ВК-159.В мощном электрогенераторе основные обмотки (в них создаётся выходная мощность) размещены в статоре, а в роторе находится электромагнит — в таком варианте через скользящие контакты легче передавать необходимую мощность. В статоре трёхфазного генератора три обмотки, сдвинутые на угол 120 градусов. Электромагнит, вращаясь, поочерёдно проходит мимо каждой из них и поочерёдно наводит в них три переменные э.д.с., сдвинутые по фазе (по времени) на 120 градусов, то есть на 1/3 периода.
Р-59. ВО МНОГИХ СЛУЧАЯХ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК РАБОТАЕТ ТАК ЖЕ ХОРОШО, КАК И ПОСТОЯННЫЙ. Если подключить лампочку к источнику постоянного тока, а рядом такую же лампочку подключить к источнику переменного тока с указанным на лампочке напряжением, то обе лампочки будут светиться одинаково ярко. Это говорит о том, что в каких-то случаях переменный ток работает так же хорошо, как и постоянный. И действительно, количество выделяемого тепла не зависит от направления тока. Электроны, бегущие туда-обратно и создающие переменный ток, будут сталкиваться с неподвижными атомами точно так же, как электроны постоянного тока, движущиеся в одну сторону. Дело в другом — только что мы незаметно проскочили мимо серьёзной проблемы, связанной с напряжением в цепи переменного тока. О каком напряжении может идти речь, если оно переменное? Взять какое-либо мгновенное напряжение нельзя — через мгновение оно изменится. Взять амплитуду тоже нечестно — она появляется всего два раза за весь период. Для оценки работоспособности переменного тока вводится величина его эффективного напряжения, сокращенно Uэф. Это такое постоянное напряжение, которое работает так же хорошо, как и переменное напряжение, о котором идёт речь. Для синусоидального переменного тока Uэф составляет примерно 70 % от амплитуды переменного напряжения (тока, э.д.с.). На всех электроприборах, в любых проспектах, инструкциях и другой документации для них указано именно эффективное напряжение, при котором эти приборы нормально работают.
Тот факт, что конденсатор влияет на величину переменного тока в цепи, уже чем-то напоминает известный нам закон Ома, где ток зависит от сопротивления цепи R. Поэтому конденсатор, который, как известно, постоянного тока не пропускает, в цепи переменного тока считается особым ёмкостным сопротивлением, которое обозначают Хс. Зависит ёмкостное сопротивление Хс от ёмкости конденсатора С и от частоты/переменного тока (э.д.с., напряжения), и всё это объясняется очень просто. Ёмкостное сопротивление Хс зависит от ёмкости С потому, что с её увеличением конденсатор при одном и том же напряжении может принять на свои обкладки больше зарядов, и поэтому больше будут зарядный и разрядный токи. А раз ток растёт, то, значит, согласно закону Ома сопротивление, в данном случае ёмкостное сопротивление Хс, стало меньше. Отсюда вывод: ёмкостное сопротивление Хс обратно пропорционально ёмкости С — чем больше С, тем меньше Хс.
Величина тока, как мы только что установили, зависит ещё и от того, с какой скоростью меняется напряжение. Чем больше эта скорость, тем больше зарядов за одну секунду приходит на обкладки конденсатора и уходит с них, тем, следовательно, больше ток. А чем больше ток, тем, следовательно, меньше сопротивление. Отсюда зависимость ёмкостного сопротивления Хс от частоты f — чем больше частота f тем быстрее меняется переменное напряжение, если, например, частота повысится в 10 раз, то напряжение будет всякий раз доходить до своей амплитуды в 10 раз быстрее. Поэтому чем выше частота f переменного напряжения, чем быстрее оно меняется, тем больше ток в цепи конденсатора, а значит, меньше ёмкостное сопротивление Хс.
Чтобы удобнее было учитывать влияние ёмкости С и частоты f на ток, их как раз и сводят в гибридную величину по имени ёмкостное сопротивление Хс. Оно позволяет получить стандартные формулы закона Ома для цепи переменного тока с конденсатором, такие же простые и удобные, как для цепи с резисторами.
Есть, однако, одно принципиальное различие между активным сопротивлением R и ёмкостным сопротивлением Хс: ёмкостное сопротивление хоть и влияет на ток в цепи, но никакой мощности от генератора не потребляет. В какие-то моменты, правда, генератор затрачивает усилия на то, чтобы зарядить конденсатор, но конденсатор честно возвращает полученную энергию во время разряда. Этим он очень напоминает пружину, которая всё, что берёт при сжимании, то и отдаёт, распрямляясь. Чтобы отметить эту особенность ёмкостного сопротивления, его, в отличие от активного R, называют «реактивное сопротивление».
