Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate. Pakotetut sähkömagneettiset värähtelyt. Sähkömagneettiset värähtelyt piirissä

Ne ilmestyvät ulkoisen ajoittain muuttuvan voiman läsnäollessa. Tällaisia värähtelyjä esiintyy esimerkiksi jaksollisen sähkömotorisen voiman läsnä ollessa piirissä. Muuttuva induktio-emf esiintyy useiden kierrosten lankarungossa, joka pyörii kestomagneetin kentässä.

Tässä tapauksessa kehyksen läpäisevä magneettivuo muuttuu ajoittain. Sähkömagneettisen induktion lain mukaisesti myös induktion kehittyvä EMF muuttuu ajoittain. Jos kehys suljetaan galvanometrillä, sen nuoli alkaa värähdellä tasapainoasennon ympäri, mikä osoittaa, että piirissä kulkee vaihtovirtaa. Pakotetun värähtelyn erottuva piirre on niiden amplitudin riippuvuus ulkoisen voiman muutosten taajuudesta.

Vaihtovirta.

Vaihtovirta on sähkövirta, joka muuttuu ajan myötä.

Vaihtovirta on erilaisia impulssi-, sykkivät, jaksolliset ja kvasijaksolliset virrat. Tekniikassa vaihtovirralla tarkoitetaan yleensä jaksoittaisia tai lähes jaksottaisia vaihtosuuntaisia virtoja.

Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate.

Yleisimmin käytetty jaksovirta, jonka voimakkuus vaihtelee ajan myötä harmoninen laki(harmoninen tai sinimuotoinen vaihtovirta). Tätä virtaa käytetään tehtaissa ja tehtaissa sekä asuntojen valaistusverkostossa. Se on pakotettu sähkömagneettinen värähtely. Teollinen taajuus vaihtovirta on 50 Hz. AC jännite valaistusverkon pistorasioihin syntyy voimalaitosten generaattorit. Yksinkertaisin malli tällainen generaattori on lankakehys, joka pyörii tasaisessa magneettikentässä.

Magneettisen induktion vuo F, tunkeutuu lankakehykseen, jossa on alue S, verrannollinen kulman kosiniin α kehyksen normaalin ja magneettisen induktiovektorin välillä:

Ф = BS cos α.

Rungon tasaisella kierrolla, kulma α kasvaa suhteessa aikaan t: α = 2πnt, missä n- pyörimistaajuus. Siksi magneettisen induktion vuo muuttuu harmonisesti syklisen värähtelytaajuuden kanssa ω = 2πn:

Ф = BS cos ωt.

Sähkömagneettisen induktion lain mukaan kehyksessä oleva induktio-emf on:

e \u003d -Ф "\u003d -BS (cos ωt)" \u003d ɛ m sin ωt,

missä ɛm= BSω on induktion emf:n amplitudi.

Siten AC-verkon jännite muuttuu sinimuotoisen (tai kosini) lain mukaan:

u = Um sin ωt(tai u = hm cos ωt),

missä u- hetkellinen jännitteen arvo, U m- jännitteen amplitudi.

Virta virtapiirissä muuttuu samalla taajuudella kuin jännite, mutta vaihesiirto on mahdollinen niiden välillä. φ kanssa. Siksi sisään yleinen tapaus hetkellinen virran arvo i määräytyy kaavalla:

i = I m sin(φt + φKanssa) ,

missä Olen on virran amplitudi.

Virran voimakkuus vaihtovirtapiirissä, jossa on vastus. Jos virtapiiri koostuu aktiivisesta resistanssista R ja johdot, joiden induktanssi on mitätön

Luento6 . Sähkömagneettiset värähtelyt ja aallot.

Luentosuunnitelma

Vapaat vaimentamattomat värähtelyt värähtelypiirissä.

Vapaat vaimennetut sähkömagneettiset värähtelyt.

Pakotetut sähkömagneettiset värähtelyt. sähköinen resonanssi.

Elektromagneettiset aallot.

