0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое активное сопротивление переменного тока?

Физика

Закон Ома для цепи переменного тока

Электромагнитные колебания в контуре с активным сопротивлением могут оставаться гармоническими при условии, что в контур включен источник электродвижущей силы (ЭДС), изменяющейся с течением времени по гармоническому закону. В этом случае говорят о переменном токе.

Переменный ток возникает в электромагнитном колебательном контуре, содержащем активное сопротивление, при подключении в контур источника ЭДС, изменяющейся с течением времени по гармоническому закону

ℰ( t ) = ℰ max cos ω t ,

где ℰ max — максимальное значение ЭДС (амплитуда ЭДС); ω — циклическая частота колебаний; t — время.

Если напряжение в цепи, содержащей последовательно включенные резистор, катушку индуктивности и конденсатор (рис. 10.18), изменяется по закону

U ( t ) = U max cos ω t ,

то в ней течет ток , сила которого также определяется гармоническим законом

I ( t ) = I max cos(ω t − φ),

где U max — максимальное значение напряжения (амплитуда напряжения); I max — максимальная сила тока (амплитуда силы тока); ω — циклическая частота колебаний; t — время; φ — разность фаз (сдвиг фаз) между напряжением и силой тока.

1. При подключении к цепи, содержащей резистор (рис. 10.19) переменного напряжения

U ( t ) = U max cos ω t ,

сила тока через резистор определяется выражением

I ( t ) = I max cos ω t ,

где U max — максимальное значение напряжения (амплитуда напряжения); I max — максимальная сила тока (амплитуда силы тока); ω — циклическая частота колебаний; t — время.

Амплитуда силы тока определяется выражением

где R — сопротивление резистора.

Сдвиг фаз между напряжением и силой тока равен нулю , т.е. на векторной диаграмме (рис. 10.20) векторы, соответствующие напряжению и силе тока, направлены одинаково.

2. При подключении переменного напряжения к цепи, содержащей катушку индуктивности (рис. 10.21), падение напряжения на катушке будет изменяться со временем также по гармоническому закону

U L ( t ) = U max cos ω t ,

а сила тока через катушку — определяться выражением

I ( t ) = I max cos(ω t − π/2),

где U max — максимальное значение падения напряжения на катушке (амплитуда напряжения); I max — максимальная сила тока (амплитуда силы тока); ω — циклическая частота колебаний; t — время.

Амплитуда силы тока определяется выражением

I max = U max R L ,

где R L — индуктивное сопротивление катушки , R L = ω L .

Падение напряжения на катушке опережает по фазе ток на π/2, т.е. на векторной диаграмме (рис. 10.22) векторы, соответствующие падению напряжения на катушке и силе тока в ней, отличаются на угол π/2 (угол откладывается на диаграмме против часовой стрелки).

3. При подключении переменного напряжения к цепи, содержащей конденсатор (рис. 10.23), падение напряжения на обкладках конденсатора будет изменяться со временем также по гармоническому закону

U C ( t ) = U max cos ω t ;

обкладки конденсатора будут постоянно перезаряжаться, т.е. в цепи потечет переменный ток, сила которого определяется выражением

I ( t ) = I max cos(ω t + π/2),

где U max — максимальное значение напряжения (амплитуда напряжения); I max — максимальная сила тока (амплитуда силы тока); ω — циклическая частота колебаний; t — время.

Амплитуда силы тока определяется выражением

I max = U max R C ,

где R C — емкостное сопротивление конденсатора , R C = 1/ω C .

Напряжение на обкладках конденсатора отстает по фазе от тока на π/2, т.е. на векторной диаграмме (рис. 10.24) векторы, соответствующие напряжению на обкладках конденсатора и силе тока в цепи, отличаются на угол π/2 (угол откладывается на диаграмме по часовой стрелке).

Реактивное сопротивление цепи переменному току складывается из индуктивного сопротивления и емкостного сопротивления. Однако с учетом векторных диаграмм для переменного тока в катушке индуктивности (см. рис. 10.22) и конденсаторе (см. рис. 10.24), т.е. из-за сдвига фаз между током и напряжением, формула для расчета реактивного сопротивления цепи выглядит следующим образом:

где X — реактивное сопротивление цепи; R L — индуктивное сопротивление катушки; R C — емкостное сопротивление конденсатора.

