Кто опережает ток или напряжение

Что бьёт и убивает – ток или напряжение?

На днях был у родственников и разговор как-то плавно перешёл на тему электрики. И тут начали спорить, что же бьёт — ток или напряжение? Дошло до того, что чуть не рассорились и я решил поставить точку в этом вопросе, написав данный пост.

Итак, запоминайте: напряжение нужно для того, чтобы пробить сопротивление кожи человека. В большинстве случаев, для этого достаточно всего 40 вольт (зависит от физиологии конкретного человека), а уже сила тока создаёт необходимое воздействие на ткани человека, которое и приводит к конвульсиям и поражениям.

Получается, что первично всё-таки напряжение, ведь оно преодолевает сопротивление кожи, а ток вторичен, но именно ток создаёт повреждения в теле человека!

Есть очень хорошая аналогия со змеёй. У змеи есть зубы и яд. Разумеется убивает яд, но чтобы яду попасть в организм, змее надо прокусить кожу. Так вот, зубы — это напряжение, а яд — это ток.

Но не будем останавливаться на этом и возьмём для примера три источника электроэнергии: аккумулятор, электрическую розетку и пьезозажигалку. Каждый из них обладает разными характеристиками выдаваемого тока и напряжения. Какой из них будет опаснее?

Для аккумулятора эти значения будут 12B и 500А и он просто не пробьёт сопротивление кожи человек. Для пьезозажигалки имеем 5000В и 0,0001А — тут мы уже ощутим пощипывания, но негативного воздействия на мышцы и ткани не получим, в виду крайне низкого значения тока. а вот розетка обладает необходимым напряжением и силой тока, чтобы довести человека до конвульсий, а то и вовсе его убить.

Будьте осторожны, не попадайте под напряжение и подписывайтесь на мой канал.

ЕСЛИ СЧИТАЕТЕ СТАТЬЮ ПОЛЕЗНОЙ,
НЕ ЛЕНИТЕСЬ СТАВИТЬ ЛАЙКИ И ДЕЛИТЬСЯ С ДРУЗЬЯМИ.

Источник

Опережающий и запаздывающий ток — Leading and lagging current

Опережающий и запаздывающий ток — это явления, возникающие в результате переменного тока . В схеме с переменным током значения напряжения и тока изменяются синусоидально. В схемах этого типа термины опережение, запаздывание и синфазность используются для описания тока по отношению к напряжению. Ток находится в фазе с напряжением, когда между синусоидами отсутствует фазовый сдвиг, описывающий их поведение во времени. Обычно это происходит, когда нагрузка, потребляющая ток, является резистивной.

В потоке электроэнергии важно знать, какой ток опережает или отстает, потому что он создает реактивную мощность в системе, а не активную (реальную) мощность. Он также может играть важную роль в работе трехфазных электроэнергетических систем.

Содержание

Обозначение угла

Обозначение угла может легко описать опережающий и запаздывающий ток:

В этом уравнении значение тета является важным фактором для опережающего и запаздывающего тока. Как упоминалось во введении выше, опережающий или запаздывающий ток представляет собой временной сдвиг между синусоидальными кривыми тока и напряжения, который представлен углом, на который кривая опережает или отстает от того места, где она была бы изначально. Например, если θ равно нулю, кривая будет иметь нулевую амплитуду в нулевой момент времени. Использование комплексных чисел — это способ упростить анализ определенных компонентов в цепях RLC . Например, их очень легко преобразовать между полярными и прямоугольными координатами. Начиная с полярной записи, может представлять либо векторную, либо прямоугольную запись, оба из которых имеют величину 1. ∠ θ <\ Displaystyle \ angle \ theta> ( потому что ⁡ θ , грех ⁡ θ ) <\ Displaystyle (\ соз \ тета, \ грех \ тета) \,> потому что ⁡ θ + j грех ⁡ θ знак равно е j θ , <\ Displaystyle \ соз \ тета + j \ грех \ тета = е ^ , \,>

Отстающий ток

Запаздывающий ток можно формально определить как «переменный ток, который достигает своего максимального значения на 90 градусов позже, чем напряжение, которое его производит». Это означает, что ток отстает от напряжения, когда угол синусоидальной волны тока по отношению к произвольно выбранному эталону меньше, чем угол синусоидальной волны напряжения по отношению к тому же эталону. Следовательно, ток можно быстро определить как запаздывающий, если угол положительный. Например, если угол напряжения равен нулю, ток будет отставать, если он отрицательный. Это часто случается, потому что напряжение берется за эталон. β <\ displaystyle \ beta> δ <\ displaystyle \ delta> θ <\ displaystyle \ theta> δ <\ displaystyle \ delta> β <\ displaystyle \ beta>

В цепях с преимущественно индуктивной нагрузкой ток отстает от напряжения. Это происходит потому, что в индуктивной нагрузке именно индуцированная электродвижущая сила вызывает протекание тока. Обратите внимание, что в приведенном выше определении ток создается напряжением. Индуцированная электродвижущая сила вызвана изменением магнитного потока, связывающего катушки индуктора.

