Що таке синусоїдальний струм

 

Про те, що в провідниках побутової проводки протікає змінний синусоїдальний струм, чули всі. Але для людини, малознайомого з електротехнікою, терміни «синусоїдальний» і, тим більше, «змінний», ні про що не говорять. У даній роботі ми постараємося дати загальне уявлення про це, доступне для розуміння кожному.

Насамперед, потрібно визначитися з тим, що таке електричний струм. Згідно з існуючим поясненням, струм – це спрямований рух елементарних частинок, що володіє зарядом позитивного чи негативного знаку. Зазвичай під частинками розуміють електрони, але це не зовсім так. Атом, що втратив електрон, за рахунок присутніх у ядрі протонів здобуває позитивний заряд, стаючи іоном. ЕРС діє не тільки на електрон, але і на нього. Досить згадати, що в розрахунках за позитивний напрямок руху струму прийнято від плюса до мінуса, хоча насправді, негативно заряджені частки переміщаються в протилежному напрямку.

Звідки беруться ці частинки? Уявімо структуру провідника: кристалічна решітка з атомами у вузлах. Кожен атом умовно можна описати як мініатюрну сонячну систему. У центрі масивне ядро, що складається з протонів і нейтронів, а навколо його по орбітах обертаються електрони.

Заряд протона позитивний, а електрона негативний, тому вони взаємно притягуються. Чим ближче до ядра, тим сильніше це взаємодія. Щоб виник струм, необхідно вивільнити з атомів частина електронів і змусити їх рухатися в потрібному напрямку. У генераторах це завдання з успіхом виконується обертовим магнітним полем. Воно повідомляє відсутню енергію електронам на зовнішніх орбітах, вивільняючи їх. Звичайно, безпосереднього руху немає. Йдеться про обмін цими частками між найближчими атомами.

Звідки ж береться назва «синусоїдальний струм»? Причина в способі отримання. Уявімо два різнойменних полюси магніту, а між ними лінії напруженості поля. Помістимо рамку з провідника в це поле. Її кінці підключені до навантаження, формуючи контур (ланцюг). Вращаем рамку. У момент, коли вона розташована паралельно поверхням магніту, струм відсутній, так як немає перетину з лініями напруженості (обидві сторони рамки знаходяться на одному рівні). Ось вона трохи повернулася, лінії магнітного поля перетинають провідник, вивільняють електрони і виникає струм.

В цей же час інша сторона рамки також перетинає поле, але з протилежного боку. Максимальне значення струму – при вертикальному розміщенні. Синусоїдальний струм – це графічне представлення даного процесу. Без нього складно зрозуміти принцип роботи електроприладів. Графік, що відображає синусоїдальний струм, являє собою декартові координати на площині. По вертикальній осі відкладається струм, а по горизонтальній – час. Так як при обертанні рамки реєстровані значення періодично повторюються, то формується синусоїдальний струм, що змінюється за напрямком і величиною. Синусоїда немов нанизана на вісь часу, так як частина хвиль розташована вище осі (знак позитивний), а частина нижче (негативний). Найвищі точки хвиль відповідають положенню рамки паралельно лініям напруженості поля, а перетинання осі часу (струм дорівнює нулю) – перпендикулярному.

Електричні кола синусоїдального струму набули найбільшого поширення, оскільки даний вид електроенергії дуже просто перетворюється за допомогою трансформаторів та інших елементів електричного кола, дозволяючи здійснювати передачу на великі відстані, а також необхідний модулювання. Крім того, сам принцип генерації передбачає створення саме синусоїдального струму.

Змі́нний струм — електричний струм, сила якого періодично змінюється з часом.

Здебільшого коливання струму відбуваються за гармонічним законом

,

де — амплітуда струму, — частота, — фаза струму.

Змінний струм виникає в електричному колі зі змінною напругою. Коливання напруги відбуваються за подібним законом, проте, в загальному випадку із зсувом фази

 

Перевагою змінного струму є те, що його легше виробляти й передавати до споживача. Постійний струм можна отримати зі змінного за допомогою випрямлення.

Особливістю змінного струму є те, що деякі елементи електричного кола впливають не лише на амплітуду струму, а й на його фазу. Тому для розрахунків електричних кіл замістьопорів використовуються комплексні опори — імпеданси, а всі розрахунки проводяться з використанням комплексних чисел.

Потужність

Миттєве значення потужності електричного струму дорівнює

, повна потужність

, активна потужність

, реактивна потужність

де U — напруга, а - зсув фаз між напругою і струмом.

Однак практичніше використовувати усереднене значення потужності

,

де — амплітудне значення сили струму, — амплітудне значення напруги.

Змінний струм характеризують також діючими значеннями сили струму й напруги