaystyle I_{0}}$ — максимальное отклонение силы тока от своего среднего значения. В системе СИ единица ${\displaystyle I_{0}}$измерения Ампер.

Циклическая частота ${\displaystyle \omega }$ колебаний силы тока ${\displaystyle I}$ — количество полных колебаний силы тока ${\displaystyle I}$ за ${\displaystyle 2\pi }$ секунд. В системе СИ единица измерения ${\displaystyle \omega }$ радиан в секунду.

Период колебаний ${\displaystyle T}$ силы тока ${\displaystyle I}$ — время одного полного колебания силы тока ${\displaystyle I}$. В системе СИ единица измерения секунда. За время, равное периоду колебаний, повторяется не только величина тока, но и его направление. Он зависит от циклической частоты и определяется формулой ${\displaystyle T={\frac {2\pi }{\omega }}}$.

Если за время ${\displaystyle \delta t}$ ток совершает ${\displaystyle N}$ полных колебаний, то период ${\displaystyle T}$ определяется формулой ${\displaystyle T={\frac {\delta t}{N}}}$.

Частота колебаний ${\displaystyle \nu }$ силы тока ${\displaystyle I}$ — число полных колебаний силы тока ${\displaystyle I}$ в единицу времени. В системе СИ единица измерения ${\displaystyle \nu }$ Герц.

Если за время ${\displaystyle \delta t}$ ток совершает ${\displaystyle N}$ полных колебаний, то частота ${\displaystyle \nu }$ определяется формулой ${\displaystyle \nu ={\frac {N}{\delta t}}}$.

Таким образом, частота ${\displaystyle \nu }$ является величиной, обратной периоду колебаний ${\displaystyle T}$, то есть ${\displaystyle \nu ={\frac {1}{T}}={\frac {\omega }{2\pi }}}$.

Действующее (эффективное) значение ${\displaystyle I_{d}}$ переменного тока равно величине такого постоянного тока, который за время, равное одному периоду переменного тока, произведёт такую же работу (тепловой или электродинамический эффект), что и рассматриваемый переменный ток.

Аналогично определяется и действующее значение напряжения ${\displaystyle U_{d}}$.

В случае гармонических колебаний тока связь амплитуд и действующих значений тока и напряжения имеет вид:

${\displaystyle I_{d}={\frac {I_{0}}{\sqrt {2}}}}$, ${\displaystyle U_{d}={\frac {U_{0}}{\sqrt {2}}}}$

Закон Ома справедлив для мгновенных значений переменного тока.

Активное сопротивление. Обычное сопротивление в цепи переменного тока ведёт себя так же, как и в цепи постоянного тока — на нём создаётся падение напряжения, и электрическая энергия переходит в джоулево тепло. Такое сопротивление называется активным.

Колебания напряжения и силы тока совпадают по фазе. Если ${\displaystyle u=U_{0}\cos \omega t}$, то ${\displaystyle i=I_{0}\cos \omega t}$.

Средняя за период мощность переменного тока, выделяющаяся на активном сопротивлении: ${\displaystyle P={\frac {I_{0}U_{0}}{2}}}$

Индуктивное сопротивление. В катушке индуктивности в цепи переменного тока вследствие электромагнитной индукции наводится ЭДС, препятствующая изменению тока в цепи. Поэтому индуктивность сглаживает резкие изменения тока. Таким образом, чем больше частота тока, тем большим сопротивлением обладает данная катушка.

Для постоянного тока катушка не является сопротивлением. Колебания напряжения опережают по фазе колебания силы тока на четверть периода. Если ${\displaystyle i=I_{0}\cos \omega t}$, то

${\displaystyle u=U_{0}\cos(\omega t+{\frac {\pi }{2}})=-U_{0}\sin \omega t}$,

Связь между амплитудами: ${\displaystyle I_{0}={\frac {U_{0}}{X_{L}}}}$, где ${\displaystyle X_{L}=\omega L}$ — индуктивное сопротивление.

Ёмкостное сопротивление. Конденсатор не проводит постоянный ток. Для переменного тока конденсатор является сопротивлением, в том смысле, что он влияет на связь между амплитудами тока и напряжения в цепи. Это влияние обусловлено ЭДС, возникающей на конденсаторе при его зарядке.

