Само слово «градус» в переводе с латыни значит «шаг, ступень». В градусах измеряют температуру, угол и вот теперь ещё и время. Название во всех случаях одно и то же — градус, — а единицы измерения совершенно разные. Это, конечно, очень неудобно, когда одним и тем же словом называют разные характеристики, понятия, предметы, с таким неудобством, к сожалению, встречаешься нередко. Для отсчёта доли периода градус, скорее всего, выбрали потому, что переменную э.д.с. можно получать, вращая проводник в магнитном поле, и на один полный оборот, то есть на 360 угловых градусов, как раз приходится полный период Т переменного тока (напряжения, э.д.с.).
Параметр «фаза» очень важен, а часто и необходим, например, в тех случаях, когда в цепи действуют несколько переменных э.д.с. Чтобы оценить результаты такого взаимодействия, нужно знать, как сдвинуты фазы этих э.д.с. Иногда фазу приходится учитывать ещё и потому, что в цепи не совпадают по времени, то есть сдвинуты по фазе, напряжение и ток. В цепях переменного тока и такое возможно.
ВК-154.Скин-эффект давно и широко используется в индустрии для поверхностной закалки некоторых изделий из стали или её сплавов. Есть детали, у которых очень важно иметь твёрдую износостойкую поверхность, и при этом их центральная часть должна оставаться не закалённой. Такая структура обеспечивает высокую прочность и долговечность при больших нагрузках. Поверхностная закалка позволяет получить нужную структуру валов, шестерён, элементов подшипников и многих других деталей.
Т-126. Активное сопротивление: ток и напряжение совпадают по фазе. Примером активного сопротивления может служить обычная электрическая лампочка. А вообще активным называют сопротивление, если оно уменьшает ток в цепи, препятствует движению зарядов и одновременно (это нужно отметить обязательно!) отбирает у них часть мощности.
Но разве бывает иначе? Разве может какой-либо элемент цепи препятствовать, мешать электрическому току и в то же время не отбирать у него энергию? Оказывается, может. Понятие активное сопротивление понадобилось именно потому, что есть элементы электрических цепей, которые оказывают сопротивление переменному току, но мощности при этом не отбирают. О таких элементах говорят, что у них реактивное сопротивление.
События на участке с активным сопротивлением беспрекословно подчиняются закону Ома в том виде, в каком он был установлен для постоянного тока. Поэтому и максимум тока наблюдается точно в тот же момент, что и максимум напряжения, то есть между током и напряжением нет никакого сдвига фаз.
Т-127. Под действием переменного напряжения через катушку индуктивности идёт переменный ток. Тот факт, что по катушке индуктивности пойдёт переменный ток, если подвести к ней переменное напряжение, не вызывает никаких сомнений — на катушку намотан металлический провод, а ток идёт по любому проводнику. В подтверждение мы можем показать, как через катушку идёт постоянный ток, например, от гальванического элемента. Однако то, что происходит в цепи катушки при переменном токе, определяется не только сопротивлением проводника, из которого эта катушка изготовлена. Потому что под действием переменного тока катушка будет создавать переменное магнитное поле, в ней будет наводиться э.д.с. самоиндукции и начнутся непростые процессы, в которых мы сможем разобраться чуть позже. А сейчас разберёмся в непростых процессах, которые происходят при подключении конденсатора к источнику переменного напряжения.
ВК-155.Электрическая энергия поставляется потребителям в виде трёхфазного напряжения. Его источник можно представить себе как генератор, где в магнитном поле вращаются три рамки, сдвинутые на угол 120 градусов. В результате генерируются три ЭДС, которые появляются со сдвигом во времени на 1/3 часть периода, то есть на 120 градусов. В целом три такие рамки дают в три раза большую мощность, чем одна, но для их вращения, естественно, нужна в три раза большая мощность двигателя.
Т-128. Под действием переменного напряжения в цепи конденсатора идёт переменный ток. Постоянный ток через конденсатор не проходит — в диэлектрике практически нет свободных зарядов, которые могли бы создавать ток, включение конденсатора в цепь постоянного тока равносильно разрыву этой цепи. Однако в момент, когда конденсатор заряжается или разряжается, ток в цепи идёт — заряды идут к обкладкам или уходят с них. И такое движение зарядов будет происходить в цепи не только при включении-выключении, но и при любом изменении напряжения на конденсаторе. Увеличится напряжение — пойдут на обкладки дополнительные заряды и на какое-то мгновение появится зарядный ток в цепи. Уменьшится напряжение — и часть зарядов уйдёт с обкладок, появится кратковременный разрядный ток, то есть ток обратного направления.
