Elettricità e magnetismo
Elettricità e magnetismo
La sezione della fisica che copre la conoscenza dell'elettricità statica, delle correnti elettriche e dei fenomeni magnetici.
ELETTROSTATICA
Gli elettrostatici affrontano fenomeni associati a sostanze elettriche a riposo. La presenza di forze che agiscono tra tali accuse è stata osservata durante il periodo di Omero. La parola "elettricità" deriva dal greco Elektron (ambra), poiché le prime storie di elettrificazione ad attrito descritte sono collegate con questo materiale. Nel 1733 SH. DUFE (1698-1739) ha scoperto che ci sono accuse elettriche di due tipi. Le accuse dello stesso tipo sono formate sull'ondata, se lo strofinarono con un panno di lana, le accuse di un altro tipo - sul vetro, se lo strofinano con seta. Le stesse accuse sono respinte, diverse - attraggono. Le accuse di diversi tipi, collegamenti, neutralizzati a vicenda. Nel 1750 B. Franklin (1706-1790) ha sviluppato la teoria dei fenomeni elettrici basati sull'assunzione che tutti i materiali contengono una specie di "liquido elettrico". Credeva che con l'attrito di due materiali, una parte di questo fluido elettrico si sposta da uno a un altro (mentre la quantità totale di fluido elettrico viene salvata). L'eccesso di fluido elettrico nel corpo lo informa la carica di un tipo, e il suo svantaggio si manifesta come presenza di una carica di un altro tipo. Franklin ha deciso che quando sfregata Surguche, la lana di lana richiede una certa quantità di fluido elettrico. Pertanto, ha chiamato la carica di Surguche Negative. Le viste di Franklin sono molto vicine alle idee moderne, in base alle quali l'elettrificazione per attrito è dovuta al flusso di elettroni da uno degli organismi di guida all'altra. Ma poiché in realtà, gli elettroni fluiscono dalla lana sull'operalco, un eccesso avviene nel chirurgo, e non è una mancanza di questo fluido elettrico, che ora è identificato con elettroni. A Franklin, non c'era modo di determinare in cui la direzione del fluido elettrico fluisce, e siamo obbligati dalla sua scelta infruttuosa dal fatto che le accuse elettroniche si sono rivelate "negative". Sebbene tale segno di carica provoca una certa confusione nello studio dell'argomento, questa convenzionità è troppo saldamente radicata in letteratura per parlare di cambiare il caricamento firmare in un elettrone dopo che le sue proprietà sono già state ben studiate. Utilizzando i tweeter sviluppati da G. Cavendish (1731-1810), nel 1785 SH. Cylon (1736-1806) ha dimostrato che la forza che agisce tra due punti di accusa elettrica è proporzionale al prodotto dei valori di tali accuse ed è inversamente inversamente proporzionale alla piazza della distanza tra loro, vale a dire:
Dove f è la forza con cui la carica q respinge la carica dello stesso segno qў, e r è la distanza tra di loro. Se i segni delle accuse sono di fronte, la forza F è negativa e le accuse non sono respinte, ma si attirano l'un l'altra. Il coefficiente di proporzionalità K dipende da quali unità sono misurate f, r, q e q. "
La misurazione delle unità di carica inizialmente non esisteva, ma la legge del Coulon consente di introdurre una tale unità. Questa unità di misurazione della carica elettrica è assegnato il nome "pendente" e la designazione abbreviata cl. Un pendente (1 CL) è una carica che rimane su un corpo inizialmente elettricamente neutro dopo la rimozione di 6.242 * 1018 elettroni da esso. Se nella formula (1) di cariche Q e Q "sono espresse nei coulons, f - a Newton, e r - in metri, poi k" 8.9876 * 10 9 h * m2 / cl2, I.e. Circa 9 * 10 9 N * M2 / CL2. Di solito invece di k usa la costante E0 \u003d 1 / 4PK. Sebbene l'espressione per la legge del Culon sia leggermente complicata, questo ci consente di fare a meno di un moltiplicatore 4P in altre formule che vengono utilizzate più spesso della legge del culo.
Macchine elettrostatiche e Banca Leida. La macchina per ottenere una carica statica di una grande grandezza per l'attrito ha inventato circa 1660 O. Herica (1602-1686), che descriveva i suoi nuovi esperimenti sullo spazio vuoto (De Vacuto Spatoo, 1672). Abbastanza altre opzioni per una macchina del genere. Nel 1745, E. Kleist di Cammin e indipendentemente da lui, P. Moschenbruck da Leiden ha scoperto che il culo di vetro, disposto dall'interno e dall'esterno del materiale conduttivo, può essere utilizzato per accumulare e conservare la carica elettrica. I barattoli di vetro disposti dal foglio di stagno interno e fuori sono le cosiddette banche Leiden - erano i primi condensatori elettrici. Franklin ha mostrato che quando si carica la banca di Leiden, il rivestimento esterno del foglio di stagno (esterno) acquisisce l'accusa di un segno, e l'evento interno è uguale al valore del segno opposto. Se entrambe le piastre cariche sono mostrate in contatto o collegate dal conduttore, le spese spariscono completamente, il che indica la loro neutralizzazione reciproca. Da qui segue che le accuse sono mosse liberamente lungo il metallo, ma non possono muoversi intorno al vetro. I materiali di tipo materiali per le spese vengono spostati liberamente, sono stati nominati fili e materiali di tipo vetro, attraverso le quali le accuse non passano, sono isolanti (dielettrici).
Dielectrici. Il perfetto dielettrico è il materiale, le cui accuse elettriche interne sono associate così fermamente che non sia in grado di eseguire una corrente elettrica. Pertanto, può servire da buon isolante. Sebbene non ci siano della natura ideali di natura, la conduttività di molti materiali isolanti a temperatura ambiente non supera la conduttività di rame 10-23; In molti casi, tale conduttività può essere considerata uguale a zero.
Condizioni. La struttura cristallina e la distribuzione di elettroni in solidi conduttori e dielettriche sono simili tra loro. La differenza principale risiede nel fatto che in dielettrico tutti gli elettroni sono fermamente correlati ai nuclei corrispondenti, mentre nel conduttore ci sono elettroni nel guscio esterno degli atomi che possono muoversi liberamente sul cristallo. Tali elettroni sono chiamati elettroni gratuiti o elettroni di conduzione, poiché sono accuse di corrente. Il numero di elettroni di conducibilità per Atice Atom dipende dalla struttura elettronica degli atomi e dal grado di perturbazione delle conchiglie elettroniche esterne dell'atomo dei suoi vicini lungo il reticolo di cristallo. Agli elementi del primo gruppo del sistema periodico di elementi (litio, sodio, potassio, rame, rubidio, argento, cesio e oro) i gusci elettronici sono pieni di interamente, e nel guscio esterno c'è un singolo elettrone. L'esperimento ha confermato che questi metalli hanno un atomo, il numero di elettroni di conducibilità uguali a uno. Tuttavia, per la maggior parte dei metalli, altri gruppi sono caratterizzati da valori medi frazionari del numero di elettroni di conduttività per un atomo. Ad esempio, elementi transitori - nichel, cobalto, palladio, renio e la maggior parte delle loro leghe - il numero di elettroni di conducibilità per atomo è di circa 0,6. Il numero di vettori attuali in semiconduttori è molto più piccolo. Ad esempio, in Germania a temperatura ambiente è di circa 10-9. Il numero estremamente piccolo di media nei semiconduttori conduce all'emergere di molte proprietà interessanti.