1. Vapaat vaimentamattomat värähtelyt värähtelypiirissä.

Sähköilmiöiden joukossa erityinen paikka on sähkömagneettisilla värähtelyillä, joissa sähkösuureet (varaukset, virrat, sähkö- ja magneettikentät) muuttuvat ajoittain. Sähkömagneettisten värähtelyjen herättämiseksi ja ylläpitämiseksi tarvitaan tiettyjä järjestelmiä, joista yksinkertaisin on värähtelypiiri.

Värähtelevä piiri Piiri, joka koostuu induktanssin L kelasta ja kapasitanssin C kondensaattorista, jotka on kytketty sarjaan.

Tarkastellaan sähkömagneettisten värähtelyjen esiintymisprosessia idealisoidussa värähtelypiirissä, jossa liitäntäjohtojen resistanssi voidaan jättää huomiotta. Värähtelypiirin herättämistä varten kondensaattori varataan alustavasti, jolloin sen levyille saadaan varauksen q 0 ulkoisesta lähteestä (kuva 1).

Varautuneessa värähtelypiirissä muodostuu vapaita värähtelyjä, joita kutsutaan sähkömagneettisiksi. Tässä tapauksessa kaikkien sähköisten ja magneettisten suureiden arvot vaihtelevat.

Piirissä tapahtuu sähkömagneettisia värähtelyjä, joiden aikana sähkökentän energia muuttuu energiaksi magneettikenttä ja päinvastoin. Kuva 2 on kaavio kondensaattorin varauksesta ajasta ,

, jolla latausarvot ovat ajanhetkellä

värähtelypiirin vastaavia tiloja verrataan (a; b; c; d; e).

Sähkömagneettiset värähtelyt ovat monella tapaa samanlaisia kuin mekaaniset värähtelyt, ts. niitä kuvaavat yhtälöt ja niiden ratkaisut ovat samanlaisia.

Kirjoitetaan piirille 2. Kirchhoffin sääntö mielivaltaiselle ajanhetkelle: jännitehäviöiden summa on yhtä suuri kuin piirissä vaikuttavien emfs:ien summa. Vain yksi emf toimii piirissä - itseinduktio emf , ja jännitehäviö tapahtuu kondensaattorin yli, joten

missä

- kondensaattorilevyjen varauksen hetkellinen arvo.

Merkitse

;

-vapaiden sähkömagneettisten värähtelyjen differentiaaliyhtälö.

Siten ideaalisessa värähtelypiirissä (kuva 3) varausvärähtelyt tapahtuvat harmonisen lain mukaisesti (kuva 4).

nuo. virran vaihtelut johtavat varauksen vaihevaihteluihin, kun virta saavuttaa maksimiarvonsa, varaus ja jännite muuttuvat nollaan (ja päinvastoin).

Koska piirin luonnollinen syklinen taajuus,

Thomsonin kaava.

Vapaat vaimennetut sähkömagneettiset värähtelyt.

Koska jokaisella johtimella on vastus, virran kulkiessa värähtelypiirissä vapautuu joulen lämpöä, ts. energiaa menetetään, joten vapaat sähkömagneettiset värähtelyt todellisessa piirissä (kuva 5) vaimentuvat aina. Tällaiselle piirille

, missä

- jännitehäviö piirin aktiivisen vastuksen yli.

tai

.

Merkitse

.

-vapaiden vaimennettujen sähkömagneettisten värähtelyjen differentiaaliyhtälö.

Tämän yhtälön ratkaisu on lauseke

.

luonnollisten vaimentamattomien värähtelyjen syklinen taajuus;

luonnollisten vaimennettujen värähtelyjen syklinen taajuus;

pienenevän amplitudin laki (kuva 6), jossa - amplitudi kohdassa t = 0.

Ota selvää sanan  fyysinen merkitys. Esittelemme konseptin reaktioaika- aika, jonka amplitudi pienenee e kertaa.

Siten  on luvun  käänteisluku.

Logaritminen dekrementti per turvotus - luonnollinen logaritmi kahden amplitudin suhteen, jotka eroavat ajallisesti jaksolla.

Ajan  aikana järjestelmä värähtelee.

on niiden värähtelyjen lukumäärä, joiden amplitudi pienenee kertoimella e.

Laatutekijä kuvaa värähtelypiirin kykyä vaimentaa värähtelyjä:

K

.

