II напряжение, которое отстаёт от первого на 90°. Два магнитных поля, сдвинутых по фазе, вращают центральный электромагнит, а вместе с ним и ротор асинхронного двигателя.
Р-72. СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ — ОТ ЛИРИКИ К ФИЗИКЕ. Если посмотреть внимательно, то непременно заметишь, что в нашем мире встречается бесконечное многообразие движений и изменений. И есть в этом многообразии группа движений очень похожих — это то, что мы называем словами «свободные колебания». Они возникают там, где есть многими не замеченное и пока ещё достойно не воспетое чудо природы — пара накопителей энергии, определённым образом связанных друг с другом. На этом рисунке представлены три такие пары: маятник (1), струна (2) и LC-контур (3).
Отклоним маятник влево и отпустим его (1). Под действием силы тяжести (притяжение к Земле) маятник двинется вправо. Проходя центральную точку, он уже растратил потенциальную энергию, которая была у него перед стартом, но набрал скорость, и потенциальная энергия полностью перешла в кинетическую, в энергию движения. За счёт неё маятник проскакивает центральную точку и в итоге приходит в крайнее правое положение, откуда, опять-таки под действием силы тяжести, начнётся его движение в обратную сторону. В итоге, обменивая потенциальную энергию на кинетическую, а затем кинетическую на потенциальную, маятник вернётся в крайнюю левую точку, и всё начнётся с начала — маятник будет двигаться туда-обратно, то есть будет совершать свободные колебания.
Примерно то же самое мы увидим, если оттянем центр натянутой струны и отпустим её (2). Здесь колебания будут происходить за счёт обмена энергии упругой деформации струны (временные изменения молекулярной структуры при натяжении струны) и всё той же кинетической энергии — энергии движения. И, наконец, электромагнитные колебания в контуре Lкск (3). Для начала передадим ему небольшую порцию энергии, например, зарядив конденсатор Ск от внешней батареи. Он начнёт разряжаться через катушку Lк, в цепи пойдёт ток, и вся энергия из электрического поля конденсатора Ск перейдёт в магнитное поле катушки Lк. Затем ток перезарядит конденсатор, «+» и «—» поменяются местами, и ток, естественно, пойдёт в другую сторону. Этот обмен энергий между Ск и Lк будет продолжаться, поддерживая свободные колебания (в частности, ток туда-обратно) в контуре. Они через какое-то время прекратятся из-за различных потерь энергии, чем меньше эти потери, тем дольше будут длиться колебания.
Если во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной обмотке, то коэффициент трансформации и больше единицы, трансформатор в n раз повышает напряжение и называется повышающим. А если w2 меньше, чем w1,то n меньше единицы, и трансформатор понижающий.
В понижающем трансформаторе число витков w2 составляет лишь часть от w1, например, 0,5 или 0,1. Эта величина как раз и есть коэффициент трансформации и понижающего трансформатора, и напряжение U2 составляет такую же часть от U1. Например, если к первичной обмотке подводится напряжение U1 = 150 В, а коэффициент трансформации n = 0,1, то на вторичной обмотке будет напряжение U2 = n∙U1 = 0,1∙150 В = 15 В. На практике, особенно при расчётах «в уме», вместо, так сказать, официального коэффициента трансформации, который у понижающего трансформатора меньше единицы, пользуются обратной величиной — отношением большего числа витков к меньшему, то есть у понижающего трансформатора w1 к w2. Если, скажем, в первичной обмотке 1000 витков (w1), а во вторичной 100 (w2), то официальный коэффициент трансформации составит 0,1, а отношение w1 к w2 составит 10. Воспользуемся предыдущим примером: к первичной обмотке подводится 150 В, и поскольку трансформатор понижающий, напряжение на вторичной обмотке будет в 10 раз меньше, чем на первичной, то есть 15 В.
Всё это очень простая, можно сказать, примитивная арифметика, любой трансформатор может быть и понижающим, и повышающим, может увеличивать либо уменьшать напряжение в n раз — всё зависит от того, к какой обмотке подводишь напряжение и с какой снимаешь.
Но есть, однако, одно чрезвычайно серьёзное ограничение: к какой-либо обмотке трансформатора нельзя подводить напряжение, которое превышает допустимую для этой обмотки расчётную величину. Например, к обмотке, которая рассчитана на 120 В, нельзя подвести 220 или даже 160 В. Нарушение этого правила нередко завершается дымом — трансформатор быстро перегревается и выходит из строя.