Vedi la fisica solida;
Dispositivi elettronici a semiconduttore;
Transistor. Le fluttuazioni termiche del reticolo cristallino nel supporto del metallo il supporto del movimento costante degli elettroni di conducibilità, la cui velocità a temperatura ambiente raggiunge 106 m / s. Poiché questo è caoticamente, non porta a una corrente elettrica. Quando il campo elettrico si sovrappone, appare una piccola deriva comune. Questa deriva degli elettroni liberi in Explorer è una corrente elettrica. Poiché gli elettroni vengono addebitati negativi, la direzione corrente è opposta alla direzione della loro deriva.
Differenza di potenziale. Per descrivere le proprietà del condensatore, è necessario introdurre il concetto di potenziale differenza. Se c'è una carica positiva su un condensatore, e dall'altra è una carica negativa dello stesso valore, quindi per il trasferimento di una parte aggiuntiva di una carica positiva con un attaccamento negativo a uno positivo, è necessario lavorare contro le forze di attrazione da accuse negative e repulsione di positivo. La differenza potenziale tra le piastre è definita come il rapporto tra lavoro sul trasferimento di una carica di prova all'entità di questa carica; Si presume che la carica di prova sia significativamente inferiore alla carica, che era originariamente su ciascuna delle piastre. Diverse formulazione modificata, è possibile determinare la differenza potenziale tra due punti, che può essere ovunque: su un filo con una corrente, su diverse piastre di condensatore o semplicemente nello spazio. Questa definizione è tale: la differenza potenziale tra i due punti di spazio è pari al rapporto tra operazione spesa per il movimento di una carica di prova da un punto con un potenziale inferiore a un punto con un potenziale maggiore, al valore del processo caricare. Si presume che la carica del test sia sufficientemente piccola e non viola la distribuzione delle spese, creando una differenza potenziale misurabile. La potenziale differenza V è misurata in Volt (B), a condizione che il lavoro w sia espresso in Joules (J) e la carica di prova Q è nei Couls (CL).
Capacità. La capacità del condensatore è pari al rapporto tra il valore assoluto dell'accusa su qualsiasi dei suoi due piatti (ricorderemo che le loro spese differiscano solo a familiarità) alla differenza potenziale tra i piatti:
La capacità C è misurata nelle faranes (f) se Q è pronunciato nei coulutes (CL) e la differenza potenziale è in Volta (B). Due appena citate unità di misurazione, volt e farad sono nominate così in onore degli scienziati A. Volti e M. Faradey. Faraday si è rivelato così grande che la capacità della maggior parte dei condensatori è espressa in micropidanti (10 -6 φ) o Picofarades (10 -12 f).
Campo elettrico. Vicino a spese elettriche Vi è un campo elettrico, il cui valore a questo punto è uguale alla definizione, il rapporto tra la forza che agisce sulla carica del test posizionata a questo punto al valore della carica del test, di nuovo, a condizione che il La carica del test è sufficientemente piccola e non cambia la distribuzione delle cariche che creano un campo. Secondo questa definizione, la potenza F e la resistenza del campo elettrico E sono collegate dal rapporto
Faraday ha introdotto un'idea delle linee elettriche del campo elettrico che iniziano con positive e terminando su cariche negative. In questo caso, la densità (densità) delle linee elettriche è proporzionale alla forza del campo, e la direzione di direzione in questo punto coincide con la direzione di tangente alla linea elettrica. Più tardi, K. Gauss (1777-1855) ha confermato la validità di questo indovinato. Sulla base dei quadrati inverso stabiliti dal ciondolo (1), ha osservato matematicamente severamente che le linee elettriche, se li costruiscono in conformità con le viste di Faraday, sono continuamente ovunque in uno spazio vuoto, iniziando su cariche positive e terminando con negativo . Questa generalizzazione ha ricevuto il nome del teorema Gauss. Se il numero totale di linee elettriche provenienti da ogni carica Q è Q / E0, quindi la densità delle linee in qualsiasi punto (cioè il rapporto del numero di linee che attraversano il pad di piccole dimensioni immaginari posizionati in questo punto perpendicolare a loro, per l'area di questo sito) pari alla grandezza della forza del campo elettrico a questo punto, espresso in N / CL, o in per / m. Il condensatore più semplice è due piastre conduttive parallele situate vicine l'una all'altra. Quando si carica il condensatore, i piatti acquisiscono lo stesso, ma opposto al segno di carica, distribuito uniformemente su ciascuna delle piastre, ad eccezione dei bordi. Secondo il teorema Gauss, la forza del campo tra tali piatti è costante ed è uguale a E \u003d Q / E0A, dove q è una carica su una piastra caricata positivamente e un'area a-piastra. A causa della determinazione della differenza nei potenziali, abbiamo v \u003d ed, dove D è la distanza tra le piastre. Pertanto, V \u003d QD / E0A e il contenitore di tale condensatore aereo-parallelo è uguale a:
Dove c è espresso nelle farand e a e d, rispettivamente, in m2 e m.
D.c.
Nel 1780 L. Galvani (1737-1798), notò che la carica amata dalla macchina elettrostatica alla zampa di una rana morta provoca la zampa trascinare bruscamente. Inoltre, le zampe della rana, fissate sopra il piatto di ferro su un filo d'ottone introdotto nel suo midollo spinale, sobbalzò ogni volta che hanno toccato le piastre. Galvani ha giustamente spiegato questo dal fatto che le accuse elettriche, passando attraverso le fibre nervose, rendono i muscoli della rana. Questo movimento di movimento è stato chiamato elettroplato. Dopo che gli esperimenti effettuati da un'elettroplacca, Volta (1745-1827) hanno inventato le cosiddette volt del pilastro - una batteria galvanica fatta di diversi elementi elettrochimici successivamente collegati. La batteria consisteva nel alternando di rame e cerchi di zinco separati da carta umida e ha permesso di osservare gli stessi fenomeni come macchina elettrostatica. Ripetendo gli esperimenti di Volta, Nikolson e Karlal nel 1800 hanno trovato che è possibile applicare il rame dalla soluzione di solfato di rame al conduttore di rame. W. Vollarston (1766-1828) ha ricevuto gli stessi risultati con l'aiuto di una macchina elettrostatica. M. Faraday (1791-1867) ha mostrato nel 1833 che la massa dell'elemento ottenuta dall'elettrolisi prodotta da tale quantità di carica è proporzionale alla sua massa atomica divisa per valenza. Questa disposizione è ora chiamata la legge di Faraday per l'elettrolisi. Poiché la corrente elettrica è il trasferimento di cariche elettriche, determinano naturalmente l'unità di forza corrente come carica nei couloni, che avviene ogni secondo attraverso questo sito. La forza dell'attuale cella 1 cella / S è stata nominata Ampere in onore di A. Ampere (1775-1836), che ha aperto molti effetti importanti associati all'effetto della corrente elettrica. Legge Ohm, resistenza e resistività. Nel 1826, OM (1787-1854) ha annunciato una nuova apertura: la corrente in un conduttore di metallo se introdotto nella catena di ogni sezione aggiuntiva del pilastro Voltov è aumentato della stessa grandezza. È stato generalizzato sotto forma della legge Ohm. Poiché la differenza potenziale creata dal Volt Post è proporzionale al numero di sezioni inclusive, questa legge rivendica che la differenza nei potenziali V tra due punti del conduttore, divisa per corrente I del conduttore, è costante e indipendente da V o I. Attrazione
È chiamato la resistenza del conduttore sulla trama tra i due punti. La resistenza è misurata in Omah (OM), se la potenziale differenza V è espressa in volt e la corrente sono in ampere. La resistenza del conduttore di metallo è proporzionale alla sua lunghezza l e inversamente in proporzione all'area e alla sua sezione trasversale. Rimane costante, mentre la sua temperatura è costante. Di solito queste disposizioni sono espresse dalla formula
Dove r è una resistività (omhm), a seconda del materiale del conduttore e della sua temperatura. Il coefficiente di temperatura della resistività è definito come la modifica relativa del valore R quando la temperatura cambia di un grado. La tabella mostra i valori della resistività e dei coefficienti di temperatura della resistenza di alcuni materiali convenzionali, misurati a temperatura ambiente. Le impedenze specifiche dei metalli puri sono generalmente inferiori a quelle delle leghe e i coefficienti di temperatura sono più alti. Resistività di dielettriche, in particolare zolfo e mica, molto più alto dei metalli; Il rapporto raggiunge il valore di 1023. I coefficienti di temperatura di dielettrici e dei semiconduttori sono negativi e hanno valori relativamente grandi.
