Установка кондиционера в серверной

Климатическая аппаратура устанавливается в обязательном порядке в комнатах, предназначенных для работы компьютерного оборудования высокой мощности (серверов). Высокая скорость обработки данных и стабильность режимов аппаратуры находятся в прямой зависимости от оптимальной температуры и влажности в серверной комнате. Поэтому кондиционер для серверной должен иметь характеристики, позволяющие выполнять все условия для эффективной работы оборудования. Для этого рекомендуется подбирать системы, обеспечивающие стабильность работы техники.

Требования к кондиционированию серверных помещений

Для обеспечения оптимальных условий функционирования серверов оборудуются специальные помещения, обычно без окон, но с обязательным монтажом климат-систем. Помещения серверных могут быть не подключены к общей вентиляции, при этом из-за отсутствия воздушного потока влажность и температура могут быть повышенными. Критические значения этих параметров вредны и людям, и вычислительной технике, так как повышают аварийность эксплуатации компьютеров.

Поэтому серверные помещения должны эксплуатироваться в особых условиях:

Температура в помещении ≤ 25 o С, оптимальное значение температуры – 15-22 o С;
Процент влажности: в зимнее время 75%, в летнее – 65%;
Скорость потока воздуха в серверной ≤ 0,3-0,5 м/с;
Минимальное загрязнение воздуха;
Шумность оборудования ≤ 65 дБ.

Для минимизации отрицательно влияющих на работу оборудования факторов серверные должны оборудоваться мощными кондиционерами, выполняющими такие специфические задачи, как:

Поддержка оптимальной температуры в помещении с аппаратурой;
Очистка воздуха от микрочастиц;
Контроль и регулировка влажности.

Любой расчет кондиционирования в серверной направлен на повышение производительности оборудования. Стандартной практикой считается передача расчетов в руки специалистов. Точность расчетов определяется наличием данных об общей площади серверной, оборудовании помещения естественной и принудительной системами вентиляции, об общем количестве вычислительной техники, уровне теплоотдачи отдельного сервера, температуре и влажности в помещении без установленного компьютерного оборудования.

Требования к климатическому оборудованию в серверных:

Маломощные кондиционеры в серверных устанавливать не рекомендуется, так как они не способны обеспечить заданные параметры эксплуатации аппаратуры;
Должны быть смонтированы воздушные фильтры для задержки пыли;
Доукомплектование климатического оборудования «зимними комплектами», которые смогут удерживать температуру в серверной комнате вне зависимости от температуры, атмосферного давления и влажности на улице.

Зимний комплект для кондиционера включает в себя три системы:

Регулятор оборотов электродвигателя вентилятора кондиционера, который предотвращает перегрев или переохлаждение испарителя при обдуве воздушным потоком температурой ≥ +30 o С и -20 o С;
Обогреватель компрессора служит для прогрева масла в компрессоре, которое используется для смазки движущихся деталей;
Нагрев дренажного слива.

Каждый кондиционер должен дублироваться, чтобы не нарушать постоянство поддержания требований к специализированным помещениям. Поэтому стандартное решение этой проблемы – монтаж в помещении нескольких кондиционеров или их групп, объединенных в одно целое. Объединение обеспечивает блок ротации – он делает бесперебойным кондиционирование и вентилирование помещений с техникой, выделяющей достаточно много тепла при работе. В таких схемах кондиционеры включаются в работу поочередно.

При выходе из строя одной или нескольких единиц климатического оборудования их резервные копии включаются, и оптимальный температурный и влажностный режимы автоматически сохраняются. Поочередное включение кондиционеров обеспечивает бесперебойное их обслуживание, ремонт и постоянный контроль нагрузки на серверное оборудование.

Климатические сплит-системы

Серверные помещения чаще всего оборудуются внутри здания, а не как отдельный объект, поэтому монтаж сплит-систем в этом случае – процесс сложный. Трудности возникают при прокладке климатических коммуникаций между наружным и внутренним блоками – труб с хладагентом и кабеля, и часто это довольно большое расстояние. Монтаж трасс требует сверления отверстий в стенах помещений, через которые они проходят. При этом многие модели климатических систем рассчитаны на длину труб не более 15 метров, а этого бывает мало. Упустив из виду эту особенность, монтажники рискуют демонтировать установленное охладительное оборудование, чтобы заменить его на более мощное

Достоинства применения сплит-систем в серверных комнатах:

Возможность работы оборудования в диапазоне уличных температур от -30 o С до +45 o С;
Надежность в работе и долговечность безремонтной эксплуатации.
Удобство в эксплуатации и обслуживании как кондиционеров, так и серверного оборудования.

Специалисты-холодильщики рекомендуют выбирать сплит-системы с внутренним блоком, который можно закрепить на стене, что позволит не только освободить площадь для установки другого оборудования, но и обеспечит легкий доступ к управлению и настройке кондиционера. Недостатки настенных климатических систем — низкая производительность.

Кроме настенных, выпускаются сплит-системы с креплением внутреннего блока под потолком (кассетные или потолочные). Особенность таких блоков в том, что у них больше мощность и выше производительность. Охлаждение, прогрев или вентилирования помещения таким оборудованием будет более равномерным. В блоках с размещением под потолком можно удалить наружный блок от внутреннего на 50 и более метров.

Прецизионные кондиционеры и расчет параметров серверной

Прецизионные системы обеспечивают охлаждение, прогрев и вентиляцию серверных с большой общей площадью и с мощным оборудованием в любом количестве и комплектации. Оборудование может работать в бесперебойном режиме до двадцати лет.

В чем отличие прецизионного оборудования от сплит-систем:

Оптимальный микроклимат на больших площадях обеспечивается высокой мощностью;
Длительный период работы в непрерывном режиме;
Стабильность работы при любых наружных температурах;
Наличие дистанционного управления, часто с визуальным контролем параметров;
Простая интеграция в общую систему вентиляции и климат-контроля;
Низкий уровень собственных шумов.

Оборудование является главной причиной повышенного выделения тепла, количество которого указывается в техпаспорте каждого сервера. Также этот параметр можно просчитать самостоятельно. Для этого необходимо измерить силу тока в кабеле питания (в сетевом кабеле). При силе тока 30 А и напряжении сети 380 В мощность оборудования будет равна 11400 Вт, а тепловая мощность – соответственно 11,4 кВт.

В серверной с большой площадью должно быть предусмотрено место для нахождения двух человек из обслуживающего персонала. Тепловыделение одного движущегося человека составляет в среднем 0,175 кВт, то есть, для двух работников параметр будет равен 0,35 кВт.

В серверной без окон будет монтироваться искусственное освещение, которое также выделяет тепло – даже современные экономичные светильники холодного света. Мощность лампы указывается в ее техпаспорте или рассчитать, если такой документации нет. Например, серверное помещение оборудовано 10 светильниками, каждый из которых имеет 4 лампы мощностью по 40 Вт. Расчет следующий: 10 х 4 х 40 х 0,7 = 1,12 кВт (приток тепла от светильников), где 0,7 — коэффициент затрат электроэнергии на осветительные приборы.

