Сложный характер переменного тока.

(В главное меню)

    Отмечая, что э д с , наведенная в проводнике, который движется в магнитном поле, зависит от скорости его перемещения, нужно помнить речь идет не о движении вообще, куда угодно Важно то, с какой скоростью проводник пересекает магнитное поле, с какой скоростью он движется перпендикулярно полю, перпендикулярно направлению, в котором поле повернуло бы пробную магнитную стрелку Это поясняет рисунок Р-41, на котором показано движение проводника в магнитном поле в разных направлениях Предполагается, что скорость движения во всех пяти примерах одна и та же - проводник за единицу времени, скажем за 1 сек, везде проходит одно и то же расстояние а В первых двух случаях (Р-41, 1, 2) проводник движется по направлению поля, движется в том же направлении, в котором поле устанавливает стрелку компаса А поэтому наведенная э д с равна нулю-чтобы э д с навелась, проводник должен хоть сколько-нибудь сместиться поперек поля Такое смещение, правда небольшое, мы видим на Р-41,3, здесь проводник по-прежнему продвинулся на расстояние а, но теперь он уже поперек поля сместился на расстояние аг В случае, показанном на рисунке Р-41,4, э д с максимальна - проводник движется строго перпендикулярно полю Такая же максимальная э д с наведется и в случае Р-41,5 Здесь, правда, проводник движется в другом направлении и полярность э д с , конечно, меняется на обратную (по сравнению с Р-41, 4) Так бывает всегда полярность наведенной э д с всегда зависит оттого, в каком направлении проводник пересекает магнитное поле, и определяется эта полярность по известному правилу правой руки (Р-37, 1)

    Все рассмотренные примеры - это лишь подготовка к знакомству с простейшей моделью машинного электрического генератора, где проводник вращается в равномерном магнитном поле (Р-42) В таком проводнике индуцируется э д с , которая подводится к внешней электрической цепи с помощью скользящих контактов

    Проводник вращается в магнитном поле равномерно с постоянным числом оборотов в минуту При этом он, естественно, с постоянной скоростью движется по окружности, но с разной скоростью пересекает магнитное поле Когда, например, проводник проходит точки 3 и 7, он с максимальной скоростью пересекает поле, хотя и в разных направлениях В эти моменты в проводнике наводится э д с , наибольшая из всех возможных, но, конечно, разной полярности Когда проводник проходит точки 1 и 5, он вообще не пересекает магнитного поля, и наведенная э д с в эти моменты равна нулю Во всех остальных точках наводится э д с разной величины, в пределах от4 максимальной до нуля, причем на всем участке движения отточки 1 до 5 э д с имеет одну полярность, а на всем участке от 5 до 1 -противоположную Одним словом, на проводнике, который вращается в магнитном поле, наводится переменная э д с , непрерывно меняется ее величина и периодически меняется ее полярность О том, как меняется наведенная э д с при вращении проводника в магнитном поле, лучше всего рассказывает график

    Об одной из зависимостей закона Ома можно рассказать словами - «ток прямо пропорционален электродвижущей силе », можно записать ее в виде короткой формулы (Р-16), а можно отобразить эту зависимость на графике, как это сделано на Р-43, 1 Основа графика-две взаимно перпендикулярные линии, две оси вертикальная и горизонтальная По вертикальной оси в определенном масштабе откладывают, отмеряют ту величину, об изменениях которой мы хотим рассказать А по горизонтальной оси отмеряют ту величину, от которой зависит первая «В определенном масштабе» означает, что если, например, отмеряется масса, то 1 мм на шкале может соответствовать 1 г или 1 кг, если отмеряется температура, то 1 мм-это уже может быть 1 град , если ток-то 1 мм может отображать 1 А, если напряжение - 1 В Отсчет ведется от нуля, то есть отточки пересечения осей

    На Р-43 показано, как с помощью графиков можно записать несколько самых разных зависимостей Первая - зависимость тока I в цепи от напряжения U при некотором постоянном сопротивлении R Строится график так задаемся некоторыми значениями напряжения - 1 В, 2 В, 3 Вит д - и подсчитываем для них соответствующие величины тока по формуле закона Ома При R = 2 Ом получается соответственно 0,5А, 1 А. 1,5А и т д Теперь из соответствующих точек на осях! и U проводим перпендикуляры до их пересечения и получаем на поле между осями точки, каждая из которых говорит «при U = 1 Вток! = 0.5А», «при U = 2 Вток! = 1А», «при U = 3 BtokI = 1.5A» ит д Соединяем точки и получаем линию, которая как раз показывает, как именно ток I зависит от напряжения U Одного взгляда на график достаточно, чтобы сказать, что с увеличением напряжения ток растет, причем растет прямо пропорционально, или, иначе, линейно Для экономии места можно на одном графике показать несколько зависимостей I otU при разных сопротивлениях цепи Легко заметить, что с ростом сопротивления цепи RtokI при увеличении U нарастает не так резко Графики могут также показать, что величина тока обратно пропорциональна сопротивлению, рассказать о зависимостях закона Ома для участка цепи, о том, как мощность зависит от тока или напряжения (Р-43, 2) На графике Р-43,3 условно показано, как меняется масса космической системы при выведении спутника на околоземную орбиту Сама масса в тоннах отложена по вертикальной оси, а по горизонтальной отложена высота подъема ракеты-носителя На Земле (нулевая высота) общая масса системы-20 г (цифры условные), затем по мере подъема выгорает топливо, и масса ракеты постепенно уменьшается На высоте 40 км масса уменьшается резко, скачком - это отстреливается отработавшая первая ступень Точно также на высоте 100 км отстреливается вторая ступень, и на высоте 250 км-третья Остается на орбите сам спутник (чистая масса 1 г), который движется по эллиптической орбите то несколько опускаясь, то поднимаясь над Землей (жирная линия на графике)

    График (Р-43,4) показывает, как меняется с течением времени расстояние I, которое автомобиль проехал от города А Мы видим, что первые два часа автомобиль шел с постоянной скоростью, каждый час покрывая 50 км В последующие два часа скорость была больше - за каждый час машина уже проходила 100 км А вот на графике появился горизонтальный участок - время идет, а пройденный путь остается неизменным, то есть машина стоит на месте Потом водитель вообще поехал назад - линия графика пошла вниз, то есть расстояние от города А стало уменьшаться, скорее всего, водитель обнаружил какую-то неисправность и вернулся в дорожную мастерскую После непродолжительной остановки машина вновь двинулась вперед   

    И еще один пример - график изменения температуры в течение суток (Р-43, 5) Мы видим, что температура почти все время меняется-только между 8 и 10 часами и между 12 и 13 часами она остается постоянной В какие-то моменты времени температура меняется медленней, а в другие моменты резче На этом графике мы впервые видим, как кривая (так часто называют линию, соединяющую точки графика) пересекает горизонтальную ось и уходит вниз Так условились показывать, что изменяющаяся величина становится отрицательной В данном случае это отрицательная температура, но точно также строится график отрицательной э д с или отрицательного тока (Р-44, Р-45)

