Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
ваемый на частоту сигнала, который требуется усилить (рис. 13.7). Для резонансной частоты (точнее, для узкой полосы частот) контур представляет собой большое сопротивление, и резонансный усилитель действует таким же образом, как и обычный усилитель на сопротивлениях, причем роль анодного сопротивления играет колебательный, контур. Для частот, заметно отличающихся от резонансной, контур представляет собой практически короткое замыкание анодной цепи, и поэтому усиления сигнала не происходит.
Другим важным примером использования резонанса токов является индукционная печь, в которой нагревание металлов производится вихревыми токами. Параллельно нагревающей катушке присоединяют конденсатор и подбирают его емкость так, чтобы получить на частоте питающего генератора резонанс токов. Тогда через подводящие провода и генератор пойдет сравнительно небольшой ток, который может быть во много раз меньше тока в колебательном контуре, образованном конденсатором и нагревающей катушкой.
§ 14. Мощность переменного тока. Преобразование и передача электроэнергии. Трансформатор
Широкое использование переменного тока в народном хозяйстве связано с удобством его преобразования с помощью трансформаторов и исключительной простотой повсеместно применяемых асинхронных двигателей. Но почему из всех возможных форм периодических переменных токов наибольшее распространение получили переменные токи синусоидальной формы? Дело в том, что синусоидальные токи по сравнению со всеми другими токами позволяют наиболее просто и экономично осуществлять передачу, распределение, преобразование и использование электрической энергии. Только при помощи синусоидальных токов удается сохранить неизменными формы кривых напряжений и токов на всех участках линейной электрической цепи, т. е. цепи, содержащей резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, но не содержащей нелинейных элементов — диодов, транзисторов, электронных ламп и т. п. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим следующую простую линейную цепь, состоящую из конденсатора С и сопротивления R
292
ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
(рис. 14.1). Будем подавать на вход этой цепи переменное напряжение различной формы и смотреть, какую форму будет иметь выходное напряжение, равное напряжению на сопротивлении R. , Если подать на вход синусоидальное п ^ напряжение ?/вх (t)=U0cos at,
0_ j| . 0 то через последовательно соеди-
С Л ненные конденсатор С и сопро-
“вх U - а тивление R пойдет синусоидаль-
Т ный переменный ток, опережа-
0--------; 0 ющий по фазе приложенное ,на-
Рис. 14.1. ДС-цепочка. пряжение ?/вх на угол ф, как
это видно из векторной диаграммы на рис. 14.2,а. Напряжение на сопротивлении R будет также синусоидальным и в фазе с током. Таким образом, выходное напряжение UD!M(t), как и входное, будет синусоидальным, но сдвинутым относительно него по фазе на угол ф (рис. 14.2, б).
Посмотрим теперь, что будет на ЕыхоДе этой цепи, если на ее вход подавать напряжение в виде прямоугольных
Рис. 14.2. Векторная диаграмма для ЯС-цепочки (а) и графики вход" ного и выходного напряжений (б).
импульсов (рис; 14.3). Начало каждого прямоугольного импульса соответствует подключению к цепи источника постоянного напряжения на время, равное длительности импульса. При этом в цепи скачком возникает ток, который постепенно уменьшается по мере того, как конденсатор заряжается.' Время, в течение которого продолжается процесс заряда конденсатора, зависит от величины RC. Если это время меньше длительности подаваемого на вход прямоугольного импульса, то ток заряда прекратится раньше, чем закончится прямоугольный импульс. Именно, этот случай изображен на рис. 14.3. В момент прихода заднего фронта прямоугольного импульса подаваемое напряжение
§ 14. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ., ТРАНСФОРМАТОР 293
I
скачком обращается в нуль. Но этого можно добиться только путем короткого замыкания входных клемм схемы. Цепь, содержащая R и С, становится короткозамкнутой, и конденсатор С разряжается через сопротивление R. Направление тока разряда противоположно зарядному току, поэтому выходное напряжение на сопротивлении R имеет противоположную полярность (рис. 14.3). Таким образом, форма выходного напряжения оказывается совершенно иной, чем форма входного напряжения.
Итак, для сохранений формы передаваемого напряжения необходимо использовать именно синусоидальный переменный ток. Но для такого тока при наличии в цепи реактивных элементов между напряжением и током возникает сдвиг по фазе на некоторый угол ср. Это, как известно, приводит к появлению множителя cos ср в выражении для мощности Р, развиваемой переменным током на нагрузке:
. Р =у {У0/0 cos ср = {//cos ср, (14.1)
где U и / — действующие значения напряжения и тока, в V 2 раз меньшие амплитудных значений. Потребителю обычно подается напряжение определенной величины U, поэтому одна и та же мощность Р будет потребляться при разных значениях тока в цепи 1 в зависимости от величины сдвига фазы между током и напряжением. При малых значениях cos ф ток должен быть большим, что приводит к большим тепловым потерям в подводящих проводах линии передачи. Если г — сопротивление линии передачи, то рассеиваемая мощность тепловых потерь в линии Р± равна Рг. Выражая ток в цепи с помощью (14.1), для Рх получим
