фізика 8/21

 22.12.2022

Уроки 49, 50

Тема. Змінний струм та його характеристики. Діючі значення напруги та сили струму. Розв'язування задач

Завдання:

1. Опрацювати теоретичний матеріал
2. Записати конспект в зошит
3. Переглянути відеоуроки, нище за посиланням
4. Записати розв'язок задач в зошит
5. Відповісти на запитання, нище

https://www.youtube.com/watch?v=BwFoEDVNgUA

https://www.youtube.com/watch?v=3AbHGQa7pkI

https://www.youtube.com/watch?v=rvCcjQlvwOc

Змінний струм. Прикладом вимушених електромагнітних коливань є змінний струм.

Змінними вважають струми, які змінюються як за значенням, так і за напрямком.

Найпростішим способом одержання низькочастотних змінних струмів є обертання рамки з провідників в однорідному магнітному полі (мал. 114) (або навпаки — обертання магнітного поля, яке перетинає нерухомі провідники). Цей принцип закладено в роботу генераторів змінного струму (індукційних генераторів).

Мал. 114. Обертання рамки в магнітному полі

Якщо до генератора змінного струму, напруга на полюсах якого змінюється за законом u = Um sin ωt, під’єднати будь-яке навантаження (наприклад, електричний двигун, батарею конденсаторів, нагрівальний прилад і т. ін.), по колу проходитиме змінний струм і = Im sin (ωt + φ), де φ — зсув фаз між коливаннями сили струму та напруги (мал. 115). Причиною виникнення зсуву фаз між струмом і напругою в загальному випадку є різний опір кола змінного струму (про це детальніше — в наступних параграфах).

Мал. 115. Графіки зміни напруги та сили змінного струму

Діючі значення сили струму та напруги. У колі змінного струму напруга й сила струму повсякчас змінюються. Постає запитання: якими значеннями сили струму або напруги характеризувати цей струм? Середні значення сили струму й напруги за період дорівнюють нулю і не можуть бути їхніми характеристиками. Проте середнє значення квадрата сили струму за період відмінне від нуля. Пригадаймо, що кількість виділеного в провіднику тепла внаслідок проходження по ньому постійного струму змінюється пропорційно квадрату сили струму, Q ~ I2. Якщо сконструювати вимірювальний прилад (тепловий амперметр), у якого відхилення стрілки буде пропорційним квадрату сили струму, і включити його в коло змінного струму, то він покаже певне значення. Який фізичний зміст цього показу?

Оскільки шкала приладу відградуйована для постійного струму, то можна зробити висновок, що змінний струм за своїм тепловим ефектом еквівалентний постійному струму, силу якого показує на шкалі приладу стрілка. Це дає змогу ввести характеристику змінного струму — ефективне (або діюче) значення сили змінного струму.

Ефективним (або діючим) значенням сили змінного струму називають силу такого постійного струму, який за один період змінного струму виділяє стільки ж тепла, скільки останній виділяє за той самий час.

Усі амперметри, призначені для змінного струму, показують ефективне значення сили струму.

Дослідженнями встановлено, що середнє за період значення квадрата сили струму становить

то корінь квадратний із цього виразу й буде визначати діюче значення сили струму

Так само визначається і діюче значення напруги та ЕРС змінного струму:

У США й Канаді, наприклад, стандартна напруга мережі змінного струму дорівнює 120 В, що відповідає 170 В амплітудного значення. У Європі ефективна напруга 240 В, амплітудна відповідно — 340 В. У нашій країні ефективна напруга 220 В, амплітудна — 310 В. Усі вольтметри, призначені для змінного струму, показують ефективні значення ЕРС і напруги.

Потужність у колі змінного струму. Як підрахувати потужність струму, що проходить у цьому колі? У випадку постійного струму потужність визначають за формулою Р = UI. Для кола змінного струму ця формула не застосовна, оскільки сила струму й напруга змінюються. Але сила струму й напруга мають постійні амплітудні значення і змінюються за однаковими законами, отже, і середнє значення потужності за будь-який період і за будь-яку кількість періодів буде однаковим. Унаслідок чого й середня потужність у колі змінного струму буде постійною. Отже, щоб знайти потужність змінного струму, достатньо визначити середню потужність за один період:

е А — середня робота струму за період Т.

Щоб визначити роботу змінного струму за період, скористаємось таким способом. Розіб’ємо період на велику кількість дуже маленьких інтервалів часу ∆t. Тоді на кожному такому інтервалі силу струму та напругу можна вважати постійними і середнє значення потужності струму буде визначатись миттєвими значеннями сили струму та напруги, Р = iu.

Робота струму ∆А за малий інтервал часу ∆t дорівнює, робота струму за період становить 

Тоді середня потужність струму за період:

Запитання:

1. Як можна отримати ЕРС, яка б змінювалася за законом синуса? 

2. Який струм називають змінним? Що таке діючі значення сили струму та напруги?