Effetto termico della corrente elettrica. L'effetto termico della corrente elettrica è stato osservato per la prima volta nel 1801, quando la corrente è stata in grado di sciogliere i vari metalli. Il primo uso industriale di questo fenomeno si riferisce al 1808 quando è stata proposta in polvere elettrogata. Il primo arco del carbone, destinato al riscaldamento e l'illuminazione, è stato esposto a Parigi nel 1802. Ai pali del pilastro Voltov, che contavano 120 elementi, gli elementi collegati a base di carbone, e quando entrambi gli elettrodi del carbone sono stati portati in contatto, e poi divorziati, "Luminosità esclusiva di scarico scintillante". Esplorare l'effetto termico della corrente elettrica, J. Joule (1818-1889) ha condotto un esperimento che ha fallito la base solida sotto la legge della conservazione dell'energia. Joule ha dimostrato per la prima volta che l'energia chimica spesa per il mantenimento nell'attuale conduttore è approssimativamente uguale alla quantità di calore che viene rilasciata nel conduttore durante il passaggio corrente. Ha anche scoperto che il calore rilasciato nel conduttore è proporzionale al quadrato per la forza corrente. Questa osservazione è coerente con la legge Ohm (V \u003d IR) sia la determinazione della differenza potenziale (V \u003d w / q). Nel caso di una corrente diretta, durante T T attraverso il conduttore, la carica Q \u003d passa. Pertanto, l'energia elettrica che si è trasformata in un conduttore al calore è uguale a:
Questa energia si chiama Jowle Warmth ed è espressa in Joules (J), se la corrente sono espressa in ampere, r - a Omah e T-in secondi. Fonti elettriche per circuiti DC. Quando si verifica il circuito di corrente elettrica costante, vi è una trasformazione altrettanto costante di energia elettrica per riscaldare. Per mantenere la corrente, è necessario che l'energia elettrica sia prodotta in alcune parti della catena. Il pilastro di Volt e altre fonti di corrente chimica convertono l'energia chimica in energia elettrica. Nelle sezioni successive vengono anche discussi altri dispositivi che producono energia elettrica. Tutti si comportano come le "pompe" elettriche che si muovono le accuse elettriche contro l'azione delle forze che fluiscono da un campo elettrico costante. Un parametro importante della sorgente attuale è la forza elettromotrice (EMF). EMF della sorgente attuale è definita come la differenza potenziale sui suoi morsetti in assenza di corrente (con una catena esterna aperta) ed è misurata in volt.
Termoelettricità. Nel 1822, T. Seebek ha scoperto che nella catena composta da due metalli diversi, la corrente si verifica se un punto della loro connessione è caldo. Tale catena è chiamata termoelement. Nel 1834, J. Peltier ha scoperto che quando la corrente passa attraverso la rotazione di due metalli in una direzione, il calore viene assorbito e nell'altro - è assegnato. La grandezza di questo effetto reversibile dipende dai materiali che cadono e la sua temperatura. Ogni picco del termoelement possiede EMF EJ \u003d WJ / Q, dove il WJ è un'energia di calore che si trasforma in elettricità in una direzione del movimento del carico Q, o energia elettrica che si trasforma in calore quando la carica si muove in un'altra direzione. Questi EDC sono opposti alla direzione, ma di solito non sono uguali l'uno all'altro se la temperatura dei quadranti differisce. W. Thomson (1824-1907) ha rilevato che l'EMF completo del termoelement non è piegato da due, ma da quattro ED. Oltre all'EMF, derivante nel centro benessere, ci sono due EMF aggiuntivi causati dalla caduta della temperatura sul conduttore che formano il termoelement. A loro è stato dato il nome del Eds Thomson.
Gli effetti di Seebek e Peltier. La termoelement è una "macchina termica", in un certo atteggiamento simile al generatore attuale, citato turbina a vapore, ma senza parti mobili. Come un turbogeneratore, trasforma il calore in elettricità, selezionandolo dal "riscaldatore" con una temperatura più elevata e dando parte di questo "frigorifero" di calore con una temperatura inferiore. Nel termoelement, agendo come una macchina termica, il "riscaldatore" è a Hot Spa, e il "frigorifero" è freddo. Il fatto che il calore con una temperatura inferiore è perso, limita l'efficienza teorica della trasformazione dell'energia termica nel valore elettrico (T1 - T2) / T1 dove T1 e T2 sono le temperature assolute del "riscaldatore" e "frigorifero". La diminuzione aggiuntiva dell'efficienza del termoelement è dovuta alla perdita di calore dovuta al trasferimento di calore dal "riscaldatore" al "frigorifero".
Vedere il calore; Termodinamica. La trasformazione del calore in energia elettrica che si verifica nella termoelement è solitamente chiamata effetto Seebeck. Elementi termici, chiamati termocoppie, sono utilizzati per misurare la temperatura, specialmente nei luoghi difficili da raggiungere. Se una zampa è in un punto controllato, e l'altro a temperatura ambiente, che è noto, il termo-EMF funge da misura di temperatura in un punto controllato. I grandi successi sono raggiunti nel campo dei termoelementi per direttare la trasformazione del calore in elettricità su scala industriale. Se attraverso il termoelement per saltare la corrente dalla sorgente esterna, allora lo sterione a freddo assorba il calore e il calore a caldo. Un tale fenomeno è chiamato effetto Peltier. Questo effetto può essere utilizzato sia per il raffreddamento con spa fredda, o per riscaldamento con sterili caldi. L'energia termica, evidenziata da una deposizione a caldo, è più della quantità totale di calore fornita al centro benessere freddo, con il valore corrispondente all'energia elettrica. Pertanto, Hot Spy evidenzia più calore di quanto corrisponderebbe alla quantità totale di energia elettrica fornita al dispositivo. In linea di principio, un gran numero di termoelementi collegati successivamente, i cui spah freddi derivavano verso l'esterno, e le stanze calde sono all'interno della stanza, possono essere utilizzate come una pompa di calore che pompa il calore da una regione di temperatura inferiore a un'area di temperatura più bassa. Teoricamente, i guadagni in energia termica rispetto al costo dell'energia elettrica possono essere T1 / (T1 - T2). Sfortunatamente, per la maggior parte dei materiali, l'effetto è così piccolo che ci sarebbero troppi termoelementi nella pratica. Inoltre, l'applicabilità dell'effetto peltier limita un po 'il trasferimento del calore dal centro termale caldo al freddo a causa della conduttività termica nel caso di materiali metallici. Gli studi di semiconduttori hanno portato alla creazione di materiali con effetti peltier sufficientemente grandi per una serie di applicazioni pratiche. L'effetto Peltier risulta essere particolarmente prezioso se necessario, raffreddare le aree difficili da raggiungere, dove i metodi di raffreddamento ordinari non sono adatti. Con l'aiuto di tali dispositivi, i dispositivi vengono raffreddati, ad esempio, gli strumenti nella navicella spaziale.
Effetti elettrochimici. Nel 1842, Helmholtz ha dimostrato che nella fonte del tipo di pilastro Voltov, l'energia chimica diventa elettrica e, nel processo di elettrolisi, l'energia elettrica si trasforma in una sostanza chimica. Le fonti chimiche del tipo di corrente di elementi di secco (batterie ordinarie) e le batterie erano estremamente pratiche. Quando si carica la batteria con una corrente elettrica di valore ottimale, la maggior parte dell'energia elettrica segnalata a esso si trasforma in energia chimica che può essere utilizzata quando la batteria è scarica. E quando si carica e quando la batteria viene scaricata, parte dell'energia è persa sotto forma di calore; Queste perdite termiche sono dovute alla resistenza interna della batteria. EMF di tale sorgente attuale è uguale alla differenza potenziale sui suoi morsetti sotto un circuito aperto, quando non vi è alcuna caduta di tensione IR sulla resistenza interna.
Circuiti DC. Per calcolare la potenza DC in una catena semplice, è possibile utilizzare la legge aperta da ohom quando viene studiata la colonna Voltov:
Dove r è la resistenza a catena e la sorgente V - EDC. Se più resistori con resistenze R1, R2, ecc. Collegato in modo coerente, quindi in ciascuno di essi la corrente I della stessa e la differenza di potenziale totale è uguale alla somma delle singole differenze potenziali (Fig. 1, A). La resistenza comune può essere definita come resistenza del collegamento seriale RS del gruppo resistore. La differenza di potenziali su questo gruppo è uguale
Quindi,
Se i resistori sono collegati in parallelo, la differenza potenziale sul gruppo coincide con la differenza di potenziali su ciascun singolo resistore (Fig. 1, B). La corrente completa attraverso un gruppo di resistori è uguale alla somma delle correnti attraverso singoli resistori, cioè.
Dall'i1 \u003d v / r1, i2 \u003d v / r2, i3 \u003d v / r3, ecc., La resistenza della connessione parallela del gruppo RP è determinata dal rapporto
Dove segue
Quando si risolvono i problemi con i circuiti DC di qualsiasi tipo, è necessario innanzitutto semplificare l'attività, utilizzando relazioni (9) e (10).
Le leggi di Kirchhoff. Kirchhof (1824-1887) ha studiato in dettaglio la legge di Ohm e ha sviluppato un metodo generale per il calcolo delle correnti costanti nei circuiti elettrici, compreso contenente diverse fonti di EDC. Questo metodo si basa su due regole chiamate leggi di Kirchhoff: 1. La somma algebrica di tutte le correnti in qualsiasi nodo del circuito è zero. 2. La somma algebrica di tutte le differenze potenziali IR in qualsiasi anello chiuso è uguale alla quantità algebrica di tutti gli EDS in questo circuito chiuso. Queste due leggi sono sufficienti per risolvere qualsiasi problema associato alle catene DC.
Guarda anche
Batteria di accensione;
Catene elettriche.
Magnetoostatici
Le magnetatiche hanno affrontato le forze derivanti tra corpi con magnetizzazione costante. Le proprietà dei magneti naturali sono riportate negli scritti di Falez Milletsky (circa 600 aC) e Platone (427-347 aC). La parola "magnete" è alzata a causa del fatto che i magneti naturali sono stati scoperti dai greci in magnesia (Fessels). A 11 c. Il messaggio del cinese shen qua e chu yu sulla fabbricazione di bussole da magneti naturali e usarli nella navigazione. Se un lungo ago di un magnete naturale è bilanciato sull'asse, consentendo di essere liberamente ruotato nel piano orizzontale, allora è sempre rivolto verso l'estremità a nord, e l'altro è a sud. Posizionando una fine che punta a nord, puoi usare una tale bussola per determinare le istruzioni. Gli effetti magnetici sono stati concentrati in un tale ago, e quindi erano chiamati pali (rispettivamente dal nord e dal sud). Scrivere W. Hilbert su Magnete (De Magnee, 1600) è stato il primo tentativo di studiare i fenomeni magnetici dal punto di vista della scienza. In questo lavoro, sono state raccolte le informazioni sull'elettricità e sul magnetismo, così come i risultati degli esperimenti dell'autore. Le aste realizzate in ferro, acciaio e alcuni altri materiali sono magnetizzati quando si contattano magneti naturali e la loro capacità di attirare piccoli pezzi di ferro, come nei magneti naturali, solitamente si manifesta vicino ai poli situati nelle estremità delle aste. Come le spese elettriche, i poli sono due tipi. Gli stessi poli sono reciprocamente respinti e gli opposti sono attratti. Ogni magnete ha due poli identici del segno opposto. A differenza delle spese elettriche, che possono essere separate l'una dall'altra, le coppie di poli erano inseparabili. Se l'asta magnetizzata taglia ordinatamente nel mezzo tra i poli, quindi vengono visualizzati due nuovi poli della stessa forza. Poiché le spese elettriche non influenzano i poli magnetici e, al contrario, i fenomeni elettrici e magnetici per un lungo periodo sono stati considerati completamente diversi in natura. Il ciondolo ha stabilito la legge per le forze di attrazione e repulsione dei poli, sfruttando i pesi simili a quelli che ha applicato, scoprendo la legge per le forze che agiscono tra due accuse. Si è scoperto che la forza che agisce tra i pali del punto è proporzionale alla loro "grandezza" e inversamente proporzionale alla piazza della distanza tra loro. Questa legge è registrata sotto forma di
Dove p e p "- i" valori "dei poli, r è la distanza tra loro, e KM è un coefficiente di proporzionalità, che dipende dalle unità utilizzate. Nella fisica moderna, ha rifiutato di considerare i poli magnetici (per ragioni che sono spiegati nella prossima sezione), quindi questa legge è principalmente interesse storico.
