หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ การสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบังคับ การสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในวงจร

ปรากฏขึ้นต่อหน้าแรงภายนอกที่เปลี่ยนแปลงเป็นระยะ การสั่นดังกล่าวปรากฏขึ้นเมื่อมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเป็นระยะในวงจร แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบแปรผันเกิดขึ้นในโครงลวดหลายรอบ โดยหมุนอยู่ในสนามแม่เหล็กถาวร

ในกรณีนี้ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เจาะทะลุเฟรมจะเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ ตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า EMF ที่เกิดขึ้นใหม่ของการเหนี่ยวนำก็เปลี่ยนแปลงเป็นระยะเช่นกัน หากเฟรมปิดด้วยกัลวาโนมิเตอร์ ลูกศรของเฟรมจะเริ่มแกว่งไปรอบๆ ตำแหน่งสมดุล แสดงว่ามีกระแสสลับไหลอยู่ในวงจร ลักษณะเด่นของการบังคับแกว่งคือการพึ่งพาแอมพลิจูดของความถี่ของการเปลี่ยนแปลงของแรงภายนอก

กระแสสลับ.

กระแสสลับเป็นกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา

กระแสสลับ is ประเภทต่างๆแรงกระตุ้น, การเต้นเป็นจังหวะ, กระแสเป็นระยะและกึ่งคาบ ในทางวิศวกรรม กระแสสลับมักจะหมายถึงกระแสเป็นระยะหรือเกือบเป็นระยะของทิศทางการสลับ

หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

กระแสไฟฟ้าคาบที่ใช้กันมากที่สุด โดยความแรงจะแปรผันตามเวลาตาม กฎหมายฮาร์มอนิก(กระแสสลับฮาร์มอนิกหรือไซน์) นี่คือปัจจุบันที่ใช้ในโรงงานและโรงงานและในเครือข่ายแสงสว่างของอพาร์ทเมนท์ เป็นการสั่นด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบบังคับ ความถี่อุตสาหกรรม กระแสสลับคือ 50 เฮิรตซ์ แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับในซ็อกเก็ตของซ็อกเก็ตเครือข่ายแสงสว่างถูกสร้างขึ้นโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้า รุ่นที่ง่ายที่สุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดังกล่าวเป็นโครงลวดที่หมุนในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ

ฟลักซ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก F, เจาะโครงลวดด้วยพื้นที่ ส, ได้สัดส่วนกับโคไซน์ของมุม α ระหว่างปกติกับเฟรมและเวกเตอร์เหนี่ยวนำแม่เหล็ก:

Ф = BS cos α.

ด้วยการหมุนของเฟรมที่สม่ำเสมอ มุม α เพิ่มขึ้นตามเวลา t: α = 2πnt, ที่ไหน น- ความถี่ในการหมุน ดังนั้นฟลักซ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กจึงเปลี่ยนแปลงอย่างกลมกลืนกับความถี่การสั่นแบบวัฏจักร ω = 2πn:

Ф = BS cos ωt

ตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในเฟรมคือ:

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

ที่ไหน ɛm= BSωคือแอมพลิจูดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าในเครือข่าย AC จะเปลี่ยนแปลงตามกฎไซน์ (หรือโคไซน์):

u = อืม บาป ωt(หรือ ยู = คุณ m cos ωt),

ที่ไหน ยู- ค่าแรงดันไฟฟ้าทันที คุณ m- แอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้า

กระแสในวงจรจะเปลี่ยนที่ความถี่เดียวกับแรงดันไฟฟ้า แต่สามารถเปลี่ยนเฟสระหว่างกันได้ ฟายกับ. ดังนั้นใน กรณีทั่วไปมูลค่าปัจจุบันทันที ผมถูกกำหนดโดยสูตร:

ผม = ฉันเป็นคนบาป(φt + φกับ) ,

ที่ไหน ฉันคือแอมพลิจูดของกระแส

ความแรงของกระแสในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่มีตัวต้านทาน ถ้า วงจรไฟฟ้าประกอบด้วยการต่อต้านแบบแอคทีฟ Rและสายไฟที่มีความเหนี่ยวนำเล็กน้อย

บรรยาย6 . การสั่นและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แผนการบรรยาย

ฟรีการสั่นแบบไม่แดมป์ในวงจรออสซิลเลชัน

ฟรีการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบังคับ เสียงสะท้อนไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า.