Laatutekijä on verrannollinen niiden värähtelyjen lukumäärään, joiden aikana amplitudi pienenee kertoimella e.

Jos Q on suuri, värähtelyt vaimentuvat hitaasti (kuva 7,

).

Pakotetut sähkömagneettiset värähtelyt. sähköinen resonanssi.

Vapaita sähkömagneettisia värähtelyjä esiintyy taajuudella, joka määräytyy piirin parametrien mukaan ,ja , ja todellisessa värähtelevässä piirissä heikkenevät ajan myötä energiahäviöiden vuoksi. Vaimentamattomien värähtelyjen saamiseksi energiahäviöt on kompensoitava. Siten vaimentamattomien sähkömagneettisten värähtelyjen saamiseksi on tarpeen viedä piiriin emf, joka muuttuu ajoittain ajan myötä harmonisen lain mukaan:

missä  0 on emf-amplitudi;  on ajo-emf:n syklinen taajuus.

pakko kutsutaan sähkömagneettisiksi värähtelyiksi, jotka tapahtuvat ajoittain muuttuvan emf:n vaikutuksesta (kuva 8).

koska

,

-pakotettujen sähkömagneettisten värähtelyjen differentiaaliyhtälö.

Voidaan todistaa, että tämän yhtälön ratkaisu on lauseke:

H ja fig. Kuva 9 esittää kaaviota kondensaattorin varauksen riippuvuudesta ajasta vakaan tilan pakotettujen sähkömagneettisten värähtelyjen tapauksessa.

Pakkovärähtelyjä tehdään samalla taajuudella , joka on pakottava e.m.f. Kokeellisesti on todettu, että muutos on jäljessä muutoksessaan emf:n muutoksista ;y- värähtelyjen vaihe-ero ja , vaihesiirto muutoksen välillä ja .

Huippuarvo lataa ja

määritellään kaavoilla:

Koska

voi löytää w jolle

.

Laskelmat sen osoittavat

.

E sähköinen resonanssi- pakotetun värähtelyn amplitudin jyrkän kasvun ilmiö, kun ajo-emf:n taajuus lähestyy värähtelypiirin ominaistaajuutta .

Miten enemmän vastustustaääriviiva R, sitä litteämpi resonanssikäyrä on (kuva 10).

Elektromagneettiset aallot.

Tyhjiössä tasaisesti liikkuva sähkövaraus (suhteessa ISO-arvoon) ei säteile. Tämä käy ilmi suhteellisuusperiaatteesta, jonka mukaan kaikki ISO:t ovat samanarvoisia. Varauksen kanssa yhdessä liikkuvassa järjestelmässä se on paikallaan, eivätkä kiinteät varaukset säteile. Varauskenttä (sähköstaattinen omassa järjestelmässään ja sähkömagneettinen kaikissa muissa) liikkuu hänen mukanaan. Jos varaus liikkuu kiihtyvällä tahdilla ulkoisten voimien vaikutuksesta, kenttä, jolla on energiaa ja siten massaa ja inertiaa, ikään kuin erotetaan varauksesta ja säteilee avaruuteen valon nopeudella. Säteilyä tapahtuu niin kauan, kun ulkoinen voima vaikuttaa varaukseen, jolloin se kiihtyy. Esimerkki: synkrotronisäteily, energioilla 10 7 eV, elektronit lähettävät näkyvää valoa, 10 9 eV - röntgensäteitä.

Varauksen liike kiihtyvyydellä muuttuu sähkökenttä hänen lähellään. Tämä vuorotteleva sähkökenttä, Maxwellin teorian mukaan, muodostaa siihen liittyvän magneettikentän ympäröivään tilaan, joka vuorostaan muuttuvana muodostaa pyörresähkökentän viereisille avaruuden alueille, minkä seurauksena prosessi etenee tilaa kaikkiin suuntiin suurella nopeudella (kuva 11).

Siten, jos sähkövaraus liikkuu kiihtyvällä vauhdilla (tai värähtelee), syntyy ympäröivässä avaruudessa yhä suurempia alueita vangiten järjestelmä, jossa on keskenään kohtisuorat, ajoittain vaihtuvia sähkö- ja magneettikenttiä. Muodostuu sähkömagneettinen aalto, joka kulkee kaikkiin suuntiin värähtelevästä varauksesta.

