Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ
Посмотреть оригинал

ОДНОФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

Особенности электромагнитных процессов в цепях переменного тока

Современная электроэнергетика базируется в основном на переменном токе. Внедрение переменного тока в практику относится к 1870-м гг. До этого времени энергетическая техника, использовавшая электромагнитные явления для практических целей, основывалась на постоянном токе. Это относилось в первую очередь к таким областям, как электрическое освещение, гальванотехника и др.

Основным недостатком дуговых ламп постоянного тока, являвшихся источником света, было неравномерное сгорание угольных электродов — положительный электрод сгорал быстрее. В 1876 г. П. Н. Яблочков доказал, что устойчивая электрическая дуга возникает и на переменном токе, при этом в «свече Яблочкова» обеспечивались условия равномерного сгорания обоих электродов.

Появление новой и надежной электрической свечи предопределило разработку и создание экономичных источников переменного тока. В дальнейшем применение трансформаторов открыло широчайшие возможности для практического использования переменного тока, так как сделало возможным централизованное производство электрической энергии и экономичную передачу ее на дальние расстояния.

Электромагнитные процессы в цепях переменного тока оказываются сложнее, чем в цепях постоянного тока, и убедиться в этом можно на простых примерах.

На рис. 2.1.1, а изображены протяженные проводники А и В, подключенные к источнику электрической энергии.

Два проводника, расположенных на расстоянии друг от друга, обладают некоторой электрической емкостью С. Если к ним подведено напряжение источника и, то оно вызовет появление на проводниках электрического заряда ц

Единицей емкости является фарад (Ф). На рис. 2.1.1, 6 пунктиром показаны несколько линий напряженности электрического поля Е (силовые линии), созданного зарядами q. Знак зарядов и направление вектора Е соответствуют случаю, когда потенциал проводника А выше, чем проводника В.

Проводники, разделенные диэлектриком и подключенные к источнику электрической энергии («), создают электрическое поле при отсутствии тока (б) и при наличии тока (в) в проводах

Рис. 2.1.1. Проводники, разделенные диэлектриком и подключенные к источнику электрической энергии («), создают электрическое поле при отсутствии тока (б) и при наличии тока (в) в проводах

Будем считать, что электрическая проводимость воздушной среды, окружающей проводники, равна нулю, т.е. среда является идеальным диэлектриком и не содержит свободных носителей заряда, которые могли бы участвовать в создании тока проводимости. Тогда в случае источника постоянного напряжения в незамкнутой цепи ток отсутствует, а вектор напряженности электрического поля (и силовые линии на рисунке) перпендикулярны поверхностям проводов (см. рис. 2.1.1, б). В случае источника переменного напряжения ситуация становится иной.

Из курса физики известно, что электрическое поле поляризует диэлектрик. При изменении напряжения во времени изменяются заряды на проводниках, напряженность электрического поля и электрическая поляризация диэлектрика. При этом в диэлектрике возникает электрический ток смещения

Между проводами возникают токи смещения. В проводах и источнике возникают токи проводимости, которые вызовут изменение потенциала но длине проводника. Появятся касательные составляющие напряженности электрического поля у поверхности проводников. Они вызовут искривление силовых линий ЕуУ в плоскости У О/ (см. рис 2.1.1, в). В источнике ток проводимости равен суммарному току смещения в диэлектрике.

Следовательно, при переменном напряжении источника в цепи на рис. 2.1.1, а появится ток даже в отсутствие приемника электрической энергии. Значение тока при этом определяется емкостью соединительных проводов и скоростью изменения напряжения, этот ток смещения на линиях электропередачи называют током утечки.

Упражнение 2.1.1

Как зависит ток источника переменного напряжения в цепи на рис. 2.1.1, а от протяженности проводников/! и В? При увеличении длины проводников ток:

  • а) уменьшится;
  • б) увеличится;
  • в) не изменится.

Перейдем к обсуждению явлений, происходящих в переменном магнитном ноле, и рассмотрим, например, катушку с током г (рис. 2.1.2). Электрический ток создаст в окружающем его пространстве магнитное ноле.

Магнитное поле катушки

Рис. 2.1.2. Магнитное поле катушки

На этом рисунке пунктиром показаны несколько линий магнитной индукции В. Если бы ток катушки был постоянным во времени, то магнитное поле, созданное током, никак не влияло бы на состояние электрической цепи, содержащей катушку. По-другому обстоит дело в цепях переменного тока. Переменное магнитное поле, создаваемое переменным электрическим током, индуцирует в катушке электродвижущую силу самоиндукции е,, значение которой определяется скоростью изменения потокосцепления катушки с магнитным полем:

Потокосцепление ? определяется но формуле

где № — число витков катушки: Ф4 — магнитный поток, равный потоку вектора магнитной индукции В через поверхность, ограниченную контуром к-го витка. Единицей магнитного потока является вебер (Вб), а магнитной индукции — тесла (Тл).

При отсутствии в пространстве, окружающем катушку, ферромагнитных материалов между потокосцеплением и током катушки существует линейная связь, определяемая индуктивностью катушки Ь:

С учетом (2.1.3) можно записать

Единицей потокосцепления является вебер (Вб), а индуктивности — генри (Гн).

Упражнение 2.1.2

Как зависит индуктивность катушки от удельной электрической проводимости материала проводника, из которого она изготовлена? Варианты ответа:

  • а) удельная электрическая проводимость материала проводника нс влияет на индуктивность катушки;
  • б) индуктивность катушки прямо пропорциональна удельной электрической проводимости материала проводника;
  • в) индуктивность катушки обратно пропорциональна удельной электрической проводимости материала проводника.

Таким образом, в цепях переменного тока необходимо учитывать как токи смещения, так и ЭДС самоиндукции, что существенно усложняет расчет по сравнению с цепями постоянного тока.

Все сказанное справедливо для электрических цепей при любом произвольном законе изменения электрических величин во времени.

Дальше в этой главе рассматриваются линейные электрические цепи только при синусоидальной форме изменения во времени электрических и магнитных величин. При низких и средних частотах токи смещения и ЭДС самоиндукции становятся заметными, соответственно, только в емкостных и индуктивных элементах цепи. Для соединительных проводов небольшой длины этими величинами можно пренебречь. Такие цепи находят наибольшее применение в электротехнической практике.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы