Вопрос 1 ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК – это ток, который меняет величину и направление, единственный на сегодняшний день способ дешевой передачи электроэнергии на расстояния. Он превосходит постоянный ток по ряду параметров, в том числе и по простоте трансформации.
Электромагнитная индукция и закон Фарадея
Майкл Фарадей в 1831 году открыл закономерность, в последствии названной его именем – закон Фарадея. В своих опытах он использовал 2 установки. Первая состояла из металлического сердечника с двумя намотанными и не связанными между собой проводниками. Когда он подключал один из них к источнику питания, то стрелка гальванометра, подключенного ко второму проводнику, дёргалась. Так было доказано влияние магнитного поля на движение заряженных частиц в проводнике.
Второй установкой является диск Фарадея. Это металлический диск, к которому подключено два скользящих проводника, а они в свою очередь соединены с гальванометром. Диск вращают вблизи магнита, а при вращении на гальванометре также отклоняется стрелка. Итак, выводом этих опытов была формула, которая связывает прохождение проводника через силовые линии магнитного поля.
Допустим у нас есть рамка из проводящего материала. Поместим её в магнитное поле. Если рамку начать вращать, через неё потечет электрический ток. При равномерном вращении на концах этой рамки получится переменный синусоидальный ток.
Частота вращения рамки
ω = α / t [радиан/секунда]
Это связано с тем, что в зависимости от положения по оси вращения рамку пронизывает разное число силовых линий. Соответственно и величина ЭДС наводится не равномерно, а согласно положению рамки, как и знак этой величины. При вращении рамки в магнитном поле от скорости вращения зависит как частота переменного тока, так и величина ЭДС на выводах рамки. Чтобы достичь определенной величины ЭДС при фиксированной частоте – делают больше витков. Таким образом получается не рамка, а катушка.
где E – ЭДС индукции,
N – число витков проводника, который перемещают в магнитном поле,
dФ/dt – скорость изменения магнитного потока относительно проводника. А так как
Ф = B*S*cosα
α = ω*t,
получим выражение для переменной ЭДС
где
- амплитуда ЭДС
Подключив источник переменной ЭДС к концам проводника, создадим на них переменное напряжение:
Cила переменного тока определяется напряжением на концах проводника. Можно считать, что в данный момент времени сила тока во всех сечениях проводника имеет одно и то же значение.
В таких случаях принято говорить, что существует сдвиг фаз между колебаниями тока и напряжения. В общем случае мгновенное значение напряжения и силы тока можно определить:
или 
Но фаза колебаний силы тока может не совпадать с фазой колебаний напряжения.
φ – сдвиг фаз между колебаниями тока и напряжения
Im – амплитуда тока, А.
Гармонические величины (синусоидальные), описываются следующими формулами:
s(t) = A×sin (2πfоt+f) = A×sin (ωоt+f), s(t) = A×cos(ωоt+φ), (1)
где А, fo, ωo, φ, f - постоянные величины, которые могут исполнять роль информационных параметров сигнала:
А - амплитуда сигнала,
fо - циклическая частота в герцах,
ωо= 2πfо - угловая частота в радианах в секунду,
φ и f- начальные фазовые углы в радианах.
T = 1/fо = 2π/ωo. - период одного колебания.
ЭДС источника гармонический колебаний:
(1)
§ где
§ 
— текущее значение ЭДС (в момент времени 
) –мгновенное значение
§ 
— амплитудное (максимальное) значение ЭДС,
§ 
— угловая частота колебания,
§ — момент времени, в который изучается значение ЭДС,
§ 
— начальная фаза колебания.
Аналогичным образом можно ввести колебания напряжения 
на элементе:
(2)
§ где
§ — текущее значение напряжения (в момент времени ) – мгновенное значение
§ 
— амплитудное (максимальное) значение напряжения,
§ — угловая частота колебания,
§ — момент времени, в который изучается значение напряжения,
§ — начальная фаза колебания.
Таким же образом вводится и колебание силы тока:
(3)
§ где
§ 
— текущее значение силы тока (в момент времени ) – мгновенное значение
§ 
— амплитудное (максимальное) значение силы тока,
§ — угловая частота колебания,
§ — момент времени, в который изучается значение силы тока,
§ — начальная фаза колебания.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1) Переменные электрические величины являются функциями времени, их значения в любой момент времени называют мгновенными и обозначают строчными буквами i, u, e.
2) Амплитуда колебаний. Максимальное за период отклонение колеблющейся величины от среднего за период значения Амплитуда колебаний выражается в тех же единицах измерения, что и основная величина Im, Um, Em.
3) Средние значения тока, напряжения или ЭДС - значения, эквивалентные постоянному току по переносу электрического заряда за положительный полупериод (T /2). Они обозначаются Iср, Uср, Еср и определяются формулами:
4) Действующие значения тока, напряжения или ЭДС - значения, эквивалентные постоянному току по тепловому выделению за период Т. Они обозначаются I, U, Е (Iд, Uд, Ед) н определяются формулами:
5) Т - Период колебаний - это время одного полного колебания. Размерность — секунды.
4) Частота колебаний. Величина, обратная периоду колебаний. Это число колебаний в единицу времени. Размерность — герцы (Гц)
5) Угловая частота
6) Начальная фаза - значение фазы колебаний (полной) в начальный момент времени,
6) Угол сдвига фаз - это разность начальных фаз двух синусоидальных величин.
Угол ф - величина алгебраическая, может быть, как положительная, так и отрицательная, в зависимости от того, опережает одна синусоидальная величина другую по фазе или отстает от нее.
Угол сдвига фаз между током и напряжением участка цепи определяется вычитанием начальной фазы тока из начальной фазы напряжения
Стоит отметить, что в разных странах частота электротока, пускаемого по линиям электропередач, разная. В большинстве стран она составляет 50 Гц, в США и Канаде — 60 Гц. В Японии используется и тот, и другой стандарты.
Получить переменный ток в промышленных масштабах можно таким же образом, как описано выше. На практике нашли широкое применение электростанции с генераторами переменного тока. При этом используются синхронные генераторы. Поскольку таким образом легче контролировать как частоту, так и величину ЭДС переменного тока, и они могут выдерживать кратковременные токовые перегрузки во много раз.
По числу фаз на электростанциях используются трёхфазные генераторы. Это компромиссное решение, связанное с экономической целесообразностью и техническим требованием создания вращающегося магнитного поля для работы электродвигателей, которые составляют львиную долю от всего электрооборудования в промышленности.