книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

Индуктивное сопротивление электромагнита, напротив, возрас- тает при увеличении частоты переменного тока и его индуктивности (Rинд = ωL). Величина тока c ростом частоты переменного тока и ин- дуктивности электромагнита уменьшается, а сопротивление пере- менному току возрастает.

Емкостное сопротивление и индуктивное типичные противопо- ложности, имеющие качества одного рода, заключающее в характере запасания и возврате электроэнергии.

Реактивное сопротивление, в отличие от активного сопротивле- ния, не связано с расходом мощности электроэнергии или с выделе- нием тепла в проводниках (или совершением механической работы), так как электроэнергия лишь запасается от источника и возвращается вновь в цепь.

Полное сопротивление Z цепи, содержащей активное сопротивле- ние R, емкосное Rемк и индуктивное Rинд, не равно простой сумме этих сопротивлений.

Причина в том, что в цепи с емкостным сопротивлением ток опе- режает по фазе напряжение, а в цепи с индуктивным сопротивлени- ем — отстаёт, тогда как в цепи с активным сопротивлением ток и на- пряжение совпадают по фазе. Графики ниже.

Токвцеписчистоактивнымсопротивлениемопережаетначетверть периода(π/2)токвцеписчистоемкостнымсопротивлениемиотстаёт по фазе на четвертьпериода (π/2) оттока в цепи с чисто индуктивным сопротивлением (графики выше).

Для параллельно соединённых сопротивлений одного вида (либо активные, либо емкостные, либо индуктивные) включённые в цепь переменного тока сумма токов в параллельных участках равна току

200

общей цепи (I = I1 + I2 + … +In). Напряжение на них (как и в случае по- стоянного тока) одно и то же равное напряжению в цепи.

Для параллельно соединённых со- противленийразноговида(активное — емкостное, активное — индуктивное, емкостное —индуктивное,активное — емкостное — индуктивное) включён- ных в цепь переменного тока сумма токов в параллельных участках больше тока общей цепи (I < IR + IC + IL).

Для мгновенных значений токов соблюдается правило равенства суммы токов в параллельных участках и тока в общей цепи (I = iR + iC

+ iL).

Для амплитуд или действующих значений синусоидальных токов это правило не соблюдается, так как на результат сложения синусоидальных токов в параллельных участках влияет разность фаз (φ) или сдвиг фаз между ними.

При φ = 0 амплитуды складываются. При φ = 1800 (π) (то есть, при параллельном соединении емкостного и индуктивного сопротивле- ний) амплитуды вычитаются, при равных амплитудах в этом случае алгебраическая сумма токов равна 0 (как и ток в общей цепи).

В общем случае сложение синусоидальных токов со сдвигом фаз даёт синусоидальный ток той же частоты с амплитудой равной про- межуточному значению между разностью и суммой их амплитуд.

Для последовательно соединённых сопротивлений одного вида (либо активные, либо емкостные, либо индуктивные) включённых в цепь переменного тока (как и в случае постоянного тока) сумма напряжений на участках сопротивлений равна напряжению всей цепи (U = U1 + U2 + … + Un). Токи на них равны току цепи.

Для последовательно соединённых сопротивлений разного вида (активное —емкостное,активное —индуктивное,емкостное —индук­ тивное, активное — емкостное — индуктивное), включённых в цепь переменного тока, напряжение всей цепи меньше суммы напряже­ ний на участках сопротивлений

(U < UR + UC + UL).

Причина заключается в на- личии сдвига фаз между напря- жениями на участках сопротив- лений.

Напряжение в цепи с чисто активным сопротивлением

опережает на четверть периода (π/2) напряжение в цепи с чисто емкостнымсопротивлениемиотстаётначетвертьпериода(π/2)отна-

201

пряжения в цепи с чисто индуктивным сопротивлением (аналогично токам).

Для мгновенных значений напряжений соблюдается првило ра- венства суммы напряжений на участках сопротивлений и напряже-

ния всей цепи (u = uR + uC + uL).

Для синусоидальных напряжений результатсложения (её амплиту- да и фаза) зависит от амплитуды и разности фаз слагаемых напряже- ний (как и в случае сложения синусоидальных токов).

