Maiņstrāva

MAIŅSTRĀVA
Tā kā tehnikā un ikdienas dzīvē liela nozīme ir maiņstrāvai, tad svarīgi ir labi saprast maiņstravas ķēdes likumsakarības. Izradas , ka, elektriskajā ķēdē līdzstrāvas avota vieta ieslēdzot maiņstrāvas avotu ar tādu pašu elekrodzinējspēku, strāvas stiprums kļūst citāds. Tās nozīmē, ka izmainās ķēdes pretestība. Bez tam maiņstrāvas ķēdes rodas fāzu nobīde starp strāvu un spriegumu.
Par maiņstrāvu sauc tādu strāvu, ko vadītājā izraisa gan pēc lieluma, gan pēc virziena periodiski mainīgs elektrodzinējspēks.
Liela nozīme ir maiņstrāvai, kurai momentānā sprieguma u un laika t sakarību izsaka sinusa funkcija:

u=Um*sin wt,
kur Um – sprieguma maksimālā vērtība, w – maiņstrāvas leņķiskā frekvence. Savukārt

w=2πf.
Ja ķēdē ieslēgts sinusoidāla maiņsprieguma avots, tad momentānās strāvas i un laika sakrību,
i=Imsin(wt+φ),
kur Im=Um|z strāvas maksimālā vērtība (z – ķēdes pilnā pretestība) un φ – fāzu nobīdes leņķis stap strāvu i un spriegumu u.

Maiņstrāvas ķēdes izšķir divus pretestības veidus:
1.aktīvo pretestību
2.reaktīvo pretestību,

kura savukārt var būt:
a)induktīva
b)kapacitīva

Aktīva pretestība r. Par aktīvo pretestību sauc pretestību, kuras pārvarēšanai jāpatērē enerģija, kas visa pāriet siltumā (praktiski vara un alumīnija vadiem, ja f=50 Hz, šī pretestība ir tā saucamā omiskā pretestība, ko aprēķina pēc formulas r=p l/S, jo tad var neievērot skinefektu).
Aktīvās pretestības gadījumā strāva un spriegums ķēdē sakrīt fāzē. Aktīvai pretestībai r pieliktais maiņspriegums rada tajā strāvu, kuras lielumu jebkurā momentā nosaka Oma likums:

i=u/r,
kur I un U – strāvas un sprieguma efektīvās vērtības, kuras uzrāda mēraparāti maiņstrāvas ķēdē.
Ja līdzstrāva, plūstot caur kādu vadītāju, attīsta tādu pašu laika sprīdī (vienā periodā), tad tādas līdstrāvas vērtība ir vienāda ar attiecīgās maiņstrāvas efektīvo vērtību. Sakarība starp strāvas un sprieguma efekīvajām un maksimālajām vērtībām ir šādas:

I=Im/√2
U=Um/√2

REAKTĪVĀS PRETESTĪBAS
A:Induktīvā pretstība (xl)
Aplūkojot tādu spoli, kurai nav omiskās pretestības. Šādai spolei pieliktais spriegums ul vienīgi kompensē pašindukcijas elektrodzinējspēku el , kas inducējas, mainoties strāvai spolē.
uL=eL=-L•di/dt,

kur L- spoles induktivitāte.

Fizikāli to saprotam tā, ka, lai gan spolei ir pielikts spriegums, tomēr strāva vēl nav, jo tieši tajā momentā, kad tā rastos, rodas pašindukcijas elektrodzinējspēks, kas, pēc Lenca likuma, šajā pašā momentā rada strāvu prētējā virzienā (kompensē tiešo strāvu)
Uzrakstot pēdējo formulu par Oma likumu, varam rakstīt, ka ωL=xL , kur xL – induktīvā pretestība.
Pārveidojot iegūsim, ka
XL=2πfL

Praktiski katrai spolei ir arī omiskā pretestība r (arī ķēdei), kas ar šīs pašas spoles induktīvo pretestību xL veido it kā virknes slēgumu.
B:Kapacitīvā pretestība xC
Strāvas ieslēgšanas brīdī, kad kondensators tikko sāk uzlādēties, tā spriegums uC ir vismazākais, turpretī uzlādes strāva, kas plūst ķēdē, ir vislielākā. Ja kondensators ir uzlādēts, tad tā spriegums uC ir vislielākais, bet strāva vismazākā. Tāpēc spriegums uz kondensatora un strāva caur to nav vienādā fāzē.

