Меню

Сопротивление проводника при переменном токе зависит от

Что такое электрическое сопротивление и как оно зависит от температуры

Любой элемент или участок электрической цепи с точки зрения электромагнитного процесса, происходящего в нем прежде всего характеризуется способностью проводить ток или препятствовать прохождению тока. Это свойство элементов цепи оценивается их электрической проводимостью или величиной, обратной проводимости — электрическим сопротивлением.

Большинство электротехнических устройств состоит из токопроводящих частей, выполненных из металлических проводников, снабженных обычно изоляционным покрытием или оболочкой. Электрическое сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров и свойств материала. Величина электрического сопротивления равна

где l — длина проводника, м; s — площадь поперечного сечения проводника, мм 2 ; ρ — удельное сопротивление проводника, ом · мм 2 / м; γ — удельная проводимость, м/ом · мм.

Что такое электрическое сопротивление и как оно зависит от температуры

Удельное электрическое сопротивление

Удельное сопротивление и удельная проводимость учитывают свойства материала проводника и дают значения сопротивления и проводимости проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 .

По величине удельного сопротивления ρ все материалы можно разделить на три группы:

проводники — металлы и их сплавы ( ρ от 0,015 до 1,2 ом · мм 2 / м);

электролиты и полупроводники ( ρ от 10 2 до 20 6 ом · мм 2 / м);

диэлектрики, или изоляторы ( ρ от 10 10 до 20 11 ом · мм 2 / м).

В электротехнических устройствах применяются материалы как с малыми, так и с большими значениями удельных сопротивлений. Если требуется, чтобы элемент цепи имел незначительное сопротивление (например соединительные провода), его следует выполнять из проводников с малым значением ρ — порядка 0,015—0,03, например из меди, серебра, алюминия.

Другие устройства, наоборот, должны иметь значительные сопротивления (электрические лампы накаливания, нагрева тельные приборы и т. д.), поэтому их токоведущие элементы следует выполнять из материалов с большим удельным сопротивлением ρ , обычно представляющих собой сплавы металлов. К ним относятся, например, манганин, константан, нихром, которые имеют значения ρ от 0,1 до 1,2.

Медная обмотка электродвигателя

Зависимость электрического сопротивления от температуры

Величина электрического сопротивления зависит также от температуры проводника, которая может изменяться вследствие нагревания проводника электрическим током или вследствие изменения температуры внешней среды. При изменении температуры проводника изменяется величина его удельного сопротивления. Приведенные выше значения р для некоторых материалов справедливы при температуре

Независимость сопротивления от температуры приближенно выражается так:

R t o = R 20 о · [ 1 + α· (t o -20°) ]

R t o — сопротивление проводника при температуре t o , R 20 о — то же при температуре 20°С, ом; α — температурный коэффициент электрического сопротивления, показывающий относительное изменение сопротивления проводин ка при нагревании его на 1°С.

Из этого выражения величина α равна

Для большинства металлов и их сплавов величина α > 0, т. е. при нагревании сопротивление их увеличивается и наоборот.

Для проводков из чистых металлов значения а колеблются в пределах от 0,0037 до 0,0065 на 1°С. Для сплавов высокого сопротивления α имеет весьма малые значения, в десятки и сотни раз меньшие, чем у проводников из чистых металлов. Так например, для манганина α = 0,000015 на °С.

Значения α для полупроводников электролитов отрицательны, порядка 0,02. Температурный коэффициент электрического сопротивления также отрицателен и по своему абсолютному значению в десятки раз превышает α для металлов.

Зависимость сопротивления от температуры широко используется в технике для измерения температур при помощи так называемых термометров сопротивления , у которых α должен быть большим. В ряде приборов, наоборот, применяются материалы с малым значением α для того, чтобы исключить влияние колебаний температуры на показания этих приборов.

Сопротивление переменного тока

Сопротивление одного и того же проводника для переменного тока будет больше, чем для постоянного. Это объясняется явлением так называемого поверхностного эффекта, заключающегося в том, что переменный ток вытесняется от центральной части проводника к периферийным слоям. В результате плотность тока во внутренних слоях будет меньше, чем в наружных.

Таким образом, при переменном токе сечение проводника используется как бы неполностью. Однако при частоте 50 гц различие в сопротивлениях постоянному и переменному токам незначительно и практически им можно пренебречь.

