Вращение рамки в магнитном поле
Колебания, возникающие в колебательной системе под действием периодически изменяющихся внешних сил, называются вынужденными. Примером вынужденных электромагнитных колебаний является переменный электрический ток.
Ток, изменяющийся по направлению и величине по гармоническому закону, называется переменным.
Наиболее простой способ получения переменного тока — использовать явление электромагнитной индукции.
ЭДС индукции возникает в том случае, если меняется поток вектора магнитной индукции. Магнитной поток Ф=BScosa может измениться, если изменяется:
— магнитное поле В,
— площадь контура S
— угол между нормалью и магнитным полем
Наиболее простой способ изменять поток, меняя угол, вращать рамку с постоянной угловой скоростью.
Вынужденные электромагнитные колебания
При вращении рамки в магнитном поле периодически меняется поток магнитной индукции, пронизывающий рамку. В рамке наводится переменная ЭДС индукции. Если цепь замкнута, то возникает индукционный ток, который непрерывно меняется по модулю, а через 1/2 Т — по направлению.
Т. о. в рассматриваемом случае получаем изменение ЭДС, напряжение и силы тока:
где φ -разность фаз между колебаниями тока и напряжения.
Электрическая цепь с активной нагрузкой
Электрические устройства, необратимо преобразующие электрическую энергию во внутреннюю, называются активными сопротивлениями (высокоомные провода, спирали нагревательных приборов, резисторы).
Мгновенное значение напряжения меняется по гармоническому закону:
Мгновенное значение силы тока пропорционально мгновенному значению напряжения и совпадает по фазе:
В проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока совпадают по фазе с колебаниями напряжения по фазе.
Закон Ома для цепи с активным сопротивлением:
Электрическая цепь с емкостным сопротивлением
Электрическое устройство обратимо преобразующее энергию источника тока в энергию электрического поля конденсатора называют емкостным сопротивлением.
Конденсатор в цепи переменного тока обладает емкостным сопротивлением.
Мгновенное значение напряжения:
Мгновенное значение силы тока:
Колебания тока отстают от колебаний напряжения по фазе на π /2.
Емкостное сопротивление равно:
Закон Ома для цепи с емкостным сопротивлением:
Физический смысл: емкостное сопротивление обусловлено протеканием токов зарядки и разрядки конденсатора, т. е. изменению переменного тока в любое мгновение противодействует электрическое поле между обкладками конденсатора.
Электрическая цепь индуктивным сопротивлением
Электрическое устройство обратимо преобразующее энергию источника тока в энергию магнитного поля катушки называется индуктивным сопротивлением.
Электродвигатели, электромагниты, трансформаторы обладают индуктивным сопротивлением.
Мгновенное значение силы тока:
Мгновенное значение напряжения:
Напряжение опережает ток по фазе на π /2.
Индуктивное сопротивление равно:
Закон Ома для цепи с индуктивным сопротивлением:
Физический смысл: индуктивное сопротивление связано с существованием ЭДС самоиндукции в цепи переменного тока, которая в любое мгновение времени противодействует изменению силы тока.
ЭДС самоиндукции — причина индуктивного сопротивления.
Резонанс
Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний тока при совпадении собственной частоты электрической цепи с частотой периодически действующей ЭДС:
Резонанс в цепи будет зависеть от ω и будет максимален при частоте, отвечающей условию:
При увеличении сопротивления цепи вероятность наступления резонанса уменьшается. При больших сопротивления резонанс в цепи не наступает.
Переменный электрический ток (получение, передача и использование электрической энергии)
Опорный конспект:
Вопросы для самоконтроля по блоку “Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный электрический ток”:
- Какой ток называют переменным?
- Какое явление было использовано в получение переменного электрического тока?
- Напишите уравнения гармонического изменения потока магнитной индукции, ЭДС индукции, силы тока и напряжения. Дайте определение всем величинам, входящих в эти уравнения.
- При каких условиях закон Ома справедлив для переменного тока в той же форме, что и для постоянного тока?
- Почему катушка, включенная в цепь переменного тока, влияет на силу тока?
- От чего зависит индуктивное сопротивление?
- Как влияет катушка индуктивности в цепи переменного тока на разность фаз тока и напряжения?
- Почему конденсатор в цепи переменного тока влияет на силу тока?
- Чем обусловлена разность фаз тока и напряжения при наличии конденсатора в цепи переменного тока?
- От чего зависит емкостное сопротивление?
