Сабақ жоспары қазақша физика пәнінен

Айнымалы ток тізбегіндегі электр сыйымдылық

Айнымалы ток, кең мағынасында — бағыты мен шамасы периодты түрде өзгеріп отыратын электр тогы. Ал техникада айнымалы ток деп ток күші мен кернеудің период ішіндегі орташа мәні нөлге тең болатын периодты ток түсініледі. Айнымалы ток байланыс құрылғыларында (радио, теледидар, телефон т.б.) кеңінен қолданылады.

1-сурет. Периодты i(t) айнымалы токтың графигі

Ток күші (және кернеу) өзгерісі қайталанатын уақыттың (секундтпен берілген) ең қысқа аралығы период (Т) деп аталады (1-сурет). Айнымалы токтың тағы бір маңызды сипаттамасы — жиілік (ƒ). Дүние жүзі елдерінің көпшілігіндегі және Қазақстандағы электр энергетикалық жүйелерде пайдаланылатын стандартты жиілік — 50 Гц, ал АҚШ-та 60 Гц. Байланыс техникасында жиілігі жоғары (100 кГц-тен 30 ГГц-ке дейін) айнымалы ток пайдаланылады. Арнайы мақсат үшін өндіріс орындарында, медицинада және ғылым мен техниканың басқа салаларында әр түрлі жиіліктегі айнымалы ток, сондай-ақ импульстік ток қолданылады. Ток кернеуін кемітпей түрлендіруге болатындықтан іс жүзінде айнымалы токты электр энергиясын жеткізуде және таратуда кеңінен пайдаланады.

Өндірілуі

Айнымалы ток айнымалы кернеу арқылы өндіріледі. Ток жүріп тұрған сым төңірегінде пайда болатын айнымалы электрлі магниттік өріс айнымалы ток тізбегінде энергия тербелісін тудырады, яғни энергия магнит немесе электр өрісінде периодты түрде бірде жиналып, бірде электр энергиясы көзіне қайтып отырады. Энергияның тербелуі айнымалы ток тізбектерінде реактивті ток тудырады, ол сым мен ток көзіне артық ауырлық түсіреді және қосымша энергия шығынын жасайды. Бұл — айнымалы ток энергиясын берудегі кемшілік. Айнымалы ток күші сипаттамасының негізіне айнымалы токтың орташа жылулық әсерін, осындай ток күші бар тұрақты токтың жылулық әсерімен салыстыру алынған. Айнымалы ток күшінің осындай жолмен алынған мәні әсерлік мән (немесе эффективтік) деп аталады әрі ол период ішіндегі ток күші мәнінің математикалық орташа квадратын көрсетеді. Айнымалы токтың әсерлік кернеу (U) мәні де осы сияқты анықталады. Ток күші мен кернеудің осындай әсерлік мәндері айнымалы токтың амперметрлері және вольтметрлері арқылы өлшенеді.

Таралуы, түрленуі

Айнымалы токтың үш фазалық жүйесі жиі қолданылады. Тұрақты токқа қарағанда айнымалы токтың генераторлары мен қозғалтқыштарының құрылымы қарапайым, жұмысы сенімді, мөлшері шағын әрі арзан. Айнымалы ток әуелі шала өткізгіштер арқылы, ал одан кейін шала өткізгішті инверторлар көмегімен жиілігі реттелмелі басқа айнымалы токқа түрлендіріледі. Бұл жағдай жылдамдығын бірте-бірте реттеуді талап ететін электр жетектерінің барлық түрі үшін қарапайым әрі арзан қозғалтқыштарын ( асинхронды және синхронды) пайдалануға мүмкіндік береді.

 Резистор мен жалғағыш сымдардан тұратын қарапайым тізбектің (2.3.- сурет) қысқыштарындағы кернеу

U= U_m(2.3)заңымен өзгерсін.

Бізге бұрыннан таныс R кедергіні айнымалы ток тізбегінде активті кедергі деп атайды. Себебі айнымалы ток тізбегінде бұдан басқа индуктивтік пен сыйымдылық кедергілері бар. Бірақ жылу энергиясы тек амктивті кедергіде бөлінеді, яғни тек активті кедергісі бар жүктеме ғана генератордан алынатын энергияны жұтады.

Ток күші мен кернеудің лездік мәндері (берілген уақыт мезетіндегі мәндері) үшін Ом заңы орындалады.

І=  =  =I_m

Мұндағы І= _mток күшінің амплитудалық мәні.