Высоковольтные электрические сети переменного тока

Сопротивление проводника постоянному току называют омическим, а переменному току — активным сопротивлением. Омическое и активное сопротивления зависят от материала (внутренней структуры), геометрических размеров и температуры проводника. Кроме того, в катушках со стальным сердечником на величину активного сопротивления влияют потери в стали.

К активным сопротивлениям относят электрические лампы накаливания, электрические печи сопротивления, различные нагревательные приборы, реостаты и провода, где электрическая энергия практически почти целиком превращается в тепловую.

Кроме активного сопротивления в цепях переменного тока есть индуктивное и емкостное сопротивления (смотрите — Что такое индуктивная и емкостная нагрузка).

Сопротивление изоляции

Надежность работы электрической сети и аппаратуры в значительной степени зависит от качества изоляции между токоведущими частями различных фаз, а также между токоведущими частями и землей.

Качество изоляции характеризуется величиной ее сопротивления. Определением этой величины обычно ограничиваются при контрольных испытаниях сетей и установок с напряжением меньше 1000 В. Для установок более высокого напряжения дополнительно определяются электрическая прочность и диэлектрические потери.

В зависимости от состояния сети (сеть с выключенными или включенными приемниками энергии, находящаяся или не находящаяся под напряжением) применяют различные схемы включения измерительных приборов и способы подсчета величины сопротивления изоляции. Наиболее широко для этой цели используются мегаомметры и вольтметры.

Измерение сопротивления изоляции

Задача определения сопротивления изоляции специфична и обширна по объему, поэтому для ее изучения рекомендуем обратиться к этой статье: Как пользоваться мегаомметром

Для чего нужен расчет проводов на нагрев

Электрическое сопротивление влияет на нагрев проводов и кабелей. Провода, соединяющие источник энергии с приемниками, должны обеспечить питание приемников с малой потерей напряжения и энергии и но при этом они не должны нагреваться проходящим по ним током выше допустимой температуры.

Превышение допустимых значений температуры приводит к повреждению изоляции проводов и, как следствие этого, к короткому замыканию, т. е. резкому повышению величины тока в цепи. Поэтому расчет проводов позволяет определить площадь их поперечного сечения, при которой потеря напряжения и нагревание проводов будут в пределах нормы.

Обычно сечение проводов и кабелей на нагрев проверяется по таблицам допустимых токовых нагрузок из ПУЭ. Если сечение не подходит по условиям нагрева, следует выбрать большее сечение, которое удовлетворяет этим требованиям.

Установки нагрева сопротивлением

Основными элементами электропечей являются электрические нагревательные элементы и теплоизоляционное устройство, предотвращающее потери тепла в окружающее пространство. В качестве материала для электрических нагревательных элементов используются жароупорные неметаллические материалы с высоким удельным сопротивлением (уголь, графит, карборунд) и металлические материалы (нихром, константан, фехраль и т. п.).

Применение материалов с высоким удельным сопротивлением ρ позволяет конструировать нагревательные элементы с большой площадью поперечного сечения и поверхности, а выбор материалов, обладающих небольшим коэффициентом расширения α , обеспечивает неизменяемость геометрических размеров элемента при нагреве.

Нагревательные элементы из материалов типа графита изготавливаются в виде стержней с трубчатым или сплошным сечением. Металлические нагревательные элементы изготовляются в виде проволоки или ленты.

Использование плавких предохранителей

Читайте также:  Зависимость магнитного потока от тока возбуждения

Для защиты проводов электрической цепи от токов, превышающих допустимые значения, применяются автоматические выключатели и плавкие предохранители различных типов. В принципе плавкий предохранитель представляет собой участок электрической цепи с малой термической устойчивостью.

Плавкие предохранители на 63 А

Плавкую вставку предохранителя обычно выполняют в виде короткого проводника малого сечения из материала с хорошей проводимостью (медь, серебро) или проводника с относительно высоким удельным сопротивлением (свинец, олово). При увеличении тока сверх значения, на которое рассчитана плавкая вставка, последняя перегорает и отключает защищаемый ею участок цепи или токоприемник.

Источник

Потери в проводниках при переменном токе

Потери в проводниках при переменном токеПри протекании переменного тока по проводнику вокруг него и внутри образуется переменный магнитный поток, который наводит в самом проводнике э. д. с, обусловливающую индуктивное сопротивление проводника.