Как рассчитать тепловую мощность отопительной системы в серверной? Если отопление центральное, то летом оно не работает, но для любых систем отопления должна быть предусмотрена возможность их отключения в холодное время года. Тепловая мощность от централизованной системы отопления составляет приблизительно 110 Вт/м 2 или 0,11 кВт/м 2 . Общий приток тепла от радиаторов будет равен: 40 м 2 х 0,11 кВт = 4,4 кВт. Теперь можно свести все расчеты для определения общего тепловыделения в серверном помещении:

По результатам расчетов видно, что минимальная производительность прецизионного кондиционера должна быть ≥ 20,13 кВт. Также, исходя из полученных результатов, определяются параметры дублирующего климатического оборудования.

Ротация кондиционеров

В системе дублирования основных кондиционеров используют принцип ротации – замещения. Ротация – это попеременное включение и выключение основных и резервных кондиционеров.

Преимущества использования ротационного блока:

Решается задача поочередного включения кондиционеров в серверной комнате с равномерным расходованием ресурса каждого устройства;
При выходе из строя одного кондиционера, включение резервного происходит в автоматическом режиме, а оператору поступает сигнал о поломке (смс, светозвуковой индикатор и т.д.);
В критичных ситуациях, когда основной кондиционер не может обеспечить нормативные параметры микроклимата, происходит включение дополнительного устройства, что автоматически удваивает производительность кондиционирования. (К примеру, при аномальных погодных условиях, может включаться дополнительный кондиционер для серверной от 40 градусов температуры на улице).

Кондиционер для серверной: требования к помещению и технике

Кондиционер для помещения серверной обеспечивает качественную и долговечную работу дорогостоящей техники в различных организациях. Правильно выбранный прибор поможет стабилизировать работу.

Кондиционер помогает соблюдать технические требования для приборов, находящихся в сервисной. Работа специализированной техники сильно зависит от температуры. Так, резкие колебания могут привести к сбоям или окончательной поломке. Это недопустимо, например, в медицинских учреждениях. Нужно обеспечивать сервисную надежным и эффективным устройством, которое сможет с наименьшими затратами электроэнергии и времени поддерживать стабильную температуру и необходимую влажность в помещении. Второй критерий не менее важен, так как при слишком высоком содержании влаги в воздухе на технике может образовываться конденсат.

Требуемый микроклимат для серверной

Чаще всего серверные оборудуют в помещениях, в которых больше ничего нельзя установить. Зачастую там нет ни окон, ни вентиляции. Понятно, что в таких условиях воздух внутри всегда будет душным, пыльным, жарким. Это может навредить хранимой технике. В серверной должны быть следующие микроклиматические условия:

Внутри помещения должна соблюдаться температура 18-22°C;
Нельзя допускать резкие перепады температуры;
Относительная влажность не должна опускаться ниже 20% и подниматься выше 70%;
Воздушные потоки должны передвигаться не быстрее 0,5 метра в секунду в теплое время года, а в холодное — 0,3 метра в секунды;
Допустимая концентрация частичек меньше 3 микрометров — 0,75 миллиграмм на квадратный метр и ниже.

Типы кондиционеров для серверной

Для помещения серверной на сегодня есть два типа климатической техники.

Прецизионный кондиционер

Это дорогостоящее оборудование, которое способно обеспечить наибольшую точность при установке режима. Этот тип необходим для больших помещений с мощной техникой, которая особо чувствительна к перепадам температур. Для маленьких серверных данный тип не используется, так как цена на прецизионный кондиционер достаточно высока.

Сплит-система с зимним комплектом

Это экономичный вариант, который подходит для небольших помещений. Но главным условием при установке сплит-системы — это наличие зимнего комплекта. С его помощью кондиционер для серверной сможет работать даже в самые низкие температуры, что важно для техники. Однако не все фирмы одинаково хорошо подходят для этой цели. Лучше всего выбирать модели линеек Daikin, Mitsubishi Electric, Mitsubishi Heavy. Зимний комплект включает в себя три элемента.

Регулятор скорости вращения вентилятора внешнего блока. Он замедляет вращение лопастей при определенных температурах. Является наиболее важной и сложной частью комплекта.

Обогревание слива дренажа. Во время работы в кондиционере образуется конденсат, который выводится на улицу. Зимой это приводит к оледенению дренажной трубки. Впоследствии это приведет к утечке в самом помещении. Для избежания этого нужен нагреватель.

Нагреватель компрессорного картера. В кондиционерах добавляется специальное масло к фреону, чтобы снизить коэффициент трения для компрессора. Однако это масло начинает густеть на холоде, что может привести к поломке во время работы климатической техники зимой. Избежать эту ситуацию можно: для этого в зимний комплект обязательно добавляется обогреватель картера, он не дает маслу густеть.

Требования к кондиционерам и характеристики

Чтобы выбрать правильную модель с подходящими характеристиками, помещения должен осмотреть квалифицированный специалист. Это дело требует точных подсчетов, чтобы в будущем оборудование работало исправно. Однако не всегда есть возможность привлечь обученных людей.

К кондиционерам в серверной предъявляются высокие требования, ведь их выход из строя приводит к поломке всего оборудования в помещении. А это большие финансовые убытки для любого учреждения.

Расчет мощности

Сначала нужно осмотреть всю техническую документацию техники, которая стоит в помещении. В каждом таком документе есть информация о вырабатываемом в процессе работы тепле. Все полученные значения нужно сложить, к этому прибавить значение тепловыделения стен. Увеличьте число на 30% (это необходимый запас мощности, чтобы кондиционер не работал на износ).

Помимо этого нужно установить резервное оборудование в помещении с удвоенной мощностью, чтобы случайная поломка или другая экстренная ситуация не привела к выходу из строя приборов.

Что должно контролировать управляющее оборудование
Кондиционер для таких помещений является важным условием корректной и стабильной работой техники. Поэтому существуют повышенные требования к работе устройства, а соответственно и к управляющему оборудованию.

Циркуляция хладагента;
Состояние узлов кондиционера;
Климатические показатели;
Временная работа некоторых модулей, их отключение и включение;
Сигналы об аварийных ситуациях.

Ротация кондиционеров

При установке нескольких кондиционеров следует обеспечить их ротацию. Она согласовывает работы техники. Благодаря ротации производится эффективная работа приборов посредством поочередного включения и выключения. Подходит такой способ для сплит-систем.

Ротационный модуль нужно выбирать сразу, так как они не универсальны и подходят только к определенным линейкам, а иногда и моделям. Создать ротацию можно лишь при условии наличия двух равнозначных приборов с полным резервированием и зимним комплектом на обоих кондиционерах.

