Тема 3. Електричні кола змінного струму

Змінним називають струм, зміна якого за значенням і напрямком
повторюється періодично через рівні проміжки часу.
Широке застосування змінного струму в різних областях техніки
пояснюється легкістю його одержання й перетворення, а також простотою
устрою генераторів і двигунів змінного струму, надійністю їх роботи й
зручністю експлуатації.
Розглянемо принцип дії найпростішого генератора змінного струму.

 Між полюсами електромагніту або постійного магніту (мал. 1) в

одноріднім магнітнім полі рівномірно обертається з кутовою швидкістю ω
рамка площею S .
Магнітний потік через рамку

Величину ω також називають круговою частотою.Через те що при обертанні рамки магнітний потік, що її перетинає, увесь час міняється, то за законом електромагнітної індукції в ній буде ЕРС індукції

де

Ε m = BSω - амплітуда (максимальне значення) синусоїдальної ЭДС, що
виникає в рамці.
Якщо до затискачів генератора підключити навантаження, то через неї
піде струм, який також буде змінюватися за синусоїдальним законом. Графік
синусоїдального струму i = I m sinωt представлений на мал. 2. По осі ординат
відкладають струм i , по осі абсцис - кут α = ω t або час t .
Значення e = E (t) змінної ЭДС (а також струму й напруги) у поточний
момент часу називається миттєвим значенням.
Величину , що стоїть під знаком синуса або косинуса,
називають фазою коливань, описуваних цими функціями. Фаза визначає
значення ЕРС у будь-який момент часу t й виміряється в градусах або радіанах.
Величина f називається частотою коливань і пов'язана із круговою частотою співвідношенням ω = 2πf .
Час T однієї повної зміни ЕРС (час одного оберту рамки) називають
періодом ЕРС. Зміна напруги, струму й ЕРС з часом може бути зображена на
часовій діаграмі (мал. 3).
Частота коливань пов'язана з періодом співвідношенням f= 1/T. Якщо
період виміряється в секундах, то частота - у герцах (Гц). У більшості країн,
включаючи Україну, промислова частота змінного струму становить 50 Гц (у
США і Японії - 60 Гц).
Величина промислової частоти змінного струму обумовлена техніко
економічними міркуваннями. Якщо вона занадто низка, то збільшуються
габарити електричних машин і, отже, витрата матеріалів на їхнє  виготовлення; помітним стає миготіння світла в електричних лампочках. При занадто високих частотах збільшуються втрати енергії, пов'язані з перемагнічуванням сердечників електричних машин і трансформаторах. Тому найбільш оптимальними виявилися частоти 50-60 Гц. Однак у деяких випадках використовуються змінні струми як з більш високої, так і з більш низькою частотою. Наприклад, у літаках застосовується частота 400 Гц. На цій частоті можна значно зменшити габарити й вагу трансформаторів і електромоторів, що для авіації більш суттєво, ніж збільшення втрат у сердечниках. На залізницях використовують змінний струм із частотою 25 Гц і навіть 16,66 Гц.