Если разбить сечение токоведущей части на ряд элементарных проводников, то те из них, которые расположены в центре сечения и около него, будут иметь наибольшее индуктивное сопротивление, так как они охватываются всем магнитным потоком — внешним и внутренним. Элементарные проводники, расположенные на поверхности, охватываются только внешним магнитным потоком и в связи с этим имеют наименьшее индуктивное сопротивление.

Таким образом, элементарное индуктивное сопротивление проводников возрастает от поверхности к центру проводника.

Благодаря действию переменного магнитного потока возникает явление поверхностного эффекта или скин-эффекта , происходит вытеснение потока и тока от оси проводника к его поверхности, в наружные слон; токи отдельных слоев при этом отличаются по величине и фазе.

На расстоянии Z0 от поверхности амплитуда напряженности электрического и магнитного полей и плотность тока уменьшаются в е=2,718 раза и достигают 36% своего начального значения на поверхности. Это расстояние называют глубиной проникновения поля тока, и оно равно

где ω—угловая частота переменного тока; γ—удельная проводимость, 1/ом•см, для меди γ=57•104 1/ом•см; µ=µ0•µr µ0 = 4•π•10-9 гн/см — магнитная постоянная; µr — относительная магнитная проницаемость, равная 1 для меди и алюминия.

Практически считается, что основная часть тока проходит в поверхностном слое проводника толщиной, равной глубине проникновения Z0, а остальная, внутренняя, часть сечения практически тока не несет и для передачи электроэнергии не используется.

На рис. 1 показано распределение плотности тока в круглом проводнике при различных отношениях радиуса проводника к глубине проникновения.

Поле полностью исчезает на расстоянии от поверхности, равном 4 — 6 Z0.

Ниже приводятся значения глубины проникновения Z0 в мм для некоторых проводников при частоте 50 гц:

Медь — 9,44, Алюминий — 12,3, Сталь (µr =200) — 1,8

Неравномерное распределение тока по сечению проводника ведет к значительному сокращению сечения действительной токоведущей части его и, следовательно, к увеличению его активного сопротивления.

С ростом активного сопротивления проводника Rа увеличиваются тепловые потери в нем I2Rа, и, следовательно, при одном и том же значении тока потери в проводнике и температура его нагрева при переменном токе будут всегда больше, чем при постоянном.

Мерой поверхностного эффекта является коэффициент поверхностного эффекта kп , представляющий отношение активного сопротивления проводника Rа к его омическому сопротивлению R0 (на постоянном токе).

Активное сопротивление проводника равно

Явление поверхностного эффекта сказывается тем сильнее, чем больше сечение провода и его магнитная проницаемость и чем выше частота переменного тока.

В массивных немагнитных проводниках даже при промышленной частоте поверхностный эффект выражен очень сильно. Например, сопротивление медного круглого проводника диаметром 24 см при переменном токе 50 гц примерно в 8 раз превышает его же сопротивление при постоянном токе.

Коэффициент поверхностного эффекта будет тем меньше, чем больше омическое сопротивление проводника; например, kn для медных проводников будет больше, чем для алюминиевых того же диаметра (сечения), так как удельное сопротивление алюминия на 70% больше меди. Так как удельное сопротивление проводника при нагревании увеличивается, то с повышением температуры глубина проникновения будет возрастать, а kn уменьшаться.

У проводников из магнитных материалов (сталь, чугун и др.), несмотря на их большое удельное сопротивление, явление поверхностного эффекта проявляется с исключительной силой благодаря их высокой магнитной проницаемости.

Коэффициент поверхностного эффекта у таких проводников даже небольших сечений равен 8—9. При этом его значение зависит от величины протекающего тока. Характер изменения сопротивления соответствует кривой магнитной проницаемости.

Аналогичное явление перераспределения тока по сечению происходит благодаря эффекту близости , который вызывается сильным магнитным полем соседних проводников. Влияние эффекта близости может быть учтено при помощи коэффициента близости kб, а оба явления — коэффициента добавочных потерь:

Для установок высокого напряжения с достаточно большим расстоянием между фазами коэффициент добавочных потерь определяется в основном поверхностным эффектом, так как эффект близости проявляется при этом очень слабо. Поэтому далее рассматривается влияние только поверхностного эффекта на токоведущие проводники.

Рис. 1 показывает, что при больших сечениях следует применять только трубчатые или полые проводники, поскольку в сплошном проводнике его средняя часть совершенно не используется для электротехнических целей.