Tehnikā ar maiņstrāvu parasti saprot periodisku strāvu, kuras visas vērtības atkārtojas pēc vienāda laika sprīža, ko sauc par periodu (T). Pirmā pusperioda laikā strāvai ir viens virziens, bet otrā pusperiodā – cits, pretējais virziens.
Maiņsrāvas vai maiņsprieguma vērtību kādā laika momentā sauc par momentāno vērtību.
Par strāvas momentāno vērtību sauc attiecību starp elementāro elektrības daudzumu dq, kas plūst caur vada šķērsgriezumu mazā laika sprīdī dt, pret šā laika ilgumu,

i=dq/dt

Vislielākās strāvas vai sprieguma vērtības sauc par maksimālām vai amplitūdas vērtībām.
Strāvas izmaiņu kompleksu, kas norisinās perioda laikā, sauc par maiņstrāvas ciklu.
Perioda apgriezto lielumu, kas skaitliski vienlīdzīgs ar periodu skaitu sekundē, sauc par maiņstrāvas frekvenci un apzīmē ar burtu f

f=1/T

Frekvences vienība ir hercs (Hz), kas ir vienlīdzīgs ar vienu periodu sekundē.

Maiņstrāvas efektīvā vērtība ir vienlīdzīga ar tādas ekvivalentas līdzstrāvas vērtību, kas, plūstot caur to pašu pretestību, pa kuru plūst maiņstrāva, perioda laikā izdala šai pretestībā to pašu siltuma daudzumu.

Oma likums maiņstrāvas ķēdēs
Oma likums, ko var formulēt šādi: strāva noslēgtā ķēdē ir tieši proporcionāla EDS un apgriezti proporcionāla visas ķēdes pretestībai.
1.Šī formula ir Oma likuma izteiksme maiņstrāvas ķēdei ar aktīvo pretestību un idduktivo pretestību. Šīs izteiksmes saucēju apzīmē apzīmē ar Z, un sauc par ķēdes pilno pretestību.

2.Šī formula ir Oma likums maiņstravas ķēdei ar aktīvo un kapicitīvo pretestību. Šīs izteiksmes saucēju apzīmē ar Z un sauc par ķēdes pilno pretestību:

3.Šī formula ir Oma likuma izteiksme maiņstrāvas ķēdei ar aktīvo, induktīvo un kapicitatīvo pretestibu. Šīs izteiksmes asaucēju apzīme ar Z un sauc par ķedes pilno pretestību:
Z=
4.Strāvas I1 un I2 saskaņa ar Oma likumu nosaka šādi:
,