Ротация помогает равномерно использовать ресурс кондиционера для серверной. Более того, при аварийной ситуации автоматически включается работающий прибор, что поможет избежать поломки дорогостоящей техники. В случае аномальных погодных условий ротационный модуль способен использовать оба устройства с необходимой мощностью, если ресурсы основного кондиционера недостаточны (например, при сорокаградусном морозе).

Тип управления в помещении серверной

Есть несколько видов управления кондиционеров.

По питанию

Является самым простым типом. Регулирует работу техники путем отключения и включения питания. Осуществляется с помощью ротационного модуля. Этот тип также предлагает доступную цену.

Однако у такой системы есть недостатки. Так, у кондиционера должна быть функция «рестарт», которая сохраняет настройки прибора. Подходит этот способ технике с небольшой мощностью. Помимо этого, нужно проложить отдельный кабель питания.

С помощью блоков адаптации

Адаптационные модули позволяют выключать и включать климатическую технику без прерывания доступа к питанию. Некоторые линейки предоставляют «сухой контакт».

По инфракрасному каналу

Подходит для всех кондиционеров (при этом способе основные и резервные устройства могут быть разных типов). У такого контроллера имеются специальные узлы для сбора данных. Получается инфракрасный сигнал как у пульта дистанционного управления для кондиционера. Не разрывает цепь питания.

Однако этот способ не совсем надежен, так как есть определенные риски сбоев в управлении. Могут случиться помехи со связью, что может испортить работу кондиционеров.

Кондиционер для помещения серверной, выводы

Кондиционер для любой серверной — важное устройство, которое обеспечивает бесперебойную работу техники в помещении. Оборудование, которое находится в серверной, достаточно чувствительно к перепадам температур и может не работать в жару. Повышенная влажность и вовсе может привести к поломке.

Расчет необходимых показателей модели должен производить квалифицированный специалист. Он сможет точно вычислить, какая модель лучше всего подойдет для конкретного помещения. Есть два самых популярных вида кондиционера для этих целей — сплит-системы с зимней комплектацией и прецизионные кондиционеры.

Важно выбрать надежного производителя, который поставляет на рынок только качественную климатическую технику. Специалисты советуют выбирать модели из линеек Daikin и Mitsubishi — японских брендов, которые давно доказали свое качество.

Конденсаторы в сети переменного тока

Что такое переменный ток

Если рассматривать постоянный ток, то он не всегда может быть идеально постоянным: напряжение на выходе источника может зависеть от нагрузки или от степени разряда аккумулятора или гальванической батареи. Даже при постоянном стабилизированном напряжении ток во внешней цепи зависит от нагрузки, что и подтверждает закон Ома. Получается, что это тоже не совсем постоянный ток, но переменным такой ток назвать тоже нельзя, поскольку направления он не меняет.

Переменным обычно называют напряжение или ток, направление и величина которого меняются не под действием внешних факторов, например нагрузки, а вполне «самостоятельно»: именно таким его вырабатывает генератор. К тому же, эти изменения должны быть периодическими, т.е. повторяющимися через определенный промежуток времени, называемый периодом.

Если же напряжение или ток меняется как попало, не заботясь о периодичности и иной закономерности, такой сигнал называется шумом. Классический пример – «снег» на экране телевизора при слабом эфирном сигнале. Примеры некоторых периодических электрических сигналов показаны на рисунке 1.

Для постоянного тока имеется всего две характеристики: это полярность и напряжение источника. В случае с переменным током этих двух величин явно недостаточно, поэтому появляются еще несколько параметров: амплитуда, частота, период, фаза, мгновенное и действующее значение.

Рисунок 1. Примеры некоторых периодических электрических сигналов

Наиболее часто в технике приходится сталкиваться с колебаниями синусоидальной формы, причем, не только в электротехнике. Представьте себе автомобильное колесо. При равномерном движении по хорошей ровной дороге центр колеса описывает прямую, параллельную дорожному покрытию. В то же время, любая точка на периферии колеса перемещается по синусоиде относительно только что упомянутой прямой.

Сказанное может подтвердить рисунок 2, на котором показан графический метод построения синусоиды: кто хорошо учил черчение, тот прекрасно представляет, как выполняются подобные построения.

Рисунок 2. Графический метод построения синусоиды

Из школьного курса физики известно, что синусоида является наиболее распространенной и пригодной для изучения периодической кривой. В точности также синусоидальные колебания получаются в генераторах переменного тока, что обусловлено их механическим устройством.

На рисунке 3 показан график синусоидального тока.

Рисунок 3. График синусоидального тока

Нетрудно заметить, что величина тока изменяется по времени, поэтому ось ординат обозначена на рисунке как i(t), – функция тока от времени. Полный период тока обозначен сплошной линией и имеет период T. Если начать рассмотрение от начала координат, то видно, что сначала ток увеличивается, доходит до Imax, переходит через нуль, уменьшается до –Imax, после чего увеличивается и доходит до нуля. Далее начинается следующий период, что показано пунктирной линией.

В виде математической формулы поведение тока записывается так: i(t)= Imax*sin(ω*t±φ).

Здесь i(t) – мгновенное значение тока, зависящее от времени, Imax -амплитудное значение (максимальное отклонение от состояния равновесия), ω – круговая частота (2*π*f), φ – фазовый угол.

Круговая частота ω измеряется в радианах в секунду, фазовый угол φ – в радианах или градусах. Последний имеет смысл лишь в том случае, когда имеется два синусоидальных тока. Например, в цепях с конденсатором ток опережает напряжение на 90˚ или ровно на четверть периода, что и показано на рисунке 4. Если синусоидальный ток один, то можно двигать его по оси ординат как угодно, и от этого ничего не изменится.

Рисунок 4. В цепях с конденсатором ток опережает напряжение на четверть периода

Физический смысл круговой частоты ω в том, какой угол в радианах «пробежит» синусоида за одну секунду.

Период – T время, за которое синусоида совершит одно полное колебание. То же относится и к колебаниям другой формы, например, прямоугольным или треугольным. Период измеряется в секундах или более мелких единицах: миллисекундах, микросекундах или наносекундах.

Еще один параметр любого периодического сигнала, в том числе и синусоиды это частота, сколько колебаний проделает сигнал за 1 секунду. Единицей измерения частоты является герц (Гц), названный по имени ученого XIX века Генриха Герца. Итак, частота 1Гц это есть ни что иное, как одно колебание/секунду. Например, частота осветительной сети 50Гц, то есть за секунду проходит ровно 50 периодов синусоиды.

Если известен период тока (можно измерить осциллографом), то частоту сигнала поможет узнать формула: f=1/T. При этом, если время выражено в секундах, то результат получится в Герцах. И наоборот, T=1/f, частота в Гц, время получается в секундах. Например, при частоте 50 герц период получится 1/50=0,02сек, или 20 миллисекунд. В электричестве чаще применяются более высокие частоты: КГц – килогерцы, МГц – мегагерцы (тысячи и миллионы колебаний в секунду) и т.д.