Распределение плотности тока в круглом проводнике при различных отношениях 945;/Z0

Рис. 1. Распределение плотности тока в круглом проводнике при различных отношениях α/Z0

Эти выводы используются в конструкциях токоведущих частей высоковольтных выключателей, разъединителей, в конструкциях шин и ошиновки РУ высоких напряжений.

Определение активного сопротивления Rа представляет одну из важных задач, связанных с практическим расчетом токоведущих частей и шин различных профилей.

Активное сопротивление проводника определяется опытным путем на основании измеренных полных потерь мощности в нем, как отношение полных потерь к квадрату тока:

Аналитически определять активное сопротивление проводника затруднительно, поэтому для практических расчетов применяют расчетные кривые, построенные аналитически и проверенные экспериментально. Они, как правило, позволяют найти коэффициент поверхностного эффекта как функцию некоторого расчетного параметра, вычисленного по характеристикам проводника.

На рис. 2 приведены кривые для определения поверхностного эффекта немагнитных проводников. Коэффициент поверхностного эффекта по этим кривым определяется как kn=f(k1), функция расчетного параметра k1, который равен

где α—радиус проводника, см.

 Активное и индуктивное сопротивление проводника при переменном токе

Рис. 2. Активное и индуктивное сопротивление проводника при переменном токе

При промышленной частоте 50 гц можно не считаться с поверхностным эффектом для медных проводников d

Потери электрической энергии могут иметь место в нетоковедущих частях, попадающих во внешнее переменное магнитное поле.

Обычно в электрических машинах, аппаратах и распределительных устройствах проводники с переменным током приходится располагать в непосредственной близости от тех или иных частей конструкции из магнитных материалов (сталь, чугун и др.). К числу таких деталей относятся металлические фланцы электрооборудования и несущие конструкции сборных шин, распределительных устройств, арматура железобетонных деталей, находящихся вблизи шин, и другие.

Под влиянием переменного магнитного потока рядом протекающих токов в этих нетоковедущих частях возникают вихревые токи и происходит их перемагничивание. Таким образом, появляются потери энергии в окружающих стальных конструкциях от вихревых токов и от гистерезиса, полностью переходящие в тепло.

Переменный магнитный поток в магнитных материалах проникает на небольшую глубину Z0, измеряемую, как известно, несколькими миллиметрами. Вихревые потери в связи с этим будут также сосредоточены в тонком наружном слое Z0. В том же слое будут происходить и потери на гистерезис.

Те и другие потери могут быть учтены раздельно или вместе при помощи различных, главным образом полуэмпирических формул.

Читайте также:  Схема регулятора сварочного тока из журнала радио

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на нее в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не нашли, то что искали? Используйте форму поиска по сайту

Источник

Омическое(активное) сопротивление — это сопротивление цепи постоянному току вызывающее безвозвратные потери энергии постоянного тока.

Переменный электрический ток.

Переменным называется ток, который с течением времени изменяет свою величину или направление.

В промышленности наибольшее распространение получил синусоидальный переменный ток, то есть ток, величина которого изменяется со временем по закону синуса или косинуса:

где Im- амплитуда тока, F=(w t+j0 ) — фаза колебаний, j0 — начальная фаза.

Цепь переменного тока с омическим сопротивлением. Соединим последовательно активное сопротивление R, катушку индуктивностью L и конденсатор электроемкостью С . Напряжение U, приложенное к данной цепи, распределяется на трех сопротивлениях — активном R, индуктивном XL и емкостном Хс.

Омическое(активное) сопротивление — это сопротивление цепи постоянному току вызывающее безвозвратные потери энергии постоянного тока.

Единственной причиной вызывающей потери постоянного тока является противодействие материала проводника. На преодоление этого противодействия затрачивается часть энергии постоянного тока, которая превращается в тепловую энергию нагревающую проводник. Эта часть энергии обратно в проводник в виде энергии постоянного тока не возвращается.

На резисторах написана величина их омического сопротивления, т. е. сопротивления постоянному току.

Величина омического сопротивления не зависит от величины тока.

Как следует из последнего выражения, вид закона Ома для цепи переменного тока, содержащей сопротивление r, тот же, что для цепи постоянного тока. Кроме того, из закона Ома видна пропорциональность между мгновенным значением напряжения и мгновенным значением тока. Отсюда следует, что в цепи переменного тока, содержащей сопротивление r, напряжение и ток совпадают по фазе. На рис. 135 даны кривые напряжения и тока и векторная диаграмма для рассматриваемой цепи, причем длины векторов обозначают действующие значения напряжения и тока.