1. ไม่มีการสั่นแบบไม่มีแดมป์ในวงจรออสซิลเลชัน

ท่ามกลางปรากฏการณ์ทางไฟฟ้า สถานที่พิเศษถูกครอบครองโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งปริมาณไฟฟ้า (ประจุ กระแส สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก) จะเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ จำเป็นต้องมีระบบบางอย่างเพื่อกระตุ้นและรักษาการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งระบบที่ง่ายที่สุดคือวงจรออสซิลเลเตอร์

วงจรออสซิลเลเตอร์วงจรที่ประกอบด้วยขดลวดเหนี่ยวนำ L และตัวเก็บประจุ C ต่อเป็นอนุกรม

ลองพิจารณากระบวนการของการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในวงจรออสซิลเลเตอร์ในอุดมคติ ซึ่งสามารถละเลยความต้านทานของสายเชื่อมต่อได้ สำหรับการกระตุ้นในวงจรการสั่น ตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จในเบื้องต้น ทำให้เพลตมีประจุ q 0 จากแหล่งภายนอก (รูปที่ 1)

ในวงจรออสซิลเลเตอร์ที่มีประจุ จะเกิดการแกว่งอิสระที่เรียกว่าแม่เหล็กไฟฟ้า ในกรณีนี้ ค่าของปริมาณไฟฟ้าและแม่เหล็กทั้งหมดจะผันผวน

การสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นในวงจรซึ่งพลังงานของสนามไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นพลังงาน สนามแม่เหล็กและในทางกลับกัน. รูปที่ 2 เป็นกราฟประจุของตัวเก็บประจุ จากเวลา ,

ซึ่งค่าประจุในช่วงเวลานั้น

เปรียบเทียบสถานะที่สอดคล้องกันของวงจรออสซิลเลเตอร์ (a; b; c; d; e)

การสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้ามีหลายวิธีคล้ายกับการสั่นทางกล กล่าวคือ สมการที่อธิบายพวกมันและคำตอบของพวกมันนั้นคล้ายคลึงกัน

ลองเขียนกฎ Kirchhoff ที่ 2 ให้กับวงจรสำหรับช่วงเวลาใดก็ได้: ผลรวมของแรงดันตกคร่อมเท่ากับผลรวมของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่กระทำในวงจร แรงเคลื่อนไฟฟ้าเพียงตัวเดียวที่ทำหน้าที่ในวงจร - แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเอง และแรงดันตกคร่อมเกิดขึ้นที่ตัวเก็บประจุ ดังนั้น

ที่ไหน

- ค่าประจุทันทีบนแผ่นตัวเก็บประจุ

หมายถึง

;

-สมการเชิงอนุพันธ์ของการสั่นแม่เหล็กไฟฟ้าอิสระ

ดังนั้น ในวงจรออสซิลเลเตอร์ในอุดมคติ (รูปที่ 3) การแกว่งของประจุจึงเกิดขึ้นตามกฎฮาร์มอนิก (รูปที่ 4)

เหล่านั้น. ความผันผวนของกระแสทำให้เกิดความผันผวนของประจุในเฟสเมื่อกระแสถึงค่าสูงสุด ประจุและแรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นศูนย์ (และกลับกัน)

เพราะ ความถี่วัฏจักรธรรมชาติของวงจร

สูตรทอมสัน

ฟรีการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เพราะ ตัวนำทุกตัวมีความต้านทานระหว่างกระแสในวงจรออสซิลเลเตอร์ความร้อนจูลจะถูกปล่อยออกมาเช่น พลังงานหายไป ดังนั้นการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอิสระในวงจรจริง (รูปที่ 5) จะถูกหน่วงเสมอ สำหรับวงจรดังกล่าว

, ที่ไหน

- แรงดันตกคร่อมความต้านทานแอกทีฟของวงจร

หรือ

.

หมายถึง

.

-สมการเชิงอนุพันธ์ของการสั่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบแดมฟรี

คำตอบของสมการนี้คือนิพจน์

.

ความถี่วัฏจักรของการแกว่งตามธรรมชาติ

ความถี่วัฏจักรของการสั่นแบบหน่วงตามธรรมชาติ

กฎการลดแอมพลิจูด (รูปที่ 6) โดยที่ - แอมพลิจูดที่ t=0

ค้นหาความหมายทางกายภาพของ  เราแนะนำแนวคิด เวลาการเกิดปฏิกิริยา- เวลาที่แอมพลิจูดลดลงใน e ครั้ง

ดังนั้น  เป็นส่วนกลับของ 

การลดลงลอการิทึมต่อบวม - ลอการิทึมธรรมชาติของอัตราส่วน 2 แอมพลิจูดที่แตกต่างกันในช่วงเวลาหนึ่ง

ในเวลา  ระบบจะสั่น

คือจำนวนการแกว่งที่แอมพลิจูดลดลงด้วยปัจจัยของ e

ปัจจัยด้านคุณภาพเป็นตัวกำหนดความสามารถของวงจรออสซิลเลเตอร์ต่อการสั่นแบบชื้น:

คิว

.

ปัจจัยด้านคุณภาพเป็นสัดส่วนกับจำนวนการแกว่งซึ่งแอมพลิจูดลดลงด้วยปัจจัย e

ถ้า Q มีขนาดใหญ่ การแกว่งจะค่อยๆ ลดลง (รูปที่ 7,

).

การสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบังคับ เสียงสะท้อนไฟฟ้า

การสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอิสระเกิดขึ้นกับความถี่ที่กำหนดโดยพารามิเตอร์ของวงจร ,และ และในวงจรออสซิลเลเตอร์จริงสลายตัวตามเวลาเนื่องจากการสูญเสียพลังงาน จะต้องชดเชยการสูญเสียพลังงานให้ได้ ดังนั้น เพื่อให้ได้การสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบไม่มีแดมป์ จำเป็นต้องใส่แรงเคลื่อนไฟฟ้าเข้าไปในวงจร โดยจะเปลี่ยนแปลงเป็นระยะๆ ตามกฎฮาร์มอนิก:

ที่ไหน  0 คือแอมพลิจูดของแรงเคลื่อนไฟฟ้า  คือความถี่วัฏจักรของแรงเคลื่อนไฟฟ้าในการขับขี่

บังคับเรียกว่าการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายใต้การกระทำของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงเป็นระยะ (รูปที่ 8)

เพราะ

,

-สมการเชิงอนุพันธ์ของการสั่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบบังคับ

สามารถพิสูจน์ได้ว่าคำตอบของสมการนี้คือนิพจน์:

ชม และมะเดื่อ 9 แสดงกราฟของการพึ่งพาประจุของตัวเก็บประจุตรงเวลาในกรณีที่เกิดการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าแบบบังคับในสภาวะคงที่

การสั่นสะเทือนแบบบังคับเกิดขึ้นด้วยความถี่เดียวกัน ซึ่งเป็นตัวบังคับ e.m.f. มีการทดลองพิสูจน์แล้วว่าการเปลี่ยนแปลง ล้าหลังในการเปลี่ยนแปลงจากการเปลี่ยนแปลงของแรงเคลื่อนไฟฟ้า ;y- ความแตกต่างของเฟสของการแกว่ง และ , การเปลี่ยนเฟสระหว่างการเปลี่ยนแปลง และ .

มูลค่าสูงสุด ค่าใช้จ่ายและ

ถูกกำหนดโดยสูตร:

เพราะ

เราสามารถหา w ได้ซึ่ง

.

การคำนวณแสดงว่า

.

อี เรโซแนนซ์ไฟฟ้า- ปรากฏการณ์การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของแอมพลิจูดของการแกว่งบังคับเมื่อความถี่ของแรงเคลื่อนไฟฟ้าในการขับขี่ เข้าใกล้ความถี่ธรรมชาติของวงจรออสซิลเลเตอร์ .

ยังไง ต้านทานมากขึ้นรูปร่าง R ยิ่งเส้นโค้งเรโซแนนซ์ยิ่งแบน (รูปที่ 10)

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า.

ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอในสุญญากาศ (เทียบกับ ISO) จะไม่แผ่รังสี เห็นได้ชัดจากหลักการสัมพัทธภาพ ซึ่ง ISO ทั้งหมดมีค่าเท่ากัน ในระบบที่เคลื่อนที่พร้อมกับประจุ มันจะอยู่กับที่ และประจุที่อยู่กับที่จะไม่แผ่รังสีออกมา สนามประจุ (ไฟฟ้าสถิตในระบบของเขาเองและสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในส่วนอื่นๆ ทั้งหมด) จะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับเขา หากประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งภายใต้การกระทำของแรงภายนอก สนามซึ่งมีพลังงาน มวลและความเฉื่อย จะถูกแยกออกจากประจุและแผ่ออกสู่อวกาศด้วยความเร็วแสง การแผ่รังสีจะเกิดขึ้นตราบใดที่แรงภายนอกกระทำต่อประจุ ทำให้เกิดความเร่ง ตัวอย่าง: รังสีซินโครตรอน ที่พลังงาน 10 7 eV อิเล็กตรอนปล่อยแสงที่มองเห็นได้ ที่ 10 9 eV - รังสีเอกซ์

การเคลื่อนที่ของประจุด้วยความเร่งเปลี่ยนแปลง สนามไฟฟ้าใกล้เขา ตามทฤษฎีของ Maxwell สนามไฟฟ้ากระแสสลับนี้สร้างสนามแม่เหล็กที่เชื่อมต่อกันในพื้นที่โดยรอบ ซึ่งในทางกลับกัน เมื่อแปรผันจะสร้างสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนในพื้นที่ใกล้เคียงของอวกาศ อันเป็นผลมาจากกระบวนการแพร่กระจายใน พื้นที่ในทุกทิศทางด้วยความเร็วสูง (รูปที่ 11)

ดังนั้น หากประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง (หรือแกว่ง) ในพื้นที่โดยรอบ จับบริเวณที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ก็จะเกิดระบบสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงเป็นระยะในแนวตั้งฉากกัน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก่อตัวขึ้นโดยวิ่งในทุกทิศทางจากประจุที่สั่น

พี กระบวนการแพร่กระจายของการแกว่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศเรียกว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า. เงื่อนไขหลักสำหรับการแผ่รังสี EMW คือการมีอยู่ของการเร่งความเร็ว

เวกเตอร์ตั้งฉากซึ่งกันและกันและเป็นทิศทางของการขยายพันธุ์และสร้างระบบที่ถนัดขวาด้วย เพราะว่า EMW เป็นแนวขวาง (รูปที่ 12) ที่ระยะห่างจากแหล่งกำเนิดที่มากกว่าความยาวคลื่นมาก EMW จะแบน

ที่ไหน

ความเร็ว EMW ในสุญญากาศ

เราได้สมการของระนาบ EMW (รูปที่ 13)

ถ้าถึงจุดนั้น โอ

ณ จุดนั้น เอ็ม

;

คือเวลาที่คลื่นใช้เดินทางไกล จากจุด ตรงประเด็น

.