Нетрудно представить себе, что произойдёт, если подвести к конденсатору переменное напряжение. Поскольку напряжение непрерывно меняется, то конденсатор будет непрерывно заряжаться и разряжаться, а значит, в цепи конденсатора будет непрерывно идти ток. Через диэлектрик заряды, как всегда, не проходят, они лишь двигаются к обкладкам конденсатора (напряжение на конденсаторе растёт, конденсатор заряжается) или с обкладок (напряжение на конденсаторе падает, конденсатор разряжается). Это движение зарядов как раз и есть переменный ток в цепи конденсатора.
На рисунке Р-61 показан график такого переменного тока, видно, что он сдвинут по фазе относительно напряжения на конденсаторе, но при этом график тока имеет ту же форму (у графика такого вида есть собственное имя — «синусоидальный»), что и график самого напряжения. То, что всё получается именно так, требует некоторых пояснений.
ВК-156.Если вращать магнит по кругу, то он, притягивая другой магнит, заставит и его вращаться вместе с собой. Об этом можно сказать и иными словами, более близкими к тому, что нам покажет следующий рисунок: вращаясь по кругу, магнит создаст вращающееся магнитное поле, которое заставит вращаться находящиеся в нём намагниченные предметы.
Т-129. Замечательная математическая кривая синусоида была получена древними математиками, как результат несложных геометрических построений. В мире происходит бессчётное множество естественных и искусственных процессов, в которых одни какие-нибудь величины зависят от других каких-нибудь величин. Температура звезды зависит от плотности её вещества, вес зайца — от количества съеденной им травы, скорость автомобиля — от количества сжигаемого бензина, ток в цепи — от э.д.с. генератора и так далее. Зависимости эти бывают самые разные, в том числе описываемые очень простыми уравнениями и чрезвычайно сложными, которые, в свою очередь, могут быть представлены простыми или сложными графиками (Р-60).
Среди возможных зависимостей одной величины от другой особое место занимает та, которую мы называем «синусоидальная зависимость». Она была открыта очень давно при исследовании некоторых геометрических построений, но потом оказалось, что такая же синусоидальная зависимость наблюдается у самых различных природных явлений.
ВК-157.Равномерно расставим вдоль окружности три электромагнита и к каждому из них от системы трёхфазного тока подведём одно фазовое напряжение — они следуют друг за другом, и 50 раз в секунду их магнитное поле будет проходить полный круг. Это вращающееся магнитное поле могло бы крутить магнит в центре круга, но в реальном двигателе вместо магнита работает электромагнит, ток в котором наводят (а значит, и магнитное поле создают) сами три электромагнита, расположенных в статоре по кругу.
Думая о происхождении синусоиды, можно мобилизовать фантазию и представить себе, как неизвестный древний математик, отдыхая от своих размышлений о мирах где-то на берегу моря, нарисовал на песке круг, провёл через центр две перпендикулярные оси и, наконец, изобразил главную работающую деталь рисунка — радиус R своего круга.
Всё это была лишь подготовка к главному действию, которое, возможно, производилось из чистого любопытства. Действие состояло в том, что математик менял на рисунке положение радиуса R, как бы вращал его, и при этом выполнял два измерения — сначала измерял угол а между самим радиусом R и горизонтальной осью, а затем измерял длину линии М, которую он назвал линией синуса, — это был перпендикуляр, опущенный на горизонтальную ось из точки, где радиус R упирается в круг. Название «линия синуса» появилось, видимо, потому, что в переводе с латыни «синус» означает «дуга», а линия М находится рядом с дугой, на которую как бы смотрит угол а, с которого начинаются все измерения.
Итак, неизвестный нам древний математик вращает радиус на своей нехитрой геометрической конструкции, измеряет угол α (то есть угол наклона радиуса R) и записывает его в таблицу. Затем он сразу же измеряет соответствующую этому углу α длину линии М, то есть длину линии синуса, и результат тоже вносит в таблицу. В таблицу, правда, для удобства вносится не сама длина линии М, в таблицу вносится её отношение к радиусу, то есть M/R — число, которое показывает, какую часть радиуса R составляет М. Для угла 90 градусов, например, это соотношение равно единице, поскольку М полностью совпадает с радиусом R, они равны, то есть М = R и, значит, M/R = 1. Коротко это записывают так: sin 90° = 1. Для угла 45° отношение М/R примерно равно 0,7, для угла 30° отношение M/R = 0,5, то есть sin 45° = 0,7 и sin 30° = 0,5.
Наш математик нашёл значение М/R для всех углов α — от 0 до 360 градусов — и все результаты свёл в таблицу, которая успешно добралась до нынешних справочников и по которой всегда можно найти значение sin а для нужного угла α.
Попробуем подвести итоги своего путешествия в далёкое прошлое. Если где-нибудь встречаются две величины, связанные обозначением