Ведущий ток

Опережающий ток можно формально определить как «переменный ток, который достигает своего максимального значения на 90 градусов впереди создаваемого им напряжения». Это означает , что ток опережает напряжение , когда угол тока синусоидальной волны относительно произвольно выбранной ссылки больше , угол напряжения синусоидальной волны по отношению к одной и той же ссылке. Следовательно, ток можно быстро определить как опережающий, если угол отрицательный. Например, если угол напряжения равен нулю, ток будет опережающим, если он положительный. Это часто происходит потому, что за эталон берется напряжение. β <\ displaystyle \ beta> δ <\ displaystyle \ delta> θ <\ displaystyle \ theta> δ <\ displaystyle \ delta> β <\ displaystyle \ beta>

В цепях с преимущественно емкостной нагрузкой ток опережает напряжение. Это верно, потому что ток сначала должен течь к двум пластинам конденсатора, где хранится заряд. Только после накопления заряда на пластинах конденсатора устанавливается разница напряжений. Таким образом, поведение напряжения зависит от поведения тока и от того, сколько заряда накапливается. Вот почему формальное определение гласит, что ток производит напряжение.

Визуализация опережающего и запаздывающего тока

Простая векторная диаграмма с двумерной декартовой системой координат и векторами может использоваться для визуализации опережающего и запаздывающего тока в фиксированный момент времени. В действительной комплексной системе координат один период синусоидальной волны соответствует полному кругу в комплексной плоскости. Поскольку напряжение и ток имеют одинаковую частоту, в любой момент времени эти величины могут быть легко представлены в виде стационарных точек на окружности, а стрелки, идущие от центра окружности к этим точкам, называются векторами. Поскольку относительная разница во времени между функциями постоянна, у них также есть постоянная разница углов между ними, представленная углом между точками на окружности.

Исторические документы о ведущих и запаздывающих токах

Ранний источник данных является статьей от 1911 Американской академии искусств и наук по Артур Э. Кеннелла . Кеннелли использует обычные методы для решения векторных диаграмм для колебательных цепей, которые также могут включать в себя цепи переменного тока.

Источник

Проверьте себя в знании теории однофазного переменного тока

Наращивание опыта # электропрактики требует основательных знаний теории. Без этого никак не обойтись. При изучении раздела # переменного тока нужно овладеть такими познаниями и терминами как:

Очень своеобразно ведет себя индуктивная и емкостная нагрузк и под воздействием переменного тока. Это можно наглядно увидеть на экране # осциллографа.

Синусоида тока при определении параметров в индуктивной катушке несколько отстает от синусоиды напряжения.

А в емкости поведение совершенно противоположное — синусоида тока как бы опережает напряжение.

Если же снимать синусоиды тока и напряжения в активной нагрузке, которой в частности являются лампы накаливания и реостаты, то максимальные и нулевые точки напряжения и тока совпадают во времени.

Такое поведение характерно как для цепей однофазного, так и трехфазного тока.

При решении задач с определением величин полного тока, напряжения, полного сопротивления цепи, косинуса фи и прочих параметров графическим методом удобно заменять синусоиды векторами. И строить векторные диаграммы.

Их особенностью является то, что все векторы в них вращаются одновременно против часовой стрелки.

При наличии векторной диаграммы несложно выполнять и обратную задачу, выявить схему соединения подключенных в цепь элементов: активного, емкостного и индуктивного сопротивления .

Предлагаю вам проверить себя в знании теории в теме переменного тока однофазной цепи и решении простеньких задач с помощью векторных диаграмм .