Емкостное сопротивление — сопротивление, оказываемое переменному току электрическим полем конденсатора:

где ω — циклическая частота переменного тока; C — электроемкость конденсатора.

Индуктивное сопротивление — сопротивление, оказываемое переменному току индукционным электрическим полем катушки:

где L — индуктивность катушки.

Цепь переменного тока, содержащая последовательно включенные резистор, катушку индуктивности и конденсатор (рис. 10.18), обладает:

  • активным сопротивлением R ;
  • реактивным сопротивлением X ;
  • полным сопротивлением Z .

Закон Ома для цепи переменного тока : сила тока в цепи I равна отношению напряжения U , создаваемого в цепи генератором, к полному сопротивлению цепи переменному току Z :

Полное сопротивление цепи переменному току определяется формулой

Z = R 2 + X 2 = R 2 + ( R L − R C ) 2 ,

где R — сопротивление резистора; R L — индуктивное сопротивление, R L = ω L ; R C — емкостное сопротивление, R C = 1/ω C ; ω — циклическая частота переменного тока; C — электроемкость конденсатора; L — индуктивность катушки; X — реактивное сопротивление цепи, X = R L − R C .

Векторная диаграмма, представленная на рис. 10.25, наглядно иллюстрирует записанную формулу и облегчает ее запоминание.

Диаграмма содержит следующие обозначения: U — напряжение, создаваемое в цепи генератором; I — сила тока; U C — напряжение на конденсаторе; U L — напряжение на катушке; U R — напряжение на резисторе.

В цепи переменного тока, содержащей последовательно включенные резистор, катушку индуктивности и конденсатор (см. рис. 10.18), между напряжением

U ( t ) = U max cos ω t

I ( t ) = I max cos(ω t − φ)

существует сдвиг фаз φ, тангенс которого определяется формулой

tg φ = X R = R L − R C R ,

где R — сопротивление резистора; X — реактивное сопротивление цепи, X = R L − R C ; R L — индуктивное сопротивление, R L = ω L ; R C — емкостное сопротивление, R C = 1/ω C .

Векторная диаграмма (см. рис. 10.25) иллюстрирует формулу для расчета сдвига фаз между силой тока и напряжением.

Тепловое действие переменного тока

Мгновенное значение мощности переменного тока — произведение мгновенных значений силы тока и напряжения в цепи:

P ( t ) = I ( t ) U ( t ),

где I ( t ) — мгновенное значение силы тока; U ( t ) — мгновенное значение напряжения.

Практическое значение имеет среднее значение мощности переменного тока, которое определяется формулой

〈 P 〉 = 1 2 I max U max cos φ ,

где I max — максимальное значение силы тока; U max — максимальное значение напряжения; φ — сдвиг фаз между током и напряжением; cos φ — коэффициент мощности.

Коэффициент мощности показывает, какая часть электрической энергии переходит в другие виды энергии, и определяется сдвигом фаз φ между током и напряжением; наиболее удобным для расчета коэффициента мощности является выражение

cos φ = R Z = R R 2 + ( R L − R C ) 2 ,

где Z — полное сопротивление цепи; R — сопротивление резистора; R L — индуктивное сопротивление, R L = ω L ; R C — емкостное сопротивление, R C = 1/ω C .

Формула для расчета тангенса сдвига фаз φ между током и напряжением имеет следующий вид:

tg φ = X R = R L − R C R .

Коэффициент мощности отличен от нуля только при наличии в цепи активного сопротивления:

1) если активное сопротивление в цепи отсутствует ( R = 0), то коэффициент мощности имеет минимальное значение, равное нулю: cos φ = 0;

2) если реактивное сопротивление в цепи отсутствует ( X = R L − R C = = 0), то коэффициент мощности максимален и равен единице: cos φ = 1.

Действующие ( эффективные ) значения силы тока и напряжения — значения силы и напряжения постоянного тока, при протекании которого по данной цепи выделяется такое же количество теплоты, как и при протекании переменного тока, — определяются из формулы

〈 P 〉 = I д U д cos φ ,

где I д — действующее значение силы переменного тока; U д — действующее значение напряжения переменного тока; cos φ — коэффициент мощности цепи переменного тока.