LĪDZSTRĀVA
Vienkāršākā elektriskā ķēde sastāv no elektriskās enerģijas avota E, enerģijas patērētāja P
Un diviem linijas vadiem L1 un L2, kas savieno avotu ar enerģijas paterētāju. Līnijas vadus pieslēdz elektroenerģijas avota divām spailēm, ko sauc arī par pozitīvo (+) polu un negatīvo (-) polu.
Elektriskās enerģijas avots mehānisko, ķīmisko, siltuma vai cita veida enerģiju pārveido elektriskajā enerģijā. Patērētājā elektroenerģija pārveidojas cita veida enerģjā – mehāniskajā, ķīmiskajā, gaismas u. c. Par elektriskās enerģijas avotiem izmanto ģeneratorus (elektriskās mašīnas, ko darbina mehānisks dzinējs), akumulators un galveniskos elementus. Elektroenerģijas patērētāji ir apgaismošanas spuldzes, elektrodzinēji,sildierīces un citi.
Savstarpēji savienojot galvaniskos elementus vai akumulatorus, iegūst galvenisko elementu vai akumulatoru batareju. Elektriskās enerģijas avots un tam ar līnijas vadiem pievienots enerģijas patērētājs veido naslēgtu elektrisko ķēdi, kurā notiek nepārtraukta lēdiņu kustība, ko sauc par elektrisko strāvu.
Līdzstrāva metāla vadītājos ir nostabilizējusies brīvo elektronu virzes kustība noslēgta ķēdē. Elektriskajās shēmas strāvs un sprieguma pozitīvo virzienu nosacīti pieņemts apzīmēt ar bultiņu (no plusa uz mīnusu).
Strāva divos vados, kas atrodas viens no otra noteiktā attālumā, rada mehāniskos spēkus,kas darbojas uz šiem vadiem. Strāvas vienība ir ampers (A). Starptautiskajā vienību sistēmā (SI) ampērs ir tāda nemainīga stipruma strāva, kura, plūstot divos paralēlos taisnos bezgalgi garos oti maza apaļa šķērsgrizuma vados, kas atrodas vakuma 1 m attālumā viens no otra, rada starp šiem vadiem 2•10-7 N (ņūtonu) spēku uz katru vada garuma metru.
Elektriskā strāva izsaka elektrības daudzumu (mēra kulonos), kas izplūst caur vada šķērsgriezumu laika vienībā. Ja vada plūst 1 A strāva, tad caur šī vada šķērsgriezumu 1 sekunde (s) izplūst 1 kulons (C) lektrības.
Līnijas vadi un enerģijas patērētājs veido ārējo ķēdi, kurā strāvu rada potenciālu starpība uz enerģijas avota spailēm, un šī strāva plūst no punkta ar augstāku potenciālu (no pozitīvās spailes) uz punktu ar zemāku potenciālu (uz negatīvo spaili). Potenciālu, kā arī potenciālu starpību izsaka voltos (V).
Mūslaiku elektrotehnikā kā barošanas avotus galvenokārt lieto elektriskos ģeneratorus, kuros mehāniskā enerģija tiek pārveidota elektriskajā enerģijā, un primāros elementus un akumulatorus, kuros ķīmiskā enerģija pārveidojas elektriskajā enerģijā.
Kā palīgierīces elektriskajās ķēdēs ietilpst ieslēgšanas un izslēgšanas aparāti (piemēram, svirslēdži), aparāti elektrisko lielumu mērīšanai (piemēram, ampērmetri un voltmetri), aizsardzības aparāti (piemēram, drošinātāji).
Par strāvas mēru noder Strāvas stiprums, kurš skaitliski ir vienāds ar elektrības daudzumu (lādiņu), kas pārvietojas caur vadītāja šķērsgrizumu 1 sekundes laikā. Ja pietiekoši ilgā laika sprīdī strāva nemainās ne pēc stipruma, ne pēc virziena, tad to sauc par līdzstrāvu un apzīmē par burtu I.

I=Q/t,
kur Q – elektrības daudzums, kas plūst caur vadītāja šķērsgriezumu laika t.

Strāvai plūstot pa metāla vadītājiem, pārvietojas tikai brīvie elektroni, bet, strāvai plūstot pa otra veida vaītājiem – pārvietojas pozītīvie un negatīvie joni.

ELEKTRODZINĒJSPĒKS
Noslēgtā ķēdē elektrisko strāvu izraisa enerģijas avota elektrodzinējspēks (EDS). Elektrodzinējspēks avotā pastāv arī tad, ja strāvas ķēdē nav, ja ķēde ir pārtraukta. Ja ķēdē strāvas nav, EDS vienāds ar potenciālu starpību uz enerģijas avota spailēm. Tāpat kā potenciālu starpību, arī EDS izsaka voltos (V).
Gan noslēgtā, gan arī pārtrauktā elektriskajā ķēdē EDS nepārtraukti uztur uz enerģijas avota spailēm potenciālu starpību. Lai noslēgtā ķēdē nepārtraukti plūstu strāva, avota iekšienē lādiņiem jāpārveidojas pretēji elektriskā lauka spēku darbības virzienam. Šāda lādiņu pārvietošanās notiek ārējo spēku iedarbībā.