Effetti magnetici della corrente elettrica
Nel 1820, ERSTED (1777-1851) ha rilevato che il conduttore con attuali atti su una freccia magnetica, girandolo. Letteralmente una settimana dopo, l'Ampere ha mostrato che due conduttori paralleli con una corrente di una direzione si sono attratti l'un l'altro. Successivamente, suggerì che tutti i fenomeni magnetici erano dovuti a correnti, e le proprietà magnetiche dei magneti permanenti sono associate a correnti in circolazione costantemente all'interno di questi magneti. Questa ipotesi è pienamente coerente con idee moderne.
Vedi magneti e proprietà magnetiche di una sostanza. I campi elettrici creati da cariche elettriche nello spazio circostante sono caratterizzate dalla forza che agisce su un'unica carica di prova. Intorno ai materiali magnetizzati e ai conduttori elettrici, sorgono campi magnetici, che erano originariamente caratterizzati dalla forza che agisce sul polo di prova "singolo". Sebbene questo metodo per determinare la forza del campo magnetico non sia più applicato, questo approccio è stato conservato quando si determina la direzione del campo magnetico. Se una piccola freccia magnetica è sospesa nel suo centro di massa e può ruotare liberamente in qualsiasi direzione, quindi il suo orientamento e indicherà la direzione del campo magnetico. Dall'uso dei poli magnetici per determinare le caratteristiche dei campi magnetici, era necessario rifiutare una serie di motivi: in primo luogo, è impossibile isolare un polo separato; In secondo luogo, nessuna posizione né la quantità del polo non può essere determinata con precisione; In terzo luogo, i poli magnetici sono concetti essenzialmente fittizi, poiché in effetti gli effetti magnetici sono dovuti al movimento delle accuse elettriche. Di conseguenza, questi campi magnetici sono ora caratterizzati dalla forza con cui agiscono sui conduttori con una corrente. In fig. 2 mostra un conduttore con una corrente che sto mentendo nel piano del modello; La direzione corrente è indicata dalla freccia. Il conduttore si trova in un campo magnetico omogeneo, la cui direzione è parallela al piano del modello ed è un angolo f con la direzione del conduttore con la corrente. La grandezza dell'induzione del campo magnetico B è dato dall'espressione
Dove f è la forza con cui il campo B agisce sull'elemento del conduttore L con una corrente I. La direzione della forza F è perpendicolare sia per la direzione del campo magnetico che della direzione corrente. In fig. 2 Questa forza è perpendicolare al piano del modello ed è diretto dal lettore. Il valore B in linea di principio può essere determinato ruotando il conduttore fino a quando F raggiunge il valore massimo in cui B \u003d FMAX / IL. La direzione del campo magnetico può anche essere installata, girando il conduttore, finché la forza F gira in zero, I.e. Il conduttore sarà parallelo a B. Sebbene queste regole siano difficili da applicare in pratica, i metodi sperimentali per determinare la grandezza e la direzione dei campi magnetici si basano su di essi. La forza che agisce sul conduttore con corrente è solitamente scritta sotto forma di
J. BIO (1774-1862) e F. Savar (1791-1841) hanno portato la legge per calcolare il campo magnetico creato dalla nota distribuzione delle correnti elettriche, cioè
Dove B è un'induzione magnetica, creata da un elemento di un conduttore a bassa lunghezza l con una corrente I. La direzione del campo magnetico creata da questo elemento della corrente è mostrata in FIG. 3, che spiega anche i valori di R e F. Il coefficiente di proporzionalità K dipende dalla scelta delle unità di misurazione. Se sono espresso in ampere, L e R - in metri e B - in Teslas (TL), quindi k \u003d m0 / 4p \u003d 10-7 pm / m. Per determinare il valore e la direzione B in qualsiasi punto dello spazio che crea un conduttore ad alta lunghezza e una forma arbitraria, è necessario distruggere mentalmente il conduttore ai segmenti brevi, calcolare i valori B e determinare la direzione dei campi creati da singoli segmenti, quindi piega questi settori individuali. Ad esempio, se la corrente I nel conduttore che forma il cerchio con un raggio A è diretto in senso orario, il campo nel centro del cerchio è facilmente calcolato. In formula (13), la distanza r da ciascun elemento del conduttore al centro del cerchio è uguale a A e F \u003d 90 °. Inoltre, il campo creato da ciascun elemento perpendicolare al piano della circonferenza e diretto dal lettore. Piegare tutti i campi, otteniamo induzione magnetica nel centro:
Per trovare il campo vicino al conduttore creato da un conduttore retto molto lungo con una corrente I, per riassumere i campi, sarà necessario ricorrere all'integrazione. Trovato in questo modo il campo è uguale:
Dove r è la distanza da perpendicolare dal conduttore. Questa espressione viene utilizzata nella definizione attualmente dell'Ampere.
Galvanometri. Il rapporto (12) consente di confrontare le forze delle correnti elettriche. Il dispositivo creato per questo scopo è chiamato galvanometro. Il primo dispositivo di questo tipo è stato costruito da I. Shuger nel 1820. Era una bobina del filo, all'interno del quale la freccia magnetica è sospesa. La corrente misurata è stata saltata attraverso la bobina e ha creato un campo magnetico attorno alla freccia. La freccia ha agito una coppia, forza proporzionale della corrente, che è stata bilanciata a causa dell'elasticità del filato di sospensione. Il campo magnetico della terra rende la distorsione, ma la sua influenza può essere esclusa, circondando la freccia con magneti permanenti. Nel 1858, U.tomson, più famoso come Lord Kelvin, attaccato allo specchio alla freccia e ha introdotto una serie di altri miglioramenti, migliorando significativamente la sensibilità del galvanometro. Tali galvanometri appartengono alla classe di strumenti con una freccia in movimento. Sebbene il galvanometro con una freccia in movimento può essere reso estremamente sensibile, ha quasi completamente soppresso il dispositivo con una bobina mobile o un telaio posizionato tra i poli di un magnete permanente. Il campo magnetico di un grande magnete a ferro di cavallo nel galvanometro è così forte rispetto al campo magnetico della terra, che l'influenza di quest'ultimo può essere trascurata (figura 4). Il galvanometro con un telaio mobile è stato proposto nel 1836 W. Sternzhen (1783-1850), ma non ha ricevuto il dovuto riconoscimento, mentre nel 1882 J.D. "ARSONVAL non ha creato una versione moderna di questo dispositivo.
Fico. 4. Galvanometro D ARSONVAL per misurare la potenza della corrente elettrica. La freccia è collegata a un telaio mobile sospeso tra i poli del magnete a ferro di cavallo.