P Sähkömagneettisten värähtelyjen etenemisprosessia avaruudessa kutsutaan sähkömagneettinen aalto. EMW-säteilyn pääehto on kiihtyvyyden esiintyminen.

Vektorit ovat kohtisuorassa toisiinsa ja etenemissuuntaan nähden ja muodostavat sen kanssa oikeakätisen järjestelmän. Koska EMW on poikittainen (kuva 12). Etäisillä lähteestä, joka on paljon suurempi kuin aallonpituus, EMW on tasainen.

missä

EMW-nopeus tyhjiössä,

Saamme tason EMW yhtälön (kuva 13).

Jos pisteessä O

, pisteessä M

;

on aika, jonka aalto kuluu matkaan pisteestä asiaan

.

Koska

,

missä on aaltovektori.

Yleisesti ,.

Sähkömagneettinen säteilykenttä löydettiin suhteellisen äskettäin, noin 100 vuotta sitten. Viime vuosisadan aikana tämä löytö on johtanut merkittäviin muutoksiin yhteiskunnan elämässä. Useimmat radiotekniikan järjestelmät perustuvat sähkömagneettisen kentän suoraan käyttöön, ts. radioaallot tiedon siirtämiseen (viestintä, lähetykset, televisio) tai niiden poimimiseen (tutka, radiotelemetria jne.); Sana "radio" tarkoittaa itse asiassa säteilyä.

Ei ole sellaista ihmisen toiminnan alaa, jossa radiotekniikkaa ei sovellettaisi tai ei voitaisi soveltaa. Yhteiskunnan edistyminen ilman radiotekniikkaa, radioelektroniikkaa on yksinkertaisesti mahdotonta. Radioelektroniikkaa käytetään erilaisissa tieteellisissä tutkimuksissa, avaruustutkimuksessa, ilmailussa, laivastossa, lääketieteessä, metrologiassa, geologiassa, teollisuudessa, maataloudessa. Viime aikoina on tehty tutkimuksia mahdollisuudesta siirtää aurinkoenergiaa avaruuden valokennoista Maahan kapeiksi säteiksi keskittyneillä radioaalloilla. Radioaaltoja käytetään laajalti sotilasasioissa: tutka - itseohjattujen ohjusten torjuntaan; ilmatutkatiedusteluihin jne.

Viime aikoina on tullut mahdolliseksi saada korkealaatuisia tutkakuvia maan pinnasta ja esineistä, jotka ovat verrattavissa yksityiskohtiin ilmakuviin.

A.S. ilmaisi mahdollisuuden käyttää radiosignaaleja heijastavien esineiden (laivojen, lentokoneiden, autojen) sijainnin määrittämiseen. Popov, jolle maailma on radion keksimisen velkaa.

Radiosuunnanhakujärjestelmien pohjalta on rakennettu ”autopilotteja”, järjestelmiä lentokoneiden ”sokeaan” laskeutumiseen sumussa ja monia muita laitteita.

Pakotettuja värähtelyjä kutsutaan sellaisiksi värähtelyiksi, jotka aiheutuvat ajoittain ajan myötä muuttuvien ulkoisten voimien järjestelmän vaikutuksesta. Sähkömagneettisten värähtelyjen tapauksessa tällainen ulkoinen voima on jaksottaisesti muuttuva emf. nykyinen lähde.

Erottuvia piirteitä pakotetut värähtelyt: pakotetut värähtelyt - vaimentamattomat värähtelyt; pakotettujen värähtelyjen taajuus on yhtä suuri kuin värähtelyjärjestelmään kohdistuvan ulkoisen jaksollisen vaikutuksen taajuus, eli tässä tapauksessa se on yhtä suuri kuin emf-muutoksen taajuus. nykyinen lähde.