OMA un KIRHOFA LIKUMI
Sakarību starp EDS, pretestību un strāvu noslēgtā ķēdē izsaka Oma likums, ko var formulēt šādi:
strāva noslēgtā ķēdē ir tieši proporcionāla elektrodzinējspēkam un apgriezti proporcionāla visas ķēdes prerestībai.
Strāva ķēdē rodas EDS iedarbībā: jo lielāks ir enerģijas avota EDS, jo lielāka strāva noslēgtaja ķēdē. Ķēdes pretestība kavē strāvas plūšanu, to izteikt var ar šādām formulām:

I= vai E=

Kur R – ārējāš ķēdes pretestība;
R0 – EDS avota iekšējā pretestība.
Šajās formulās strāva izteikta ampēros, EDS – voltos, pretestība – omos.
Oma likums ir spēkā ne tikai visai ķēdei, bet arī jebkuram tās posmam. Ja ķēdes posms nesatur enerģijas avotu, tad pozitīvie lādiņi šajā posmā pārvietojas no punkta ar augstāku potenciālu uz zemāku potenciālu. Enerģijas avots izlieto noteiktu enerģiju, lai starp šī posma sākumu un beigām uzturēt potenciālu starpību. Šo potenciālu starpību sauc par spriegumu starp aplukojamā posma sākumu un beigām (U).
Tādejādi, lietojot oma likumu ķēdes posmam, iegūstam:
I=
Oma likums ķēdes posmam var formulēt šādi:
strāva elektriskās ķēdes posmā ir vienāda ar sprieguma uz šī posma spailēm un posma pretestības dalījumu.
Strāvu ķēdē mēra ar aparātu, ko sauc par ampērmetru. Spriegumu mēra ar voltmetru.
Ķēdēm, kas sastāv no virknē slēgta enerģijas avota un patērētāja, sakarību starp visas ķēdes strāvu, EDS un pretestību vai starp kādas ķēdes posma strāvu, spriegumu un pretestību izsaka Oma likums. Taču praksē pārsvarā lieto tādas ķēdes, kurās strāva no kāda punkta var plūst pa dažādiem ceļiem un kurās tātad ir punkti, kur savienojas vairāki vadi. Šos punktus sauc par mezgliem, bet ķēdes posmus, kas savieno divas blakus mezglu – ķēdes zariem. Ja mezglā savienojas vairāki vadi ar dažādu strāvas virzienu tajos, tad vienādības kreisajā pusē raksta mezglam pieplūstošo strāvu summu. Bet labajā pusē – mezgla aizplūstošo strāvu summu.
No šī apgalvojuma izriet pirmais Kirhofa likums, ko var formulēt šādi: elektriskās ķēdes mezglam pieplūstošie strāvu summa un no šī mezgla aizplūstošo strāvu summa ir vienādas jeb strāvu algebriskā summa elektriskās ķēdes mezglā ir vienāda ar nulli.
Oma Kirhofa likumu var formulēt šādi: jebkurā noslēgtā elektriskā ķēdē visu EDS algebriskā summa ir vienāda ar algebrisko summu, ko sastāda sprieguma kritumi šajā ķēdē virknē slēgtajas rezistoros.

MAGNĒTISKĀ ĶĒDE
Uzbūve:
magnētiskai ķedei ir avots, ir pateretajs, bet nav vadu. Vadiem jabūt no feromagnētiska materiāla. Avots rada magnētisko lauku, bet serde veidojas magnetiskā lauka plūsmā.

Parametri:
Magnetodzinējspēks. Ja vads ir taisns, tad spoles induktivitāte neparādas, bet, ja vads nav taisns, tad parādās uzreiz magnetiskais lauks.
Pašindukcija ir stravas rašanās spole, kuru izraisa magnētiskas plūsmas izmaiņas, kas radušās pa spoli plustot mainīgai strāvai.
Mainoties stieples vijumu šķeļošajai magnētiskajai plūsmai, šajā vijumā rodas indukcijas EDS. Pašindukciju var novērot, piemēram, pārtraucot vai ieslēdzot stravas ķēdi.
Savstarpējā indukcija ir strāvas rašanās pirmaja spolē, jo otrajā ir mainīga strāva.
Lenca likums:
Inducetās strāvas un, tātad arī indukcijas EDS, virzienu nosaka pēc Lenca likuma, ko formulē šādi: indukcijas EDS virziens vienmēr ir tāds, ka tā inducētā strāva pretojas cēlonim, kas to izraisījis.

Izmantotā literatūra:
1)V.Kitajevs
„ Elektrotehnika un rūpniecības elektronikas pamati”
2)„Fizika” – skolas grāmata
3)www.google.lv
4)www.ķīmija.lv
5)www.bioloģija.lv