. С постоянным током было просто: чтобы представить себе ток в цепи, достаточно было знать одну цифру. А вот что делать, если потребуется указать величину переменного тока? Какую цифру называть? Ток ведь переменный, величина его непрерывно меняется, в какой-то момент по проводнику идёт очень много свободных зарядов, в другой момент очень мало, в третий ни одного.
Можно указать силу тока и отметить, что она наблюдалась именно в такой-то момент. Например, так: «29 мая 1987 года в 18 часов 37 минут 26,57854 секунды ток в цепи был равен 5 ампер». Это будет мгновенное значение тока, ток в данный момент, в данное мгновение. Характеристика не очень удобная — нельзя же каждую микросекунду замерять ток, чтобы составить его подробное жизнеописание (Т-8).
Можно назвать наибольшее значение тока (э.д.с., напряжения), тот максимум, которого он достигает дважды за период. Кстати, наибольший ток (э.д.с., напряжение) во время положительного и отрицательного полупериода называют положительной и отрицательной амплитудой тока. Это уже вполне приемлемая характеристика, по крайней мере, не меняющаяся каждое мгновение, жаль только, рассказывает она о довольно редких событиях: амплитудный ток появляется на неуловимо короткое мгновение всего два раза за период. А всё остальное время переменный ток (э.д.с., напряжение) меньше амплитуды, так что на неё никак нельзя рассчитывать, думая, например, о работоспособности генератора.
ВК-150.На большом заводе тысячи двигателей и трансформаторов, каждый со своими катушками. При этом потери в Rвнт из-за индуктивной составляющей общего тока (ВК-149) могут быть значительными. Коэффициент мощности (косинус фи) cos φ помогает как-то оценить эти потери и снизить их. Если, например, cos φ = 0,7, то, значит, общие потери довольно велики. А если cos φ увеличился до 0,9, то, значит, оборудование используется лучше, и при этом общие потери намного меньше.
Р-58. ПЕРВЫЕ СТРОКИ АНКЕТЫ. Основные характеристики переменного тока — это его период Т и частота f. Период Т в традиционных единицах времени, например в секундах, говорит о том, сколько длится один полный цикл переменного тока, то есть указывает время, в течение которого переменный ток один раз проходит все свои возможные значения. Частота f говорит о том, сколько периодов приходится на время в одну секунду. Совершенно ясно, что чем больше частота, тем больше периодов успевает пройти за секунду, тем меньше времени приходится на один период.
Т-124. Для того чтобы оценить работоспособность переменного тока в среднем за длительное время, для него придумана характеристика «эффективное значение». Есть довольно простой способ судить о том, что может сделать переменный ток не в какой-то «данный момент», не в моменты своего регулярно повторяющегося рекорда (амплитуда), а в среднем за длительное время. Для этого удобно сравнить действие данного переменного тока с действием постоянного тока. Пропустим, например, через лампочку переменный ток и через такую же точно лампочку пропустим постоянный ток. Подберём величину этого постоянного тока так, чтобы обе лампочки светились одинаково, это означает, что оба тока — постоянный и переменный — производят одинаковую работу. Величину постоянного тока, который по своей работоспособности эквивалентен какому-то определённому переменному току, называют эффективным значением этого переменного тока. Точно так же эффективное значение переменного напряжения (э.д.с.) — это некое постоянное напряжение (э.д.с.) с такой же работоспособностью, эквивалент данного переменного тока, как говорится, по деловым качествам.
ВК-151.Генератор тока» и «генератор напряжения» — это два генератора со своими особенностями схемы. У первого внутреннее сопротивление намного меньше, чем у предполагаемой нагрузки, у второго намного больше. Поэтому к генератору напряжения можно подключать разную нагрузку и получать одинаковое напряжение. Аналогично генератор тока при нагрузке с разным сопротивлением создаст одинаковый ток.
При прочих равных условиях эффективный ток (э.д.с., напряжение) тем больше, чем больше амплитуда переменного. А иначе и быть не может — атлет, который на соревнованиях поднял штангу в 200 килограммов, за день наверняка сумеет перенести больше грузов, чем малыш, личный рекорд которого — табуретка. Для переменной э.д.с. (напряжения, тока), которая наводится во вращающейся рамке, существует такое соотношение: эффективное значение составляет примерно 0,7 (то есть 70 %) от амплитуды, а амплитуда, соответственно, в 1,4 раза (на 40 %) больше эффективного значения (Р-59). Эти же соотношения действительны и для обычного сетевого напряжения, которое, в частности, поступает в наши дома. Так, например, в сети с переменным напряжением 127 В (для напряжения сети, так же как для всех электроприборов, всегда указывают именно эффективное напряжение) амплитуда составляет 127 В 1,4 = 180 В, а в сети 220 В амплитуда напряжения 220 В -1,4 = 308 В.