Пройдите следующий тест и вы узнаете профан вы в электротехнике или электрик профи:

Источник

Кто опережает ток или напряжение

Закон Ома и вытекающие из него правила Кирхгофа были установлены для постоянных токов. Однако эти законы остаются справедливыми и для мгновенных значений изменяющихся во времени тока или напряжения, если их изменения происходят не слишком быстро. Электромагнитные возмущения распространяются по цепи со скоростью света с. Если за время τ = l/c, которое необходимо для передачи возмущения в самую отдаленную точку цепи l, сила тока изменяется незначительно, то мгновенные значения тока в начале и конце цепи будут практически одинаковыми. Токи, удовлетворяющие такому условию, называются квазистационарными. Для них справедливо неравенство:

где Т – период изменения тока.

3 м τ = 10 -8 с. Таким образом, вплоть до периодов Т

10 -6 с, что соответствует частоте 10 6 Гц, токи в такой цепи можно считать квазистационарными. Ток промышленной частоты 50 Гц будет квазистационарным для цепей длиной l

Рис.3.9.1. Представление переменных токов с помощью векторных диаграмм

Мгновенные значения квазистационарного тока подчиняются закону Ома, и для него справедливы правила Кирхгофа. Пусть к зажимам сопротивления R (Рис.3.9.1), не обладающего индуктивностью или емкостью (такое сопротивление называется активным), приложено напряжение, изменяющееся со временем по закону:

где U m – амплитудное значение напряжения. При выполнении условия квазистационарности ток через сопротивление определяется законом Ома:

Здесь введено обозначение амплитудного значения тока:

Удобно при описании переменных токов использовать векторные диаграммы. Выберем произвольное направление, которое назовем осью токов. Отложим вдоль этого направления вектор тока длиной I m. Поскольку напряжение и ток в данном случае изменяются во времени синхронно, вектор напряжения также будет направлен вдоль оси токов. Его длина равна RI m .

3.9.2. Переменный ток, текущий через индуктивность

Рис.3.9.2. Переменный ток, текущий через индуктивность

Подадим переменное напряжение на концы индуктивности L с пренебрежимо малыми сопротивлением и емкостью (Рис.3.9.2). Через индуктивность будет течь переменный ток, вследствие чего возникнет ЭДС самоиндукции:

Используя второе правило Кирхгофа, можем записать:

В данном случае все напряжение приложено к индуктивности. Следовательно, величина

и есть падение переменного напряжения на индуктивности.

Перепишем уравнение (3.9.6) в виде:

Постоянный ток в данном примере отсутствует, поэтому const = 0. Следовательно, имеем:

Из сопоставления (3.9.11) и (3.9.4) следует, что роль сопротивления в цепи с индуктивностью играет величина:

которую называют реактивным индуктивным сопротивлением.

Как видно из (3.9.12), величина индуктивного сопротивления растет при увеличении частоты тока. Постоянному току индуктивность сопротивления не оказывает.

Используя (3.9.6) и (3.9.11), падению напряжения на индуктивности можно придать вид:

Из сравнения (3.9.13) и (3.9.10) следует, что между током и напряжением в цепи с индуктивностью существует сдвиг фаз на 90 0 , причем ток отстает по фазе от напряжения. На векторной диаграмме это обстоятельство можно отразить как на Рис.3.9.2б.

3.9.3. Переменный ток, текущий через емкость

Рис.3.9.3. Ток и напряжение в цепи с емкостью

Пусть переменное напряжение подано на емкость С (Рис.3.9.3) Индуктивностью и сопротивлением подводящих проводов пренебрегаем. Емкость непрерывно перезаряжается, благодаря чему через нее протекает переменный ток. Напряжение на конденсаторе можно считать равным внешнему напряжению:

Умножая (3.9.14) на С и дифференцируя по времени, получим ток:

Величина Х С в цепи с емкостью играет роль сопротивления и называется реактивным емкостным сопротивлением.

Для постоянного тока Х С = ±, так как постоянный ток течь через конденсатор не может. Переменный ток через конденсатор проходит, причем сопротивление току тем меньше, чем больше частота.

Заменив в соотношении (3.9.14) амплитуду напряжения, используя (3.9.16), имеем:

Сравнив (3.9.17) и (3.9.15), можно сделать вывод, что между током и напряжением в цепи с емкостью существует сдвиг фаз на 90 0 , причем ток опережает по фазе напряжение. На векторной диаграмме это обстоятельство можно отразить как на Рис. 3.9.3б.

