Змінний струм

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Координати: абсциса - час, ордината - вольтаж.

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

Індуктивність- елемент кола який враховує енергію магнітного поля. При зміні струму в індуктивності виникає ЕРС самоіндукції.Щоб через індукнтивність проходив змінний струм до її виводу треба підкласти напругу індуктивності.


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

Фізика змінного струму[ред.ред. код]

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 замість опорів використовуються комплексні опори — імпеданси, а всі розрахунки проводяться з використанням комплексних чисел.

Потужність[ред.ред. код]

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

Виробництво і передача змінного струму[ред.ред. код]

Генератор змінного струму[ред.ред. код]

Генератором змінного струму є система з нерухомого статора (складається із сталевого осердя та обмотки) і ротора (електромагніт із сталевим осердям), який обертається всередині нього. Через два контактних кільця, до яких притиснуті ковзні контакти щітки, проводиться електричний струм. Електромагніт створює магнітне поле, яке обертається з кутовою швидкістю обертання ротора та збуджує в обмотці статора ЕРС індукції. Щоб ротор обертався і створював магнітне поле, яке викликає у статорі ЕРС індукції, йому необхідно надавати енергію. Ротор обертається у електростанціях за допомогою парових (ТЕС та АЕС) або гідротурбін (ГЕС).

Трансформатор[ред.ред. код]

Докладніше: Трансформатор

Для того, щоб знизити напругу, потрібну для споживачів на виході електрогенераторів (220 В), та підвищити напругу, необхідну для передачі її по ЛЕП (400-500 кВ), потрібен трансформатор. Він складається з первинної та вторинної котушок і замкненого осердя. При подачі напруги на первинну котушку виникає змінний струм. У осерді він перетворюється на магнітний потік, який потім проходить через обидві котушки і викликає їхню ЕРС (електрорушійну силу, яка утворюється внаслідок впливу на котушки магнітного поля).

Розподіл змінного електричного струму[ред.ред. код]

В електричних мережах в Україні використовується змінний струм із частотою 50 Гц і напругою 220 В або 380 В. У ряді країн використовується частота 60 Гц.

Історія[ред.ред. код]

Рання згадка практичного застосування змінного струму зустрічається у Гійома Дюшена, винахідника та розробника електротерапії. У 1855 році він оголосив, що змінний струм краще від постійного струму викликає електротерапевтичний запуск м'язових скорочень.

Силовий трансформатор розроблений Люсьєном Голардом і Джоном Діксоном Гіббсом був продемонстрований у Лондоні в 1881 році і привернув інтерес компанії Westinghouse. Вони також виставляли свій винахід в Турині в 1884 році, де він знайшов застосування в електричній системі освітлення. Багато з конструкцій винахідників були адаптовані для конкретних систем розподілу електроенергії у Великій Британії.

У 1882, 1884, і 1885 Голар і Гіббс подали документи для отримання патентів на свій трансформатор, однак патенту не отримали через попереднє використання трансформаторів Нікола Тесла та через юридичні дії, ініційовані Себастьяном Зіані де Ферранті. Ферранті увійшов в цей бізнес в 1882 році, відкривши у Лондоні цех розробки різних електричних пристроїв. Ферранті повірив в успіх змінного струму в системі електророзподілу ще на ранній стадії, і був одним з небагатьох фахівців у цій галузі досліджень у Великій Британії. У 1887 році Лондонська корпорація електропостачання (Лесько) замовила у Ферранті проектування електростанції на Дептфорді. Він проектував будову електростанції та системи розподілу в ній. Після завершення цього проекту в 1891 році електростанція стала першою справжньому сучасною електростанцією, що постачала змінний струм для високовольтної мережі, яка розподіляла електроенергію для споживачів на кожній вулиці. Ця базова система, як і раніше, використовуються в наші дні по всьому світу. У багатьох будинках у всьому світі досі працюють електролічильники, на яких зазначено патент Ферранті AC.

Вільям Стенлі-молодший розробив один з перших практичних ефективних пристроїв для передачі змінного струму між ізольованими електричними колами. Використання пари котушок намотаних на загальне залізне осердя, його конструкція, звана індукційна котушка, був одним з перших трансформаторів. Системи змінного струму, що використовуються сьогодні, почали швидко розвиватися після 1886 року. Вони включають у себе ключові концепції, запропоновані Нікола Тесла, який згодом продав свій патент Джорджу Вестінгаузу. Визначними людьми в цій галузі були Люсьєн Голар, Джон Діксон Гіббс, Карл Вільгельм Сіменс та інші. Системи змінного струму подолали обмеження систем постійного струму, що розроблялися Томасом Едісоном. Вони дозволили ефективно передавати електрику на великі відстані, хоча під час та званої війни струмів Едісон намагався дискредитувати ідею використання змінного струму, як занадто небезпечну.

Одними з перших гідроелектростанцій, що працювали на змінному струмі, були Еймська ГЕС (весна 1891) і перша електростанція Адамса на Ніагарському водоспаді(25 серпня, 1895).

Гідроелектростанція Яруга в Хорватії була запущена в експлуатацію 28 серпня 1895. Два її генератори (42 Гц, 550 кВт кожен) і трансформатори були виготовлені і встановлені угорською компанією Ганз. Лінія електропередачі від ГЕС до міста Шибеник мала довжину 11,5 км. Вона була змонтована на дерев'яних вежах і муніципальних розподільних мережах та використовувала шість трансформаторних підстанцій з перетворенням напруги 3000 В/110 В.

Теорія електричних кіл змінного струму швидко розвивалася в другій половині 19-го і на початку 20 століття. Помітний внесок у теоретичну основу змінного струму зробили Чарльз Стейнмец, Джеймс Клерк Максвелл, Олівер Хевісайд та багато інших. Розрахунки незбалансованих трифазних систем були спрощені завдяки використанню методу симетричних складових, розробленого Чарльзом Фортеск'ю в 1918 році.

Дивіться також[ред.ред. код]

Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.