    Нужно сказать, что сами названия «положительная э д с » и «отрицательная э д с » присвоены совершенно условно они должны подчеркнуть, что меняется полярность генератора, его «плюс» и «минус» меняются местами И одну из этих полярностей, часто совершенно безразлично какую, условно называют положительной, вторую - отрицательной

    Отсчет отрицательной величины на графике, в частности отрицательной э д с , ведется также, как и положительной, от горизонтальной оси, но уже, естественно, вниз чем больше отрицательная э д с , тем ниже от горизонтальной оси (ось времени) расположится соответствующая точка на графике

    На Р-44 показан график переменной э д с , которая наводится в проводнике при вращении его в магнитном поле (Р-42) График очень подробно рассказывает о процессе наведения э д с Мы видим, как в какой-то момент э д с достигает максимума - это проводник проходит точку 3 и с максимальной скоростью vr пересекает магнитное поле Видим максимальную э д с , но уже другой полярности - проводник проходит точку 7 Наконец, график рассказывает, что дважды за каждый оборот проводник движется не поперек поля, а вдоль и затем меняет направление, в котором он пересекает поле В эти моменты - они соответствуют точкам 1 и 5 - э д с равна нулю, и в эти же моменты происходит смена ее полярности.

    Все, что происходит в электрической цепи, подчиняется закону Ома, и если увеличивается или уменьшается э д с , то увеличивается или уменьшается ток, если меняется полярность генератора, то меняется направление тока (Р-45. 3) И также в полном соответствии с законом Ома (но уже для участка цепи, Т-37) переменный ток, проходя по какому-нибудь резистору, создает на нем переменное напряжение (Р-45. 4) Переменный ток и переменное напряжение по пятам следуют за всеми изменениями э д с , и поэтому график переменного тока и график переменного напряжения будут точной копией графика переменной э д с Очень часто кривую тока и кривую э д с или напряжения располагают вообще на одном графике (Р-45, 5), сделав для этого две разметки вертикальной оси - одну разметку в вольтах для э д с или напряжения, другую разметку в амперах для тока Рассматривая такой двойной график, н^жно помнить, что это всего лишь экономия бумаги, и ничего больше Ни в коем случае нельзя сравнивать высоту этих кривых-они рассказывают о разных величинах, каждая начерчена в своем масштабе и общая у них только ось времени

    Оттого, что переменная э д с двигает заряды в разные стороны - то туда, то обратно, работоспособность этих зарядов ничуть не уменьшается Они также, как при однонаправленном, одностороннем движении, сталкиваются с атомами вещества, нагревают его, заставляют светиться И магнитное поле переменный ток создает не менее успешно, чем постоянный, только направление этого магнитного поля непрерывно меняется как только сменится направление тока, так поменяются местами северный и южный полюсы электромагнита Во многих случаях эту неприятность научились обходить - существуют, в частности, двигатели переменного тока, которые работают ничуть не х^ке, чем двигатели постоянного тока В других же случаях замена «севера» на «юг» вообще не имеет значения Вот пример Электромагнит притягивает стальную деталь потому, что он намагничивает ее и тянет к себе, как обыкновенный магнит (Р-33. 5) Если же в обмотке электромагнита протекает переменный ток, то одновременно с изменением магнитного поля самого электромагнита меняется направление намагниченности стальной детали и ее притягивание не прекращается

    В тех же случаях, когда постоянный ток нельзя заменить переменным (или переменный-постоянным), можно, как мы скоро увидим, превратить один вид тока в другой

    О постоянном токе нам достаточно было знать одно - какова интенсивность движения зарядов, то есть то, что отражено в характеристике «величина тока», «сила тока» Переменный ток - явление значительно более сложное, и, чтобы судить о событиях в цепях переменного тока, нщна значительно более обширная информация В частности, нужно знать, насколько быстро меняется ток, насколько часто происходит смена его направлений Об этом в равной мере хорошо говорят две характеристики Первая - период - указывает время, в течение которого переменный ток (э д с , напряжение), изменяясь, проходит весь свой цикл, все свои возможные значения Вторая характеристика-частота-говорит о том, сколько периодов, то есть полных циклов изменения тока (э д с , напряжения) успевает произойти за единицу времени Единица частоты - герц (Гц) - число периодов в секунду Ясно, что чем медленнее происходят изменения тока, чем дольше длится период, тем меньше (принято говорить «ниже») частота И наоборот, с увеличением частоты период становится все более коротким (Р-46)

    С постоянным током было просто чтобы представить себе ток в цепи, достаточно было знать одну цифру А вот что делать, если потребуется указать величину переменного тока? Какую цифру называть? Ток ведь переменный, величина его непрерывно меняется, и в какой-то момент по проводнику идет очень много свободных зарядов, в другой момент очень мало, в третий ни одного Можно поступить так указать силу тока и отметить, что она наблюдалась именно в такой-то момент Например, так. «29 мая 1986 года в 18 часов 37 минут 26,57854 секунды ток в цепи был равен 5 амперам» Это будет мгновенное значение тока, ток в данный момент Характеристика не очень удобная нельзя же каждую микросекунду замерять ток, чтобы составить его подробное жизнеописание (Т-8)

    Можно назвать наибольшее, амплитудное значение тока (э д с , напряжения), тот максимум, которого он достигает дважды за период Кстати, наибольший ток (э д с , напряжение) во время положительного и отрицательного полупериода называют положительной и отрицательной амплитудой Это^ке вполне приемлемая характеристика, жаль только, рассказывает она о довольно редких событиях - амплитудный ток появляется на неуловимо короткое мгновение всего два раза за период

    Чтобы судить о том, что может сделать переменный ток не в какой-то «данный момент», а в среднем за длительное время, проще всего сравнить его действия с постоянным током Пропустим, например, по лампочке переменный ток, и по такой же точно лампочке пропустим постоянный ток Подберем величину этого постоянного тока так, чтобы обе лампочки светились одинаково Это будет означать, что оба тока - постоянный и переменный - производят одинаковую работу Так вот, эту величину постоянного тока, который по своей работоспособности эквивалентен переменному, называют эффективным значением этого переменного тока Точно также эффективное значение переменного напряжения (э д с ) - это есть некие постоянные напряжения с такой же работоспособностью При прочих равных условиях эффективный ток (э д с , напряжение) тем больше, чем больше амплитуда (атлет, поднимающий штангу в 200 килограммов, за день наверняка сумеет перенести больше грузов, чем малыш, который с трудом тащит легкую табуретку) Для переменной э д с (напряжения, тока), которая наводится во вращающемся витке (Р-44, такая э д с называется синусоидальной, и нам еще предстоит детальное знакомство с ней вТ-73), существует такое соотношение эффективное значение составляет примерно 70% от амплитуды, а амплитуда соответственно в 1,4 раза больше эффективного значения (Р-47) Так, например, в сети переменного тока с напряжением 127 В амплитуда напряжения достигает 127 • 1,4 = 180 В, а в сети 220 В амплитуда напряжения 220* 1,4 = 308 В

    Для элементов цепей переменного тока, как правило, указывают их эффективные напряжения и токи если на лампочке или утюге написано «220 В», то имеется в виду именно эффективное напряжение.