Induzione elettromagnetica. Dopo aver trovato l'ERSTED che la corrente costante crea una coppia che agisce su un magnete, sono stati fatti molti tentativi per rilevare una corrente causata dalla presenza di magneti. Tuttavia, i magneti erano troppo deboli e gli attuali metodi di misurazione sono troppo scortesi per rilevare qualsiasi effetto. Infine, due ricercatori - J. Henry (1797-1878) in America e M. Faraday (1791-1867) in Inghilterra - Nel 1831, indipendentemente l'uno dall'altro hanno scoperto che quando si cambia il campo magnetico, le correnti a breve termine appaiono nel numero Di circuiti conduttivi, ma sorgono correnti a breve termine, ma l'effetto è assente se il campo magnetico rimane costante. Faraday credeva che non solo i campi elettrici, ma anche magnetici sono linee elettriche che riempiono lo spazio. Il numero di linee elettriche del campo magnetico che attraversa la superficie arbitraria s corrisponde al valore f, che è chiamato flusso magnetico:
Dove BN è la proiezione del campo magnetico B al normale all'elemento dell'area DS. L'unità di misura del flusso magnetico è chiamato Weber (WB); 1 WB \u003d 1 TL * m2. Faraday è stato formulato da una legge su EMF, inscritta in una svolta chiusa del filo con un campo magnetico che cambia (la legge dell'induzione magnetica). Secondo questa legge, tale EMF è proporzionale al tasso di cambiamenti nel flusso magnetico totale attraverso il turno. Nel sistema, il sistema del coefficiente di proporzionalità è 1 e, quindi, l'EMF (Volt) è pari al tasso di variazione del flusso magnetico (in WB / s). Matematicamente, questo è espresso dalla formula
Dove il segno meno mostra che i campi magnetici delle correnti creati da questo EDC sono diretti in modo che il cambiamento nel flusso magnetico diminuisca. Questa regola per determinare la direzione dell'EMF è coerente con la regola più generale formulata nel 1833 E.LENZ (1804-1865): l'EMF indotto è diretto in modo che si opponi alla sua emergenza. Nel caso di un circuito chiuso in cui si verifica la corrente, questa regola può essere derivata direttamente dalla legge della conservazione dell'energia; Questa regola è determinata dalla direzione dell'EMF indotta e nel caso di un circuito aperto quando la corrente di induzione non si verifica. Se la bobina è costituita da n giri del filo, ognuna delle quali è penetrata dal flusso magnetico f, quindi
Questo rapporto è giusto indipendentemente dal motivo per cui la catena di flusso magnetica cambia.
Generatori. Il principio di funzionamento del generatore elettromashico è mostrato in FIG. 5. La bobina rettangolare del filo ruota in senso antiorario in un campo magnetico tra i polacchi del magnete. Le estremità del turno vengono rimosse agli anelli di contatto e sono collegate alla catena esterna attraverso le spazzole di contatto. Quando il piano della svolta è perpendicolare al campo, perforare il flusso magnetico del flusso magnetico. Se il piano della svolta è parallelo al campo, il flusso magnetico è zero. Quando il piano di raffreddamento risulta per essere perpendicolare sul campo, ruotando 180 °, il flusso magnetico attraverso il massimo corrente nella direzione opposta. Pertanto, quando viene ruotata la svolta, il flusso magnetico cambia continuamente e in accordo con la legge di Faraday, la tensione sui clip cambia.
Per analizzare ciò che accade in un semplice alternatore di corrente alternata, considereremo il flusso magnetico positivo quando l'angolo Q è nell'intervallo da 0 ° a 180 °, e negativo quando Q è da 180 ° a 360 °. Se B è l'induzione del campo magnetico e A - l'area del turno, quindi il flusso magnetico attraverso il round sarà uguale a:
Se la bobina ruota con la frequenza f circa. / S (cioè 2pf rad / s), dopo il tempo T dall'inizio della rotazione, quando q era uguale a 0, otteniamo q \u003d 2pft. Pertanto, l'espressione di flusso attraverso il round è acquisita
Secondo la legge di Faraday, la tensione ispezionata è ottenuta dalla differenziazione del flusso:
I segni dei pennelli nella figura mostrano la polarità della tensione di ispezione nel momento appropriato. Coseno varia da +1 a -1, quindi il valore di 2PFab è semplicemente ampiezza di tensione; Puoi designarlo attraverso
(Allo stesso tempo, abbiamo abbassato il segno "meno", sostituendolo con una scelta appropriata di polarità delle conclusioni del generatore in Fig. 5.) In FIG. 6 mostra un cambiamento del programma nel tempo.
La tensione prodotta dal generatore sopra descritto cambia periodicamente la sua direzione al contrario; Lo stesso vale per le correnti create nei circuiti elettrici da questa tensione. Tale generatore è chiamato alternatore. La corrente, conservando sempre la stessa direzione, è chiamata costante. In alcuni casi, come la ricarica delle batterie, è necessaria una tale attuale. È possibile due modi per ricevere una corrente costante dalla variabile. Uno è che il circuito esterno include un raddrizzatore, trasmettendo una corrente solo in una direzione. Ciò consente di spegnere il generatore per un mezzo periodo e includerlo solo in quel mezzo periodo in cui la tensione ha la polarità necessaria. Un altro metodo è quello di cambiare contatto che collega la bobina con una catena esterna attraverso ogni mezzo periodo quando la tensione cambia la polarità. Quindi la corrente nella catena esterna sarà sempre diretta in una direzione, sebbene la tensione ispezionata nella torsione cambia la sua polarità. La commutazione dei contatti viene eseguita utilizzando i semi-colpi del collettore installati anziché gli anelli di raccolta correnti, come mostrato in Fig. 7, a. Quando il piano è verticale, la velocità di cambio del flusso magnetico e, pertanto, la tensione ispezionata viene lasciata a zero. È in questo momento che i pennelli scivolano sul divario che separano due sentetti e il commutazione del circuito esterno. La tensione derivante nella catena esterna varia come mostrato in Fig. 7, b.
Guarda anche Generatori di elettromachine e motori elettrici.
Induzione reciproca. Se due bobine del filo chiuso si trovano nelle vicinanze, ma elettricamente non sono collegate tra loro, quindi quando si cambia la corrente in uno di essi, l'EMF è rivelato. Poiché il flusso magnetico attraverso la seconda bobina è proporzionale alla corrente nella prima bobina, la variazione di questa corrente comporta la variazione del flusso magnetico con la guida del corrispondente EMF. Le bobine possono essere cambiate ruoli, quindi quando si cambia la corrente nella seconda bobina, EDC sarà guidata nel primo. EMF, inserito in una bobina, è determinato dalla velocità del cambiamento corrente nell'altro e dipende dalla dimensione e dal numero di giri di ciascuna bobina, così come dalla distanza tra le bobine e il loro orientamento, un parente all'altro. Queste dipendenze sono relativamente semplici, se non ci sono materiali magnetici nelle vicinanze. L'atteggiamento dell'EMC, indotto in una bobina, al tasso di variazione della corrente nell'altro è chiamato il coefficiente di reciproco induzione di due bobine corrispondenti a questa posizione. Se l'EMF indotto è espresso in Volt e la velocità del cambio corrente è in ampere al secondo (A / C), quindi l'induzione reciprocamente verrà espressa in Henry (GG). EMF, ispezionato in bobine, sono riportati nelle seguenti formule:
Dove m è il coefficiente di intenzione di due bobine. La bobina collegata alla sorgente attuale è chiamata bobina primaria o avvolgimento, e l'altra è secondaria. Una corrente permanente nell'avvolgimento primario non crea tensioni secondarie, anche se al momento di accendere e spegnere la corrente nell'avvolgimento secondario è brevemente derivante con EMU. Ma se l'EMF è collegato all'ovvolgimento primario, creando una corrente alternata in questo avvolgimento, la variabile EDC è indoabile e nell'avvolgimento secondario. Pertanto, l'avvolgimento secondario può essere utilizzato alternando il carico attivo corrente o altri circuiti senza collegarli direttamente alla sorgente EDC.
