Переменный ток и его характеристики

Что такое переменный ток

Переменный ток — это электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению. В быту используют синусоидальный переменный ток с частотой 50 Гц в России. Он получается за счёт явления электромагнитной индукции при вращении рамки в магнитном поле.

Получение переменного тока

При равномерном вращении проволочной рамки в однородном магнитном поле магнитный поток через неё меняется по закону косинуса, а ЭДС — по закону синуса:

e = E₀ · sin(ω·t), где E₀ — амплитуда ЭДС, ω — циклическая частота.

Так устроен генератор переменного тока — основное устройство электростанций. Частота вырабатываемого тока зависит от скорости вращения рамки и числа пар полюсов магнита.

График переменного тока представляет собой синусоиду. Время одного полного колебания называют периодом T, а число колебаний в секунду — частотой ν. Они связаны соотношением ν = 1 / T, а циклическая частота равна ω = 2π·ν. При частоте 50 Гц ток сто раз в секунду меняет направление.

Действующие значения

Чтобы сравнивать переменный ток с постоянным по тепловому действию, вводят действующие (эффективные) значения. Они меньше амплитудных в корень из двух раз:

I = I₀ / √2 и U = U₀ / √2

Именно действующее напряжение 220 В показывают бытовые вольтметры, хотя амплитуда достигает примерно 310 В. Смысл действующего значения в том, что переменный ток с таким действующим значением выделяет на резисторе столько же тепла, сколько и постоянный ток той же величины.

Сопротивления в цепи переменного тока

В цепи переменного тока, кроме обычного активного сопротивления, проявляются реактивные:

• активное R — на нём выделяется тепло;
• индуктивное X_L = ω·L — у катушки, растёт с частотой;
• ёмкостное X_C = 1 / (ω·C) — у конденсатора, падает с частотой.

Разбор примера

Амплитуда напряжения в сети U₀ = 310 В. Найдём действующее значение.

U = U₀ / √2 = 310 / 1,41 ≈ 220 В — стандартное бытовое напряжение.

Полное сопротивление цепи, содержащей резистор, катушку и конденсатор, находят с учётом того, что реактивные сопротивления складываются особым образом. Когда индуктивное и ёмкостное сопротивления равны, наступает явление резонанса: сопротивление цепи минимально, а сила тока достигает наибольшего значения. Резонанс широко используют в радиотехнике для настройки приёмников на нужную волну.

Частые ошибки. Не путайте амплитудное и действующее значения. На реактивных сопротивлениях (катушке и конденсаторе) тепло не выделяется — они не потребляют активную мощность. Реактивные сопротивления зависят от частоты, а активное — нет.

Кратко о главном

• Переменный ток меняется по синусоиде, частота в России — 50 Гц.
• Получают вращением рамки в магнитном поле (генератор).
• Действующие значения: I = I₀ / √2, U = U₀ / √2.
• Индуктивное сопротивление растёт с частотой, ёмкостное — падает.