3.9.4. Переменный ток, текущий через цепь с емкостью, индуктивностью и активным сопротивлением

Рис.3.9. 4. Цепь с индуктивностью, емкостью и активным сопротивлением

Рассмотрим цепь, включающую в себя активное сопротивление, индуктивность и емкость (Рис.3.9.4). Подадим на эту цепь переменное напряжение с частотой ω . В цепи возникнет переменный ток с той же частотой. Он вызовет падение напряжения на активном сопротивлении U R . Фаза этого напряжения совпадает с фазой тока, поэтому вектор напряжения откладывают вдоль оси токов. Падение напряжения на индуктивности U L опережает ток по фазе на 90 0 , поэтому вектор, изображающий U L , должен быть повернут относительно оси токов на 90 0 против часовой стрелки. Наконец, падение напряжения на емкости U С отстает по фазе от тока на 90 0 и должно быть изображено вектором U С , повернутым относительно оси токов на 90 0 по часовой стрелки.

Сложив векторы, изображающие U L , U R и U С , получим вектор, изображающий приложенное напряжение U. Его длина равна U m . Этот вектор образует с осью токов угол φ, тангенс которого можно вычислить из Рис.3.9.4:

Угол φ дает разность фаз между напряжением U и силой тока i. Из Рис.3.9.4 следует также, что:

Итак, если напряжение на зажимах цепи изменяется по закону:

то в такой цепи будет течь ток:

называется полным сопротивлением цепи. При этом величина

носит наименование реактивного сопротивления . Поэтому формулу (3.9.23) можно представить в виде:

Ток отстает от напряжения (φ > 0) или опережает его (φ L и Х С .

Если , то φ > 0, и ток отстает от напряжения по фазе;

Если , то φ

, то φ = 0, и ток и напряжение изменяются синфазно.

Для выполнения 3 условия необходимо, чтобы частота имела значение:

Если частота внешнего напряжения имеет значение (3.9.25), полное сопротивление цепи имеет наименьшее значение, равное:

Соответственно, сила тока будет иметь наибольшее значение. При этом падение напряжения на активном сопротивлении равно внешнему напряжению, приложенному к цепи:

Падения напряжения на индуктивности и емкости равны по амплитуде и противоположны по фазе. Это явление называется резонансом напряжений , а частота (3.9.25) – резонансной.

При ω = ω рез имеем для амплитуд напряжений на индуктивности и емкости :

Если , то падения напряжения на индуктивности и емкости будут превышать напряжение, приложенное к цепи.

Если емкость в цепи отсутствует, приложенное напряжение равно сумме напряжений на сопротивлении и индуктивности (Рис. 3.9.5):

Тогда из Рис. 3.9.5 следует, что:

Эти формулы совпадут с выражениями (3.9.18) и (3.9.20) соответственно, если в последних положить , т.е. С = ± . Таким образом, отсутствие емкости в цепи означает именно условие С = ± . Действительно, постепенный переход от цепи, содержащей емкость, к цепи без емкости можно представить себе как сближение обкладок конденсатора вплоть до их полного соприкосновения. Но в этом случае расстояние между ними уменьшается, а емкость возрастает.

3.9.5. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока

Рис.3.9.5. Векторная диаграмма для цепи с индуктивностью и сопротивлением

Мгновенное значение мощности, выделяемой в цепи, равно произведению мгновенных значений напряжения и силы тока:

P(t) = U(t)I(t) = U m cosωt·I m cos(ωt-φ).

(3.9.31)

соотношению (3.9.31) можно придать вид:

Практический интерес представляет среднее по времени значение Р(t), которое обозначим через Р. Так как среднее значение cos(2ωt-φ ) = 0, то выполняется:

Средняя мощность выделяется в активном сопротивлении в виде тепла. Используя векторную диаграмму Рис. 3.9.4, можно получить:

Подставляя (3.9.34) в (3.9.33) и учитывая, что , получаем:

Такую же мощность развивает постоянный ток, для которого сила тока равна величине:

Величина (3.9.36) называется действующим , или эффективным , значением силы тока. Аналогично для напряжения имеем действующее значение:

Используя (3.9.36) и (3.9.37), формулу (3.9.33) можно представить в виде:

Входящий в (3.9.38) множитель cosφ называют коэффициентом мощности . Если реактивное сопротивление Х = 0, то, согласно (3.9.34), cosφ = 1, и P = UI (выделяется максимальная мощность). При чисто реактивном сопротивлении цепи R = 0 и cosφ = 0, поэтому средняя мощность также равна нулю. В данном случае невозможно получить выделяемую мощность, отличную от нуля. В электротехнике для сокращения потерь поэтому стремятся сделать значение cosφ как можно больше.