Рис. 135. Графики и векторная диаграмма для цепи переменного тока, содержащей активное сопротивление

Сопротивление проводников переменному току несколько больше их сопротивления постоянному току * (см. § 65). Поэтому сопротивление проводников переменному току называют активным в отличие от сопротивления, которое оказал бы этот проводник при постоянном токе. Обозначается оно также буквой r.

* (Это объясняется тем, что при переменном токе наблюдается неравномерное распределение тока по сечению проводника, так что плотность тока будет возрастать от оси к поверхности проводника. Это явление называется поверхностным эффектом. Неравномерная плотность тока приводит к увеличению сопротивления проводника. Однако при стандартной частоте 50 гц, небольшом сечении и медных или алюминиевых проводах явление поверхностного эффекта сказывается слабо. При высокой частоте, большем сечении и стальных проводах оно значительно.)

Цепь переменного тока с индуктивностью.Рассмотрим цепь (рис. 4.6), в которой к катушке индуктивности L, не обладающей активным сопротивлением (R = 0), приложено синусоидальное напряжение (4.6).

Рис. 16. Векторная диаграмма для идеального индуктивного сопротивления

Рис.17. Векторная диаграмма реального индуктивного сопротивления

Рис. 19. Векторная диаграмма идеального емкостного сопротивления

Реальные конденсаторы также имеют внутреннее активное сопротивление. Поэтому их можно представить как последовательное соединение идеального конденсатора и внутреннего активного сопротивления (рис.20):

Рис.20. Векторная диаграмма реального емкостного сопротивления

Протекающий через катушку переменный ток создает в ней ЭДС самоиндукции , которая в соответствии с правилом Ленца направлена таким образом, что препятствует изменению тока. Другими словами, ЭДС самоиндукции направлена навстречу приложенному напряжению. Тогда в соответствии со вторым правилом Кирхгофа можно записать:

(4.9)
Согласно закону Фарадея ЭДС самоиндукции
(4.10)
Подставив (4.10) в (4.9), получим:

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:
(4.12), где (4.13)
Деля обе части равенства (4.13) на , получим для действующих значений

(4.14)
Соотношение (4.14) представляет собой закон Ома для цепи с идеальной индуктивностью, а величина называется индуктивным сопротивлением.Индуктивное сопротивление измеряется в омах.
Мгновенная мощность в цепи с чисто индуктивным сопротивлением равна:
(4.15)

Положительные значения мощности соответствуют потреблению энергии катушкой, а отрицательные — возврату запасенной энергии обратно источнику. Средняя за период мощность равна нулю. Следовательно, цепь с индуктивностью мощности не потребляет — это чисто реактивная нагрузка. В этой цепи происходит лишь перекачивание электрической энергии от источника в катушку и обратно. Индуктивное сопротивлениеявляется реактивным сопротивлением.

Цепь переменного тока с емкостьюРассмотрим электрическую цепь, в которой переменное напряжение (4.6) приложено к емкости С.
Мгновенное значение тока в цепи с емкостью равно скорости изменения заряда на обкладках конденсатора:
; но поскольку q = СU, то
, где (4.25)
Мы видим, что в этой цепи ток опережает напряжение на 2. Переходя в формуле (4.25) к действующим значениям переменного тока

) , получим: (4.26)

Это закон Ома для цепи переменного тока с емкостью, а величина называется емкостным сопротивлением. Векторная диаграмма для этой цепи показана на рис. 4.12, а временная – на рис. 4.13
Мгновенная мощность в цепи, содержащей емкость:
(4.27)

Мы видим, что мгновенная мощность изменяется с удвоенной частотой (рис. 4.13). При этом положительные значения мощности соответствуют заряду конденсатора, а отрицательные — его разряду и возврату запасенной энергии в источник. Средняя за период мощность здесь равна нулю, поскольку в цепи с конденсатором активная мощность не потребляется, а происходит обмен электрической энергией между конденсатором и источником. Следовательно, конденсатор так же, как и индуктивность, является реактивным сопротивлением.

В общем случае ток и напряжение достигают своих максимальных значений не одновременно. При этом говорят, что имеет место разность фаз тока и напряжения (сдвиг по фазе).