Все сказанное для тока справедливо и для переменного напряжения: достаточно на рис 6 просто поменять букву I на U. Формула будет выглядеть вот так: u(t)=Umax*sin(ω*t±φ).

Этих разъяснений вполне достаточно для того, чтобы вернуться к опытам с конденсаторами и объяснить их физический смысл.

Конденсатор проводит переменный ток, что было показано в схеме на рисунке 3 (см. статью – Конденсаторы для электроустановок переменного тока). Яркость свечения лампы увеличивается при подключении дополнительного конденсатора. При параллельном включении конденсаторов их емкости просто складываются, поэтому можно предположить, что емкостное сопротивление Xc зависит от емкости. Кроме того оно зависит еще от частоты тока, и поэтому формула выглядит так: Xc=1/2*π*f*C.

Из формулы следует, что с увеличением емкости конденсатора и частоты переменного напряжения реактивное сопротивление Xc уменьшается. Эти зависимости показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Зависимость реактивного сопротивления конденсатора от емкости

Если подставить в формулу частоту в Герцах, а емкость в Фарадах, то результат получится в Омах.

Будет ли греться конденсатор?

Теперь вспомним опыт с конденсатором и электросчетчиком, почему он не крутится? Дело в том, что счетчик считает активную энергию, когда потребителем является чисто активная нагрузка, например, лампы накаливания, электрочайник или электроплита. У таких потребителей напряжение и ток совпадают по фазе, имеют один знак: если перемножить два отрицательных числа (напряжение и ток во время отрицательного полупериода) результат по законам математики все равно положительный. Поэтому мощность таких потребителей всегда положительна, т.е. уходит в нагрузку и выделяется в виде тепла, как показано на рисунке 6 пунктирной линией.

В случае, когда в цепь переменного тока включен конденсатор ток и напряжение по фазе не совпадают: ток опережает по фазе напряжение на 90˚, что приводит к тому, что получается сочетание, когда ток и напряжение имеют разные знаки.

В эти моменты мощность получается отрицательной. Другими словами, когда мощность положительная, конденсатор заряжается, а когда отрицательная – запасенная энергия отдается обратно в источник. Поэтому в среднем получается по нулям и считать тут просто нечего.

Конденсатор, если конечно он исправный, не будет даже нисколько нагреваться. Поэтому, часто конденсатор называют безваттным сопротивлением, что позволяет применять его в бестрансформаторных маломощных блоках питания. Хотя такие блоки не рекомендуется использовать ввиду их опасности, все-таки иногда это делать приходится.

Перед тем, как устанавливать в такой блок гасящий конденсатор, его следует проверить простым включением в сеть: если за полчаса конденсатор не нагрелся, то его смело можно включать в схему. В противном случае его придется просто без сожаления выбросить.

Что показывает вольтметр?

При изготовлении и ремонте различных устройств, хоть и не очень часто, но приходится мерить переменные напряжения и даже токи. Если синусоида ведет себя так неспокойно, то вверх, то вниз, что будет показывать обычный вольтметр?

Среднее значение периодического сигнала, в данном случае синусоиды, подсчитывается как площадь, ограниченная осью абсцисс и графическим изображением сигнала, деленная на 2*π радиан или период синусоиды. Поскольку верхняя и нижняя часть абсолютно одинаковы, но имеют разные знаки, среднее значение синусоиды равно нулю, и мерить его совсем не нужно, и даже просто бессмысленно.

Поэтому измерительный прибор показывает нам среднеквадратичное значение напряжения или тока. Среднеквадратичным называется такое значение периодического тока, при котором на одной и той же нагрузке выделяется то же количество теплоты, что и на постоянном токе. Иными словами лампочка светит с той же яркостью.

Формулами это описывается вот так: Iсрк=0,707*Imax= Imax/√2 для напряжения формула та же, достаточно поменять одну букву Uсрк=0,707*Umax=Umax/√2. Именно эти значения показывает измерительный прибор. Их можно подставлять в формулы при расчете по закону Ома или при расчете мощности.

Но это далеко не всё, на что способен конденсатор в сети переменного тока. В следующей статье будет рассмотрено использование конденсаторов в импульсных схемах, фильтрах верхних и нижних частот, в генераторах синусоиды и прямоугольных импульсов.

Что такое конденсатор и для чего он нужен в схемах

Общая концепция

Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. С виду простая радиодеталь, но работает на высоких и низких частотах по-разному.

Обозначается на схеме двумя параллельными линиями.

Принцип работы

Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Разберем на примере.

Если подключить к конденсатору постоянный источник тока, то в начальный момент времени ток начнет скапливаться на обкладках конденсатора. Это происходит за счет электростатической индукции. Сопротивление практически равно нулю.

Электрическое поле за счет электростатической индукции притягивает разноименные заряды на две противоположные обкладки. Это свойство материи называется емкостью. Емкость есть у всех материалов. И даже у диэлектриков, но у проводников она значительно больше. Поэтому обкладки конденсатора выполнены из проводника.

Чем больше емкость — тем больше может накопиться зарядов на обкладках конденсатора, т.е. электрического тока.

Основное свойство конденсатора — это емкость. Она зависит от площади пластин, расстояния между ними и материала диэлектрика, которым заполняют пространство между обкладками.

По мере накопления зарядов, поле начинает ослабевать, а сопротивление нарастает. Почему так происходит? Места на обкладках все меньше, одноименные заряды на них действуют друг на друга, а напряжение на конденсаторе становится равным источнику тока. Такое сопротивление называется реактивным, или емкостным. Оно зависит от частоты тока, емкости радиодеталей и проводов.

Когда на обкладках не останется места для электрического тока, то и ток в цепи прекратится. Электростатическая индукция пропадает. Теперь остается электрическое поле, которое держит заряды на своих обкладках и не отпускает их. А электрическому току некуда деваться. Напряжение на конденсаторе станет равным ЭДС (напряжению) источнику тока.

А что будет, если повысить ЭДС (напряжение) источника тока? Электрическое поле начнет все сильнее давить на диэлектрик, поскольку места на обкладках уже нет. Но если напряжение на конденсаторе превысит допустимые знания, то диэлектрик пробьет. И конденсатор станет проводником, заряды освободятся, и ток пойдет по цепи. Как тогда использовать конденсатор для высоких напряжений? Можно увеличить размер диэлектрика и расстояние между обкладками, но при этом уменьшается емкость детали.

Между обкладками находится диэлектрик, который препятствует прохождению постоянного тока. Это именно барьер для постоянного тока. Потому, что постоянный ток создает и постоянное напряжение. А постоянное напряжение может создавать электростатическую индукцию только при замыкании цепи, то есть, когда конденсатор заряжается.

Так конденсатор может сохранять энергию до тех пор, пока к нему не подключится потребитель.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Добавим в схему лампочку. Она загорится только во время зарядки.