3.9.6. Свободные колебания тока в электромагнитном контуре без потерь

В цепи, содержащей параллельно соединенные индуктивность и емкость, возникают электрические колебания. Такая цепь называется колебательным контуром (Рис.3.9.6).

Рис.3.9.6. Электромагнитные колебания в колебательном контуре

Для того, чтобы вызвать колебания, можно присоединить отключенный от индуктивности конденсатор к источнику тока, вследствие чего на обкладках возникнут разноименные заряды величиной q m (стадия 1). Между обкладками возникнет электрическое поле, энергия которого равна . Если затем отключить источник тока и замкнуть конденсатор на индуктивность, емкость начнет разряжаться, и в контуре потечет ток. В результате энергия электрического поля начнет уменьшаться, но зато возникнет все возрастающая энергия магнитного поля, обусловленная током, текущим через индуктивность. Эта энергия равна величине .

Так как считается, что активное сопротивление равно нулю, полная энергия не расходуется на нагревание и будет оставаться постоянной. Поэтому в момент, когда напряжение на конденсаторе и энергия электрического поля в нем равны нулю, энергия магнитного поля и величина тока достигают максимального значения (стадия 2).

В дальнейшем ток уменьшается и, когда заряды на обкладках конденсатора достигнут первоначальной величины, сила тока становится равной нулю (стадия 3). Отметим, что знаки зарядов на обкладках конденсатора противоположны тем, что были на начальном уровне.

Затем те же процессы протекают в обратном порядке (стадии 4 и 5), и весь цикл повторяется снова и снова. В ходе описанного процесса периодически изменяются (колеблются) заряд на обкладках, напряжение на конденсаторе, сила тока, текущего через индуктивность.

Колебаниям в контуре можно сопоставить колебания пружинного маятника.

Из сопоставления электрических и механических колебаний следует, что энергия электрического поля аналогична потенциальной энергии упругой деформации, а энергия магнитного поля аналогична кинетической энергии. Индуктивность L играет роль массы m, величина, обратная емкости С -1 , — роль коэффициента жесткости k. Наконец, заряду q соответствует смещение маятника х, а силе тока — скорость.

Во время колебаний внешнее напряжение к контуру не приложено. Поэтому падения напряжения на емкости и на индуктивности в сумме должны дать нуль:

Разделив (3.9.39) на величину L и используя выражение для тока , получим:

то уравнение (3.9.40) принимает вид:

Это дифференциальное уравнение 2 порядка, известное как уравнение колебаний. Его решением является функция:

Следовательно, заряд на обкладках конденсатора изменяется по гармоническому закону с частотой, определяемой формулой (10.41). Это – собственная частота контура. Для периода колебаний из (10.41) можно получить формулу Томсона :

3.9.7 Электромагнитные волны

В процессах преобразования электрической энергии в энергию магнитного поля и обратно, происходящих в электромагнитном контуре, возникают электромагнитные колебания, обусловленные неразрывной связью между переменным магнитным и переменным электрическим полями. Максвелл теоретически вычислил, что такие электромагнитные колебания могут распространяться в свободном пространстве со скоростью света, приобретая при этом свойства электромагнитных волн (Рис.3.9.7).

Рис.3.9.7. Структура электромагнитной волны

Как видно из рисунка, векторы электрического и магнитного полей образуют с направлением распространения правовинтовую систему. В фиксированной точке пространства эти векторы изменяются со временем по гармоническому закону. Поскольку волна должна распространяться в пространстве, векторы электрического и магнитного полей должны зависеть от координаты:

Это – уравнения плоской электромагнитной волны, где

модуль волнового вектора, совпадающего с направлением распространения электромагнитной волны, ω и λ — циклическая частота и длина волны,

скорость электромагнитной волны, совпадающая со скоростью света.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было сделано Г.Герцем в 1888г. Для получения волн Герц использовал изобретенный им вибратор. В колебательном контуре электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное – внутри катушки. В окружающее пространство эти поля попасть не могут. Чтобы появилось излучение, нужно модифицировать колебательный контур, сделать его открытым. Этого можно достигнуть, увеличивая расстояние между пластинами конденсатора и между витками катушки (Рис.3.9.8). В пределе можно прийти к вибратору Герца – устройству, которое будет излучать электромагнитные волны, если через вибратор пропускать переменный электрический ток.

Рис.3.9.8. Открытый колебательный контур

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2015

Источник