Заряд, накопленный в конденсаторе:

Q=CU=IT, (42)

где Q — заряд, Кл; С — емкость конденсатора, Ф; U — напряжение,

В; I — зарядный ток, А; T — время заряда, с.

Энергия, запасенная в конденсаторе:

(43)

Величина индуктивности равна:

(44)

где m0= 1,25 • 10~6, Гн/м — магнитная проницаемость

вакуума; m — относительная магнитная проницаемость сердечника; S —

площадь сердечника, м2; l — длина магнитной силовой линии, м;

w — число витков провода на сердечнике.

При последовательном соединении индуктивностей:

L=L1+L2. (45)

При параллельном соединении:

(46)

Э.д.с самоиндукции:

(47)

Энергия, запасенная в индуктивности:

(48)

Постоянный ток используется в промышленности для силовых транспортных

электродвигателей (электропоезда, трамвай, троллейбус, электрокары) в связи с

возможностью широкого регулирования скорости вращения и изменения момента на

валу ротора двигателя, а электролитических технологиях (производство

алюминия, меди, нанесение покрытий).

16. Основные закономерности цепей переменного тока.

Техническое использование переменного тока

Переменный ток — это ток, сила и направление которого изменяются во

времени. Переменный ток получают, используя явление электромагнитной индукции,

при котором в проводнике, пересекающем магнитное поле, возникает

электродвижущая сила. Э.д.с, переменного тока определяется выражением:

E=Em sin(wt+j), (49)

гае Em, — максимальное или амплитудное значение э.д.с., w = 2pf —

круго­вая частота, f == 1/T — частота изменения направления тока в секунду,

Т — период колебания, j — фаза относительно некоторого начального момента

времени.

Различают мгновенное и действующее значения напряжения и тока,

имеющие соотношение:

(50)

Мощность в цели переменного тока равна

, (51)

где Em, и 1m — амплитудные значения

напряжения и тока в электрической цепи, j — сдвиг фазы между ними.

Любой проводник электрической цепи обладает тремя видами сопротивления:

— активным — R = U/I; реактивным индуктивным — ХL, =

wL; и реактивным емкостным Хс = 1/wС.

В активном сопротивлении ток и напряжение совпадают по фазе, в индуктивном ток

отстает по фазе на 90о, в емкостном — опережает по фазе на 90о

. Поэтому общее сопротивление цепи, в которой имеются сопротивление (резистор),

индуктивность и емкость, будет определяться выражением:

(52)

При равенстве wД= 1/wС в цепи наступает резонанс.

В связи с удобством преобразования из высокого напряжения, необходимого для

передачи электроэнергии на большие расстояния, а низкое, необходимое для

непосредственного использования в быту и в технике, переменный ток нашел

широкое применение в промышленности и в быту. В промышленности переменный ток

используется для литания электромоторов, в основном. асинхронного типа, в

быту — для питания электронагревательных приборов, освещения, холодильников,

бытовых электромоторов и т. п.

17. Выделение информации на фоне помех. Явление

резонансных явлений в электро- и радиотехнике

Всякая информация должна быть выражена каким-нибудь физическим сигналом.

Однако всякий полезный сигнал сопровождается другими сигналами,

представляющими собой для полезного сигнала помеху. Поэтому возникает

проблема выделения полезного сигнала на фоне помех. Примером является вся

радиотехника, поскольку в эфире одновременно присутствует множество

электромагнитных волн, но нужную информацию несет лишь одна из них, все

остальные по отношению к ней являются помехами.

Существует несколько способов выделения полезного сигнала на фоне помех.

Одним из них является использование резонанса.

Явление резонанса характерно для так называемых колебательных контуров, в

которых энергия способна преобразовываться из одного вида в другой — из

потенциальной энергии в кинетическую и обратно. В электрических колебательных

контурах энергия преобразуется из потенциальной энергии электростатического

поля конденсатора в кинетическую энергию электрического тока в индуктивности.

Колебательный контур состоит из последовательно включенных емкости С и

индуктивности L, но кроме того в цепи всегда присутствует активное

сопротивление R, поскольку индуктивность изготавливается в виде катушки

провода, а провод всегда обладает активным сопротивлением.