Мощность постоянного тока направлена исключительно на совер-

шение работы или нагревание проводников и равна на любом участке цепи: P = I . U = I 2 . R.

Мощность переменного тока, в цепи которого есть, кроме активного сопротивления, заметные емкостное или индуктивное сопротивления,всегдаменьше,чемпроизведение(I . U),таккакмежду синусоидальными напряжением и током есть сдвиг фазы на угол φ.

Наличие в цепи заметного емкостного сопротивления (конденса- торной батареи) или индуктивности (сварочного трансформатора) вызывает сдвиг фазы между током в цепи и напряжением данного участка цепи на угол φ, который растёт при увеличении отношения емкостного или индуктивного сопротивления к активному сопротив-

лению (tg φ= Rемк/R = 1/(R . ωC) или tg φ= Rинд/R = ωL/R).

Поэтому мощность переменного тока равна P = I . U . cos φ, где ко- эффициентом мощности переменного тока называют cos φ, который меньше 1.

При R = 0, то есть при чисто емкостном или индуктивном сопро- тивлении угол φ= π/2 и cos φ= 0,а при чисто активном сопротивлении угол φ= 0 и тогда cos φ= 1.

Генератор обладает мощностью равной I . U называемой «кажу­ щейся»,котораямоглабыподанапотребителю,еслибыунегонагрузка былачистоактивная,тоестьнебылобыугласдвигафазымеждутоком и напряжением.На практике cos φвсегда < 1,поэтому проводят меро- приятия по повышению коэффициента мощности.

Наиболее эффективной является компенсация индуктивной на- грузки емкостной.

Например, в сети всегда есть много индуктивной нагрузки (элек- тродвигатели, сварочные аппараты, дуговые печи), для её компенса- ции на подстанциях или непосредственно у потребителя в сеть вклю- чают секции батарей конденсаторной установки и, таким образом, повышают качество электроснабжения или cos φдо 0,9 (больше недо- пустимо).

Широчайшее распространение получила трёхфазная система переменного тока, изобретенная и разработанная в конце 19 века русским электротехником М. О. Доливо–Добровольским, где три элек-

202

трические цепи (фазы) имеют синусоидальные токи одной амплиту- ды и частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1200.

Трёхфазная система электроснабжения имеет наиболее выгодные условия передачи электроэнергии по воздушным и кабельным ли- ниям и для преобразования её в другие виды энергии, в частности в энергию вращающегося магнитного поля (без механического вра- щения магнитов), что функционально необходимо для работы элек- тродвигателей.

Приприменениисистемытрёхфазноготокаотдельныетокоприём- ники (нагрузки) могутсоединяться «звездой» (трёхпроводная система с нулевым проводом или без него), либо «треугольником». Рисунки ниже.

При соединении нагрузок «треугольником» каждая нагрузка нахо- диться под междуфазным (илилинейным) напряжением,а при соеди- нении «звездой» — под напряжением в √3 раз меньше.

При переключении нагрузок со «звезды» на «треугольник» напря- жение и ток на каждой нагрузке повышается в √3 = 1, 73 раза.

Передача электроэнергии от мест её производства к потребителям осуществляется посредством электрических сетей, в состав которых входят преобразователи напряжения (трансформаторы), линии элек- тропередачи и распределительные устройства.

В схему передачи электроэнергии входят электрогенератор, повы- шающийтрансформатор,линииэлектропередачи(ЛЭПиКЛ —тоесть, соответственно воздушные линии электропередач и кабельные ли- нии),понижающийтрансформатор,адалее электроэнергия расходит- ся по потребителям.

203

Электросеть — это совокупность электроустановок предназначен- ных для передачи и распределения электроэнергии от электростан- ции до потребителя.

Передача электроэнергии связана с неизбежными потерями (поте- рями в проводах).

Для этого обычно уменьшаютток, повышая напряжение. Согласно расчётам передача электроэнергии в виде постоянного

тока высокого напряжения имеет ряд преимуществ, например при дальних передачах, перед переменным током. Но, пока нет достаточ- номощныхи экономичныхсредстви способоввыпрямленияи инвер- тирования постоянного тока.

Постоянный ток применяется локально при электролизе,на транс- порте с электрической тягой, в низковольтных цепях управления.