Еще одна важная особенность — когда происходит процесс зарядки током, то напряжение отстает от тока. Напряжение как бы догоняет ток, поскольку сопротивление нарастает плавно, по мере зарядки. Электрические зарядам нужно время, чтобы переместиться к обкладкам конденсатора. Так называется время зарядки. Оно зависит от емкости, частоты и напряжения.

По мере зарядки, лампочка начинает тусклее светиться.

Лампочка затухает при полной зарядке.

Постоянный электрический ток не проходит через конденсатор только после его зарядки.

Цепь с переменным током

А что если поменять полярность на источнике тока? Тогда конденсатор начнет разряжаться, и снова заряжаться, поскольку меняется полярность источника.

Электростатическая индукция возникает постоянно, если электрический ток переменный. Каждый раз, когда ток начинает менять свое направление, начинается процесс зарядки и разрядки.

Поэтому, конденсатор пропускает переменный электрический ток.

Чем выше частота — тем меньше реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора.

Назначение и функции конденсаторов

Конденсатор играет огромную роль как в аналоговой, так и цифровой технике. Они бывают электролитическими и керамическими, и отличаются своими свойствами, но не общей концепцией. Примеры использования:

Фильтрует высокочастотные помехи;
Уменьшает и сглаживает пульсации;
Разделяет сигнал на постоянные и переменные составляющие;
Накапливает энергию;
Может использоваться как источник опорного напряжения;
Создает резонанс с катушкой индуктивности для усиления сигнала.

Примеры использования

В усилителях обычно используются для защиты сабвуферов, фильтрации питания, термостабилизации и разделение постоянной составляющей от переменной. А электролитические в автономных схемах с микроконтроллерами могут долго обеспечивать питание за счет большой емкости.

В данной схеме транзистор VT1 постоянно открыт, чтобы усиливать звук без искажений. Но если вход замнется или на него поступи постоянный ток, то транзистор откроется, перейдет в насыщение и перегреется. Чтобы этого не допустить, нужен конденсатор. С1 позволяет отделить постоянную оставляющую от переменной. Переменный сигнал легко проходит на базу транзистора, а постоянный сигнал не проходит.

С2 совместно с резистором R3 выполняет функцию термостабилизации. Когда усилитель работает, транзистор нагревается. Это может внести искажения в сигнал. Поэтому, резистор R3 помогает удержать рабочую точку при нагреве. Но когда транзистор холодный и стабилизации не требуется резистор может уменьшить мощность усилителя. Поэтому, в дело вступает С2. Он проводит через себя усиленный сигнал шунтируя резистор, тем самым, не снижая номинальную мощность схемы. Если его емкость будет ниже расчетной, он начнет вносить фазовые искажения в выходной сигнал.

Чтобы схема качественно работала, обязательно хорошее питание. Когда схема в пиковые значения потребляет больше тока, то это всегда сильная нагрузка на источник питания. С3 фильтрует помехи по питанию и помогает снизить нагрузку. Чем больше емкость — тем лучше звук, но до определенных значений, все зависит от схемы.

А в блоках питания используется тот же принцип, как и в предыдущей схеме по питанию, но здесь емкость нужна гораздо больше. На этой схеме емкость элеткролита может быть как 1000 мкФ, так и 10 000 мкФ.

Еще на диодный мост можно параллельно включить керамические конденсаторы, которые будут шунтировать схему от высокочастотных наводок и шума сети 220 В.

Фазовые искажения

Конденсатор может искажать переменный сигнал по фазе. Это происходит из-за неверного расчета емкости, общего сопротивления и взаимодействия с другими радиодеталями. Не стоит забывать и о том, что любая радиодеталь имеет как реактивное, так и активное сопротивление.

Конденсатор в цепи переменного тока

Этот пассивный элемент применяют для создания различных электротехнических схем, защитных и блокирующих устройств. Конденсатор в цепи переменного тока накапливает и возвращает энергию. С помощью этой публикации можно выяснить назначение и функции популярного радиокомпонента, изучить основные определения и особенности практического применения.

Назначение конденсаторов

Принцип действия всех элементов данной категории определяется способностью накопления электрического заряда двумя проводящими пластинами, которые разделяет слой диэлектрика. Из описания элементарной конструкции понятно, что постоянный ток через конденсатор не проходит. Однако при подключении переменного сигнала энергия возвращается в цепь с периодичностью соответствующей рабочей частоты.

Свойства и выполняемые функции

Отмеченные накопительные способности определяются размерами пластин и расстоянием между ними, диэлектрическими характеристиками промежуточного слоя. Заряд сохраняется после отключения источника питания. Если подсоединить нагрузку, энергия может выполнять необходимые полезные функции.

На рисунке показано устройство, которое «вырезает» небольшой участок спектра. Показанная на графике рабочая частота определяется параметрами цепочки, составленной из конденсатора и катушки индуктивности. В данном примере выполняются функции фильтрации входного сигнала.

Понятие полярности для конденсаторов и их выход из строя

Для улучшения рабочих параметров некоторые компоненты этой категории создают с применением промежуточного материала, пропитанного электролитом. Дополнительные слои создают из оксидов металлов и диэлектриков.

Эти изделия подключают с обязательным соблюдением полярности. Специальная маркировка на корпусе предупреждает пользователей о наличии соответствующего ограничения. При ошибке в процессе монтажа конденсатор будут выведен из строя первым подключением. Кипение электролита может провоцировать повышенное напряжение.

К сведению. Насечками на крышке и предохранительным клапаном уменьшают разрушительный эффект при возникновении аварийной ситуации.

Емкостное сопротивление

Если подключить генератор синусоидального сигнала, с помощью осциллографа можно регистрировать увеличение силы тока по мере роста частоты. В ходе эксперимента нужно поддерживать одинаковую амплитуду на входе.

В следующих разделах публикации рассказано о том, почему происходят отмеченные явления.

Понятие ёмкости

Рассмотренная выше схема стандартной конструкции подразумевает влияние следующих параметров на способность накопления определенного заряда (q):

площади (S) рабочих пластин или обкладок;
расстояния (d) между этими функциональными компонентами;
диэлектрических характеристик слоя (e – проницаемость).

Выяснив значения перечисленных величин, можно рассчитать напряженность:

Накопительные свойства (емкость) определяет следующая формула:

С= (e * S)/ d = q/U, где U – напряжение.

Для случая с переменным током нужно учесть изменение параметров за определенный интервал времени:

С учетом представленных выше зависимостей после простых математических преобразований можно создать алгоритм расчета силы тока, который будет проходить по цепи:

I = (C * ΔU)/Δt = f * C * Uo cos f * t = Io * sin (f * t + 90), где f – частота сигнала.

Векторное представление

Для наглядности процессов основные электрические параметры удобно представлять в векторной форме. Чтобы учесть замедление процессов обмена энергией, устанавливают понятие емкостного сопротивления (Xc).