Pakotetun värähtelyn amplitudi riippuu emf-muutoksen taajuudesta. nykyinen lähde. Pakkovärähtelyille on ominaista sähköresonanssiilmiö, jossa pakotetun värähtelyn amplitudista tulee maksimi. Tämä fysikaalinen ilmiö havaitaan, kun emf-muutostaajuus on sama. virtalähde, jolla on tietyn piirin luonnollinen värähtelytaajuus, eli:

jossa: i on virran hetkellinen arvo, ts. sen arvo hetkellä t = 0;

J0 - virranvoimakkuuden amplitudi tai maksimiarvo;

w - virran muutoksen taajuus, numeerisesti yhtä suuri kuin taajuus emf muutokset nykyinen lähde.

Käytännössä on hankalaa käyttää virran ja jännitteen hetkellisiä tai amplitudiarvoja. Vaihtovirtapiirin amplitudit ja volttimittarit mittaavat vaihtovirran niin sanottuja tehollisia tai tehollisia arvoja, jotka liittyvät virran amplitudiarvoihin kaavoilla:

Vaihtovirran virran voimakkuuden ja jännitteen teholliset arvot ovat näiden suureiden arvot sellaisille tasavirta, joka samalla aktiivisella vastuksella vapauttaa vaihtovirran jaksoa T vastaavan ajan saman verran lämpöä kuin annettu vaihtovirta.

Vaihtovirran lähde on vaihtovirtageneraattori, jonka fysikaalinen periaate perustuu N kierrosta koostuvan tasaisen rungon, jonka pinta-ala on S, tasaiseen pyörimiseen kulmanopeudella w tasaisessa magneettikentässä, jossa on induktio B. Tässä Tässä tapauksessa kehyksen lävistää vaihtuva magneettivuo:

jossa: Ф0 - magneettivuon maksimiarvo;

a on kehyksen normaalin ja magneettisen induktiovektorin B välinen kulma;

Sähkömagneettisen induktion lain mukaan hetkellinen emf-arvo viritetään kehyksessä muuttuen lain mukaan:

jossa: e - hetkellinen emf-arvo;

e0 - emf:n amplitudiarvo;

w on kehyksen pyörimisen kulmanopeus.

Yleensä vaihtovirtapiiri on värähtelevä piiri:

Jännite virtalähteen U liittimissä vaihtelee harmonisen lain mukaan emf:n muutostaajuuden mukaan. vaihtovirtageneraattori.

AC-piirin sähkövastuksen ja tasavirtapiirin sähkövastuksen välillä on perustavanlaatuinen ero, joka liittyy muunnoksiin sähköenergiaa muihin energiamuotoihin.

Laitteita, joissa sähköenergia muuttuu kokonaan ja peruuttamattomasti muun tyyppiseksi energiaksi, kutsutaan aktiivikuormituksiksi ja sähkövastukset nämä laitteet - aktiiviset vastukset. Tasavirtapiirissä on vain resistiivisiä kuormia.

Laitteita, joissa ei tapahdu peruuttamatonta sähköenergian muuntamista muiksi energiamuodoiksi, kutsutaan reaktiivisiksi kuormituksiksi ja niiden resistanssia kutsutaan reaktiivisiksi vastuksiksi. Vaihtovirtapiirin reaktansseissa on kondensaattori ja induktori, joita kutsutaan vastaavasti kapasitiivisiksi reaktanssiksi xc ja induktiiviseksi reaktanssiksi xL. Tässä tapauksessa kondensaattorilla on vain reaktanssi, ja induktorilla on reaktanssin lisäksi myös aktiivinen vastus. Reaktanssit lasketaan kaavoilla:

jossa: C on kondensaattorin kapasitanssi;

L on kelan induktanssi;

w on emf-muutoksen taajuus. nykyinen lähde.

Jos vaihtovirtapiirissä ei ole reaktiivista kuormaa tai sen resistanssi on mitätön verrattuna piirin aktiiviseen resistanssiin, virran vaihtelut osuvat samaan vaiheeseen jännitteen vaihtelun kanssa ja tapahtuvat emf-värähtelyjen taajuuden ja vaiheen kanssa. nykyinen lähde:

Vaihtovirtapiiriä, joka ei sisällä kondensaattoria ja jonka aktiivinen resistanssi on mitätön verrattuna induktiiviseen reaktanssiin, kutsutaan AC-piiriksi, jossa on induktiivinen vastus. Tällaisessa piirissä kelan jännitteen vaihtelut ovat π/2:lla virran vaihtelua edellä, eli:

. (14)

AC-piiri, jossa ei ole induktiivinen reaktanssi ja jonka aktiivinen vastus on kapasitanssiin verrattuna mitätön, kutsutaan vaihtovirtapiiriksi kapasitanssilla. Tällaisessa piirissä virranvaihtelut johtavat jännitteen vaihteluihin π/2:lla:

. (21)

Tehoa kutsutaan aktiiviseksi tehoksi. Kerrointa cosφ kutsutaan tehokertoimeksi, jossa: j on vaihesiirto virran ja jännitteen vaihteluiden välillä. Tehokerroin lasketaan kaavalla.

Muista, että on kätevää tarkkailla värähtelyjä värähtelypiirissä. Kutsumme värähtelypiiriä yksinkertaisimmaksi järjestelmäksi, jossa nämä värähtelyt voivat esiintyä. Värähtelypiiri koostuu kahdesta elementistä - kelasta, jolla on tietty määrä kierroksia, jolla on induktanssi, ja kondensaattorista, pääominaisuus joka on sähköinen kapasiteetti (kuva 1).

Riisi. 1. Kelojen ja kondensaattorien nimitykset ()

Elementit voidaan kytkeä eri tavoin, mutta useimmiten ne kytketään tärinän havaitsemiseksi kuvan 1 mukaisesti. 2.

Riisi. 2. Värähtelypiiri LC ()

Kondensaattori on kytketty rinnan käämin kanssa, tällaista piiriä kutsutaan LC-värähtelypiiriksi, mikä korostaa, että piiri sisältää kondensaattorin ja induktorin. Tämä on yksinkertaisin järjestelmä, jossa sähkömagneettisia värähtelyjä esiintyy. Kuten jo tiedämme, vaihtelua voi esiintyä, jos on tiettyjä ehtoja:

1. Värähtelevän piirin läsnäolo.

2. Sähkövastuksen on oltava hyvin pieni.

3. Ladattu kondensaattori.

Tämä kaikki koskee vapaata värähtelyä.

Jotta vaimentamattomia värähtelyjä syntyisi - pakotettuja värähtelyjä, meidän on joka kerta annettava lisäenergiaa värähtelypiirin kondensaattoriin. Katsotaanpa, miltä se näyttää kaaviosta (kuva 3).

Riisi. 3. Pakotettujen sähkömagneettisten värähtelyjen värähtelypiiri ()

Tässä tapauksessa näytetään värähtelevä piiri, jonka kondensaattori on varustettu avaimella. Avain voi vaihtaa asentoon 1 tai asentoon 2. Kun se on kytketty asentoon 1, kondensaattori on kytketty jännitelähteeseen ja vastaanottaa varauksen, eli kondensaattori latautuu. Kun kytketään kohtaan 2, värähtelyt alkavat tässä värähtelypiirissä, tämän värähtelypiirin kaavio näyttää tältä (kuva 4).

Riisi. 4. Kaavio pakotetuista sähkömagneettisista värähtelyistä ()

Kun avain kytketään asentoon 2, sähkövirta kasvaa, muuttaa suuntaa ja vaimenee, kun avain kytketään asentoon 1 ja sitten asentoon 2, tapahtuu seuraava värähtelyjakso. Tämän seurauksena havaitsemme kuvan piirissä tapahtuvista pakotetuista sähkömagneettisista värähtelyistä.

Yleisin pakotettujen sähkömagneettisten värähtelyjen tyyppi on magneettikentässä pyörivä kehys. Tätä laitetta kutsutaan vaihtovirtageneraattoriksi, ja itse vaihtovirta on pakotettuja sähkömagneettisia värähtelyjä.

Vaimentamattomien värähtelyjen saamiseksi piiriin on tarpeen tehdä piiri, jossa kondensaattori latautuisi joka kerta, vähintään yksi jakso.