Сонымен, активті кедергісі ғана бар тізбек үшін

І=I_m 

Бұл тізбектегі ток күшінің тербеліс теңдеуі. U_m=I_mR

Кернеудің тербеліс теңдеуі (2.3.) пен соңғы (2.4.) теңдеуін салыстыра отырып, активті кедергідегі кернеу мен ток күшінің тербеліс фазалары бірдей деген қорытындыға келуге болады. Ток күші мен кернеу тербелістерінің графиктері 2.4.- суретте көрсетілген.

Ток пен кернеу тербелістерінің фазалық арақатынасын көрнекті түрде векторлық даграммалар тәсілі арқылы ( §1.4.)көрсетуге болады

Диаграммада айнымалы ток күшінің амплитудасы мен айнымалы кернеудің амплитудасы параллель векторлар түрінде кескінделеді, олардың арасындағы бұрыш, яғни тербеліс фазаларының айырымы нөлге тең.

Біздің үйімізге жарық беретін электр желісіндегі, заводтар мен фабрикалардағы айнымалы токтың жиілігі 50 Гц. Бұл ток күші шамасы мен бағытының секунд сайын 50 рет өзгеретінін көрсетеді. Мысалы, қыл сымды электр шамы әр секунд 100 рет жыпылықтайды, бірақ мұны біздің көзіміз ажырата алмайды. Бізге шам үздіксіз бірқалыпты жарқырап тұрған сияқты болып көрінеді. Адамның көзі ұзақ уақыт ішінде шам тудыратын орташа жарықталынуды қабылдайды. Сондықтан айнымалы токтың орташа қуатын білу маңызды.

Активті кедергісі бар тізбектегі қуат. Тек активті кедергісі ғана бар тізбектегі айнымалы токтың бір период ішіндегі орташа қуатын табайық. Айнымалы токтың лездік қуаты р=j² Rформуласымен анықталады. Осы өрнекке (2.4.) формуласын қойсақ:р=R

тригонометриялық қатынасты пайдалана отырып, р =R +  өрнегін аламыз. Косинустың ең үлкен мәні 1, ең кіші мәні -1 саны, олай болсабір период ішіндегі екінші қосылғыштың орташа мәні тек бірінші қосылғышқа тең: Р = (2.5)

Берілген жүктемеде айнымалы токтың қуатына тең қуат бөлінетіндей тұрақты ток күшін І (әсерлік) деп белгілейік. Сонда р = І²R. Соңғы өрнекті (2.5) өрнегімен теңестірсек, = І²R немесеІ =Im

(2.6)аламыз. Айнымалы ток күшінің әсерлік мәні І деп бірдейуақыт ішінде активті кедергіде айнымалы ток жүргенде бөлініп шығатын жылуға тең жылу мөлшерін бөліп шығаратын тұрақты ток күшіне тең жылу мөлшерін бөліп шығаратын тұрақты ток күшіне тең шаманы айтамыз. Айнымалы кернеудің әсерлік мәні (2.6)- ға ұқсас:

U =Um (2.7) 

Ом заңын кернеу мен токтың әсерлік мәндері үшін былай жазамыз:І =Айнымалы ток тізбегіндегі сыйымдылық кедергі. Конденсатор қосылған тізбектен тұрақты ток жүрмейді, себебі бұл жағдайда тізбек тұйық емес, конденсатордың астарларының арасы диэлектрикпен бөлінген. Ал, бірақ конденсаторды айнымалы кернеу көзіне қосса, ол үнемі қайта зарядталып отырады да тізбек арқылы ток жүреді.

Айнымалы u=кернеу көзіне қосылған сыйымдылығы С конденсатордан тұратын өте қарапайым тізбекті қарастырайық. Жалғастырғыш сымдардан кедергісі R= 0 болсын. Онда конденсаторға тұсетін кернеу u= = , мұндағы g- конденсатордың астарларындағы заряд. Бұдан g= С Тізбектегі ток күшін табу үшін зарядтан уақыт бойынша бірінші туынды алайық: і=g^,= - С= ), мұндағы

= (2.8)

өрнегі ток күші тербелістерінің амплитудасын береді. Олай болса, ток күші тербелістерінің теңдеуі мынадай болады:

і=).

Бұл теңдеуді конденсаторға түсірілген кернеудің u= өрнегімен салыстыра отырып, мынадай қорытындыға келеміз: тізбектегі ток күшінің тербелістерінен фаза бойынша  - ге озады. (2.8) теңдігі ток күшінің амплитудасын анықтайды.

Краткое описание документа:

Айнымалы ток, кең мағынасында — бағыты мен шамасы периодты түрде өзгеріп отыратын электр тогы. Ал техникада айнымалы ток деп ток күші мен кернеудің период ішіндегі орташа мәні нөлге тең болатын периодты ток түсініледі. Айнымалы ток байланыс құрылғыларында (радио, теледидар, телефон т.б.) кеңінен қолданылады