Действующие значения рассчитываются по следующим формулам:

  • силы переменного тока —
  • напряжения переменного тока —

где I max — максимальное значение силы переменного тока; U max — максимальное значение напряжения переменного тока.

Приборы для измерения силы тока (амперметры) и напряжения (вольтметры) градуируются по действующим значениям силы тока и напряжения.

Средняя мощность переменного тока показывает, сколько энергии за единицу времени безвозвратно передается электрическим током данному участку цепи.

В цепи переменного тока энергию потребляет только активное сопротивление, поэтому среднюю мощность называют также активной :

〈 P 〉 = P акт = I д U д cos φ = I д 2 R ,

где I д — действующее значение силы переменного тока; U д — действующее значение переменного напряжения; cos φ — коэффициент мощности цепи переменного тока; R — активное сопротивление цепи (сопротивление резистора).

Произведение действующих значений силы переменного тока и напряжения называют кажущейся мощностью:

P каж = I д U д = P акт cos φ ,

где P акт — активная мощность, P акт = I д U д cos φ; cos φ — коэффициент мощности цепи переменного тока.

Прибор для измерения мощности (ваттметр) градуируется по средней (активной) мощности.

Теплота в цепи переменного тока выделяется только на резисторе , т.е. только на активном сопротивлении; на индуктивном и емкостном сопротивлении теплота не выделяется.

Количество теплоты, выделяющейся на резисторе, включенном в цепь переменного тока, определяется законом Джоуля — Ленца , однако форма записи данного закона зависит от наличия в цепи реактивного сопротивления:

  • при наличии в цепи реактивного сопротивления —

где I д — действующее значение силы переменного тока; R — активное сопротивление цепи (сопротивление резистора); t — время;

  • при отсутствии в цепи реактивного сопротивления —

Q = I д U д t = U д 2 R t ,

где I д — действующее значение силы переменного тока; U д — действующее значение переменного напряжения; t — время; R — активное сопротивление цепи (сопротивление резистора).

Пример 18. При включении некоторой катушки в цепь постоянного тока с напряжением 20 В сила тока в цепи равна 10 А. Если ту же катушку включить в цепь переменного тока с таким же напряжением и частотой 50 Гц, то сила тока будет равна 2,0 А. Определить индуктивность катушки.

Решение . Катушка индуктивности, включенная в цепь постоянного тока, обладает некоторым активным сопротивлением. Найдем активное сопротивление катушки по закону Ома для участка цепи :

где U — напряжение цепи постоянного тока, U = 20 В; I 1 — сила постоянного тока, I 1 = 10 А.

Сопротивление катушки переменному току складывается из активного и реактивного сопротивлений катушки:

Z = R 2 + ( ω L ) 2 ,

где ω — циклическая частота переменного тока, ω = 2πν; ν 1 — частота переменного тока, ν = 50 Гц.

По закону Ома для цепи переменного тока полное сопротивление катушки определяется отношением

где U — действующее значение напряжения в цепи переменного тока, U = 20 В; I 2 — действующее значение силы переменного тока, I 2 = 2,0 А.

Отношение выражений для активного и полного сопротивлений катушки

записанное в виде

R R 2 + ( ω L ) 2 = I 2 I 1 ,

позволяет получить формулу для расчета индуктивности катушки

L = R ω ( I 1 I 2 ) 2 − 1 .

С учетом выражений для R и ω получим

L = U 2 π ν I 1 ( I 1 I 2 ) 2 − 1 .

L = 20 2 ⋅ 3,14 ⋅ 50 ⋅ 10 ( 10 2,0 ) 2 − 1 = 31 ⋅ 10 − 3 Гн = 31 мГн .

Катушка обладает индуктивностью, равной 31 мГн.

Пример 19. Сила переменного тока изменяется с течением времени по закону

где I — сила тока в амперах; t — время в секундах. В указанную цепь включен нагревательный элемент, сопротивление спирали которого составляет 25 Ом. Рассчитать, какое количество теплоты выделится в нагревательном элементе за 10 мин работы.

Решение . Теплота в цепи переменного тока выделяется только на резисторе, т.е. только на активном сопротивлении, и определяется законом Джоуля — Ленца:

где I д — действующее значение силы переменного тока; R — активное сопротивление цепи (сопротивление нагревательного элемента), R = 25 Ом; t — время работы нагревательного элемента, t = 10 мин.