เพราะ

,

เวกเตอร์คลื่นอยู่ที่ไหน

โดยทั่วไปแล้ว .

สนามรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าถูกค้นพบเมื่อไม่นานมานี้เมื่อประมาณ 100 ปีที่แล้ว ตลอดศตวรรษที่ผ่านมา การค้นพบนี้ได้นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในชีวิตของสังคม ระบบวิศวกรรมวิทยุส่วนใหญ่ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าโดยตรง กล่าวคือ คลื่นวิทยุสำหรับการส่งข้อมูล (การสื่อสาร การแพร่ภาพ โทรทัศน์) หรือการแยกข้อมูล (เรดาร์ การวัดระยะไกลทางวิทยุ ฯลฯ) คำว่า "วิทยุ" จริงๆ แล้วหมายถึงการแผ่รังสี

ไม่มีกิจกรรมของมนุษย์ที่จะไม่ประยุกต์ใช้หรือไม่สามารถประยุกต์ใช้วิศวกรรมวิทยุได้ ความก้าวหน้าของสังคมที่ปราศจากวิศวกรรมวิทยุ วิทยุอิเล็กทรอนิกส์เป็นไปไม่ได้เลย วิทยุอิเล็กทรอนิกส์ใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ การวิจัยอวกาศ การบิน กองทัพเรือ ยา มาตรวิทยา ธรณีวิทยา อุตสาหกรรม เกษตรกรรม. เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีการศึกษาความเป็นไปได้ของการส่งพลังงานแสงอาทิตย์จากโฟโตเซลล์ในอวกาศมายังโลกโดยใช้คลื่นวิทยุที่กระจุกตัวเป็นลำแสงแคบ คลื่นวิทยุใช้กันอย่างแพร่หลายในกิจการทหาร: เรดาร์ - เพื่อต่อสู้กับขีปนาวุธนำวิถี; สำหรับการสอดแนมเรดาร์ทางอากาศ ฯลฯ

เมื่อเร็วๆ นี้ เป็นไปได้ที่จะได้รับภาพเรดาร์คุณภาพสูงของพื้นผิวโลกและวัตถุ เทียบได้กับรายละเอียดกับภาพถ่ายทางอากาศ

ความเป็นไปได้ของการใช้สัญญาณวิทยุเพื่อระบุตำแหน่งของวัตถุสะท้อน (เรือ เครื่องบิน รถยนต์) แสดงโดย A.S. Popov ซึ่งโลกนี้เป็นหนี้การประดิษฐ์วิทยุ

บนพื้นฐานของระบบค้นหาทิศทางวิทยุ "autopilots" ระบบสำหรับการลงจอด "blind" ของเครื่องบินในหมอกและอุปกรณ์อื่น ๆ อีกมากมายได้ถูกสร้างขึ้น

การสั่นแบบบังคับเรียกว่าการสั่นดังกล่าวซึ่งเกิดจากการกระทำของระบบแรงภายนอกที่เปลี่ยนแปลงเป็นระยะตามช่วงเวลา ในกรณีของการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แรงภายนอกดังกล่าวเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงเป็นระยะ แหล่งที่มาปัจจุบัน

คุณสมบัติที่โดดเด่นการสั่นแบบบังคับ: การสั่นแบบบังคับ - การแกว่งแบบบังคับ; ความถี่ของการบังคับแกว่งเท่ากับความถี่ของการกระทำเป็นระยะภายนอกบนระบบออสซิลเลชันนั่นคือ ในกรณีนี้จะเท่ากับความถี่ของการเปลี่ยนแปลงแรงเคลื่อนไฟฟ้า แหล่งที่มาปัจจุบัน

แอมพลิจูดของการแกว่งบังคับขึ้นอยู่กับความถี่ของการเปลี่ยนแปลงแรงเคลื่อนไฟฟ้า แหล่งที่มาปัจจุบัน การสั่นแบบบังคับนั้นมีลักษณะเฉพาะจากปรากฏการณ์ของการสั่นพ้องทางไฟฟ้า ซึ่งแอมพลิจูดของการสั่นแบบบังคับจะมีค่าสูงสุด ปรากฏการณ์ทางกายภาพนี้เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของการเปลี่ยนแปลงแรงเคลื่อนไฟฟ้าเกิดขึ้นพร้อมกัน แหล่งกระแสที่มีความถี่การสั่นตามธรรมชาติของวงจรที่กำหนด นั่นคือ:

โดยที่: i คือค่าทันทีของกระแสนั่นคือ ค่าของมัน ณ เวลา t = 0;

J0 - แอมพลิจูดหรือค่าสูงสุดของความแรงปัจจุบัน

w - ความถี่ของการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันเป็นตัวเลข เท่ากับความถี่แรงเคลื่อนไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง แหล่งที่มาปัจจุบัน

ในทางปฏิบัติไม่สะดวกที่จะใช้ค่ากระแสและแรงดันทันทีหรือแอมพลิจูด แอมมิเตอร์และโวลต์มิเตอร์ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับวัดค่าที่เรียกว่าค่าที่มีประสิทธิภาพหรือค่าประสิทธิภาพของกระแสสลับซึ่งเกี่ยวข้องกับค่าแอมพลิจูดของกระแสตามสูตร:

ค่าประสิทธิผลของความแรงของกระแสและแรงดันของกระแสสลับคือค่าของปริมาณเหล่านี้สำหรับ กระแสตรงซึ่งในการต้านทานแบบแอคทีฟเดียวกันจะปล่อยออกมาในช่วงเวลาเท่ากับช่วงเวลา T ของกระแสสลับซึ่งเป็นปริมาณความร้อนเท่ากันกับกระแสสลับที่กำหนด

แหล่งที่มาของกระแสสลับคือเครื่องกำเนิดกระแสสลับ ซึ่งหลักการทางกายภาพนั้นขึ้นอยู่กับการหมุนสม่ำเสมอที่ความเร็วเชิงมุม w ของกรอบแบนที่มีพื้นที่ S ซึ่งประกอบด้วยการหมุน N ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอที่มีการเหนี่ยวนำ B ในสิ่งนี้ กรณี กรอบถูกเจาะโดยฟลักซ์แม่เหล็กสลับ:

โดยที่: Ф0 - ค่าสูงสุดของฟลักซ์แม่เหล็ก

a คือมุมระหว่างเส้นตั้งฉากกับเฟรมและเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B;

ตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าทันทีจะตื่นเต้นในเฟรม โดยเปลี่ยนแปลงตามกฎหมาย:

โดยที่: e - ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าทันที

e0 - ค่าแอมพลิจูดของแรงเคลื่อนไฟฟ้า

w คือความเร็วเชิงมุมของการหมุนเฟรม

โดยทั่วไป วงจรไฟฟ้ากระแสสลับเป็นวงจรออสซิลเลเตอร์:

แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของแหล่งจ่ายปัจจุบัน U แตกต่างกันไปตามกฎหมายฮาร์มอนิกด้วยความถี่ของการเปลี่ยนแปลงของแรงเคลื่อนไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่างความต้านทานไฟฟ้าของวงจร AC เมื่อเทียบกับความต้านทานไฟฟ้าของวงจร DC ที่เกี่ยวข้องกับการแปลง พลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่น

อุปกรณ์ที่พลังงานไฟฟ้าถูกแปลงเป็นพลังงานประเภทอื่นอย่างสมบูรณ์และไม่สามารถย้อนกลับได้เรียกว่าโหลดที่ใช้งานและ ความต้านทานไฟฟ้าอุปกรณ์เหล่านี้ - ความต้านทานที่ใช้งานอยู่ ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงจะมีโหลดตัวต้านทานเท่านั้น

อุปกรณ์ที่ไม่มีการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปแบบอื่น ๆ ที่ย้อนกลับไม่ได้เรียกว่าโหลดปฏิกิริยาและความต้านทานของพวกมันเรียกว่าความต้านทานปฏิกิริยา ปฏิกิริยาในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับมีตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งเรียกว่ารีแอกแตนซ์รีแอกแตนซ์ xc และรีแอกแตนซ์แบบเหนี่ยวนำตามลำดับ ในกรณีนี้ตัวเก็บประจุมีเพียงรีแอกแตนซ์และตัวเหนี่ยวนำนอกจากรีแอกแตนซ์ยังมีความต้านทานเชิงแอคทีฟอีกด้วย ปฏิกิริยาคำนวณโดยสูตร:

โดยที่: C คือความจุของตัวเก็บประจุ

L คือการเหนี่ยวนำของขดลวด

w คือความถี่ของการเปลี่ยนแปลงแรงเคลื่อนไฟฟ้า แหล่งที่มาปัจจุบัน

หากไม่มีโหลดปฏิกิริยาในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับหรือความต้านทานของวงจรนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับความต้านทานเชิงแอ็คทีฟของวงจร ความผันผวนของกระแสจะเกิดขึ้นพร้อมกันในเฟสที่มีความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าและเกิดขึ้นกับความถี่และเฟสของการแกว่งของแรงเคลื่อนไฟฟ้า แหล่งที่มาปัจจุบัน:

วงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่ไม่มีตัวเก็บประจุและมีความต้านทานเชิงแอ็คทีฟเล็กน้อยเมื่อเทียบกับรีแอกแตนซ์แบบเหนี่ยวนำเรียกว่าวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความต้านทานแบบอุปนัย ในวงจรดังกล่าว ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าบนคอยล์อยู่เหนือความผันผวนของกระแสโดย π/2 นั่นคือ:

. (14)

วงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่ไม่มี ปฏิกิริยาอุปนัยและความต้านทานแบบแอคทีฟซึ่งเล็กน้อยเมื่อเทียบกับความจุเรียกว่าวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความจุ ในวงจรดังกล่าว ความผันผวนของกระแสไฟฟ้าทำให้เกิดความผันผวนของแรงดัน π/2:

. (21)

พลังงานเรียกว่าพลังงานที่ใช้งาน ปัจจัยcosφเรียกว่าตัวประกอบกำลังโดยที่: j คือการเลื่อนเฟสระหว่างความผันผวนของกระแสและแรงดัน ตัวประกอบกำลังคำนวณโดยสูตร

จำได้ว่าเป็นการสะดวกที่จะสังเกตการสั่นในวงจรการแกว่ง เราเรียกวงจรออสซิลเลชันว่าระบบที่ง่ายที่สุดซึ่งการแกว่งเหล่านี้มีอยู่ วงจรออสซิลเลเตอร์ประกอบด้วยสององค์ประกอบ - ขดลวดที่มีจำนวนรอบที่แน่นอนซึ่งมีตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ลักษณะเด่นซึ่งเป็นความจุไฟฟ้า (รูปที่ 1)

ข้าว. 1. การกำหนดคอยล์และตัวเก็บประจุ ()

องค์ประกอบสามารถเชื่อมต่อได้หลายวิธี แต่ส่วนใหญ่เพื่อสังเกตการสั่นสะเทือน พวกมันเชื่อมต่อกันดังแสดงในรูปที่ 2.

ข้าว. 2. วงจรออสซิลเลเตอร์ LC ()

ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อแบบขนานกับขดลวด วงจรดังกล่าวเรียกว่าวงจรออสซิลเลเตอร์ LC ซึ่งเน้นว่าวงจรประกอบด้วยตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ นี่เป็นระบบที่ง่ายที่สุดที่เกิดการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังที่เราทราบแล้ว ความผันผวนอาจเกิดขึ้นได้หากมีเงื่อนไขบางประการ:

1. การมีอยู่ของวงจรออสซิลเลเตอร์

2. ความต้านทานไฟฟ้าต้องน้อยมาก

3. ตัวเก็บประจุแบบชาร์จ

นี่คือทั้งหมดที่เกี่ยวกับการสั่นสะเทือนฟรี

เพื่อให้เกิดการสั่นแบบไม่แดมป์ - การสั่นแบบบังคับ เราจะต้องจ่ายพลังงานเพิ่มเติมให้กับตัวเก็บประจุในวงจรออสซิลเลชันทุกครั้ง เรามาดูกันว่าในไดอะแกรมมีลักษณะอย่างไร (รูปที่ 3)

ข้าว. 3. วงจรการสั่นของการสั่นแม่เหล็กไฟฟ้าบังคับ ()

ในกรณีนี้จะมีการแสดงวงจรออสซิลเลเตอร์ซึ่งตัวเก็บประจุติดตั้งกุญแจ กุญแจสามารถสลับไปที่ตำแหน่ง 1 หรือตำแหน่ง 2 เมื่อเชื่อมต่อกับตำแหน่ง 1 ตัวเก็บประจุจะเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าและรับประจุนั่นคือตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จ เมื่อเชื่อมต่อกับตำแหน่งที่ 2 การแกว่งจะเริ่มขึ้นในวงจรออสซิลเลชันนี้ กราฟของวงจรออสซิลเลชันนี้จะมีลักษณะดังนี้ (รูปที่ 4)

ข้าว. 4. กราฟของการแกว่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบังคับ ()

เมื่อกุญแจเชื่อมต่อกับตำแหน่ง 2 กระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น เปลี่ยนทิศทางและไปที่การลดทอน เมื่อกุญแจถูกสลับไปที่ตำแหน่ง 1 จากนั้นไปที่ตำแหน่ง 2 ช่วงเวลาถัดไปของการแกว่งจะเกิดขึ้น เป็นผลให้เราสังเกตภาพการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในวงจร

การสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบบังคับที่พบบ่อยที่สุดคือเฟรมที่หมุนในสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์นี้เรียกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสสลับนั้นถูกบังคับด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เพื่อให้ได้ความผันผวนในวงจร จำเป็นต้องสร้างวงจรที่ตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จในแต่ละครั้ง อย่างน้อยหนึ่งช่วงเวลา

เมื่อไหล กระแสไฟฟ้าในวงจรออสซิลเลเตอร์ทุกครั้งที่มีการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานเชิงแอคทีฟนั่นคือพลังงานที่ใช้ไปในการให้ความร้อนแก่สายไฟ แต่มีอีกสองรายการ ช่วงเวลาสำคัญการสูญเสียพลังงาน:

ค่าพลังงานสำหรับการกระทำของประจุแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวเก็บประจุบนไดอิเล็กตริกซึ่งตั้งอยู่ระหว่างแผ่นเปลือกโลก อิเล็กทริกได้รับผลกระทบ สนามไฟฟ้าซึ่งเกิดขึ้นภายในตัวเก็บประจุซึ่งในกรณีนี้จะใช้พลังงานบางส่วน

เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจร สนามแม่เหล็กจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งจะกระจายพลังงานจำนวนหนึ่งไปในอวกาศโดยรอบ

เพื่อชดเชยการสูญเสียเหล่านี้ เราต้องแจ้งตัวเก็บประจุพลังงานทุกครั้ง

ปัญหานี้แก้ไขได้สำเร็จในปี 2456 เมื่อไฟฟ้าสามขั้ว หลอดไฟฟ้า(รูปที่ 5).

ข้าว. 5. หลอดสุญญากาศสามขั้ว ()

การสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าบังคับ- การเปลี่ยนแปลงกระแสและแรงดันในวงจรไฟฟ้าเป็นระยะ

วงจรไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องเป็นวงจรออสซิลเลเตอร์ แต่การเปลี่ยนแปลงลักษณะเป็นระยะๆ (กระแส แรงดัน ประจุ) สิ่งเหล่านี้จะเป็นการบังคับการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้า

บังคับการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า - ไม่ติดขัดการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากไม่หยุดเป็นเวลานานตามอำเภอใจ ทุกเวลาที่เราวางแผนไว้

ทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ James Maxwell เราจะพิจารณาในบทเรียนต่อไป

บรรณานุกรม

Tikhomirov S.A. , Yavorsky B.M. ฟิสิกส์ ( ระดับพื้นฐานของ) - M.: Mnemozina, 2012.
Gendenstein L.E. , Dick Yu.I. ฟิสิกส์เกรด 10 - ม.: มนีโมไซ, 2014.
Kikoin I.K. คิโคอิน A.K. ฟิสิกส์-9. - ม.: การตรัสรู้, 1990.

การบ้าน

กำหนดแรงสั่นสะเทือนแม่เหล็กไฟฟ้าบังคับ
วงจรการสั่นที่ง่ายที่สุดทำมาจากอะไร?
อะไรคือสิ่งที่จำเป็นสำหรับการสั่นที่จะไม่ถูกจำกัด?

อินเทอร์เน็ตพอร์ทัล Sfiz.ru ()
อินเทอร์เน็ตพอร์ทัล Eduspb.com ()
อินเทอร์เน็ตพอร์ทัล Naexamen.ru ()

ลักษณะเด่นของการแกว่งแบบบังคับ: การสั่นแบบบังคับ - การแกว่งแบบไม่แปรผัน ความถี่ของการบังคับแกว่งเท่ากับความถี่ของการกระทำเป็นระยะภายนอกบนระบบออสซิลเลชันนั่นคือ ในกรณีนี้จะเท่ากับความถี่ของการเปลี่ยนแปลงแรงเคลื่อนไฟฟ้า แหล่งที่มาปัจจุบัน

โดยที่: i คือค่าทันทีของกระแสนั่นคือ ค่าของมัน ณ เวลา t = 0;

J 0 - แอมพลิจูดหรือค่าสูงสุดของความแรงปัจจุบัน

w คือความถี่ของการเปลี่ยนแปลงปัจจุบัน ตัวเลขเท่ากับความถี่ของการเปลี่ยนแปลงของแรงเคลื่อนไฟฟ้า แหล่งที่มาปัจจุบัน

ค่าประสิทธิผลของความแรงและแรงดันกระแสของกระแสสลับคือค่าของปริมาณเหล่านี้สำหรับกระแสตรงดังกล่าวซึ่งในความต้านทานเชิงแอคทีฟเดียวกันจะปล่อยความร้อนในปริมาณเท่ากันใน เวลาเท่ากับช่วงเวลา T ของกระแสสลับเป็นกระแสสลับที่กำหนด

โดยที่: Ф 0 - ค่าสูงสุดของฟลักซ์แม่เหล็ก

a คือมุมระหว่างเส้นตั้งฉากกับเฟรมและเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B;

โดยที่: e - ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าทันที

e 0 - ค่าแอมพลิจูดของแรงเคลื่อนไฟฟ้า;

w คือความเร็วเชิงมุมของการหมุนเฟรม

โดยทั่วไป วงจรไฟฟ้ากระแสสลับเป็นวงจรออสซิลเลเตอร์:

มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่างความต้านทานไฟฟ้าของวงจร AC เมื่อเทียบกับความต้านทานไฟฟ้าของวงจร DC ซึ่งเกี่ยวข้องกับการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานประเภทอื่น