    Если не искать строгих определений, то можно сказать, что фаза - это такой параметр переменного тока, который указывает, в какой именно момент времени этот переменный ток (эд с , напряжение) имеет то или иное мгновенное значение Поэтому, указывая фазу, мы должны были бы, например, говорить так «У мгновенного значения тока 5 А фаза такая-10 часов 37 минут 16,3785 секунды 19 декабря 1985 года» Конечно, вести отсчет от начала нашей эры и определять фазу по секундомеру не очень-то удобно И главное, не нужно Вполне достаточно вести отсчет фазы от какого-либо условного момента времени, скажем от начала периода, оттого момента, когда переменный ток проходит через ноль и начинается положительный полупериод И отсчитывать фазу удобно не в секундах, а в долях периода Тогда фазу можно было бы, например, указывать так «У мгновенного значения тока 5 А фаза - 5% всего периода» Из графика легко заметить, что фаза положительной амплитуды тока составляет 25%, или, иначе, 1/4 периода, фаза отрицательной амплитуды-75%, или 3/4 периода, а фазы нулевых значений 0%, 50% и 100% от длительности целого периода

    Фазу принято отмерять не в процентах, а в градусах, каждый градус - это 1/360 часть периода, то есть градусами в данном случае отсчитывают не угол, не температуру, а время Название единицы измерения во всех этих случаях одинаковое - градус, а единицы измерения разные Кстати, градусы как меру времени, меру периода можно легко связать с угловыми градусами, показывающими положение проводника, который вращается в магнитном поле (Р-44 Р-48, 2)

    Параметр «фаза» очень важен, а часто и необходим, например в тех случаях, когда в цепи действуют несколько переменных э д с Чтобы оценить результаты такого взаимодействия, нужно знать, как сдвинуты фазы этих э д с Насколько это важно, видно из примеров, приведенных на Р-48, 3,4, 5 В первом случае нет сдвига фаз между двумя напряжениями, и их действия суммируются А вот в третьем примере напряжения действуют друг против друга - сдвиг фаз между ними равен 180 град ,то есть, по сути дела, одно напряжение запаздывает по отношению к другому на полпериода Или, что то же самое, на полпериода опережает его Иногда фазу приходится учитывать еще и потому, что в цепи не совпадают по времени, то есть сдвинуты по фазе, напряжение и ток В цепях переменного тока и такое возможно

    Активным называют сопротивление участка, если оно уменьшает ток в цепи, препятствует движению зарядов и одновременно отбирает у них часть мощности Но разве бывает иначе'? Разве может какой-либо элемент цепи препятствовать электрическому току и в то же время не отбирать у него энергию1? Оказывается, может Понятие «активное сопротивление» понадобилось именно потому, что есть, оказывается, элементы электрических цепей, которые оказывают сопротивление току, но мощности при этом не отбирают О таких элементах говорят, что у них реактивное сопротивление

    События на участке с активным сопротивлением беспрекословно подчиняются закону Ома в том виде, в каком он был установлен для постоянного тока (Т-31 или Т-37) Амплитуда тока, например, равна амплитуде э д с , деленной на сопротивление, эффективное напряжение равно эффективному току, умноженному на сопротивление (Р-47), ит д Поэтому и максимум тока наблюдается точно втотже момент, что и максимум напряжения, то есть между током и напряжением нет никакого сдвига фаз (Р-45. 5)

    Постоянный ток через конденсатор не проходит-в диэлектрике просто нет свободных зарядов, которые могли бы создавать ток, и включение конденсатора в цепь постоянного тока равносильно разрыву этой цепи Однако же в момент, когда конденсатор заряжается или разряжается, ток в цепи идет - заряды идут к обкладкам или уходят с них(Р-29) И такое движение зарядов будет происходить в цепи при любом изменении напряжения на конденсаторе Увеличится напряжение, значит, пойдут на обкладки дополнительные заряды и на какое-то мгновение появится зарядный ток в цепи Уменьшится напряжение - и часть зарядов уйдет с обкладок, появится кратковременный разрядный ток, ток обратного направления

    Теперь легко представить себе, что произойдет, если подвести к конденсатору переменное напряжение Поскольку напряжение непрерывно меняется, то конденсатор будет непрерывно заряжаться и разряжаться, а значит, в цепи конденсатора будет непрерывно идти ток Через диэлектрик заряды, как всегда, не проходят, они лишь двигаются к обкладкам конденсатора (напряжение растет, конденсатор заряжается) или с обкладок (напряжение падает, конденсатор разряжается), но это движение зарядов как раз и есть ток в цепи конденсатора На Р-4_9 показан график такого тока Как видно из этого рисунка, ток несколько сдвинут по фазе относительно напряжения, и график тока имеет туже синусоидальную форму, что и само напряжение То, что все получается именно так, требует некоторых пояснений

    В мире происходит бессчетное множество естественных и искусственных процессов, в которых одни какие-нибудь величины зависят от других каких-нибудь величин Температура звезды зависит от плотности ее вещества, вес зайца - от количества съеденной им травы, скорость автомобиля - от количества сжигаемого бензина, ток в цепи - от э д с генератора и т д и т п Зависимости эти бывают самые разные (Р-50), в том числе и описываемые чрезвычайно сложными уравнениями Но среди всех возможных зависимостей одной величины от другой особое место занимает та, которую мы называем синусоидальной Она была открыта очень давно при исследовании некоторых геометрических построений, но потом оказалось, что именно такая синусоидальная зависимость характерна для самых различных природных явлений

    V синусоиды чисто табличное происхождение Если мобилизовать фантазию, то можно представить себе, как безвестный древний математик нарисовал круг, провел через центр две перпендикулярные оси и, вращая по кругу радиус, стал измерять длину линии а, которую он назвал «линией угла» или, что то же самое, «линией синуса» (Р-50, 7) Свои измерения наш математик свел в таблицу (Р-50, 6), в которой было всего две строки - угол а поворота радиуса и цифра, показывающая, какую часть от длины радиуса R составляет при данном угле а длина линии синуса а По этой таблице затем была построена кривая, которую мы и называем синусоидой Можно, конечно, нарисовать много кривых, похожих на синусоиду (Р-50, 5), но синусоидой называется только одна (Р-50, 7) Именно та, которая в точности соответствует таблице (Р-50, 6)

    О замечательных особенностях синусоиды, о том, почему она оказалась столь универсальной, можно написать целые тома по синусоиде меняется энергия звуковой волны, скорость маятника, отклонение колеблющейся струны, э д с в проводнике, который вращается в магнитном поле, и происходят тысячи других процессов (Р-50, 8) Но сейчас нас прежде всего интересует одна особенность синусоидальной зависимости, которую нетрудно заметить, если всмотреться в ее график

