Электричество шаг за шагом

Для нас особо важно, что по закону синуса меняется скорость, с которой равномерно вращающиеся проводник или рамка из двух проводников пересекают магнитное поле. Поэтому в таком простейшем генераторе наводится синусоидальная — именно синусоидальная! — электродвижущая сила, а при подключении к нему нагрузки в цепи идёт синусоидальный ток.

Практически во всех генераторах переменного тока, от небольших, в бортовой сети автомобиля, до самых мощных генераторов на электростанциях, питающих электроэнергией города и страны, везде э.д.с. получают, вращая систему проводов в магнитном поле. Поэтому везде эта э.д.с. получается синусоидальной, и все потребители электроэнергии получают именно синусоидальное переменное напряжение в свои дома или на заводы. Правда, для некоторых транспортных машин, в частности для электропоездов и трамваев, переменное синусоидальное напряжение потом преобразуют в постоянное, но это уже совсем другая история.

Особый интерес представляет одна исключительно важная особенность синусоидальной зависимости, которую нетрудно заметить, если всмотреться в её график, особенно на рисунке Р-60.

Т-131. Скорость изменения синусоидального напряжения (э.д.с., тока) также изменяется по синусоидальному закону. В своё время мы обратили особое внимание на то, что в ряде случаев важна не абсолютная величина чего-либо (объёма воды, пройденного пути, тока), а скорость её изменения. Подтверждение этой истины в цепях переменного тока можно встретить на каждом шагу, и для синусоидальных процессов она приобретает особое значение. Чтобы увидеть это, давайте для начала посмотрим, чему равна скорость изменения переменного синусоидального напряжения U (напряжение выбрано в качестве примера, то же самое можно было бы сказать о токе или э.д.с.).

Синусоидальное напряжение U в разные моменты меняется с разной скоростью. Иногда график этого напряжения идёт вверх или вниз круто — напряжение меняется резко, быстро. Иногда график сравнительно пологий — напряжение меняется вяло, медленно. Скорость изменения считается положительной, если напряжение меняется в сторону положительной амплитуды, а если оно движется в сторону отрицательной амплитуды — скорость отрицательная. Если измерять скорость изменения синусоиды и построить график изменения этой скорости, то окажется, что это тоже синусоида, но сдвинутая по фазе на четверть периода, то есть на 90 градусов (Р-60.5). Если подобным образом исследовать любые другие переменные напряжения (несколько примеров на рисунках Р-60.1, Р-60.2, Р-60.3, Р-60.4), то ничего подобного мы не обнаружим — синусоида единственная в своём роде.

То, что мы установили для синусоидального напряжения (ещё раз повторим — скорость его изменения меняется по такому же синусоидальному закону, как и само напряжение), относится к любому другому процессу, график которого синусоида, в частности, к синусоидальному току, отклонению маятника, колебаниям струны, изменению электрического поля в световой волне и многим другим. Обнаруженная одинаковость графиков синусоидального напряжения и скорости его изменения приводит к исключительно важным последствиям.

Глава 11 Ожидаемые неожиданности

Мы подключили к источнику переменного напряжения конденсатор и, как выяснилось чуть выше, в цепи конденсатора пошёл переменный ток. Казалось бы, если последовательно с конденсатором включить катушку, то она как-то увеличит общее сопротивление и ток в цепи уменьшится. В действительности может случиться так, что ток не только не уменьшится, но даже возрастёт, привлекая наш внимание к удивительным особенностям цепей переменного тока. В них происходит много такого, чего не было в цепях постоянного тока: непрерывно меняется уровень и направление питающего напряжения, непрерывно сменяют друг друга зарядный и разрядный токи в цепи конденсатора, непрерывно меняется магнитное поле катушки, а значит, в ней наводится э.д.с. Всё это вполне может давать какие-то новые, пока неожиданные для нас эффекты.