Действующее (эффективное) значение силы переменного тока определяется отношением

где I 0 — максимальное значение силы переменного тока, I 0 = 16 А.

Подставим выражение для действующего значения силы переменного тока в закон Джоуля — Ленца:

Q = ( I 0 2 ) 2 R t = I 0 2 R t 2

и рассчитаем количество выделившейся теплоты:

Q = 16 2 ⋅ 25 ⋅ 10 ⋅ 60 2 = 1,9 ⋅ 10 6 Дж = 1,9 МДж .

Следовательно, за 10 мин работы в нагревательном элементе выделится 1,9 МДж теплоты.

Реактивное и активное сопротивление

26 октября 2019

Время на чтение:

Сопротивлением в электротехнике называют такую величину, которая характеризует противодействие отдельность части электрической сети или ее элементов электрическому току. Это основано на том, что сопротивление изменяет электрическую энергию и конвертирует ее в другие типы. Например, в сетях с переменных электротоком происходят необратимые изменения энергии и ее передача между участниками этой электроцепи.

Сопротивление как физическую величину трудно переоценить, так как она является одной из ключевых характеристик электричества в сети и прямо или пропорционально определяет силу тока и напряжение. Этот материал познакомит с такими понятиями как: активное сопротивление и реактивное сопротивление в цепи переменного тока, как проявляется зависимость активного сопротивления от частоты.

Векторное изображение полного импеданса

Какое сопротивление называется реактивным, какое активным

Активное электросопротивление — это важный параметр электрической сети, который обуславливает превращение электрической энергии, поступающей в участок электроцепи или в отдельный элетроэлемент в любой другой тип энергии: химическую, механическую, тепловую, электромагнитную. Процесс превращения при этом считаю необратимым.

Типы рассматриваемой величины и формулы ее расчета

Реактивное сопротивление по-другому называется реактансом и представляет собой сопротивляемость элементов электроцепи, которые вызывается измерением силы электротока или напряжения из-за имеющейся емкости или индуктивности этого элемента. При реактансе происходит обменный процесс между отдельным компонентом сети и источником энергии. Часто это понятие относят к простому электрическому сопротивлению, однако оно отличается некоторыми моментами.

Течение переменного электротока не зависит от типа сопротивляемости элементов и всей сети

Какие отличия

Отличия этих типов электросопротивления в том, что «внутри» активностного типа энергия не накапливается, так как она попадает в активностый элемент и отдается окружающей среде в виде другого ее типа. Это может быть тепло или механическое поднятие груза, свечение, химическая реакция, задание чему-либо скорости.

Индуктивная величина и ее формулы

Важно! Преданная электроэлементу с активностным электросопротивлением энергия преображается и конвертируется, но не возвращается в сеть.

Сопротивляемость же реактивная, наоборот, копит энергию внутри себя за ¼ всего периода синусоидального электротока, а за следующую четверть возвращает ее обратно в сеть. То есть, в окружающую среду полученная энергия не передается.

В активностном типе фазы электрических токов и напряжения совпадают, следовательно, выделяется некоторое количество электроэнергии. В реактивном виде фазы электротока и напряжения расходятся, поэтому энергия передается обратно. Это во многом объясняет то, что активностные электроэлементы нагреваются, а реактивные — нет.

Активная сопротивляемость в цепи переменного синусоидального тока

От чего зависит активное сопротивление

Активное электросопротивление зависит от сечения проводника. Это значит, что полезным сечением при электротоке с высокой частотой будет только тонкий наружный слой проводника. Из этого исходит также то, что активностное электросопротивление только возрастает с увеличением частоты электротока переменного типа.

Для того чтобы уменьшить поверхностный эффект проводника, по которому течет электроток высокой частоты, его изготавливают трубчатым и покрывают напылением металла, хорошо проводящего электрический ток, например, серебром.

Схема косвенного метода амперметра, вольтметра и ваттметра

В чем измеряется реактивное сопротивление

Само по себе, явление реактанса характерно только для цепей с электрическим током переменного типа. Обозначается оно латинской буквой «X» и измеряется в Омах. В отличие от активностного варианта, реактанс может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Знак «+» или «-» соответствует знаку, по которому сдвигается фаза электротока и напряжения. Знак положительный, когда ток отстает от напряжения и отрицателен, когда кот опережает напряжение.