    В свое время мы обратили особое внимание на то, что в ряде случаев важна не абсолютная величина, чего-либо (объема воды, пройденного пути, тока), а скорость ее изменения (Т-59) Подтверждение этой истины в цепях переменного тока можно встретить на каждом шагу, и поэтому посмотрим, чему, например, равна скорость изменения переменного синусоидального напряжения (Р-51)

    Сначала общее замечание синусоидальное напряжение в разные моменты меняется с разной скоростью Иногда график его идет круто (напряжение меняется резко, быстро), иногда более полого (напряжение меняется вяло, сравнительно медленно), иногда идет вверх (напряжение нарастает), иногда вниз (напряжение уменьшается) Это бывает не только у синусоидальных напряжений (Р-51, 1, 2, 3,4), но важно еще, как именно меняется скорость изменения напряжения

    Начнем с начала периода, когда синусоидальное напряжение (Р-51, 5) только что прошло через ноль и очень быстро нарастает В этот момент скорость его изменения самая большая, дальше кривая идет все более полого, то есть скорость нарастания напряжения постепенно уменьшается Наконец, в момент, когда оно достигло амплитуды, скорость его изменения равна нулю-изменение напряжения как бы на мгновение прекратилось и вслед за этим оно начнет уменьшаться Отметим этот факт так-будем считать, что скорость нарастания напряжения стала отрицательной

    Постепенно напряжение уменьшается все быстрее и быстрее, а значит, скорость его уменьшения (отрицательная скорость) все нарастает Наконец скорость достигает максимума (это отрицательная амплитуда скорости) в момент, когда напряжение проходит через ноль и когда меняется его полярность Перевалив через ноль, напряжение сначала меняется очень резко, но затем, как это уже было в самом начале, скорость его изменения постепенно уменьшается, приближается к нулю Ноль скорости соответствует отрицательной амплитуде напряжения, а после этого скорость вновь становится положительной - раз отрицательное напряжение уменьшается, то нужно считать, что напряжение нарастет (если на дворе было минус 10 градусов, а стало минус 5, то мы говорим, что потеплело, температура поднялась)

    Если тщательно проследить за тем, как меняется синусоидальное напряжение, то окажется, что скорость его изменения - это тоже синусоида, но только сдвинутая по отношению к синусоиде самого напряжения ровно на 90 градусов (Р-51, 5) Подобное совпадение (скорость изменения синусоиды тоже синусоида) ни в каких других зависимостях не встретишь На Р-51 несколько примеров того, как меняется скорость изменения самых разных переменных напряжений, и везде, кроме Р-51, 5, напряжение и скорость его изменения - совершенно разные графики

    То, что мы установили для синусоидального напряжения (его скорость меняется по такому же синусоидальному закону, как и само напряжение), относится к любому другому процессу, график которого-синусоида

    Для начала попробуем постепенно менять постоянное напряжение на конденсаторе, подключив его кделителю напряжения Оказывается, чем резче мы меняем напряжение, тем больше ток И это вполне объяснимо Если, например, взять конденсатор емкостью 1 Ф и изменить на нем напряжение на 1 В, то на обкладках накопится лишний кулон зарядов Если напряжение изменилось на 1 В за 1 сек, то этот кулон придет на обкладки за 1 секи в цепи пойдет ток 1 А (1 А = 1 К за 1 сек) А если увеличить напряжение на 1 В за 10 сек, то есть менять напряжение в десять раз медленнее, то и ток будет в десять раз меньше теперь 1 К зарядов пройдет по цепи за 10 сек, то есть за 1 сек пройдет 0,1 К Это как раз и есть ток силой в 0,1 А

    Теперь мы можем подтвердить правильность графиков Р-49 Напряжение, действующее на конденсаторе, все время будет создавать ток в цепи Потому что напряжение все время меняется и заряды все время то приходят на обкладки конденсатора, то уходят с них Наибольший ток будет в те моменты, когда напряжение меняется с максимальной скоростью, то есть когда оно проходит через нуль Во время амплитуды напряжения ток становится равным нулю какое-то неуловимое мгновение напряжение как бы не меняется - оно уже перестало расти, но еще не начало уменьшаться Когда напряжение растет, мы считаем ток положительным, когда напряжение падает, направление тока меняется на обратное, и мы называем это направление отрицательным

    Если к конденсатору подведено синусоидальное напряжение, то скорость его изменения тоже синусоида, и поэтому в цепи течет синусоидальный ток Построив график тока, можно убедиться, что между ним и напряжением существует сдвиг фаз 90 град (четверть периода), причем ток опережает напряжение Это не нужно понимать так, будто ток появляется раньше, чем мы прикладываем к конденсатору напряжение, подобное невозможно Просто амплитуда тока наступает на четверть периода раньше, чем амплитуда напряжения (Р-49)

    Конденсатор никакой мощности от генератора не потребляет В какие-то моменты, правда, генератор затрачивает усилия на то, чтобы зарядить конденсатор, но конденсатор честно возвращает полученную энергию во время разряда Этим он очень напоминает пружину, которая что берет, то и отдает

    Однако же конденсатор влияет на величину тока в цепи Так, в частности, ток в цепи будет тем больше, чем больше емкость конденсатора Потому что с увеличением емкости возрастает число зарядов, которое может накопиться на обкладках (при том же напряжении), а значит, и число зарядов, циркулирующих в цепи Иными словами, чем больше емкость, тем при прочих равных условиях больше ток в цепи Величина тока, как мы только что установили, зависит еще и оттого, с какой скоростью меняется напряжение чем больше эта скорость, тем больше ток Ясно, что чем выше частота переменного напряжения, тем быстрее оно меняется, тем, следовательно, больше ток в цепи конденсатора Или, иными словами, если переменное напряжение с частотой 10 Гц создаст в цепи конденсатора ток 5 мА, то такое же по величине напряжение, но с частотой 100 Гц создаст в той же цепи ток уже 50 мА

    Чтобы удобнее было учитывать влияние емкости С и частоты f на ток, их сводят в единую гибридную величину и называют ее емкостным сопротивлением хс (Р-52) И, пользуясь этим сопротивлением, для цепи переменного тока с конденсатором получают стандартные формулы закона Ома, такие же удобные, как и для цепи с резисторами

    Тот факт, что по катушке индуктивности пойдет переменный ток, если подвести к ней переменное напряжение, не вызывает никаких сомнений катушка намотана проводом, а ток идет по любому проводнику Однако то, что в этом случае происходит в цепи катушки, определяется не только сопротивлением проводника, из которого эта катушка изготовлена

    Вспомните, если в катушке меняется ток, на ней наводится э д с самоиндукции, которая тем больше, чем выше скорость изменения тока (Т-57) А это значит, что в катушке, по которой идет синусоидальный ток, изведется синусоидальная э д с самоиндукции скорость изменения синусоидального тока тоже меняется по синусоидальному закону Но э д с самоиндукции всегда препятствует изменениям тока, и есть только одна сила, которая может противодействовать этой мешающей э д с поддерживать переменный ток в цепи Эта сила - внешнее напряжение, которое действует на катушке, то есть часть э д с , которая достанется этой катушке от генератора Чтобы компенсировать э д с самоиндукции, внешнее напряжение должно бить по ней в противофазе.то есть со сдвигом на 180 град , на полпериода Построив графики всех трех «героев» этого сражения, легко убедиться, что ток в катушке отстает от напряжения на ней на 90 град (Р-53, 7).

    Теперь о соотношении между током и напряжением Это соотношение автоматически устанавливается таким образом, чтобы мешающая току э д с самоиндукции в точности уравновешивалась бы напряжением на катушке С подобным автоматизмом мы уже встречались постоянное напряжение на последовательных резисторах автоматически распределялось так, чтобы ток во всей цепи был одинаковым (Т-37. Т-40) Вот пример работы автоматики в катушке, по которой идет переменный ток Допустим, что в какой-то момент вышла из повиновения и сама по себе увеличилась в два раза амплитуда тока При этом, конечно, увеличится и скорость его возрастания если, например, раньше за 1 сек ток нарастал до амплитуды 1А, то теперь он будет за туже секунду нарастать до 2 Л, то есть скорость нарастания тока будет в два раза больше А значит, возрастет э д с самоиндукции и, мешая току, уменьшит его

    Посмотрим, что случится, если мы увеличим частоту переменного тока, не меняя напряжения, которое подводится к катушке В этом случае увеличится скорость изменения тока (чем выше частота, тем быстрее меняется ток), а значит, увеличится связанная с ней мешающая э д с И тутже автоматически уменьшится ток в цепи, а вместе с ним и э д с самоиндукции Причем уменьшатся они именно настолько, чтобы внешнее напряжение могло беспрепятственно двигать по цепи заряды, создавать ток (Это чем-то напоминает грузовик, который сам меняет свою скорость в зависимости от рельефа дороги )

    То же самое произойдет, если увеличить индуктивность катушки - ив этом случае ток автоматически уменьшится и потянет за собой мешающую э д с самоиндукции, не позволяя ей одолеть внешнее напряжение Одним словом, и увеличение частоты, и увеличение индуктивности влечет за собой уменьшение тока в катушке или, при неизменном токе, увеличение напряжения на ней Это позволяет объединить частоту и индуктивность в общей характеристике - индуктивном сопротивлении хс - получить с его помощью простые формулы закона Ома (Р-56. 2)

    Кстати, катушка, если пренебречь сопротивлением ее проводов, также, как и конденсатор, оказывается не активным, а реактивным элементом цепи Индуктивное сопротивление XL также, как емкостное хс, влияет на величину тока, но мощности от генератора не потребляет все, что в какие-то моменты катушка отбирает у него на создание магнитного поля, она отдает генератору обратно, когда это поле исчезает

    Чтобы усилить эффект фильтрации, эффект разделения разночастотных переменных токов и напряжений, иногда в одном фильтре объединяют конденсатор с катушкой Один из примеров такого фильтра - на Р-54,8 Его задача та же, что и в фильтре Р-54. 7, но здесь вместо Р3ф включена катушка 1_ф Катушку, применяемую в фильтре, часто называют дросселем, что можно перевести на русский как «глушитель» В данной схеме дроссель 1_ф глушит переменные токи, для них он представляет большое сопротивление XI А постоянные токи дроссель, наоборот, пропускает беспрепятственно Точнее, почти беспрепятственно постоянный ток ощущает только активное сопротивление провода, из которого намотан дроссель Так что фильтр Р-54, 8 отличается тем, что он закрывает путь к нагрузке переменным токам, не причиняя вреда постоянному Или скажем иначе на 1_ф практически не теряется часть постоянного напряжения, как она терялась на Р3ф в фильтре Р-54, 7 Несмотря на все это, значительно чаще применяют фильтры с резисторами Потому что дроссель-деталь более сложная и более дорогая, чем резистор, и применение ее не всегда оправданно

    В радиоэлектронной аппаратуре очень часто можно встретить особый LC-фильтр, так называемый колебательный контур Но прежде чем знакомиться с ним, нужно сказать несколько слов о том, как с помощью графиков описывают основные «черты характера» электрического фильтра

    Сопротивление реактивных элементов - конденсатора и катушки - зависит от частоты Эта их особенность может оказаться весьма нежелательной в тех случаях, когда по цепи с конденсатором и катушкой идут переменные токи разных частот и н^жно создать для всех этих токов равные условия Когда нужно, никому не отдавая предпочтения, одинаково хорошо или одинаково плохо - главное одинаково! - пропускать по цепи токи любых частот Конденсатор или катушка, разумеется, помешают этому равноправию По-разному сопротивляясь токам разных частот, конденсатор или катушка в разной степени будут ослаблять эти токи (Р-54; 2, 3)

    Конденсатор и катушка - источники так называемых частотных искажений, с которыми нам еще предстоит сталкиваться и бороться

    Но зато реактивные элементы незаменимы, когда нужно разделить токи разных частот, протекающие в общей цепи Например, когда некоторые из них нужно пропустить в нагрузку легко, а другим вообще преградить путь в нее, пустить их по другому пути Здесь, конечно, реактивные элементы незаменимы, только у них развито «чувство частоты», только конденсатор и катушка могут разделить токи разных частот, одни из них пропуская легко, другим оказывая большое сопротивление

    Цепи, в которых происходит сортировка и разделение токов разных частот, называются фильтрами Обычно это не очень большие цепи,  чаще всего они состоят из двух-трех элементов, в числе которых обязательно конденсатор или катушка или оба реактивных элемента одновременно Фильтры чрезвычайно широко используются в электронных устройствах Точной статистики, конечно, никто не делал, но, по-видимому, половина всех элементов электронных схем работает в фильтрах на своей основной работе или по совместительству Схемы фильтров очень разнообразны, но в них всегда используются одни и те же принципы, которые можно хорошо увидеть на простейших примерах

    Фильтры бывают параллельные и последовательные Примеры последовательных фильтров - на Р-54, 2, 3 Пример простейшего параллельного RC-фильтра - на Р-54, 4 Здесь происходит отделение переменного тока от постоянного постоянный ток через С не пойдет, у него есть только один путь - через Рф Так что одна задача - получение чистого переменного тока - в таком фильтре решается автоматически Можно и постоянный ток выделить из его смеси с переменным Для этого нужно, чтобы на данной частоте f (частота переменного тока) емкостное сопротивление Хс конденсатора С было во много раз меньше, чем Рф (Р-54,5,6) Тогда переменный ток в основном пойдет по пути наименьшего сопротивления, то есть через Сф, а через Рф пойдет чистый (точнее, почти чистый) постоянный ток

    Чтобы получить нужное Хс на данной частоте, достаточно подобрать емкость конденсатора с помощью простых расчетных формул (Р-52. 4) и справочных таблице. Эти таблицы еще раз напоминают, что величину Хс на равных определяют и емкость С, и частота f, поэтому для получения одного и того же Хс на низких частотах емкость должна быть значительно больше, чем на высоких

    Другая группа фильтров-делители напряжения, отдельные участки которых имеют разное сопротивление на разных частотах Поэтому разные (по частоте) токи создают на этих участках разные напряжения Или иначе - фильтр - делитель в разной пропорции делит подведенные к нему напряжения разных частот

    Весьма распространенный фильтр с делителями показан на Р-54,7 Его задача - получить на сопротивлении нагрузки Рф по возможности чистое постоянное напряжение, в то время как на входе действуют два одинаковых напряжения - постоянное и переменное Задача решается так Сначала оба напряжения делятся делителем РфСф1 и передаются дальше, в сторону нагрузки с нижней части делителя, с Сф1 При этом, естественно, постоянное напряжение полностью остается на Сф1 (так как сопротивление конденсатора для постоянного тока бесконечно велико), а что касается переменного напряжения, то лишь небольшая часть его остается на малом емкостном сопротивлении этого конденсатора - его емкость именно так подбирается, чтобы Хс было меньше, чем Рф Дальше еще один делитель РфСф2 На его нижнем участке переменное напряжение уже совсем мало-большая часть переменного напряжения достается сопротивлению фильтра Рф На этом сопротивлении, правда, теряется и часть постоянного напряжения, но в данном случае подобные потери неизбежны Аналогичным образом создаются и RL-фильтры В них катушка, в общем, делает то же дело, что и конденсатор (катушка по-разному ведет себя на разных частотах), ну а конкретно - все делает наоборот, в отличие от конденсатора, оказывает большее сопротивление тем токам, частота которых выше fP-53. C-7)

Представим себе, что в нашем распоряжении есть генератор переменной э д с , частоту которой можно плавно изменять поворотом ручки Также, например, как поворотом ручки мы меняем громкость звучания в приемнике Такие генераторы реально существуют, и вскоре мы познакомимся с их практическими схемами А пока представьте себе,, что это обычный машинный генератор, в котором можно менять скорость вращения проводника, а значит, и частоту генерируемой э д с При этом, правда, появляется серьезный недостаток чем быстрее вращается проводник, тем больше частота переменной э д с , но одновременно увеличивается и сама э д с , так как проводник быстрее пересекает магнитное поле Предположим, что этот недостаток устранен-в генератор ввели автомат, который будет поддерживать выходное напряжение на одном уровне, например включая в цепь дополнительные сопротивления

Но не стоит, однако, вдаваться в подробности, они сейчас несущественны Считаем, что у нас есть генератор (Р-55. 1), который дает синусоидальное напряжение любой нужной частоты, и на всех частотах сама величина напряжения (число вольт) одинакова Если подключить к нашему генератору делитель из резисторов (Р-55,2), то на любом из них напряжение не будет меняться с частотой на всех частотах резисторы имеют одно и то же сопротивление и делят общее напряжение в одной и той же пропорции

А вот в делителях, куда входят реактивные элементы - конденсаторы и катушка,-все по-другому Об этом как раз и рассказывают графики Р-55, 3,4 Графики эти называются частотными характеристиками, они показывают, как с изменением частоты меняется напряжение на выходе фильтра при неизменном напряжении на его входе В справедливости приведенных частотных характеристик легко убедиться, если взглянуть на схемы фильтров, к которым эти характеристики относятся Так, например, в простейшем RC-фильтре с частотой уменьшается напряжение на конденсаторе С, потому что уменьшается его емкостное сопротивление И если н^жно «задавить» высшие частоты или, иначе, поднять низшие, напряжение следует снимать именно с конденсатора А на резисторе R с увеличением частоты напряжение, наоборот, растет Общее напряжение делится на UR и Uc, чем меньше одно из них, тем больше другое И если н^жно выделить более высокочастотные напряжения, если н^жно поднять высшие частоты над другими, напряжение н^жно снимать именно с резистора

Все графики на Р-55 могут быть построены для конкретных величин напряжений и токов Не вдаваясь в устройство какого-либо фильтра, нарисуем его в виде прямоугольничка (Р-55, 5) и для определенности будем считать, что при входном напряжении Uf= 10 В выходные напряжения на частотах 3 кГц и 5 кГц соответственно равны 2 В и 8 В А что будет, если входное напряжение увеличится вдвое и составит 20 В? Тогда и выходные напряжения тоже увеличатся в два раза и составят соответственно 4 В и 16 В (Р-55, 6) Без долгих рассуждений можно сказать, что любое увеличение или уменьшение входного напряжения повлечет за собой такое же (во столько же раз) увеличение или уменьшение выходных напряжений И для данного конкретного фильтра на данных частотах соотношение между входным напряжением и выходными есть величина постоянная

Но стоит ли в таком случае характеризовать действие фильтра численными значениями напряжений и токов, вольтами и амперами? Не лучше ли ввести общую характеристику фильтра, которая показывала бы, на каких частотах во сколько раз ослабляется переменное напряжение или переменный ток? Тогда, зная эту характеристику, можно всегда подсчитать, какое напряжение будет на выходе фильтра приданном напряжении на его входе, еще раз, кстати, подтвердив полезность общих представлений (]^5) Такая характеристика существует, она называется коэффициентом передачи фильтра и обозначается чаще всего буквой К (Р-55, 5, 6) На каждой частоте у фильтра свой коэффициент передачи К, в этом, собственно, и состоит особенность фильтрующих цепей Зависимость коэффициента передачи К от частоты есть одна из разновидностей частотной характеристики

    В каких единицах нужно измерять коэффициент передачи1? Вполне подошла бы для этого единица «раз» или хорошо известные проценты Ведь мы так и говорим «На частоте 3 кГц напряжение ослабляется в пять раз на частоте 5 кГц-в 1,25 раза » Однако чаще используется не «раз», а другая единица - децибел, сокращенно дБ Она названа так по имени изобретателя телефона Александра Белла Децибел-единица универсальная, она применяется для того, чтобы показать отношение любых двух величин - напряжений, токов, давлений, мощностей, скоростей и других Переход от характеристики «во столько-то раз» к децибелам и обратно проще всего произвести с помощью справочной таблицы С^ Если коэффициент передачи меньше единицы, то есть если фильтр или другой элемент цепи уменьшает напряжение (ток), то децибелы получаются отрицательные А если коэффициент передачи больше единицы, то есть если выходное напряжение (ток) больше входного (так тоже бывает, и вы очень скоро в этом убедитесь), то децибелы - положительные

    Особо нужно сказать о той строке справочной таблицы С^, в которой указано отношение мощностей, соответствующее тому или иному числу децибел Мы хорошо знаем, что между мощностью и током и между мощностью и напряжением существует квадратичная зависимость То есть если увеличить напряжение или ток на каком-то участке цепи в два раза, мощность возрастет в четыре раза (Т-41) Эта зависимость как раз и находит отражение в таблице во сколько бы раз ни изменилось напряжение (ток), мощность изменится в то же число раз, возведенное в квадрат

    Децибел - единица логарифмическая, и с этим связаны ее многие достоинства Так, например, если вы знаете, что переменное напряжение подается на один фильтр и ослабляется им на 20 дБ, а затем поступает на другой фильтр и там ослабляется еще на 30 дБ, то общее ослабление подсчитывается как сумма (-20) + (-30) = -50 дБ

    По справочной таблице С^ легко определить, что напряжение в этом случае ослабляется в 316 раз и мощность в 10000 раз

    Другой пример На частоте 10 Гц коэффициент передачи фильтра К10 = -60 дБ (выходное напряжение составляет 0,001 от входного или, иначе, фильтр ослабляет напряжение на этой частоте в 1000 раз), а на частоте 500 Гц фильтр ослабляет напряжение уже всего в 10 раз, то есть коэффициент передачи К500 = - 20 дБ Если вы хотите узнать, насколько эффективно действует фильтр, насколько на его выходе напряжение с частотой 10 Гц будет меньше, чем напряжение с частотой 500 Гц, н^жно найти разность децибелов для К10 и К500 Эта разность равна (-60) - (-20) = = -40 дБ, и по таблице определяем, что на выходе фильтра одно из напряжений будет меньше другого в 100 раз (одно составит 1 % другого)

    Оценка коэффициента передачи в децибелах введена нами с далеким прицелом В дальнейшем мы еще будем пользоваться децибелами и привыкнем к ним, как привыкли к метрам или килограммам А пока вернемся к схемам фильтров и рассмотрим, каким же образом колебательный контур (LC-фильтр) оказывает наибольшее благоприятствование одной определенной частоте

    Для начала извлечем из Памяти три уже установленные истины Первое - во всех элементах последовательной цепи течет один и тот же ток fT-36) Второе-ток через конденсатор опережает напряжение на 90 град (Т-75), об этом можно сказать иначе-напряжение на конденсаторе отстает от тока на 90 град Третье-ток через катушку отстает от напряжения на ней на 90 град (Т-77), об этом можно сказать иначе-напряжение на катушке опережает ток в ней на 90 град Если, обогащенные этими воспоминаниями, мы взглянем на последовательную цепь LCR (Р-56, Р.то увидим, что напряжение UL на катушке и напряжение Uc на конденсаторе сдвинуты по фазе на 180 град То есть они действуют друг против друга Напряжения UL и Uc зависят от соответствующих реактивных сопротивлений XL и Хс А поскольку по всем элементам проходит один и тотже ток I, то соотношение между напряжением UL и Uc зависит только от соотношения между сопротивлениями XL и Хс

    Попробуем подключить к последовательной LCR-цепи генератор с изменяемой частотой (Р-55; 1) и будем постепенно увеличивать частоту его переменного напряжения При этом индуктивное сопротивление будет постепенно увеличиваться, а емкостное-постепенно уменьшаться (Р-56, 4) На какой-то частоте-давайте сразуже назовем ее резонансной частотой fpe3 - сопротивления XL и Хс станут равными и, значит, уравняются напряжения UL и Uc А так как эти напряжения противофазны.то они полностью скомпенсируют друг друга и генератор вообще перестанет чувствовать присутствие реактивных элементов, перестанет отдавать им часть своей э д с Общее сопротивление цепи Z резко уменьшится, для генератора из всей цепи останется только одно активное сопротивление R, ток I из-за этого резко возрастет (Р-56. 5) и столь же резко увеличатся напряжения UL и Uc (Р-56, 6) Но заметьте, увеличатся каждое в отдельности, а общее суммарное напряжение на обоих реактивных элементах Ux как ^ке говорилось, будет равно нулю

    Весь этот процесс называется последовательным резонансом или резонансом напряжений Если после резонанса продолжать увеличивать частоту, то XL станет больше, чемХс , и в цепи в основном начнет действовать индуктивное сопротивление Ток уменьшится, а вместе с ним уменьшатся и напряжения UL и Uc

    Как видите, в последовательном контуре на особом положении оказывается только резонансная частота Fpe3 Именно на этой частоте резко возрастает ток, возрастают напряжения на отдельных элементах А это как раз и означает, что последовательный контур из всех переменных токов особо выделяет ток одной определенной частоты

    В самом упрощенном виде параллельный LC-контур можно рассматривать как цепь, состоящую из двух параллельно соединенных сопротивлений XL и Хс (Р-57) На низших частотах сопротивление XL мало и катушка шунтирует конденсатор На высших частотах мало сопротивление Хс и конденсатор шунтирует катушку И лишь на резонансной частоте никто никого не шунтирует и общее сопротивление параллельного контура оказывается весьма большим При этом, естественно, уменьшается общий ток в цепи генератора (Р-57, 3) - это вполне согласуется с законом Ома И еще одна интересная деталь, если включить параллельный контур в делитель напряжения (Р-57, 4), то этот контур за счет своего большого сопротивления на резонансной частоте будет выделять только напряжение этой частоты из всех напряжений, подводимых к делителю

    Почему резонанс наблюдается именно на такой частоте, а не на другой1? Почему резонансная частота не выше или не ниже1? И можно ли как-либо влиять на эту частоту, можно ли сделать так, чтобы контур выбирал не тот ток, какой ему захочется, этот, который нам н^жен1? Чтобы кратчайшим путем добраться до ответов на эти вопросы, проведем маленький эксперимент Изменяя частоту, доведем контур до резонанса (Р-58. 2) и для определенности предположим, что этот резонанс наблюдается на частоте 200 кГц Теперь возьмем и уменьшим индуктивность катушки 1_к Из-за уменьшения 1_к уменьшится индуктивное сопротивление XL итутже нарушится равенство XL = Xc А значит, нарушится равенство UL = Uc и никакого резонанса в цепи уже не будет Чтобы восстановить резонанс, нужно постепенно увеличивать частоту переменного напряжения, которое поступает с генератора С увеличением частоты начнет расти XL уменьшаться Хс, и на какой-то частоте они вновь уравняются, в цепи вновь наступит резонанс

    Такой же точно результат получится, если уменьшить не индуктивность L, а емкость С контура (Р-58, 3) Или если одновременно уменьшать индуктивность L и емкость С В этих случаях резонанс тоже будет наблюдаться на более высокой частоте

    Вывод из этих экспериментов такой частота fpe3, на которой наблюдается резонанс, определяется параметрами самой LC-цепи С уменьшением L и С резонансная частота повышается, с увеличением L и С резонансная частота понижается (Р-58, Р-59) На Р-58, 1 показано, как, исходя из условия резонанса XL=Хс, можно путем простейших преобразований получить точную формулу для Fpe3, а на Р-58, 4, 5, 6 приведены удобные расчетные формулы, с помощью которых можно найти fpe3 при известных L и С или подобрать L и С, чтобы получить резонанс на нужной частоте

    То, что мы узнали о резонансном фильтре-колебательном контуре,- это лишь небольшая часть важных сведений о нем Хорошо бы, например, еще узнать, от чего зависит высота резонансной кривой, почему некоторые контуры резко увеличивают ток на резонансной частоте, а другие повышают его лишь в небольшой степени Или другой вопрос - отчего зависит ширина резонансной кривой, чем определяется полоса частот, близких к fpe3 на которых, хотя и не в полной мере, но все же заметны резонансные явления1? И еще одну и ту же резонансную частоту можно получить при разных соотношениях L и С, если, например, в два раза увеличить индуктивность контура и в два раза уменьшить его емкость, то резонансная частота не изменится Что же выгодней-добиваясь нужной резонансной частоты, делать контур с большой индуктивностью и маленькой емкостью или наоборот1?