Разностью фаз тока и напряжения называется доля периода, на которую одна функция опережает другую (или отстает от нее).

При этом если ток по фазе отстает от напряжения, разность фаз считается положительной (φ >0), в противном случае разность фаз считается отрицательной(φ 0 . В примере, приведенном на рис.2.1, ток опережает напряжение, значит, φ °

Приведенный пример определяет метод измерения разности фаз: измерив по шкале на экране осциллографа и Т, разность фаз можно определить по формуле:

Разность фаз напряжения и тока

Условимся под разностью фаз j напряжения и тока всегда понимать разность начальных фаз напряжения и тока (а не наоборот):

Поэтому на векторной диаграмме угол j отсчитывается в направлении от вектора I к вектору U (рис. 3.10).

Именно при таком определении разности фазугол j равен аргументу комплексного сопротивления. Угол j положителен при отстающем токе ( ) и отрицателен при опережающем токе ( ).
Разность фаз между напряжением и током зависит от соотношения индуктивного и емкостного сопротивлений. При имеем и ток отстает по фазе от напряжения, . При имеем , ток совпадает по фазе с напряжением, rLC-цепь в целом проявляет себя как активное сопротивление. Это случай так называемого резонанса в последовательном контуре. Наконец, при имеем , ток опережает по фазе напряжение.

Векторные диаграммы для трех возможных соотношений даны на рис. 3.11. При построении этих диаграмм начальная фаза тока ; принята равной нулю. Поэтому равны друг другу.
Рассматривая при заданной частоте цепь по рис. 3.8 в целом как пассивный двухполюсник, можно ее представить одной из трех эквивалентных схем: при как последовательное соединение сопротивления и индуктивности ( ), при как сопротивление r и при как последовательное соединение сопротивления и емкости ( ). При заданных L и С соотношение между зависит от частоты, а потому от частоты зависит и вид эквивалентной схемы.
Выше, в разделе, было принято, что задан ток, а определялись напряжения на элементах и на входных выводах цепи. Однако часто бывает задано напряжение на выводах, а ищется ток. Решение такой задачи не представляет труда. Записав по заданным величинам комплексное напряжение U и комплексное сопротивление Z, определим комплексный ток

Читайте также:  Безопасные приемы освобождения пострадавшего от действия электрического тока

и тем самым действующий ток и начальную фазу тока.
Часто равной нулю принимается начальная фаза заданного напряжения: . В этом случае, как следует из раздела, начальная фаза тока ; равна и противоположна по знаку разности фаз j, т. е .
Установленные выше соотношения между амплитудами и действующими токами и напряжениями, а также выражение для сдвига фаз ф позволяют вычислить ток и не прибегая к записи закона Ома в комплексной форме. Подробно этот путь решения показан в примере 3.4.

Полное сопротивление в цепи переменного тока (Z).

Источник



Активное сопротивление цепи переменного тока

Активным или ваттным сопротивлением называется всякое сопротивление, поглощающее электрическую энергию или вернее превращающее ее в другой вид энергии, например в тепловую, световую или химическую.

Потери энергии, а, следовательно, и активное сопротивление в электрической цепи при переменном токе всегда больше потерь энергии в этой же цепи при постоянном токе. Причина этого заключается в том, что в цепях переменного тока потери энергии обусловлены не только обычным омическим сопротивлением проводников, но и многими другими причинами.

Рассмотрим некоторые из этих.

Так, например, наличие конденсатора в цепи переменного тока связано с дополнительными потерями энергии в результате периодического (с частотой переменного тока) изменения поляризации диэлектрика или, попросту говоря, в результате непрерывного переворачивания взад и вперед молекулярных парных зарядов. При этом происходит нагревание диэлектрика, т. е. электрическая энергия превращается в тепловую. Эти потери энергии называются диэлектрическими потерями.

Кроме диэлектрических потерь, как уже говорилось раньше, происходят потери энергии из-за утечки тока вследствие несовершенства изоляции между пластинами конденсаторов. Эти потери называются потерями утечки.

Вокруг всякого переменного тока существует переменное магнитное поле. Следовательно, во всех окружающих железных предметах происходит непрерывное переворачивание молекулярных магнитиков в такт с частотой переменного тока. В результате железные предметы, находящиеся в поле переменного тока, нагреваются, т. е электрическая энергия превращается в тепловую. Эти потери называются потерями на гистерезис.