По отношению к внешним цепям колебательный контур может быть

последовательным, если он включен последовательно с источником переменного

напряжения, или параллельным, если включен параллельно.

Резонансная частота контура определяется выражением:

(53)

При совпадении частоты возбуждающего напряжения сопротивление последовательного

контура уменьшается до значения его активного сопротивления, а для

параллельного — возрастает, при этом в последовательном контуре напряжение на

реактивных элементах — конденсаторе и индуктивности резко возрастает в Q раз,

где Q — добротность контура, равная отношению реактивного сопротивления

к активному в момент резонанса:

(54)

Для параллельного контура во столько же рве возрастает его сопротивление для

внешнего возбуждающего источника.

Резонансные цепи широко используются в радиотехнике для выделения из общего

состава электромагнитных волн нужной частоты. Меняя величины емкости и

индуктивности, можно колебательный контур настроить на любую частоту и тем

самым выделить именно ее, отсеяв все остальные, поскольку энергия только этой

частоты будет накапливаться в колебательном контуре и усиливаться, остальные

частоты будут этим контуром подавляться.

18. Электромагнетизм как физическое явление.

Принцип действия электродвигателей

Воздействие электрического тока на магнитную стрелку было открыто X. Эрстедом

в 1820 году. Это явление было детально исследовано А. Ампером, который в 1826

г. издал специальный труд “Теория электродинамических явлений, выведенных

исключительно из опыта”. В нем Ампер изложил первую теорию магнетизма,

основанную на гипотезе молекулярных токов. Ампером было детально исследовано

взаимодействие токонесущих проводников и выведен закон, носящий его имя.

При прохождении тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле.

Напряженность магнитного паля, возникающего вокруг прямолинейного провела,

определяется из Закона полного тока:

(55)

откуда

(56)

гае Н — напряженность магнитного поля, А/м; I — ток. А; R —

расстояние от измеряемой точки до центра проводника, м.

Если проводников несколько, то напряженность магнитного поля увеличивается

пропорционально произведению тока на число проводов.

Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, называют

силой Ампера. Элементарная сила Ампера dF, действующая на малый

элемент dl длины проводника, по которому идет электрический ток I,

равна (закон Ампера):

(57)

Если по двум параллельным проводникам текут токи I1 и I

2, то сила, действующая на элемент длины dl первого проводника со

стороны второго проводника, будет равна:

(58)

где R — расстояние между проводниками.

В электродвигателях проводники помещаются на якорь (ротор) — вращающуюся

часть машины, через коллектор к ним подводится ток, а на статоре устраивается

обмотка, создающая магнитное поле. В результате взаимодействия магнитных

полей статора и ротора (якоря) силы, действующие на проводники якоря,

приводят его во вращение.

19. Взаимодействие электромагнитного поля

Принцип действия электрогенераторов

На электрический заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца,

равная

(59)

где q - величина заряда, Кл; u — скорость заряда, м/с; В

— магнитная индукция поля, Г. Эта сила направлена перпендикулярно векторам u

и В.

Если проводящий контур движется а стационарном магнитном поле, то в нем

наводится э.д.с. индукции, поскольку на каждый свободный заряд — носитель тока

в проводнике, перемещающийся вместе с проводником в магнитном поле, действует

сила Лоренца, поэтому на отрезке длиной l, движущемся в поле с магнитной

индукцией В со скоростью u возникает э.л.с., равная

E=-B l u, B (60)

На этом основаны электромеханические электрогенераторы, в которых на статоре

размещена обмотка, через которую пропускается постоянный ток, в результате

чего в зазоре между статором и ротором (якорем) создается сильное магнитное

поле. На поверхности ротора уложена вторая обмотка, в которой при вращении

ротора и пересечении в результате этого силовых линий магнитной индукции

создается электродвижущая сила.

Сила Лоренца используется в кольцевых ускорителях заряженных частиц для

многократного прогона их (в процессе разгона) по одному и тому же пути.

Оказываемся радиус обращения заряженной частицы в поперечном магнитном поле

не зависит от скорости частицы.

20. Магнитное поле как носитель энергии.