    Несколько позже мы постепенно по ходу дела обсудим эти вопросы (Т-167. Т-168. Т-169. Т-211. Т-212. Т-213. Т-214). открывая для себя многие интересные особенности колебательных контуров Ну а пока, подводя предварительный итог знакомства с резонансным фильтром, с контуром, сформулируем главные его особенности Во-первых, из многих переменных токов с разными частотами контур умеет выбирать ток определенной частоты, во-вторых, изменяя L или С контура, можно добиться, чтобы из сложного аккорда извлекался ток (напряжение) нужной нам частоты (Р-59)

    Теперь о токах Когда во вторичную обмотку включена нагрузка, то в этой обмотке идет ток 12 Конечно же, вторичная обмотка сама никакой мощности не дает, а получает ее из первичной В идеальном случае мощность Р2, потребляемая во вторичной цепи, равна мощности Р1, поступающей от генератора в первичную цепь (реально какая-то мощность теряется в самом трансформаторе, и нагрузке достается несколько меньшая мощность, чем дает генератор) Из условия равенства мощностей Р1 = Р2 можно найти соотношение токов И и 12 в обмотках I и II, оно также определяется коэффициентом трансформации п, но только он действует «в обратную сторону»' во сколько раз трансформатор повышает напряжение, во столько же раз он понижаетток(Р-61, 5) - только при этом условии мощности в обеих обмотках могут быть одинаковыми

    Важная особенность трансформатора - напряжение U2 на вторичной обмотке определяется самим устройством трансформатора, его коэффициентом трансформации А вот что касается токов 12 и И то они зависят еще и от сопротивления нагрузки чем меньше Rh. тем больше ток 12 (а вместе с ним Р2) и соответственно больше ток И (а вместе с ним Р1)

    Знакомство с трансформатором завершает путешествие по территориям Основ Электротехники Мы поднимаемся выше, на следующие этажи, с которых уже недалеко до действующих электронных приборов и аппаратов

    Используя явление взаимоиндукции, можно передавать электрическую энергию из одной цепи в другую без непосредственного контакта между ними Устройство, которое осуществляет такую передачу, это и есть трансформатор, в переводе - преобразователь В простейшем случае трансформатор - это две обмотки, связанные общим магнитным потоком Ф (Р-60) В некоторых трансформаторах магнитный поток замыкается по воздуху (Р-60, 1), в других-через ферромагнитный сердечник стержневой (Р-60, 2), замкнутый кольцевой (Р-60, 3,4, 5) и «Ш-образный» (Р-60, 6) В трансформаторах часто бывает несколько обмоток (Р-60, 7)

    Коротко о сердечниках Сердечники делают из стали, а иногда из пермаллоя, ферромагнитного материала, более дорогого, но зато со значительно большей магнитной проницаемостью (С^) Сердечники, как правило, собраны из пластин или свиты из тонкой ленты Это связано с тем, что в самом сердечнике тоже наводится ток, и, если не принять мер, он окажется весьма большим сердечник-это, по сути дела, короткозамкнутый виток, обмотка с малым сопротивлением В итоге сердечник будет греться, отбирать значительную мощность А вот в пластинчатом сердечнике токи в соседних пластинах создают магнитные поля, которые действуют друг против друга (Р-60, 8) И в итоге общая мощность, пожираемая сердечником, резко уменьшается

    Потери в сердечнике увеличиваются с частотой, и для высокочастотных трансформаторов и катушек уже недостаточно пластинчатых сердечников Ферромагнитный материал измельчают, а затем крупинки спрессовывают с помощью изолирующих смол (Р-60, 9), создают так называемые м а гнито-д и электрики (С-10) И опять токи в отдельных крупинках порождают враждующие магнитные поля, потери в сердечнике уменьшаются При этом, правда, уменьшается результатирующая магнитная проницаемость, но что поделаешь, иначе сердечник для высокочастотных катушек вообще не получишь Если подвести к первичной обмотке I переменное напряжение от генератора, то в этой обмотке пойдет переменный ток И (Р-61, 1) Он создаст переменное магнитное поле F1-2, под действием которого изведется напряжение U2 во вторичной обмотке II, и если подключить к ней нагрузку Rh, то в этой нагрузке пойдет ток 12 (Точнее было бы говорить о наведенной э д с , но мы сразуже введем напряжение U2 полагая, что какая-то часть э д с теряется на сопротивлении самой вторичной обмотки ) Если U1 синусоидальное напряжение, то и U2 тоже будет синусоидальным наведенное напряжение зависит от скорости изменения тока (Т-60), а скорость изменения синусоиды -тоже синусоида (Т-74)

    Величина наведенного напряжения U2 зависит от нескольких факторов Например, оттого, насколько магнитный поток первичной обмотки пронизывает вторичную чем большая часть этого потока рассеивается, тем, при прочих равных условиях, наведенное напряжение будет меньше Вот почему обмотки трансформатора во многих случаях располагают на замкнутом ферромагнитном сердечнике, по этому сердечнику замыкается практически весь поток, и все магнитное поле первичной катушки пронизывает витки вторичной. В трансформаторе с такой стопроцентной магнитной связью напряжение на вторичной обмотке определяется отношением числа витков W2 в обмотке II к числу витков W1 в обмотке I (Р-61, 2) Это соотношение называется коэффициентом трансформации п, то есть п = W2 W1 Если во вторичной обмотке II витков больше, чем в первичной I, то есть если W2 больше, чем W1,to коэффициент трансформации больше единицы и трансформатор называют повышающим А если W2 меньше, чем W1, то п меньше единицы и трансформатор называют понижающим Эти названия вполне объяснимы Мы знаем, что напряжение, которое наводится на катушке, тем больше, чем больше ее индуктивность А индуктивность катушки, в свою очередь, пропорциональна числу витков Поэтому напряжение, наведенное на вторичной обмотке, будет тем больше, чем больше W2 В трансформаторе со стопроцентной магнитной связью при одинаковом числе витков в обмотках I и II, то есть при коэффициенте трансформации п = 1, напряжение U2 равно напряжению U1 А если W2 больше, чем W1, то и U2 больше, чем U1 Причем больше именно в п раз Таким образом, повышающий трансформатор повышает напряжение в п раз, понижающий понижает напряжение в п раз Феррит марки 4000НМ - граничная частота 150 кГц, 3000НМ - 200 кГц, 2000НМ - 450 кГц, 1500НМ - 650 кГц, 1000НМ - 750 кГц, 2000НН - 400 кГц, 600НН - 1,2 МГц, 400НН - 1 5 МГц, 200НН -3,5 МГц, 200НН1 - 2,2 МГц, 100НН, 100НН1, 150НН - 4 МГц, 5В4,10В4,13В4.20В4 30В4, 50В4, 60В4 - граничная частота десятки мегагерц

(В главное меню)