Колебания напряжения отстают по фазе от колебаний силы тока на четверть периода. Если ${\displaystyle i=I_{0}\cos \omega t}$, то

${\displaystyle u=U_{0}\cos(\omega t-{\frac {\pi }{2}})=U_{0}\sin \omega t}$

Связь между амплитудами: ${\displaystyle I_{0}={\frac {U_{0}}{X_{C}}}}$, где ${\displaystyle X_{C}={\frac {1}{\omega C}}}$ — ёмкостное сопротивление.

Индуктивное и ёмкостное сопротивления носят названия «реактивные сопротивления».

Таким образом, полное сопротивление цепи переменного тока включает в себя активные и реактивные сопротивления и зависит от частоты:

${\displaystyle Z={\sqrt {R^{2}+(X_{L}-X_{C})^{2}}}}$, где ${\displaystyle R}$ — активное сопротивление,

${\displaystyle X_{L}=\omega L}$, ${\displaystyle X_{C}={\frac {1}{\omega C}}}$ — реактивное сопротивление.

Генерация (производство) электрической энергии — это получение электроэнергии из неэлектрических видов энергии (механическая, солнечная, тепловая, химическая).

Основной способ производства генерации — использование индукционных генераторов, в которых в результате вращения ротора механическая работа преобразуется в электрическую энергию. Частота тока, генерируемого электростанциями, в России составляет 50 герц, а напряжение — 10-20 киловольт.

Электрогенераторы устанавливаются на различных типах электростанций, где они приводятся в движение разными источниками энергии. На гидроэлектростанциях генераторы запускаются силой падающей воды с высоты. На атомных электростанциях генераторы вращаются паровыми турбинами, которые используют тепловую энергию, выделяющуюся при делении ядер. На теплоэлектростанциях генераторы приводятся в движение паровыми турбинами, которые используют энергию, полученную от сгорания ископаемых топлив, таких как уголь, газ и мазут. Приливные электростанции используют энергию морских приливов, а ветряные электростанции — энергию ветра.

Возможна генерация и без использования электромеханических генераторов. Широкое распространение получили солнечные батареи, основанные на фотоэлементах, непосредственно преобразующих солнечную энергию в электрическую. Применяются химические источники тока, в которых электричество получается в результате химической реакции.

Для того, чтобы обеспечить поступление электрической энергии переменного тока от производителя потребителю, используются линии электропередач (ЛЭП).

В большинстве случаев линии электропередач объединены в сети, соединяющие огромное количество производителей и потребителей электроэнергии. Как в линиях электропередач, так и у различных потребителей разнится напряжение переменного тока, с которым они работают.

Для изменения напряжения переменного тока используются трансформаторы — это устройство, предназначенное для изменения напряжения переменного тока. Он состоит из двух катушек, или обмоток, которые обёрнуты вокруг сердечника из ферромагнитного материала. Коэффициент трансформации — это отношение количества витков в обмотках трансформатора: ${\displaystyle k={\frac {n_{1}}{n_{2}}}}$. В процессе передачи электроэнергии по линиям электропередач, трансформаторы используются для повышения напряжения, а при распределении электроэнергии потребителям — для его понижения.

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм). Говоря проще, трансформаторы работают только на переменном токе.
2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция):

${\displaystyle {\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {\epsilon _{1}}{\epsilon _{2}}}={\frac {n_{1}}{n_{2}}}=k}$

Если ${\displaystyle k>1}$, то трансформатор понижающий, если ${\displaystyle k<1}$ — трансформатор повышающий.

Электрическая энергия используется для освещения, обогрева, совершения механической работы.

В электродвигателях используется сила Ампера, которая оказывает воздействие на проводник с постоянным током со стороны магнитного поля. Простейшая модель электродвигателя представляет собой рамку с током, помещённую в магнитное поле постоянного магнита. На противоположные стороны рамки действуют противоположно направленная сила Ампера, что приводит рамку во вращение. Помимо использования постоянных магнитов, в электродвигателях также применяются электромагниты. Кроме того, электродвигатели способны работать и на переменном токе.