График и векторное представление демонстрируют отставание напряжения от тока, который будет течь в цепи на 90° (π/2).

К сведению. Обратный эффект наблюдается, если включить в схему катушку индукции. В этом случае напряжение будет опережать ток по фазе на аналогичный угол (90°).

Приведенные особенности подтверждают наличие реактивных компонентов конденсаторов и катушек, соответственно. В упрощенном виде сопротивление Хс выражается обратной зависимостью от частоты и емкости:

Представленную формулу можно использовать для расчета фильтров, колебательных контуров и других схем.

График ёмкостного сопротивления

Может ли через конденсатор протекать постоянный ток, отмечено выше. Наличие слоя диэлектрика предотвращает свободное протекание электронов через этот участок. Такой материал только накапливает заряды, но при одинаковых потенциалах эквивалентен разрыву проводника. При работе с переменным сигналом ток смещения в переделах этой зоны выполняет функцию «соединения» цепи.

Выводы:

отсутствие колебательных процессов (f=0) соответствует уменьшению до нуля проводимости, что аналогично разрыву цепи;
при увеличении емкости сопротивление конденсатора уменьшается;
чем выше частота, тем лучше проводимость.

Работа (мощность) в ёмкостной нагрузке

Выше отмечена цикличность энергетического обмена между источником переменного сигнала и подключенным конденсатором.

Диаграммы демонстрируют процессы в конденсаторе на примере сжимания/ растяжения пружины внешней силой. В идеальных условиях энергетические потери отсутствуют. Однако в реальной ситуации нужно учесть потребление мощности активным сопротивлением соединительных проводов, иных компонентов схемы. Уменьшение КПД объясняется ухудшением функционального состояния диэлектрика.

Прочие параметры

Для уточненных расчетов применяют эквивалентную схему изделия со следующими компонентами:

емкость;
электрические сопротивления изоляционного слоя, контактных и проводящих элементов конструкции;
индуктивные реактивные составляющие.

К сведению. После отключения нагрузки на выводах конденсатора фиксируется небольшой рост напряжения (абсорбция заряда). Также существует зависимость рабочих параметров от температуры.

Типы конденсаторов

Кроме изделий с постоянным номиналом, выпускают переменные и подстроечные конденсаторы. Их особенности понятны по специфическим названиям. Также используют распределение на классы по материалу диэлектрика:

газ (воздух);
керамика, слюда, стекло;
бумага;
оксид металла и пропитка основы электролитом, другие комбинации.

Применение конденсаторов

В следующем перечне приведены типичные примеры использования на практике функциональных свойств конденсатора:

фильтры, цепи обратной связи, иные схемы с частотно-зависимыми характеристиками;
импульсные излучатели (лазеры, фотовспышки);
дежурные элементы автономного электропитания (памяти);
компенсаторы реактивной мощности при подключении двигателей и других мощных нагрузок.

Конденсатор в цепях электрического тока

Следующие эксперименты можно проводить в домашней лаборатории. Они демонстрируют, как будет работать конденсатор с разными источниками питания.

Цепь постоянного тока

При подключении к аккумулятору накопление энергии происходит. Однако протекание тока в цепи блокирует диэлектрик.

Цепь переменного тока

Собрав простую схему, можно увидеть отличия входного и выходного сигнала. По мере увеличения частоты на определенном уровне амплитуды становятся равными, а фазы совпадут.

Включение в цепи синусоидальной ЭДС

Конденсаторы в цепи постоянного тока не работают динамично. Поэтому имеет смысл изучать электрические параметры при подключении генератора синусоидального сигнала. В этой ситуации, кроме энергетических процессов, можно проверить частотные зависимости.

Виды включений

Параллельный способ соединения увеличивает емкость:

Для уменьшения основного функционального параметра используют последовательную схему:

1/Собщ = 1/С1 + 1/С2.

При подключении к источнику переменного тока конденсатор подойдет для решения следующих задач:

устранение постоянной компоненты сигнала;
ухудшение проводимости для определенного частотного диапазона;
настройка частоты колебательного контура и других радиотехнических схем.

При необходимости с помощью конденсатора можно гасить паразитные колебания, убирать импульсные помехи.

Простейший тип включения

Представленные выше формулы по току и напряжению можно изобразить следующим образом:

I = Im cos (f*t + π/2);
U = Uo * cosf*t.

В простой схеме включения следует отметить следующие этапы рабочего процесса:

увеличение напряжения с накоплением заряда током максимальной силы;
уменьшение i(t) до нуля с одновременным достижением максимума Um;
снижение U c одновременным разрядом конденсатора;
достижение уровня Im c U =0.

Общий подход к выбору изделий и порядку расчетов корректируют с учетом целевого назначения. Если отсутствуют повышенные требования к точности, можно применить представленные параметры и формулы. Дополнительные данные можно получить из сопроводительной документации, на официальных сайтах производителей радиоэлектронных компонентов.

Видео

Ток через конденсатор

Время на чтение:

Конденсаторы — это приборы, накапливающие электрическую энергию в виде зарядов. Аппараты не могут пропускать через себя постоянный ток. Будучи включёнными в цепь с переменным током, он уподобляется пружине, подвергающейся внешнему воздействию. Примечательно, что они не будет пропускать и ток, однако при его прохождении случится перезарядка накопителя, из-за чего покажется, что он проходит через обкладки. Если к ним в разряженном состоянии приложить постоянное напряжение, то по цепи пойдет ток, который снижается по мере зарядки накопителя. Когда достигается паритет значений напряжения на источнике питания и пластинах, он прекращает протекать, что приводит к разрыву.

Что такое конденсатор

Конденсаторы — это пассивные элементы, используемые при формировании разнообразных электротехнических схем, блокирующих и защитных устройств. Будучи включённым в переменную цепь накопитель аккумулирует и возвращает энергию. Если подключается переменный, то энергия возвращается в систему, при этом поддерживается периодичность, которая соответствует рабочей частоте.

Что собой представляют конденсаторы

К сведению! Когда через конденсатор протекает переменный ток, то он непрерывно оказывает ему сопротивление, величина которого обратно пропорционально зависит от частоты.

Уменьшение частоты приводит к повышению сопротивления. Когда источник, генерирующий такой ток, подключается к накопителю, то максимальное напряжение определяется силой.

Чтобы на примере убедиться в возможности проведения переменного тока, формируют простую электрическую цепь, включающую следующие компоненты:

переменные источники;
конденсатор;
потребитель — обычно это лампочка.

Цепь с конденсатором

Будучи включённым в переменную конденсатор время от времени перезаряжается, приобретая и отдавая заряды. Следовательно, происходит обмен электричеством между источником и двухполюсником, что приводит к формированию реактивной энергии.

Обратите внимание! Прибор не допускает пропускание по постоянной сети, поскольку в этом случае имеющееся сопротивление будет равно бесконечности. Если проходит переменный, то у сопротивления будет конечное значение.

