Отримання змінного струму - Основи електроніки
Ми з вами дізналися, що такезмінний струм, тепер я вам хочу розповісти, якотримати змінний синусоїдальний струм.
Візьмемо провідник, зігнутий у вигляді рамки і обертатимемо його в рівномірному магнітному полі (рисунок 1). При обертанні рамки магнітний потік, що охоплюється нею, змінюватиметься, отже, у рамці виникне ЕРС індукції.
Нехай рамка обертається із рівномірною швидкістю. Ми вже знаємо, що величина ЕРС, індукованої в рамці, буде тим більшою, чим швидше змінюватиметься кількість магнітних силових ліній, що охоплюються рамкою, або інакше, чим більше магнітних силових ліній перетинатимуть сторони рамки в одиницю часу (наприклад в одну секунду). .
Приймемо за початкове положення рамки, коли вона охоплює найбільшу кількість магнітних силових ліній, тобто коли площина її перпендикулярна напрямку магнітного потоку. На малюнку 1 це положення позначено цифрою1.
Рисунок 1.Отримання синусоїдального змінного струму.а - ряд послідовних положень рамки в магнітному полі; б-графік змінного струму (синусоїда).
На початку обертання рамки її сторони ковзатимуть майже вздовж магнітних силових ліній, перетинаючи дуже малу кількість їх, тобто магнітний потік, що проходить через рамку, буде змінюватися дуже повільно, отже, і індукція, що наводиться цією зміною потоку ЕРС, буде невелика.
У міру наближення рамки, до положення2, коли площина її стає паралельною силовим лініям, кількість силових ліній, що перетинаються рамкою, зростає (при постійній швидкості обертання рамки) а, отже, зростає і индуктируемая в ній ЕРС.
Коли рамка пройде положення2, чинна в рамці ЕРС почнепоступово зменшуватися і дорівнюватиме нулю, коли рамка зробить півоберта (становище3 ). Потім ЕРС знову зростатиме, але вже у зворотному напрямку, оскільки тепер сторони рамки будуть перетинати магнітні силові лінії в протилежному напрямку. У момент, коли рамка займе положення4, тобто зробить три чверті обороту, ЕРС буде найбільшою, після чого вона почне знову зменшуватися і стане рівною нулю в той момент, коли рамка завершить повний оборот (положення5 ).
При подальшому обертанні всі явища повторюватимуться в колишньому порядку. Так як ЕРС у рамці безперервно змінюється за величиною і, крім того, двічі протягом кожного обороту змінює свій напрямок, то й струм, що викликається нею в рамці, також змінюватиметься і за величиною і за напрямом.
Умовимося зображати зміну змінної ЕРС, що наводиться в рамці при обертанні її в магнітному полі, таким чином, що по горизонтальній прямій лінії (осі) зліва направо відкладатимемо в якомусь масштабі кут повороту рамки або час, що протік від початку повороту, а вгору і вниз (по вертикалі) відкладатимемо ті ЕРС, які наводяться в рамці при даному куті її повороту. Вгору відкладатимемо ЕРС одного напрямку, а вниз — ЕРС іншого напрямку. В результаті такої побудови отримаємо графік зміни ЕРС в залежності від кута повороту рамки або, що те саме, в залежності від часу, так як рамка обертається з постійною швидкістю. Крива ця, зображена на малюнку 1б, дуже часто зустрічається в електротехніці і носить назву синусоїди .
Отже, бачимо, що з рівномірному обертанні рамки в рівномірному магнітному полі, у ній індуктується змінна ЭРС, змінюється за періодичному закону, що виражається синусоїдою; ЕРС та струми,що змінюються за таким законом, називаютьсясинусоїдальними, а весь описаний процес матиме назву отримання змінного синусоїдального струму .
Зв'яжемо подумки з рамкою, що обертається, стрілку, укріплену на одній осі з рамкою (рисунок 2а). Направимо на стрілку, що обертається, пучок паралельних світлових променів так, як це зображено на малюнку 2б, а з іншого боку стрілки поставимо екран (наприклад аркуш паперу). Електрорушійна сила, що індуктується в рамці, в кожний момент буде пропорційна довжині тіні, що відкидається стрілкою на екран. Довжина тіні в початковий момент, коли стрілка знаходиться в горизонтальному положенні, тобто вістрям спрямована у бік екрану, дорівнюватиме нулю.
Малюнок 2.Модель синусоїдального коливання.а -разом із рамкою обертається стрілка; б -кінчик тіні від стрілки здійснює синусоїдальні коливання.
При обертанні стрілки у напрямку, вказаному на малюнку, її тінь почне подовжуватися, витягаючись вгору. Спочатку подовження тіні відбуватиметься швидко, але в міру наближення стрілки до вертикального положення воно сповільниться і, нарешті, своєю припиниться, коли довжина тіні стане рівною довжині стрілки. Після цього тінь буде коротшати, спочатку повільно, а потім все швидше і швидше і, нарешті, стане рівною нулю в той момент, коли стрілка, здійснивши півоберта, займе горизонтальне положення. У той час, коли стрілка буде здійснювати наступну половину обороту, її тінь зробить таке ж подовження і укорочення, як і раніше, з тією різницею, що подовжуватиметься вона тепер не вгору, а вниз.
При кожному обороті стрілки її тінь здійснюватиме одне повне коливання.
Коливання тіні стрілки, що обертається, дають повну картину зміни швидкості руху електронів впровідника при синусоїдальному змінному струмі. Швидкість вільних електронів у провіднику спочатку невелика, потім електрони починають рухатися все швидше та швидше (сила струму збільшується). У деякий момент швидкість електронів досягає своєї максимальної величини (сила струму максимальна), після чого електрони поступово уповільнюють свій рух і, нарешті, зупиняються (сила струму дорівнює нулю).
Однак, практично електрони не роблять зупинки, так як вони відразу ж починають рух у зворотному напрямку (струм змінює свій напрямок) з поступово зростаючою швидкістю (сила струму зростає) і т.д.
Накреслимо коло, всередині якого намітимо кілька положень радіусу, які він займає при рівномірному русі його кінця по колу. На малюнку 3 показано 24 послідовні положення радіусу, які він займає через кожні 15° повороту. Праворуч від цього кола проведемо горизонтальну лінію на висоті центру кола. Розділимо горизонтальну координатну вісь також на 24 частини, кожна з яких буде відповідати 15 ° кола.
Малюнок 3.Побудова графіка синусоїдального змінного струму.Кількість і горизонтальна вісь координат розділені на однакове число частин.
З кожної зазначеної точки на горизонтальній осі проведемо вертикальну лінію, що дорівнює проекції радіусу на вертикальний діаметр або довжині тіні при даному куті повороту. З'єднаємо плавний кривий кінці всіх вертикальних ліній. Ця крива і буде синусоїдою.
Радіус, що обертається, вживаний при побудові синусоїди, називаєтьсярадіусом-вектором.
Сподобалася СТАТТЯ? ПОДІЛИСЯ З ДРУЗЯМИ В СОЦІАЛЬНИХ МЕРЕЖАХ!