Ещё раз отметим: для всех электрических приборов и аппаратов — от утюга до мощного электродвигателя — в инструкциях, техническом паспорте, на корпусе самого прибора указывают именно эффективное напряжение, которое нужно для нормальной работы. Так, если на лампочке или возле сетевого разъёма электробритвы написано 220 В, то имеется в виду именно эффективное напряжение. Однако и про амплитуду иногда вспоминать необходимо — как-никак она почти в полтора раза больше эффективного напряжения или эффективного тока. И когда, например, вы хотите включить в цепь переменного тока конденсатор, то нужно следить, чтобы амплитуда напряжения на этом конденсаторе не превысила допустимое для него рабочее напряжение. Точно так же именно амплитуду напряжения нужно иметь в виду, сверяясь с правилами электрической безопасности (Т-10).
ВК-152.В районе температуры жидкого гелия (около 4 градусов Кельвина, или минус 269 градусов Цельсия) некоторые металлы и сплавы полностью теряют своё электрическое сопротивление, становятся сверхпроводниками. Подобное охлаждение пока настолько дорого, что сверхпроводники используют лишь в исключительных случаях, например в больших ускорителях. При этом проводят предварительное охлаждение до минус 77 градусов Цельсия в значительно более дешёвом жидком азоте.
И последнее, в порядке повторения пройденного, — с этого мы начали разговор о соотношении амплитуды переменного тока (э.д.с., напряжения) и его эффективного значения. Мы установили, что эффективное значение переменного тока (э.д.с., напряжения) на 30 % меньше его амплитуды, то есть Iэф = 0,7∙IАМП. Соответственно, амплитуду переменного тока (э.д.с., напряжения) всегда легко подсчитать, так как она (амплитуда) примерно на 40 % больше эффективного тока, то есть IАМП = 1,4∙Iэф. Так вот, эти коэффициенты 0,7 и 1,4 действительны только для тока (э.д.с., напряжения), который меняется по хорошо известному математикам графику с названием «синусоида». Для всех токов (э.д.с., напряжений), которые меняются по-иному (Р-60), эти коэффициенты могут быть совершенно другими. Об этом, как уже было обещано, вскоре будет рассказано более подробно.
Т-125. Фазу и сдвиг фаз надо бы указывать, называя точное время, причём его принято указывать не в секундах, а в градусах. В серьёзной литературе и в популярной, в некоторых заводских документах, да и просто в разговоре профессионалов нередко встречаются термины «фаза» и «сдвиг фаз». Рядовые пользователи электрической техники, как правило, не очень чётко представляют, о чём конкретно говорят эти слова, хотя, если разобраться, ничего такого сложного нет в понятиях «фаза» и «сдвиг фаз». Можно сказать, что фаза — это такой параметр переменного тока, который указывает, в какой именно момент времени этот переменный ток (э.д.с., напряжение) имеет то или иное мгновенное значение. Поэтому, указывая фазу, мы должны были бы, например, говорить так: «У мгновенного значения тока 5 А фаза была такая — 18 часов 37 минут 26,57854 секунды 19 декабря 1997 года» или «У этой положительной амплитуды фаза была 3 часа 17 минут 6,35532 секунды 19 декабря 2002 года».
ВК-153. При увеличении частоты переменного тока растёт сопротивление проводника, по которому идёт ток. Это явление названо «поверхностный эффект», или «скин-эффект», связано оно с магнитными полями, оттесняющими ток к поверхности провода. В радиотехнике, чтобы ослабить этот неприятный эффект, поверхность провода покрывают серебром. Или используют многожильный провод литцендрат, имеющий значительно большую, чем у одножильного провода, поверхность при том же общем диаметре.
Конечно, вести отсчёт от начала нашей эры и определять фазу по секундомеру не очень-то удобно. И главное, не нужно. Как правило, вполне достаточно вести отсчёт фазы от какого-либо условного момента времени, скажем, от начала периода, например от того момента, когда переменный ток проходит через ноль и начинает новый цикл своих изменений. И отсчитывать фазу удобно не в секундах, а в долях периода. Тогда фазу можно было бы, например, указывать так: «У мгновенного значения тока 5 А фаза — 5 % всего периода, если отсчитывать от его начала». Или так: «Из графика легко заметить, что фаза положительной амплитуды тока составляет 25 % периода, или, иначе, 1/4 периода, фаза отрицательной амплитуды — 75 % периода, или 3/4 периода, а фазы нулевых значений тока составляют 0, 50 и 100 % от длительности целого периода».
Фазу принято отмерять именно так, но только не в процентах (1/100 часть периода), а в более мелких единицах — в градусах, которых кое-кто почему-то очень боится. Принято, что градус составляет 1/360 часть периода, и целый период таким образом — это 360 градусов, половина периода (полупериод) — 180 градусов и четверть периода — 90 градусов. И что тут страшного? Чего бояться?