Например,на электровозах и электропоездах используется выпря- мительно — инверторный преобразователь на тиристорах.

Это устройство предназначено для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямление) и постоянного в переменный (ин- вертирование). Преобразователь работает попеременно как выпря- митель и как инвертор.Инверторы бывают ведомые либо сетью пере- менного тока, либо собственным генератором частоты и напряжения переменного тока.

Выпрямлениепеременноготокаконтактнойсетивпостоянныйток производится на электровозах и электропоездах при тяговом режиме работы, а инвертирование — в режиме рекуперативного торможения.

Электрические колебания,например тока и э. д. с.на клеммах ге- нератора, величины заряда на обкладках конденсатора, напряжения на сопротивлении не доступны для непосредственного наблюдения, как колебания маятника или камертона.

Но их можно преобразовать в колебания механические, как, на- пример, в электродинамическом громкоговорителе (динамике) или в осциллографе, который с помощью управляющих электродов нари- сует развёртку таких колебаний на экране с помощью электронного луча.

Колебания тока в цепи являются вынужденными и вызваны коле- баниями э. д. с.источникатока,они подобны вынужденным колебани- ям маятника под действием периодической внешней силы. Подобно механическим колебательным системам естьи электрические колеба- тельные системы, в которых могут существовать свободные (без дей- ствия внешней электродвижущей силы) электрические колебания.

Простейшей электрической колебательной системой является

электрический колебательный контур, состоящий из катушки са-

моиндукции L (соленоида) и присоединённого к ней параллельно конденсатора C. Рисунок и схема на стр. 205.

204

Цепь колебательного контура обладает некоторым активным со- противлением проводов R, которые являются средой трения (со- противления) для движения зарядов или средой демпфирования электрических колебаний. Активное сопротивление проводников R колебательного контура обращает часть электрической энергии коле- баний в теплоту, что приводит к затуханию свободных колебаний.

Нотолько незатухающие свободные колебания являются собствен- ными колебаниями контура.Чтобы получить их,требуется исключить активное сопротивление проводников, например, поставив контур и его проводники в условия сверхпроводимости. Тогда незатухаю- щие или собственные электрические колебания будут циркулировать в контуре бесконечно долго после первоначального толчка.

Чтобы вывести контур из равновесия и возникли свободные коле- бания, нужно зарядить конденсатор или индуцировать ток в катушке самоиндукции и предоставить контур самому себе.

Процесс образования колебаний описывается следующим обра- зом.

Зарядив конденсатор отпостороннего источникатока,контур пре- доставляется самому себе. Исходно на конденсаторе имеется макси- мальное напряжение, а ток в цепи равен нулю. Конденсатор начинает разряжаться на катушку самоиндукции,по виткам которого движутся заряды,в результате чего,возникаетмагнитное поле и электродвижу- щая сила самоиндукции, вызывающая в витках катушки индуциро- ванныйток.НаправлениеэтоготокапозаконуЛенцасоздаётпротиво- положно направленное магнитное поле, которое стремится погасить нарастание первичного магнитного поля, вызывающего индукцию. Поэтому магнитное поле и вызывающий его ток нарастают до макси- мального значения постепенно, аккумулируя,тем самым, определён- ный запас энергии магнитного поля.

Так как ток движет заряды с одной обкладки конденсатора на дру- гую, то и напряжение на нём постепенно падает, приводя к разряд- ке конденсатора. Поэтому увеличение напряжённости магнитного поля сопровождается убыванием напряжённости электрического поля, то есть, энергия электрического поля превращается в энергию

205

магнитного поля или что то же — обнуление электрической энергии сопровождается максимумом магнитной энергии, когда ток и напря- жённость магнитного поля в катушке максимальны. Фазы изменений тока и напряжения сдвинуты на четверть периода (π/2). Заряды, бла- годаря току, по инерции потекут в том же направлении на другую об- кладку конденсатора,заряжая его.Ток и магнитное поле будутслабеть так же постепенно по закону Ленца,благодаря электродвижущей силе самоиндукции, а конденсатор перезаряжаться, пока вся энергия маг- нитного поля катушки не обратится в электрическую энергию кон- денсатора. Полярность обкладок конденсатора поменяется на проти- воположную.Напряжение конденсатора вновь станет максимальным, а ток в цепи обратится в нуль. Затем ток в цепи потечёт в обратную сторону, вызывая обратный виток колебаний. В результате движения зарядов туда и обратно образуются гармонические синусоидальные электрические колебания, которые зависят от ёмкости C и индук- тивности L контура и описываются формулой В. Томсона (1853 г): T = 2π . √LC (T — в секундах, L — в генри, C — в фарадах).

Такие колебательные контуры называют томсоновскими или «LCконтурами».

Сравнивая формулу В. Томсона для электрического колебательно- го контура с формулой определяющей гармонические колебания пру- жинного маятника T = 2π . √m/s, видно их математическое сходство, из чего можно провести аналогию между физическими величинами, составляющими эти формулы, а это позволяет объяснять процессы электрических колебаний процессами механических колебаний.

Коэффициентиндукции катушки самоиндукции L выполняетту же функцию, что и масса m груза пружинного маятника, а величина об- ратнаяёмкости1/Ссоответствуеткоэффициентужёсткостипружиныs.

Увеличение L (как и массы упругой колебательной системы) при- водит к увеличению периода (и замедлению колебаний), а уменьше- ние ёмкости C (как и увеличение жёсткости пружины или уменьшение упругости системы) — к уменьшению периода (ускорению колебаний).

Подбирая соответствующие L и C можно получить любые периоды электрических колебаний в контуре.

Колебания в звуковом диапазоне (в диапазоне восприятия звука человеческим органом слуха) можно услышать в электродинамиче- ском громкоговорителе (динамике,телефоне),а колебания с частотой миллионы герц (Радиотехника) можно наблюдать на экране осцилло- графа.

Важным обстоятельством является то, что электрические колеба- ния описываются и могут представляться с помощью механических аналогий, используя для этого характерные качества механических колебаний. Это то, на что они похожи.

206

Например, индуктивность катушки самоиндукции олицетворяет массу груза маятника, ёмкость конденсатора — упругость пружины, величина заряда конденсатора подобна отклонению груза маятника от положения равновесия. Ток аналогичен скорости движения груза маятника, энергия электрического поля (электрическая энергия за- ряда конденсатора) подобна потенциальной энергия груза маятника, энергия магнитного поля катушки —кинетической энергиидвижения груза маятника.

Электродвижущая сила представляет собой внешнюю периодиче- скую силу.Её колебания,как и в механических колебательных процес- сах,могутсовпастьс собственной частотой контура итогда амплитуда электрических колебаний становиться максимальной, и происходит электрический резонанс. Ток и напряжения в контуре резко и зна- чительно возрастают.

В Электротехнике резонанс так же, как и в Машиностроении, про- являет своё разрушительное действие: плавятся провода от больших токов, нарушается изоляция из — за высоких резонансных напряже- ний.

Резонансом можно управлять, меняя параметры контура, что при- меняется в Радиотехнике. Каждая радиостанция работает на опреде- лённой частоте колебаний. Чтобы из множества колебаний в эфире выделить нужные колебания, достаточно, плавно меняя ёмкость кон- денсатора, настроить собственную частоту контура на частоту иско- мой радиостанции,то есть войти с ней в резонанс.

На практике (например, на радиостанциях, в радарах) нужны ав- токолебательные системы, которые в состоянии автоматически под- держиватьсобственныеколебанияотзатухания,могутавтоматически управлять поступлением энергии от источника тока, чтобы воспол- нять электрические потери колебательной энергии (подобно часам).

Классическим примером таких систем является ламповый генера- тор электрических колебаний Ван-дер-Поля (или его транзисторный аналог). Рисунок ниже.

207

Электронная лампа (или транзистор) практически безынерцион- ный выключатель потока электронов между батареей и контуром, чуткий посредник между источником тока и контуром, который

внужные для контура моменты автоматически открывается и про- пускает к нему ток, позволяющий компенсировать потери и возбуж- дать (генерировать) в контуре неограниченно долго собственные электрические колебания. Сетка лампы (или база транзистора) за- ряженная положительно пропускает ток, а отрицательно — нет. Для управления знаком заряда сетки используется обратная связь между контуром и сеткой лампы, например, с помощью электростатиче- ской индукции (емкостной связи) или электромагнитной индукции (индуктивной связи). Благодаря обратной связи электронная лампа воздействуетна колебания в контуре и испытываетобратное воздей- ствие этих колебаний на себе.В ламповом генераторе с индуктивной обратной связью катушка самоиндукции снабжена дополнительной

обмоткой L1 (Lсв) образующей с ней вторичную обмотку трансфор- матора (без сердечника). Обмотка L1 управляет напряжением на сет- ке и осуществляе обратную связь между колебаниями в контуре

ина сетке лампы.

Вкатушке самоиндукции L изменения магнитного потока воз-

буждают в обмотке L1 переменную э. д. с., совпадающую с частотой колебаний контура. На лампе это вызывает пульсации анодного тока

втакт с колебаниями контура. Ток, разветвляясь, проходит только че- рез обмотку катушки самоиндукции L (так как через конденсатор по- стоянныйток не проходит).Фаза колебаний анодноготокатакова,что пульсации анодного тока действуют на контур в требуемые моменты

иза каждый период колебаний заимствуется достаточная доля эле- трической энергии из источника тока покрывающая потери колеба- тельной энергии в контуре,что позволяетгенерироватьнеограничен- но долго собственные электрические колебания.

Явление резонанса может наблюдаться во втором таком же ко- лебательным контуре, который соединён с контуром LC генерато- ра индуктивной обратной связью и имеет переменный конденсатор (переменной может быть и индуктивность). Плавно меняя ёмкость конденсатора(илииндуктивность)вовторомконтуре,добиваютсясо- впадения собственных колебаний контура с колебаниями генератора, получая электрический (параметрический) резонанс (амплитуда ко- лебаний максимальна,ток и напряжения наибольшие).

Раскачивая качели, катающие поочерёдно приседают и поднима- ются и, тем самым, меняют центр тяжести такого маятника дважды за период. Этот способ возбуждения колебаний принципиально отли- чается рассмотренного выше и является несомненным техническим преимуществом.

208

То есть, колебательная система расскачивается с собственной ча- стотой, если менять с удвоенной частотой параметр, от которого за- висит период колебаний системы.

И, действительно, колебательную систему можно раскачать и без всякого толчка извне, лишь меняя с удвоенной частотой параметр (L или C), от которого зависит период колебания системы. То есть, меняя ёмкость или индуктивность с частотой вдвое превышающей собственную частоту колебаний системы,то в колебательном контуре возбуждаются электрические колебания. На таком способе возбужде- ния электрических колебаний основаны параметрические генерато- ры переменного тока (изобретение академиков Мандельштама и Па- палекси).

Схема первого параметрического ге- нератора переменного тока с перемен- ной ёмкостью —рисунок справа.Ёмкость периодически меняется путём вращения подвижной части конденсатора.

Параметрические генераторы с переменной индуктивностью и по- стоянной ёмкостью обладаюттехническим преимуществом,заключа- ющимся в удобстве возбуждения колебаний.

Электромагнитные колебания, волны, излучение

Передачу колебаний электрических и магнитных полей, создавае- мых электрическими токами, относят к электромагнитным волнам, которые не нуждаются в какой — либо упругой среде для распростра- нения. Скорость их распространения в «пустоте» космического про- странства огромна и постоянна, примерно около 300 тысяч км/сек (твёрдая, жидкая и газообразная среды влияют на распространение электромагнитных волн). Электромагнитные волны возникают как следствие связи между изменениями электрического и магнитного полей.Всякоеизменениенапряжённостиэлектрическоготокаводной точке пространства вызывает в соседних точках появление перемен- ного магнитного поля (предсказано Д. Максвеллом), изменение ко- торого в свою очередь порождает меняющееся электрическое поле (открыто М. Фарадеем как явление электромагнитной индукции). Электромагнитное явление бесценный подарок человечеству от При- роды,дающий ему невообразимые технические преимущества.

Условием интенсивных электромагнитных волн является высокая частота колебаний полей, а условием хорошего излучения — наличие разомкнутой (открытой) электрической цепи, расстояние между кон- цами которой близко или превышает длину волны λ (то есть, колеба- тельный LC — контур разрывается по слою изоляции между обклад-

209