Kun virtaa sähkövirta värähtelypiirissä joka kerta kun esiintyy energiahäviöitä, jotka liittyvät aktiiviseen vastukseen, eli energiaa käytetään johtojen lämmittämiseen, mutta on kaksi muuta tärkeitä hetkiä energiahäviö:

Energiakustannukset kondensaattorin sähkömagneettisen varauksen vaikutuksesta eristeeseen, joka sijaitsee levyjen välissä. Eriste vaikuttaa sähkökenttä, joka tapahtuu kondensaattorin sisällä, jolloin osa energiasta kuluu;

Kun sähkövirta kulkee piirin läpi, syntyy magneettikenttä, joka haihduttaa tietyn määrän energiaa ympäröivään tilaan.

Näiden häviöiden kompensoimiseksi meidän on joka kerta ilmoitettava kondensaattorille energiasta.

Tämä ongelma ratkaistiin onnistuneesti vuonna 1913, kun kolmielektrodi sähköinen lamppu(Kuva 5).

Riisi. 5. Kolmen elektrodin tyhjiöputki ()

Pakotetut sähkömagneettiset värähtelyt- säännölliset muutokset virrassa ja jännitteessä sähköpiirissä.

Sähköpiiri ei välttämättä ole värähtelevä piiri, vaan ominaisuuksien (virta, jännite, varaus) jaksottaiset muutokset, nämä ovat pakotettuja sähkömagneettisia värähtelyjä.

Pakko sähkömagneettiset värähtelyt - vaimentamaton sähkömagneettisia värähtelyjä, koska ne eivät pysähdy mielivaltaisen pitkäksi ajaksi, milloin tahansa olemme suunnitelleet.

Sähkömagneettisen kentän teorian muotoili englantilainen tiedemies James Maxwell, harkitsemme sitä tulevilla oppitunneilla.

Bibliografia

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fysiikka ( perustasoa) - M.: Mnemozina, 2012.
Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fysiikan luokka 10. - M.: Mnemosyne, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fysiikka-9. - M.: Enlightenment, 1990.

Kotitehtävät

Määrittele pakotetut sähkömagneettiset värähtelyt.
Mistä on yksinkertaisin värähtelypiiri tehty?
Mitä tarvitaan, jotta värähtelyt ovat vaimentamattomia?

Internet-portaali Sfiz.ru ().
Internet-portaali Eduspb.com ().
Internet-portaali Naexamen.ru ().

Pakotetun värähtelyn tunnusmerkit: pakotetut värähtelyt - vaimentamattomat värähtelyt; pakotettujen värähtelyjen taajuus on yhtä suuri kuin värähtelyjärjestelmään kohdistuvan ulkoisen jaksollisen vaikutuksen taajuus, eli tässä tapauksessa se on yhtä suuri kuin emf-muutoksen taajuus. nykyinen lähde.

jossa: i on virran hetkellinen arvo, ts. sen arvo hetkellä t = 0;

J 0 - virranvoimakkuuden amplitudi tai maksimiarvo;

w on virran muutoksen taajuus, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin emf:n muutostaajuus. nykyinen lähde.

Vaihtovirran virranvoimakkuuden ja -jännitteen teholliset arvot ovat näiden suureiden arvot sellaiselle tasavirralle, joka samalla aktiivisella resistanssilla vapauttaa saman määrän lämpöä aika, joka on yhtä suuri kuin vaihtovirran jakso T annettuna vaihtovirtana.

jossa: Ф 0 - magneettivuon maksimiarvo;

a on kehyksen normaalin ja magneettisen induktiovektorin B välinen kulma;

Sähkömagneettisen induktion lain mukaan hetkellinen emf-arvo viritetään kehyksessä muuttuen lain mukaan:

jossa: e - hetkellinen emf-arvo;

e 0 - emf:n amplitudiarvo;

w on kehyksen pyörimisen kulmanopeus.

Yleensä vaihtovirtapiiri on värähtelevä piiri:

Jännite virtalähteen U liittimissä vaihtelee harmonisen lain mukaan emf:n muutostaajuuden mukaan. vaihtovirtageneraattori.

Vaihtovirtapiirin sähkövastuksen ja tasavirtapiirin sähkövastuksen välillä on perustavanlaatuinen ero, joka liittyy sähköenergian muuntamiseen muun tyyppiseksi energiaksi.