Принцип работы конденсатора

Подключение прибора к постоянному источнику приводит к тому, что в начальный момент происходит аккумуляция в обкладках из-за электростатической индукции, а сопротивление в этот момент приравнивается нулю. Электрическая индукция провоцирует поле к притяжению разноимённых зарядов на разные обкладки, расположенные друг напротив друга.

Такое свойство получило название ёмкость, которая характерна для всех типов материалов, в том числе и диэлектриков, однако в случае с проводниками она существенно больше. Именно поэтому обкладки изготавливаются из проводника. Увеличение ёмкости способствует накоплению большего количества зарядок на обкладках.

Важно! Когда аккумулируются заряды, происходят ослабление поля и наращивание двухполюсника.

Происходит это из-за уменьшения места в обкладках, воздействия одноимённых зарядов друг на друга. Одновременно с этим напряжение приравнивается к источнику тока. Прекращение электричества в цепи происходит после того, когда обкладки полностью заполнятся электричеством. Из-за этого пропадает индукция и остаётся только поле, удерживающее и не пропускающее заряды.

Диэлектрик между обкладками

Электротоку будет некуда деться, а на двухполюснике напряжение приравнивается к ЭДС. Когда ЭДС повышается, поле сильнее воздействует на диэлектрик из-за отсутствия места в обкладках. Если внутреннее конденсаторное напряжение будет выше предельных значений, тогда пробьёт диэлектрик.

Конденсатор преобразуется в проводник, и происходит освобождение зарядов, из-за чего электроток начинает идти. Чтобы применять двухполюсник при высоком напряжении повышают размер диэлектрика и наращивают расстояние, имеющееся между обкладками на фоне снижения ёмкости. Диэлектрик располагается между обкладками и не даёт проходить постоянному, выполняя в отношении него барьерную функцию.

Электрическая индукция

Обратите внимание! Именно постоянное напряжение способно формировать электростатическую индукцию, но только в случае замыкания в момент зарядки конденсатора. Благодаря этому механизму сохраняется энергия до момента подсоединения к нему потребителю.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Чтобы понять, как работает накопитель в цепи постоянного тока, надо добавить в схему лампочку, которая станет загораться только при зарядке, в процессе которой от электротока остаётся напряжение, как бы догоняющее его из-за плавного нарастания. Заряды электричества затрачивают какое-то время для перемещения к обкладкам, именно это и есть время зарядки, продолжительность которого определяется частотой и ёмкостью напряжения. Когда зарядка завершается, лампочка тухнет, и постоянный электроток перестаёт проходить через пассивный электронный компонент.

Конденсатор в цепи переменного тока

Если у источника изменить полярность, то это приведёт к разрядке конденсатора в цепи переменного тока и его повторной зарядке. Формируется постоянная электростатическая индукция при переменном. Всегда при изменении электричеством своего направления запускается механизм зарядки и разрядки, из-за чего он и пропускает переменный. Увеличение частоты приводит к снижению ёмкостного сопротивления двухполюсника.

Почему идет переменный ток через конденсатор

Конденсатор — это разрыв, поскольку его прокладки не касаются друг друга из-за нахождения между ними диэлектрика, не проводящего постоянный электроток. Однако будучи подключённым к постоянной цепи, он всё же может его проводить в момент подсоединения, поскольку происходит зарядка или перезарядка.

Когда завершается переходный процесс, ток перестаёт проходить через пассивный электронный компонент из-за разделения его обкладок диэлектриком. Будучи подключённым к такой цепи он проводит его колебания вследствие циклической перезарядки. Здесь прибор входит в колебательный контур и вместе с катушкой выполняет функцию накопителя энергии.

Такой симбиоз способствует преобразованию электричества в магнитную энергию или, наоборот, с равной их собственной частотной скоростью, которая рассчитывается по формуле: omega = 1 / sqrt(C × L).

Почему идёт переменный ток

Действительность такова, что конденсатор не способен пропускать через себя переменный ток. Сначала он его аккумулирует на обкладках. Возникает ситуация, в которой на одной из них имеет место переизбыток электронов, а на другой их, напротив, мало. В результате конденсатор отдаёт эти заряды, из-за чего электроны, находящиеся во внешней цепи, перемещаются в одну и в другую сторону от одной обкладки к другой.

К сведению! Результат выражается в том, что электроны перемещаются внутри внешней цепи, но не в самом пассивном компоненте. Энергия перераспределяется внутри поля между конденсаторными пластинками, что называют токами смещения, отличающимися от электротоков проводимости.

Формулы вычисления тока в конденсаторе

Ёмкость конденсатора, включенного в цепь переменного тока, рассчитывается по формуле: C = q / U, где:

С — ёмкость;
q — заряд одной из пластин;
U — напряжение внутри.

Ёмкость

Конденсаторы бывают разной формы, поэтому и их расчёт осуществляется по нескольким формулам:

плоский — C = E × E0 × S / d;
цилиндрический — С=2 π × E × E0 × l / ln(R2 / R1);
сферический — C = 4 π ×E × E0 × R1 × R2 / R2 — R.

Обратите внимание! Сопротивление в переменной цепи, которое может оказывать резистор, включённый в электрическую цепь, вычислить нельзя, так как она считается бесконечно большим. Однако в данном случае, это можно сделать по формуле: Хс = 1 / 2πvC = 1 / wC.

Напряжение конденсатора в цепи переменного тока вычисляется по следующей формуле: Wp = qd E / 2.

Напряжение рассчитывается по определенной формуле

Чтобы рассчитать напряжение на конденсаторе в цепи переменного тока, необходимо воспользоваться актуальными формулами.

Где и зачем применяются конденсаторы

Где и почему используются эти приборы, которые могут работать в радиотехнических, электронных и электротехнических устройствах? Накопители используются в электротехнике при включении асинхронных моторов для сдвига фаз, без чего двигатель в составе однофазной цепи не будет функционировать. Если ёмкость составляет несколько фарад, то их применяют в электромобилях для питания мотора.

Применение возможно в разных сферах

Правильное использование этих приборов позволит получить лучший результат. Понимание основных принципов физики упрощает эксплуатацию оборудования. Неправильное применение чревато негативными последствиями, вызванными несоблюдением техники безопасности.

Физика. 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 9. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного электрического тока

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Процессы, происходящие в цепи переменного электрического тока при наличии конденсатора и катушки индуктивности;

Устройство и принцип действия генератора переменного тока и трансформатора;

Проблемы передачи электроэнергии и способы повышения эффективности её использования.

Глоссарий по теме

Автоколебания – незатухающие колебания в системе, поддерживаемые за счет постоянного источника энергии.

Электрические машины преобразующие механическую энергию в электрическую называются генераторами.

Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения переменного напряжения.

Коэффициент трансформации – величина равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. – М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.

Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004

Основное содержание урока

Переменный ток, которым мы пользуемся, вырабатывается с помощью генераторов переменного тока на электростанциях. Для передачи произведенной электроэнергии строятся линии электропередачи. В каждом населенном пункте имеются трансформаторы. Какую роль играют трансформаторы при передаче электроэнергии? Об этом мы поговорим на данном уроке.

В июле 1832 года Фарадей получил анонимное письмо, в котором автор описывал устройство созданного им генератора постоянного тока. Ознакомившись с содержанием письма Фарадей тут же отослал его в редакцию научного журнала. Автор этого письма не назвал себя, его фамилия осталась неизвестной.

Электрические машины преобразующие механическую энергию в электрическую называются генераторами. Впоследствии генераторы постоянного тока непрерывно совершенствовались. Потом, когда начали использовать переменный ток они уступили место генераторам переменного тока. Переменный ток в основном вырабатывается генераторами переменного тока. Простой моделью генератора может служить прямоугольная рамка, вращающаяся в магнитном поле. При вращении рамки, магнитный поток пронизывающий площадь поверхности, ограниченную рамкой, меняется по гармоническому закону:

Возникает ЭДС индукции который меняется по гармоническому закону.

ЭДС индукции в рамке равна:

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щёток соединить концы рамки с электрической цепью, то в цепи возникнет переменный ток.

В современной энергетике для производства электроэнергии используются электромеханические индукционные генераторы. Принцип действия таких генераторов основан на явлении электромагнитной индукции. Основными частями генератора являются статор и ротор. Неподвижная часть генератора называется статором, а вращающаяся – ротором.

Постоянный ток не может идти по цепи содержащей конденсатор, т. к. цепь оказывается разомкнутой. При включении конденсатора в цепь переменного тока конденсатор будет периодически заряжаться и разряжаться с частотой равной частоте приложенного напряжения. В результате периодически меняющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора в цепи течет переменный ток. Лампа накаливания, включенная в цепь переменного тока последовательно с конденсатором кажется горящей непрерывно, т.к. при высокой частоте колебаний силы тока человеческий глаз не способен заметить периодического ослабления нити накала. Конденсатор оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

Величину Х_C, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора называют ёмкостным сопротивлением.

Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току. Чем больше ёмкость конденсатора и частота колебаний, тем больше ток перезарядки. При наличии в цепи переменного тока конденсатора колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения конденсаторе на 90º. Сдвиг фазы колебаний силы тока на 90º относительно фазы колебания напряжения на конденсаторе приводит к тому, что мощность переменного тока в течение одной четверти периода имеет положительный знак, а в течение второй четверти – отрицательный. Поэтому среднее значение мощности за период равно нулю.

Индуктивность в цепи, так же, как и ёмкость, влияет на силу переменного тока. Объясняется это явлением самоиндукции. В любом проводнике, по которому протекает переменный ток, возникает ЭДС самоиндукции. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при этом вихревое электрическое поле тормозит движение электронов. Лишь спустя некоторое время сила тока достигает максимального значения, соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет успевать достигать тех значений, которые она приобрела бы при постоянном напряжении. Следовательно, максимальное значение силы переменного тока ограничивается индуктивностью цепи и его частотой колебаний.

Величину Х_L, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю. Поэтому постоянный ток как бы не «замечает» катушку индуктивности в цепи.

Колебания напряжения на катушке опережают по фазе колебания силы тока на 90º.

Сдвиг фазы колебаний приводит к тому, что средняя мощность за период колебаний равна нулю.

Генератор на транзисторе используется для создания высокочастотных электромагнитных колебаний.

Для потребления электрической энергии нужно доставить его от источника к потребителю. Для этого строят линии электропередачи. При передаче электроэнергии на расстояние возникают потери энергии вследствие нагревания проводов. Тепловые потери можно определить используя закон Джоуля – Ленца:

Из этой формулы следует, что для уменьшения потерь энергиинужно уменьшить сопротивление или повысить напряжение. Уменьшения сопротивления проводов ЛЭП требует увеличения их площади поперечного сечения, что приведет к увеличению массы проводов. Увеличение массы проводов связано с большими расходами на укрепление столбов линии электропередачи, для их удержания и на производство металла для них. Наиболее эффективным является увеличение напряжения.

Для изменения напряжения в сети используют трансформаторы. Трансформатор был изобретен в 1876 году Яблочковым и в 1882 году усовершенствован Усагиным. Простейший трансформатор состоит из двух катушек, надетых на общий замкнутый стальной сердечник. Эти катушки называются обмотками трансформатора. Обмотка трансформатора, подключаемая к источнику переменного напряжения, называют первичной, а другая к которой присоединяют нагрузку – вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в трансформаторе возникает переменное магнитное поле. Это поле пронизывает обе обмотки и в них возникает вихревое электрическое поле, которое действуя на заряженные частицы во вторичной обмотке способствует возникновению в ней переменного напряжения.

Величина равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора называют коэффициентом трансформации. Его обозначают буквой «k».

k– коэффициент трансформации.

U₁ и U₂ – напряжения на первичной и на вторичной обмотке.

N₁ и N₂– число витков на первичной и на вторичной обмотке.

Если k 1 – трансформатор понижающий.

КПД трансформатора равен отношению мощности в нагрузке к мощности, подаваемой из сети на первичную обмотку:

Для передачи электроэнергии на расстояние напряжение повышают с помощью трансформатора, а для потребления – понижают. В массивных проводниках при изменении магнитного поля возникают индукционные токи (токи Фуко), которые нагревают проводник. Чтобы эти индукционные токи не нагревали сердечник трансформатора его делают не сплошным, а из отдельных пластин, скрепленных вместе.

Закон Ома гласит: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

Из формулы закона Ома для переменного тока мы видим, что при постоянной амплитуде напряжения, амплитуда силы тока зависит от частоты. Амплитуда силы тока будет максимальной, если полное сопротивление минимально. Полное сопротивление цепи минимально при равенстве индуктивного и ёмкостного сопротивления. В этом заключается условие возникновения резонанса в электрической цепи.

Резонанс в электрической цепи – это явление резкого возрастания амплитуды колебаний силы тока в контуре при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний контура.

Явление резонанса широко используется в радиотехнике, в схемах настройки радиоприемников. Меняя электроемкость конденсатора в колебательном контуре можно настроить его на нужную волну, т.е. выделить частоту на которой работает передающая станция

Разбор тренировочных заданий

1. Каково амплитудное значение ЭДС, возникающей в рамке из 50 витков, если она вращается с циклической частотой 180 рад/с в магнитном поле индукцией 0,4 Тл? Площадь рамки 0,02 м 2 .

2. Катушка с индуктивностью 0,08 Гн присоединена к источнику переменного тока частотой 1000 Гц. При этом вольтметр показывает 100 В. Определить амплитуду тока в цепи. Ответ округлить до десятых.

Напишем закон Ома для переменного тока