Читать еще:  Определение толщины пеноплекса для стен

Важно! Абсолютно чистое реактивное электросопротивление имеет сдвиг фазы на ± 180/2. То есть, фаза «двигается» на π/2.

Как правильно измерять сопротивление

При работе с радиоаппаратурой иногда требуется измерять не только активностное, но и реактивное электросопротивление (индуктивность и емкость). Для измерений применяют косвенный метод использования мультиметра, а более точные значения получают при мостовом методе.

Активом сопротивляемости может выступать любой резистор

Косвенный метод наиболее прост в своей реализации, так как не требует дополнительных схем включения. Одна требуется наличие трех отдельных приборов: амперметра, вольтметра и ваттметра. Если измерить напряжение и силу электротока в цепи, то можно получить полное электросопротивление: Z=U*I После измерения активностной мощности P, можно получить величину активного сопротивления отдельного элемента: R= P/I².

Обмотка трансформатора — один из примеров актива по превращению электроэнергии

Области проявления

Реактанс электросопротивления проявляется в емкости и индукции. Первое обуславливается наличием емкости проводниках и обмотках или включением в электрическую цепь переменного тока различных конденсаторов. Чем выше емкость потребителя и угловой частоты сигнала электротока, тем меньше емкостная характеристика.

Сопротивляемость, которую оказывает проводник переменному току и электродвижущей силе самоиндукции, называется индуктивным. Оно зависит от индуктивности потребителя. Чем выше его индуктивность и выше частота переменного электротока, тем выше индуктивное электросопротивление. Выражается оно формулой: xl = ωL, где xl — это электросопротивление индукции, L — индуктивность, а ω — угловая частота тока.

Емкостный реактанс электросопротивление проявляется, например, в конденсаторе, который накапливает электроэнергию в виде электромагнитного поля между своими обкладками. Индуктивное электросопротивление можно наблюдать в дросселе, который накапливает энергию в виде магнитного поля внутри своей обмотки.

Активностным же электросопротивлением может обладать любой резистор, линии электропередач, обмотки трансформатора или электрического двигателя.

Индукция ЭДС может наблюдаться в дросселе

Таким образом, активный резист и реактанс во многом отличаются друг от друга не только разницей по названию, но и по физическим свойствам. Первый вид превращает электроэнергию в другой вид и отдает ее в окружающую среду. Второй же — возвращает ее обратно в электросеть.

Билет 19. Вопрос 1. Активное сопротивление в цепи переменного тока: понятие, характеристики, графическое изображение

Сопротивление, включенное в цепь переменного тока, в котором происходит превращение электрической энергии в полезную рабо­ту или в тепловую энергию, называется активным сопротивлением. К активным сопротивлениям при промышленной частоте (50 гц) относятся, например, электрические лампы накаливания и электро­нагревательные устройства. Рассмотрим цепь переменного тока , в которую вклю­чено активное сопротивление. в цепи переменного тока с актив­ным сопротивлением по мере изменения по величине и направлению напряжения одновременно пропорционально меняются величина и Направление тока. Это значит, что ток и напряжение совпадают по фазе. Построим векторную диаграмму действующих величин тока и напряжения для цепи с активным сопротивлением. Для этого отлов жим в выбранном масштабе по горизонтали вектор напряжения U. Чтобы на векторной диаграмме показать, что напряжение и ток в цепи совпадают по фазе (=0), откладываем вектор тока I по направлению вектора напряжения. Сила тока в такой цепи определяется по закону Ома: I=U/R.


Билет 20. Вопрос 1. Переменный ток: понятие, получение, характеристики, единицы измерения.