อุปกรณ์ที่พลังงานไฟฟ้าถูกแปลงเป็นพลังงานประเภทอื่นอย่างสมบูรณ์และไม่สามารถย้อนกลับได้นั้นเรียกว่าโหลดเชิงรุก และความต้านทานไฟฟ้าของอุปกรณ์เหล่านี้เรียกว่าความต้านทานเชิงแอคทีฟ ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงจะมีโหลดตัวต้านทานเท่านั้น

อุปกรณ์ที่ไม่มีการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปแบบอื่น ๆ ที่ย้อนกลับไม่ได้เรียกว่าโหลดปฏิกิริยาและความต้านทานของพวกมันเรียกว่าความต้านทานปฏิกิริยา ปฏิกิริยาในวงจรกระแสสลับมีตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำซึ่งเรียกว่าความต้านทาน capacitive x c และค่ารีแอกแตนซ์อุปนัย x L ตามลำดับ ในกรณีนี้ตัวเก็บประจุมีเพียงรีแอกแตนซ์และตัวเหนี่ยวนำนอกจากรีแอกแตนซ์ยังมีความต้านทานเชิงแอคทีฟอีกด้วย ปฏิกิริยาคำนวณโดยสูตร:

โดยที่: C คือความจุของตัวเก็บประจุ

L คือการเหนี่ยวนำของขดลวด

w คือความถี่ของการเปลี่ยนแปลงแรงเคลื่อนไฟฟ้า แหล่งที่มาปัจจุบัน

. (14)

วงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่ไม่มีรีแอกแตนซ์แบบอุปนัยและมีความต้านทานเชิงแอคทีฟน้อยมากเมื่อเทียบกับรีแอกแตนซ์แบบคาปาซิทีฟเรียกว่าวงจรไฟฟ้ากระแสสลับแบบคาปาซิทีฟ ในวงจรดังกล่าว ความผันผวนในปัจจุบัน ความผันผวนของแรงดันตะกั่ว /2:

สำหรับแอมพลิจูดและค่าประสิทธิผลของกระแสสลับ กฎของโอห์มนั้นใช้ได้:

, (19)

โดยที่ค่าของ R เรียกว่าอิมพีแดนซ์ของวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

ปริมาณความร้อน Q ที่ปล่อยออกมาจากการต้านทานแบบแอคทีฟคำนวณตามกฎของ Joule-Lenz:

. (20)

ปริมาณของพลังงานไฟฟ้าที่แปลงเป็นพลังงานประเภทอื่น ๆ ถูกกำหนดโดยพลังงานของกระแสสลับ เนื่องจากกระแสและแรงดันไฟฟ้าเป็นตัวแปร พลังงานในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับจึงเป็นตัวแปรเช่นกัน ดังนั้นจึงควรพูดถึงเฉพาะค่ากำลังไฟฟ้าทันที \u003d I 2 R a หรือเกี่ยวกับค่าเฉลี่ยของกำลังไฟฟ้าในช่วงเวลา T ของการเปลี่ยนแปลงของกระแสสลับซึ่งคำนวณโดยสูตร:

. (21)

พลังงานเรียกว่าพลังงานที่ใช้งาน ปัจจัยcosφเรียกว่าตัวประกอบกำลังโดยที่: j คือการเลื่อนเฟสระหว่างความผันผวนของกระแสและแรงดัน ตัวประกอบกำลังคำนวณโดยใช้สูตร:

. (22)

อุปกรณ์ที่เรียกว่าหม้อแปลงไฟฟ้าใช้เพื่อแปลงกระแสสลับของแรงดันหนึ่งให้เป็นกระแสสลับของแรงดันอื่นที่ความถี่เดียวกัน หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นระบบที่ประกอบด้วยสองขดลวด (ขดลวด) ที่เชื่อมต่อกันด้วยแกนเดียว หากขดลวดเดิมมี N 1 รอบ และขดลวดทุติยภูมิประกอบด้วย N 2 รอบ อัตราส่วนการแปลง k จะถูกคำนวณโดยสูตร:

โดยที่ e 1 และ e 2 - e.m.f. การเหนี่ยวนำในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ

หากแรงดันตกคร่อมความต้านทานแอ็คทีฟของขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้ามีน้อยมาก ดังนั้น: ε 1 = u 1 และ ε 2 = u 2 แล้ว:

ประสิทธิภาพ หม้อแปลงไฟฟ้าเรียกว่าอัตราส่วนของกำลัง R 2 ที่กำหนดโดยขดลวดทุติยภูมิต่อกำลัง R 1 ที่จ่ายให้กับ ขดลวดปฐมภูมิ:

. (25)

ประสิทธิภาพ หม้อแปลงสมัยใหม่สูงมาก - 97-98% ดังนั้นตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานปัจจุบันในขดลวดปฐมภูมินั้นเกือบเท่ากับพลังงานปัจจุบันใน ขดลวดทุติยภูมิ: ร 1 ร 2 . เป็นดังนี้: J 1 U 1 J 2 U 2 .

จากนั้นสูตร (24) สามารถเขียนเป็น:

, (26)