Trasformatori. L'intenzione di due avvolgimenti può essere notevolmente aumentata di avvolgendoli su un nucleo comune di materiale ferromagnetico, come il ferro. Un dispositivo simile è chiamato un trasformatore. Nei trasformatori moderni, il nucleo ferromagnetico forma una catena magnetica chiusa, in modo che quasi l'intero flusso magnetico passa all'interno del nucleo e, quindi, attraverso entrambi gli avvolgimenti. La fonte della variabile EDC collegata all'offerta primaria crea un flusso magnetico alternato nel nucleo di ferro. Questo flusso si riserva variabili dell'EMF e nel primario, e negli avvolgimenti secondari e nei valori massimi di ciascun EDC sono proporzionali al numero di turni nell'avvolgimento appropriato. Nei buoni trasformatori, la resistenza agli avvolgimenti è così piccola che l'EMF, indotto nell'avvolgimento primario, quasi coincide con la tensione applicata, e la differenza potenziale delle conclusioni di avvolgimento secondaria coincidono quasi con l'EMF in esso. Pertanto, il rapporto tra la caduta di tensione al carico dell'ovvolgimento secondario alla tensione applicato all'ovvolgimento primario è pari al rapporto tra il numero di turni negli avvolgimenti secondari e primari, che è solitamente scritto sotto forma di uguaglianza
Dove V1 è la caduta di tensione sulle curve N1 dell'ovvolgimento primario, e V2 è la caduta di tensione sulle curve N2 dell'articolazione secondaria. A seconda del rapporto tra il numero di turni negli avvolgimenti primari e secondari, l'aumento e i trasformatori inferiori differiscono. Il rapporto N2 / N1 è maggiore delle unità nei trasformatori crescenti e meno dell'unità nell'abbassamento. Grazie ai trasformatori, è possibile una trasmissione economica di energia elettrica per lunghe distanze.
Guarda anche Trasformatore elettrico. Autoinduzione. La corrente elettrica in una bobina separata crea anche un flusso magnetico che permea questa bobina stessa. Se la corrente nella bobina cambia nel tempo, il flusso magnetico attraverso la bobina verrà modificato, ribaltandolo nello stesso modo in cui ciò accade quando il trasformatore funziona. L'emergere di EMF nella bobina quando si cambia la corrente è chiamata autoinduzione. L'improprio influenza la corrente nella bobina. Allo stesso modo, l'inerzia è influenzata dal movimento degli organismi nella meccanica: rallenta l'impostazione del DC nella catena quando è acceso e impedisce di una fermata istantanea quando è girato spento. Serve anche come scintille che si verificano tra i contatti dell'interruttore automatico quando il circuito è sfocato. Nel circuito AC, l'autoinduzione crea una resistenza reattiva che limita l'ampiezza della corrente. In assenza di materiali magnetici vicino a una bobina fissa, un flusso magnetico che permea è proporzionale alla corrente nella catena. Secondo la legge di Faraday (16), l'EMF di auto-induzione dovrebbe in questo caso essere proporzionale all'attuale tasso di cambiamento, cioè.
Dove l è il coefficiente di proporzionalità, chiamato autoinduzione o induttanza della catena. La formula (18) può essere considerata come determinazione del valore di L. Se l'indice di fabbrica è espresso in volt, attuale I - in ampere e tempo T-in secondi, quindi verrà misurato a Henry (GG). Il segno meno indica che l'EMF è contrario ad un aumento della corrente I, come segue dalla legge di Lenza. EMF esterno, superamento di EMF di auto-induzione, dovrebbe avere un segno più. Pertanto, nel alternando circuiti di corrente, la caduta di tensione dell'induttanza è l di / dt.
Variabili Toki.
Come già accennato, le correnti variabili sono correnti la cui direzione cambia periodicamente. Il numero di periodi di modifiche cicliche del secondo corrente è chiamato la frequenza di AC ed è misurata in Hertz (Hz). L'elettricità viene solitamente fornita al consumatore come AC con una frequenza di 50 Hz (in Russia e nei paesi europei) o 60 Hz (negli Stati Uniti). Dal momento che alternano le variazioni di corrente nel tempo, i modi semplici per risolvere i problemi adatti ai circuiti DC qui sono direttamente non applicabili. A frequenze molto alte, le accuse possono eseguire un movimento oscillatorio - fluire da una catena ad altri e ritorno. Allo stesso tempo, in contrasto con i circuiti CC, le correnti in conduttori collegati sequenzialmente possono essere ineguali. Le capacità presenti nel alternando circuiti di corrente migliorano questo effetto. Inoltre, quando si modificano gli effetti attuali, gli effetti di auto-induzione sono interessati, che diventano essenziali anche a basse frequenze, se le bobine vengono utilizzate con elevata induttanza. A frequenze relativamente basse del circuito AC, è ancora possibile calcolare utilizzando le regole Kirchhoff, che, tuttavia, devono essere modificate di conseguenza. La catena, che include diverse resistenze, induttori e bobine di condensa, può essere considerata come se fosse costituita da un resistore generalizzato, condensatore e induttori collegati in sequenza. Considerare le proprietà di tale circuito collegato al generatore di corrente alternato sinusoidale (Fig. 8). Per formulare regole per calcolare il circuito CA, è necessario trovare un rapporto tra la caduta di tensione e la corrente per ciascuno dei componenti di tale catena.
Il condensatore svolge ruoli completamente diversi nelle catene di correnti variabili e costanti. Se, ad esempio, alla catena in FIG. 8 Collegare l'elemento elettrochimico, il condensatore inizierà a carica finché non sarà uguale all'elemento EDC. Quindi la ricarica si ferma e la corrente cadrà a zero. Se il circuito è collegato a un generatore AC, in un elettrotrone a metà periodo uscirà dal bordo sinistro del condensatore e si accumula a destra e nell'altro - al contrario. Questi elettroni in movimento sono la corrente alternata, la cui forza è la stessa su entrambi i lati del condensatore. Mentre la frequenza corrente variabile non è molto grande, anche la corrente attraverso il resistore e la bobina dell'induttore è anche la stessa.