Переме́нный ток, электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению. Для передачи и распределения электрической энергии преимущественно используется Переменный ток благодаря простоте трансформации его напряжения почти без потерь мощности .Генераторы и двигатели Переменный токпо сравнению с машинами постоянного тока при равной мощности меньше по габаритам, проще по устройству, надёжнее и дешевле. Переменный ток может быть выпрямлен, например полупроводниковыми выпрямителями, а затем с помощью полупроводниковых инверторов преобразован вновь в Переменный ток другой, регулируемой частоты; это создаёт возможность использовать простые и дешёвые безколлекторные двигатели . Характеристики переменного тока.Средняя мощность переменного тока за период T равна:Pср. = Im*Umcos()/2, где  — сдвиг фаз между током и напряжением, Um и Im — максимальные (амплитудные) значения напряжения и силы тока.В цепи переменного тока с активной нагрузкой колебания силы тока совпадают по фазе с колебаниями напряжения. Если U = Umsin(wt), то I = Imsin(wt) и cos() =1.Действующие (эффективные) значения силы тока и напряжения рассчитываются по формулам:Iд = Im/корень 2, Uд =Um/корень2 .

Билет 21. Вопрос 1.. Режимы работы трансформатора: режим холостого хода, рабочий режим, режим короткого замыкания. КПД трансформатора. Режимом холостого хода трансформатора называют режим работы при питании одной из обмоток трансформатора от источника с переменным напряжением и при разомкнутых цепях других обмоток. Такой режим работы может быть у реального трансформатоpa, когда он подключен к сети, а нагрузка, питаемая от его вторичной обмотки, еще не включена. Рабочий режим — это работа трансформатора при подключенных потребителях или под нагрузкой (под нагрузкой понимается ток вторичной цепи — чем он больше, тем больше на­грузка). К трансформатору подключаются различного рода потребители: электрические двигатели, освещение и т. п. Режим короткого замыкания, возникающий случайно в процессе эксплуатации при номинальном первичном напряжении, является аварийным процессом, сопровождающимся весьма большими токами в обмотках. Многократное повышение токов по сравнению с номинальными (в 10-20 раз) может привести к повреждению изоляции обмоток в следствии нагрева и к разрушению обмоток механическими силами, возникающими при этом режиме между обмотками. Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение активной мощности, передаваемой нагрузке, к активной мощности, подводимой к трансформатору. КПД трансформатора имеет высокое значение. У силовых трансформаторов небольшой мощности он составляет примерно 0,95, а у трансформаторов мощностью в несколько десятков тысяч киловольт-ампер доходит до 0,995. Определение КПД по формуле с использованием непосредственно измеренных мощностей P1 и P2 даёт большую погрешность. Удобнее эту формулу представить в другом виде:КПД=P2/P1 +сумарное дельта Р.

Билет 22. Вопрос 1.Соединение фаз генератора и потребителей треугольником: симметричная и несимметричная нагрузка, векторная диаграмма.

АВС начало фазы, хуz – конец фазы, АА’ –линейный провод. При соединении треугольником начало фазы соединяется с концом предидущей фазы и смещается на 120 градусов. при симметричной нагрузке, соединенной треугольником, линейный ток в √3 раз больше фазного тока. Iл=корень 3 >Iф. Uл=Uф. В трехфазных цепях различают симметричную (сопротивление в каждой фазе нагрузке одинаковое) несимметричную (сопротивление нагрузки хотя бы в одной фазе отличается) нагрузок. При симметричной нагрузки достаточно иследовать одну фазу и все умножить на 3. При несимметричной необходимо иследовать каждую фазу а потом сложить. При симметричной нагрузке фазные напряжения отдельных фаз равны между собой. При несимметричной нагрузке трехфазной системы симметрия токов и напряжений нарушается. Однако в четырехпроводных цепях часто пренебрегают незначительной несимметрией фазных напряжений. В этих случаях между линейными и фазными напряжениями существует зависимость: Uл=sqrtUф.

—>Сайт «Cner» —>

Переменный ток получил весьма широкое применение в связи с тем, что он имеет ряд преимуществ перед постоянным током, основным из которых является возможность преобразования—трансформации напряжения.

Строго говоря, всякий ток, изменяющийся с течением времени по величине и по направлению, является переменным. Однако под термином переменный ток принято понимать такой ток, величина и направление которого изменяются периодически.