Laitteita, joissa sähköenergia muunnetaan täysin ja palautumattomasti muun tyyppiseksi energiaksi, kutsutaan aktiivikuormituksiksi ja näiden laitteiden sähkövastuksia kutsutaan aktiivisiksi vastuksiksi. Tasavirtapiirissä on vain resistiivisiä kuormia.

Laitteita, joissa ei tapahdu peruuttamatonta sähköenergian muuntamista muiksi energiamuodoiksi, kutsutaan reaktiivisiksi kuormituksiksi ja niiden resistanssia kutsutaan reaktiivisiksi vastuksiksi. Vaihtovirtapiirin reaktansseissa on kondensaattori ja kela, joita kutsutaan vastaavasti kapasitiiviseksi x c -resistanssiksi ja induktiiviseksi reaktanssiksi x L . Tässä tapauksessa kondensaattorilla on vain reaktanssi, ja induktorilla on reaktanssin lisäksi myös aktiivinen vastus. Reaktanssit lasketaan kaavoilla:

jossa: C on kondensaattorin kapasitanssi;

L on kelan induktanssi;

w on emf-muutoksen taajuus. nykyinen lähde.

Vaihtovirtapiiriä, joka ei sisällä kondensaattoria ja jonka aktiivinen resistanssi on mitätön verrattuna induktiiviseen reaktanssiin, kutsutaan AC-piiriksi, jossa on induktiivinen vastus. Tällaisessa piirissä kelan jännitteenvaihtelut ovat /2:lla edellä virran vaihtelut, eli:

. (14)

Vaihtovirtapiiriä, jolla ei ole induktiivista reaktanssia ja jonka aktiivinen resistanssi on mitätön verrattuna kapasitiiviseen reaktanssiin, kutsutaan kapasitiiviseksi AC-piiriksi. Tällaisessa piirissä virranvaihtelut johtavat jännitteen vaihteluihin /2:lla:

Vaihtovirran amplitudille ja tehollisille arvoille pätee Ohmin laki:

, (19)

jossa R:n arvoa kutsutaan vaihtovirtapiirin impedanssiksi.

Aktiivivastukseen vapautuva lämmön määrä Q lasketaan Joule-Lenzin lain mukaan:

. (20)

Muuntuneen sähköenergian määrä muuksi energiaksi määräytyy vaihtovirran tehon mukaan. Koska virta ja jännite ovat muuttujia, myös vaihtovirtapiirin teho on muuttuja. Siksi on järkevää puhua vain tehon hetkellisestä arvosta \u003d I 2 Ra tai tehon keskiarvosta vaihtovirran muutoksen ajanjakson T aikana, laskettuna kaavalla:

. (21)

Tehoa kutsutaan aktiiviseksi tehoksi. Kerrointa cosφ kutsutaan tehokertoimeksi, jossa: j on vaihesiirto virran ja jännitteen vaihteluiden välillä. Tehokerroin lasketaan kaavalla:

. (22)

Muuntajaksi kutsuttua laitetta käytetään muuntamaan yhden jännitteen vaihtovirta toisen jännitteen vaihtovirraksi samalla taajuudella. Muuntaja on järjestelmä, joka koostuu kahdesta käämistä (käämistä), jotka on yhdistetty yhdellä sydämellä. Jos alkuperäinen kela sisältää N 1 kierrosta ja toisiokela sisältää N 2 kierrosta, niin muunnossuhde k lasketaan kaavalla:

missä e 1 ja e 2 - e.m.f. induktio ensiö- ja toisiokäämeissä.

Jos jännitehäviö muuntajan ensiökäämin aktiivivastuksen yli on merkityksetön, niin: ε 1 = u 1 ja ε 2 = u 2. Sitten:

tehokkuutta muuntajaa kutsutaan toisiokäämin antaman tehon R 2 suhteeksi tehoon R 1, johon syötetään primäärikäämitys:

. (25)

tehokkuutta nykyaikaiset muuntajat ovat erittäin korkeat - 97-98%. Siksi energian säilymislain mukaan ensiökäämin virran teho on melkein sama kuin virran teho toisiokäämi: R 1 R 2 . Tästä seuraa, että: J 1 U 1 J 2 U 2 .

Sitten kaava (24) voidaan kirjoittaa seuraavasti:

, (26)