Reattivo e piena resistenza. Per analizzare il rapporto tra la corrente e la tensione per il contorno mostrato in FIG. 8, supponiamo che la carica sulla piastra sinistra del condensatore sia data dall'espressione
E la carica sulla piastra destra è q. Qui Q è la carica massima (CL), T-TIME (c) e w \u003d 2pf, dove f è la frequenza dell'AC (Hz). Corrente tramite ogni elemento della catena è:
Dove la corrente massima di IMASA è uguale a W Q. Una caduta di tensione variabile sul condensatore è:
Secondo la legge OHM, la caduta di tensione sul resistore è data dall'espressione
La goccia di tensione dell'intera catena da A a B è:
o
Dove
inoltre
Il valore di XL è chiamato resistenza induttiva ed è espresso in Omah se L - a Henry; Il valore di XC è chiamato resistenza capacitiva ed è espresso in Omah, se c è nelle faraners. Anche la resistenza totale reattiva della catena X è espressa anche in OMA. La formula (19) può essere portata in modo semplice e più chiaro, utilizzando l'identità trigonometrica di Cos (A + B) \u003d Cos A Cos B - peccato un peccato B. Poiché R e X sono espressi in Ohm, possono essere considerati come i categoristici di un triangolo rettangolare per determinare l'angolo q (figura 9). Ipotenusa
È chiamato la resistenza completa (impedenza) della connessione seriale. In fig. 9 mostra un triangolo completo di resistenza, da cui appare che r \u003d z cos q, x \u003d z sin q e tg q \u003d x / r. L'espressione (19) può essere riscritta nel modulo V \u003d IMAXZ (COS Q Cos w T - Sin Q Sin W T), che riduce all'espressione
Se usi l'identità trigonometrica sopra; L'espressione (21) può essere riscritta nel modulo
Dove
Dalla formula (21) Ne consegue che la tensione V sui clip della catena è massima il più possibile a T \u003d -Q / w, mentre la corrente sono al massimo a T \u003d 0, I.e. La corrente è in ritardo dietro la fase dalla tensione all'angolo q. Pertanto, il ritardo corrente dietro la fase dalla tensione se prevale la resistenza induttiva, cioè. Se XL è maggiore di XC. La corrente è prima della tensione se la resistenza capacitiva domina, cioè. Xc più xl. Va notato che la relazione (22) differisce dalla legge OL solo dal fatto che in esso la resistenza attiva R è sostituita dalla piena resistenza della Z. Se la resistenza R e la caduta massima della tensione sui morsetti a catena sono supportati Per costante, il valore più alto della corrente massima IMAX soddisfa l'uguaglianza di due resistenti reattive. Se l'induttanza e la capacità sono anche costanti, è possibile ottenere l'uguaglianza della loro resistenza reattiva, cambiando la frequenza della corrente alternata. Questo è ottenuto con una frequenza circolare
In questo caso, parlano dell'impostazione risonante della catena.
Sopra si presumeva che sia stata stabilita la corrente alternata nella catena. Infatti, quando si collega il circuito alla fonte della tensione alternata, i processi transitori si verificano in esso. Se la resistenza a catena non è trascurabile, le correnti di transizione selezionano la loro energia sotto forma di calore nel resistore e svaniscono rapidamente, dopodiché è impostata la modalità corrente alternata stazionaria, che avrebbe dovuto essere più alto. In molti casi, i processi transitori nei circuiti alternati possono essere trascurati. Se devono essere considerati, quindi è necessario indagare sull'equazione differenziale che descrive la dipendenza attuale del tempo.
Valori efficaci. Il compito principale delle prime centrali elettriche distrettuali era quello di garantire il calore desiderato dei fili delle lampade di illuminazione. Pertanto, la questione dell'efficienza dell'uso per queste catene di correnti costanti e alternanti. Secondo Formula (7), per l'energia elettrica che si trasforma in calore in un resistore, la dissipazione del calore è proporzionale al quadrato della forza corrente. Nel caso di AC, la dissipazione del calore fluttua continuamente insieme al valore istantaneo della corrente per la corrente della forza corrente. Se la corrente varia in base alla legge sinusoidale, il valore mediato dal tempo della corrente istantanea pari a metà del quadrato della corrente massima, cioè.
La radice quadrata da questo valore è chiamata un valore variabile efficace. Di conseguenza, il valore effettivo delle forze della AC è uguale a:
Questa dovrebbe essere una corrente permanente per garantire lo stesso riscaldamento del filamento come corrente alternata con l'ampiezza di IMAX. Ovviamente, l'ampiezza della tensione alternata sulla lampada a incandescenza deve essere superiore alla corrispondente tensione costante. Pertanto, il valore effettivo della tensione della corrente alternata è definita come
Secondo la formula (22), l'impedenza del circuito AC è uguale a:
In assenza degli elementi del jet nella catena, abbiamo z \u003d r e r \u003d v / i, sembra che il rapporto tra la tensione effettiva e i valori di corrente nel circuito AC risulta essere lo stesso di Circuito DC. La potenza che entra in un circuito seriale, espresso attraverso i valori effettivi della corrente e della tensione, è uguale a:
Poiché l'alimentazione rilasciata nel circuito DC è P \u003d VI, il valore di COS Q è chiamato il fattore di potenza. Ma v \u003d iz, e r \u003d z cos q (figura 9). Pertanto, il potere secreto dalla corrente alternando il circuito seriale è uguale a:
Dove si può vedere che tutta la potenza viene spesa per il riscaldamento del resistore, mentre nel condensatore e all'induttanza, il potere non è assorbito. Vero, le bobine di induttanza reale assorbono ancora un po 'di potere, specialmente se hanno un nucleo di ferro. Con la bonifica continua, il nucleo di ferro è riscaldato - parzialmente iniettato nelle correnti di ferro, e in parte a causa di attrito interno (isteresi), che impedisce la bonifica. Inoltre, l'induttanza può causare correnti nei regimi situati nelle vicinanze. Quando si misurano nei circuiti alternati, tutte queste perdite assomigliano a una perdita di energia nella resistenza. Pertanto, la resistenza della stessa catena per AC è solitamente in qualche modo più grande che per costante, ed è determinata attraverso la perdita di potenza:
Affinché la centrale elettrica funzioni economicamente, le perdite termiche nella linea elettrica (Lep) dovrebbero essere abbastanza basse. Se il PC è l'alimentazione fornita al consumatore, quindi PC \u003d VCI sia per la corrente permanente che alternata, poiché con il corretto calcolo, il valore COS Q può essere effettuato uguale a uno. Le perdite di potenza saranno PL \u003d RLI2 \u003d RLPC2 / VC2. Poiché almeno due lunghezze del conduttore sono necessarie per il giro, la sua resistenza è rl \u003d r 2l / a. In questo caso, perdite di perdita
Se i conduttori sono fatti di rame, la resistenza specifica della R che è minimamente, il numero non rimane valori che potrebbero essere significativamente ridotti. L'unico modo pratico per ridurre le perdite è aumentare il VC2, poiché l'uso di conduttori con una grande area trasversale A è non redditizio. Ciò significa che il potere deve essere trasmesso utilizzando il più alto tensione possibile. I generatori di corrente elettromashici convenzionali che agiscono dalle turbine non possono produrre una tensione molto elevata che non è resistente al loro isolamento. Inoltre, la tensione ultra-alta è pericolosa per il personale del servizio. Tuttavia, la tensione della corrente alternata generata dall'impianto elettrica è possibile per le trasmissioni sulla LAM per aumentare utilizzando i trasformatori. All'altra estremità del passante di potenza, il consumatore utilizza trasformatori a valle, che conferiscono all'output più sicuro e pratico a bassa tensione. Attualmente, la tensione nel giro raggiunge 750.000 V.
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