ВК-160.Электрическая мощность в электрогенераторе не появляется сама по себе, чтобы получить её, нужно выполнить большую работу, вращая ротор генератора. При этом приходится преодолевать его огромное сопротивление, так как магнитное поле с большой силой выталкивает провода, в которых наводится ток. Сам электрогенератор — машина с малыми потерями, с хорошим использованием полученной энергии. Но этого никак не скажешь практически обо всех двигателях, создающих первичное вращение.
Р-60. БЫВАЕТ, ЧТО ВСЁ ЗАВИСИТ ОТ СКОРОСТИ. В нашу программу более детального изучения синусоиды входит и знакомство со скоростью её изменения. Уже несколько раз отмечалось, что есть процессы, которые, развиваясь, зависят от какой-либо величины, как, например, ток в лампочке зависит от напряжения. А есть процессы, которые зависят от скорости изменения, как, например, путь, пройденный автомобилем, зависит от скорости его движения. На этом рисунке показано пять пар графиков (1, 2, 3, 4, 5), иллюстрирующих такие процессы, — в каждой паре график I иллюстрирует сам процесс, а график V — скорость изменения этого процесса. Особо выделяется пара графиков на последнем рисунке (5). В качестве основного процесса I здесь выбрана синусоида, а скорость её изменения V оказалась также синусоидой, но опережающей основную кривую на 90 градусов. Не будем тратить время на объяснения (хотя это очень просто), а лишь отметим, что график с таким сдвигом фаз называется «косинусоида». Нам можно в упрощённом виде запомнить важный вывод: график скорости изменения синусоиды есть тоже синусоида, на четверть периода опережающая по фазе основной график.
Т-134. Описание фазовых сдвигов между током и напряжением нередко вызывает острую критику читателей, забывших, что такие сдвиги вполне объяснимы. Наш рассказ о фазовых сдвигах в цепях переменного тока мы сейчас прервём, чтобы напомнить читателю особенности данного процесса. Это поможет не просто запомнить некоторые важности, о которых уже было сказано и ещё будет, но и позволит навсегда отнести их к числу совершенно естественных и легко объяснимых. А это очень важная составляющая вашего отношения ко всему изучаемому предмету и особенно к вашим будущим самостоятельным действиям.
Чаще всего недовольство и даже протесты вызывает сдвиг фаз между током и напряжением в цепи конденсатора или катушки. «Какие вообще могут быть фазовые сдвиги между током и напряжением здесь, в единой цепи? — возмущается строгий критик. — Когда напряжение доходит до своей амплитуды, ток равен нулю — как такое возможно? Почему у этой пары — у тока и напряжения — не работает обязательный для всех закон Ома, с которым мы познакомились ещё при изучении цепей постоянного тока?» Нашему критику полезно напомнить, что согласно закону Ома, который он вспомнил, в нашей цепи вообще никакого тока не должно быть — для постоянного тока цепь разорвана диэлектрической прокладкой конденсатора. Механизм появления тока здесь совсем иной — ток появляется при движении зарядов к обкладкам или от них, и, значит, сила тока зависит от того, как меняется напряжение на конденсаторе. Следуя за скоростью изменения напряжения, меняется ток, при этом — так получается! — он опережает напряжение по фазе.
Нечто похожее происходит и в цепи с катушкой индуктивности, и об этом будет рассказано незамедлительно.
То, что нам недавно продемонстрировал конденсатор, могло показаться большой неожиданностью. Было известно, что через диэлектрик ток пройти не может, а тут, оказывается, в цепи конденсатора под действием переменного напряжения прекрасно идёт переменный ток и, больше того, соблюдается закон Ома, придуманный для цепей переменного тока.
ВК-161. Основные двигатели на электростанциях — паровые турбины. Они работают с генераторами мощностью от 50 тысяч до 1,5 миллиона киловатт и получают пар из котла, где сжигается мазут, уголь, газ или используют распад атомных ядер. Про важную особенность паровых турбин лучше скажут цифры: в мире более 20 крупных предприятий, занятых разработкой и производством турбин, на каждом работает 5-10 тысяч человек, гарантируется непрерывная работа турбины до капитального ремонта 100 000 часов, то есть более 11 лет.
Р-61. ОБЪЯСНИМЫЕ СТРАННОСТИ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. Большой специальный раздел математики работает с векторами. Это короткие отрезки прямых линий в виде стрелки — они в определённом масштабе могут отображать самые разные силы и направление их действия. В качестве примера можно назвать силы, двигающие самолёт (1) или несколько разных напряжений, в том числе со сдвигом фазы (2). Особо интересны цепи переменного тока с катушкой (3) и конденсатором (4), где появляется сдвиг фаз между током и напряжением. Если конденсатор С включить в цепь, где действует переменное напряжение Uc, то оно будет непрерывно заряжать и разряжать конденсатор и в его цепи будет непрерывный переменный ток Iс. Его величина зависит от скорости изменения напряжения