Благодаря электромагнитной индукции переменный электрический ток наводит в близлежащих замкнутых электрических цепях индукционные токи, что связано с нагреванием этих цепей, т. е. с дополнительными потерями энергии.

Кроме того, такие же индукционные круговые токи возникают не только в замкнутых электрических цепях, но и в близлежащих металлических предметах и нагревают их. Эти токи называются токами Фуко. Возникновение токов Фуко также сопряжено с потерями электрической энергии.

Токи Фуко не всегда являются вредными. Например, на принципе токов Фуко основана защита радиоприборов медными или алюминиевыми экранами от переменных магнитных полей высокой частоты.

Наконец, при очень высоких частотах цепь переменного тока может излучать электромагнитные волны (радиоволны), что связано с потерями на излучение.

Наличие всех этих потерь увеличивает активное сопротивление цепи переменному току.

Опыт показывает, что при высоких частотах и омическое сопротивление проводника оказывается значительно большим, чем при постоянном токе.

Для объяснения этого явления увеличим мысленно сечение проводника (рис. 1) и посмотрим, что происходит в нем при прохождении по нему переменного тока. Вдоль проводника взад и вперед с частотой переменного тока движется огромное количество электронов.

Активное сопротивление цепи переменного тока

Рисунок 1. Поверхностный эффект, как фактрор увеличения активного сопротивления в цепи переменного тока. Ток вытесняется магнитным полем на поверхность проводника (а), поэтому у поверхности проводника плотность тока больше, чем внутри проводника (б).

До сих пор нам было известно, что движущийся по проводнику переменный поток электронов создает вокруг него переменное магнитное поле. Теперь же, когда мы заглянем внутрь проводника, мы увидим, что магнитное поле имеется и внутри проводника. Это вызвано тем, что каждый электрон при движении создает вокруг себя магнитное поле, а так как часть электронов движется вблизи оси проводника, то они создают магнитное поле не только во вне, но и внутри проводника.

Продолжая присматриваться к происходящему внутри проводника, мы заметим, что наиболее быстро движутся электроны, находящиеся у поверхности проводника, а по мере приближения к середине проводника амплитуда (размах) колебаний электронов становится все меньше и меньше.

Почему же электроны колеблются с различными амплитудами в разных точках сечения проводника?

Это явление также имеет свое объяснение. Вспомним, что при всяком изменении скорости движения электрона на него действует ЭДС самоиндукции, противодействующая этому изменению. Вспомним также, что ЭДС самоиндукции зависит от числа магнитных силовых линий вокруг движущегося электрона. Чем большим числом магнитных силовых линий охватывается электрон, тем труднее ему совершать колебательное движение.

Теперь становится ясным, почему электроны, находящиеся у поверхности проводника, колеблются с большой амплитудой, а электроны, находящиеся глубоко внутри проводника, — с малой. Ведь первые охватываются только теми магнитными силовыми линиями, которые расположены вне проводника, а вторые охватываются и внешними и внутренними магнитными силовыми линиями.

Таким образом, плотность переменного тока получается большей у поверхности проводника и меньшей внутри его.

На рис. 1,б плотность тока характеризуется количеством красных точек. Как видим, наибольшая плотность тока получается около самой поверхности проводника.

При очень высоких частотах противодействие ЭДС самоиндукции внутри проводника становится настолько сильным, что все электроны движутся только по поверхности проводника. Это явление и называется поверхностным эффектом. Так как активное сопротивление проводника зависит от его сечения, а полезным сечением при токе высокой частоты оказывается только тонкий наружный слой проводника, то вполне понятно, что его активное сопротивление увеличивается с повышением частоты переменного тока.

Для уменьшения поверхностного эффекта проводники, по которым протекают токи высокой частоты, делают трубчатыми и покрывают их слоем хорошо проводящего металла, например серебра.

В целях борьбы с явлением поверхностного эффекта применяют также провода специальной конструкции, так называемый литцендрат.

литцендрат

Такой проводник свивают из отдельных тонких медных жилок, имеющих эмалевую изоляцию, причем скрутка жилок производится таким образом, чтобы каждая из них проходила поочередно то внутри проводника, то снаружи его.

Явление поверхностного эффекта особенно сильно сказывается в железных проводах, в которых вследствие большой магнитной проницаемости железа внутренний магнитный поток оказывается особенно большим и поэтому явление поверхностного эффекта становится очень заметным даже при сравнительно низких (звуковых) частотах.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Источник