Теперь о токах. Когда во вторичную обмотку включена нагрузка, то в этой обмотке идёт ток I2. Конечно же, вторичная обмотка сама никакой мощности не даёт, а получает её из первичной обмотки, то есть в конечном итоге от генератора. И в идеальном случае мощность Р2, потребляемая во вторичной цепи, равна мощности Р1, поступающей от генератора в первичную цепь.
ВК-181.Если в асинхронном двигателе вместо трёх пар магнитных полюсов установить 6 пар полюсов, то ротор двигателя за время одного периода пройдёт не всю окружность, а только половину. Ему достаточно этого расстояния, чтобы встретиться с тремя электромагнитами, поочерёдно получающими все три фазовых напряжения одного периода. Минуя довольно простые промежуточные рассуждения, можно сделать вывод: увеличив в 2 раза число пар полюсов, мы в 2 раза снижаем обороты двигателя.
Р-73. ДВА, КАЗАЛОСЬ БЫ, ОДИНАКОВЫХ LCR-КОНТУРА ИМЕЮТ РАЗНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Недавно мы сравнительно подробно рассмотрели поведение последовательного LCR-контура (Р-66) при изменении частоты f питающего его напряжения (1). Мы обратили внимание на то, что напряжения UL на катушке и Uc на конденсаторе сдвинуты по фазе на 180°, то есть действуют одно против другого. Можно считать, что это действуют друг против друга сопротивления XL и Хс, поэтому общее сопротивление всей последовательной цепи равно их разности. Как мы уже давно знаем, с увеличением частоты индуктивное сопротивление XL растёт, а ёмкостное Хс уменьшается. На некоторой частоте fрез оба эти сопротивления оказываются одинаковыми и общее реактивное сопротивление контура равно нулю. В контуре остаётся небольшое активное сопротивление R, и поэтому сильно растёт ток, а вместе с ним напряжение на конденсаторе и катушке.
Теперь посмотрим, что произойдёт, если тот же контур, ту же катушку L с сопротивлением проводов R и тот же конденсатор С подключить к источнику сигнала в виде двух параллельных цепей (2). В таком параллельном контуре ток разветвится и в каждой из двух ветвей его величина будет определяться её сопротивлением — XL и Хс. На низких частотах общий ток параллельного контура будет большим, а общее сопротивление контура маленьким — катушка шунтирует конденсатор. И на высоких частотах общий ток будет большим и сопротивление маленьким — конденсатор шунтирует катушку. Лишь на резонансной частоте fрез, где XL = Xс, никто никого не шунтирует и общее сопротивление параллельного контура оказывается большим. Поведение последовательного и параллельного контуров тщательно исследовано теорией, но хочется верить, что наши упрощённые пояснения не помешают дальнейшему серьёзному изучения темы.
И ещё одно примечание. Главные события в последовательном и в параллельном контурах происходят на частоте f0, на которой в контуре возникают свободные колебания. Получается, что контур, подключённый к генератору переменного тока, как бы резонирует на частоте своих свободных колебаний. Именно поэтому такую частоту называют резонансной fрез.
Оговорка «в идеальном случае» понадобилась потому, что реально какая-то мощность теряется в самом трансформаторе, и нагрузке достаётся несколько меньше, чем даёт генератор. Пренебрегая этими обычно небольшими потерями (несколько процентов и меньше), из условия Р1 = Р2 можно найти соотношение токов I1 и I2 в первичной и вторичной обмотках.
Соотношение между токами I1 и I2 также определяется коэффициентом трансформации n, но только на этот раз коэффициент n действует «в обратную сторону»: во сколько раз трансформатор понижает напряжение на вторичной обмотке, во столько же раз повышается ток в её цепи. А если напряжение U2 во вторичной обмотке больше, чем U1, то во столько же раз ток I2 меньше, чем I1 — только при этом условии мощности Р1 и Р2в обеих обмотках могут быть одинаковыми.
Для иллюстрации — простой пример. Напряжение U1 = 220 В подводится к первичной обмотке понижающего трансформатора, и на его вторичной обмотке действует напряжение U2 = 11 В, то есть трансформатор понижает напряжение в 20 раз. Ко вторичной обмотке подключена такая нагрузка, что в её цепи идёт ток 40 А. Без каких-либо измерений можно подсчитать, что в цепи первичной обмотки идёт ток 2 А, он в те же 20 раз меньше, чем ток в нагрузке. И при этом генератор передаёт в первичную обмотку именно такую мощность (Р1 = U1∙I1 = 220 В ∙ 2 А = 440 Вт), какую потребляет нагрузка во вторичной цепи (