Источником переменного тока служат генераторы, принцип действия которых основан на использовании явления электромагнитной индукции при движении проводников в магнитном поле (см. «Радио» № 6, 1962 г.). Источником переменного тока высоких радиочастот служат ламповые, транзисторные, параметрические и другие генераторы. Простейшим способом получить переменный ток можно, вращая проводник, согнутый в виде рамки, между полюсами магнита (рис. 1). При вращении рамки ее участки а—б и в—г пересекают линии магнитного поля и в них индуктируется ЭДС, величина которой зависит от интенсивности магнитного поля, пересекаемого проводником, и от скорости движения проводника. Направление ЭДС можно определить, пользуясь правилом правой руки.

Частота определяется количеством циклов переменной ЭДС или тока, происходящих в одну секунду, и выражается в герцах (Гц) или его производных — килогерцах, мегагерцах, гигагерцах.

Частота переменного тока в нашей осветительной сети составляет 50 Гц.

Если считать магнитное поле, в котором вращается рамка, однородным, то магнитный поток Ф через рамку можно определить, как произведение напряженности магнитного поля Н на площадь рамки S и на синус угла φ между плоскостью витка и направлением поля:

Если рамка вращается равномерно и совершает полный оборот за время Т, то за одну секунду она повернется на угол 2π/Т радиан (угол в радианах измеряется по длине дуги; угол в радианах равен числу 0,0175, умноженному на значение угла в градусах; таким образом 1 радиан=57,3°).

Если отсчитывать время от момента, когда рамка расположена параллельно линиям поля, то значение угла в некоторый момент времени t будет равно φ = 2π/Т. Частота вращения рамки, то есть число ее оборотов в секунду f=1/Т, а угловая скорость ω=2πf=2π/T, следовательно φ=ωt. Закон изменения магнитного потока с течением времени можно выразить иначе, как

График ЭДС для равномерно вращающейся рамки имеет вид синусоиды.

Наряду с изображением переменного тока (или ЭДС) в виде синусоиды широко применяется также векторное изображение (рис. 3). Величину, имеющую определенное значение и направление, можно представить в виде отрезка прямой линии со стрелкой на конце. Стрелка указывает направление вектора, а проекция отрезка, измеренного в определенном масштабе, дает величину тока (ЭДС). Все фазы изменения переменного синусоидального тока за один период можно изобразить при помощи векторов. Угол поворота вектора определяет его фазу, которой соответствует определенное мгновенное значение силы тока. О положении вектора в данный момент можно судить по угловой скорости его вращения и по времени, которое прошло от начала вращения, то есть начала периода.

Амплитудным значением или амплитудой переменного тока или ЭДС называется максимальное значение, которое достигает ток или ЭДС два раза за один оборот рамки.

Действующее значение или эффективное значение переменного тока определяют по тепловому эффекту. Действующим значением переменного тока I называют величину, равную значению постоянного тока, который, проходя по проводнику, в течение некоторого времени выделяет такое же количество тепла, какое выделяет данный переменный ток за это же время. Действующее значение меньше амплитудного значения, и связано с ним следующими соотношениями:

Среднее значение переменного тока есть некоторое значение постоянного тока, равноценного данному переменному току по количеству электричества, протекающего через поперечное сечение провода. Для нахождения среднего значения тока надо построить прямоугольник равновеликой площади, очерченной синусоидой.

Среднее значение тока или напряжения можно вычислить, исходя из амплитудного или действующего значения тока. Для одного полупериода синусоидального переменного тока:

Соотношения для напряжений имеют такой же вид.

АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Сопротивление, потребляющее мощность, называется активным, а сопротивления, которые не потребляют мощность,— реактивными.

Активное сопротивление переменному току кроме сопротивления,зависящего от материала проводника, может быть обусловлено потерями энергии в диэлектрике (изоляции проводника), потерями в магнитных материалах, потерями на вихревые токи и пр. Особенно сильно могут сказываться эти потери на высоких частотах.

В цепи переменного тока высокой частоты ток по сечению провода распределяется неравномерно и идет главным образом по тонкому поверхностному слою провода, не проникая в его середину (рис. 4). Поэтому активное сопротивление проводника в цепи переменного тока несколько больше сопротивления этого же проводника при постоянном токе. Объясняется это возникновением индукционных токов (токов Фуко), что вызывает поверхностный (скин) эффект. Если переменный ток течет по цилиндрическому проводнику, то в момент увеличения тока индуктируемые токи будут направлены у поверхности проводника в направлении основного тока, а у оси проводника — навстречу току. В результате внутри проводника ток уменьшится, а у поверхности увеличится. Таким образом, вследствие возникновения индукционных токов плотность тока по сечению проводника будет распределяться неравномерно. При большой частоте тока поверхностный эффект сказывается сильнее и плотность тока вблизи оси проводника практически оказывается равной нулю. Происходит как бы «вытеснение» высокочастотных токов к поверхности проводника. В связи с тем, что внутренние части проводника для переменных токов высокой частоты оказываются бесполезными, в целях экономии цветного металла их делают полыми или биметаллическими. Так, например, часто провода для воздушных телефонных линий изготовляют из стали, нанося на нее поверхностный слой из меди.

Чем выше частота тока, больше диаметр провода, больше магнитная проницаемость и меньше удельное сопротивление материала проводника, тем сильнее поверхностный эффект и тем на меньшую глубину проникают токи в провод.

Глубину проникновения высокочастотного тока в проводник можно приближенно подсчитать по формуле:

Активное и реактивное сопротивление, треугольник сопротивлений

Активное и реактивное сопротивления

Сопротивление, оказываемое проходами и потребителями в цепях постоянного тока, называется о мическим сопротивлением .

Если какой-либо проводник включить в цепь переменного тока, то окажется, что его сопротивление будет несколько больше, чем в цепи постоянного тока. Это объясняется явлением, получившим название скин-эффекта (поверхностный эффект).

Сущность его заключается в следующем. При прохождении переменного тока по проводнику внутри него существует переменное магнитное поле, пересекающее проводник. Магнитные силовые линии этого поля индуктируют в проводнике ЭДС , однако она будет не одинаковой в различных точках сечения проводника: к центру сечения на больше, а к периферии — меньше.

Это объясняется тем, что точки, лежащие ближе к центру, пересекаются большим числом силовых линий. Под действием этой ЭДС переменный ток будет распределяться не по всему сечению проводника равномерно, а ближе к его поверхности.

Это равносильно уменьшению полезного сечения проводника, а следовательно, увеличению его сопротивления переменному току. Например, медный провод длиной 1 км и диаметром 4 мм оказывает сопротивление: постоянному току — 1,86 ом, переменному частотой 800 гц — 1,87 ом, переменному току частотой 10000 гц — 2,90 ом .

Сопротивление, оказываемое проводником проходящему на нему переменному току, называется активным сопротивлением .

Если какой-либо потребитель не содержит в себе индуктивности и емкости (лампочка накаливания, нагревательный прибор), то он будет являться для переменного тока также активным сопротивлением.

Активное сопротивление — физическая величина, характеризующая сопротивление электрической цепи (или её участка) электрическому току, обусловленное необратимыми превращениями электрической энергии в другие формы (преимущественно в тепловую). Выражается в омах.

Активное сопротивление зависит от частоты переменного тока, возрастая с ее увеличением.

Однако многие потребители обладают индуктивными и емкостными свойствами при прохождении через них переменного тока. К таким потребителям относятся трансформаторы, дроссели, электромагниты, конденсаторы, различного рода провода и многие другие.

Читать еще:  Гидроизоляция искусственных прудов или водоемов

При прохождении через них переменного тока необходимо учитывать не только активное, но и реактивное сопротивление , обусловленное наличием, в потребителе индуктивных и емкостных свойств его.

Известно, что если постоянный ток, проходящий по какой-либо обмотке, прерывать и замыкать, то одновременно с изменением тока будет изменяться и магнитный поток внутри обмотки, в результате чего в ней возникнет ЭДС самоиндукции.

То же самое будет наблюдаться и в обмотке, включенной в цепь переменного тока, с той лишь разницей, что здесь ток непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению. Следовательно, непрерывно будет изменяться величина магнитного потока, пронизывающего обмотку, и в ней будет индуктироваться ЭДС самоиндукции.

Но направление ЭДС самоиндукции всегда таково, что противодействует изменению тока. Так, при возрастании тока в обмотке ЭДС самоиндукции будет стремиться задержать нарастание тока, а при убывании тока, наоборот, будет стремиться поддержать исчезающий ток.

Отсюда следует, что ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотке (проводнике), включенной в цепь переменного тока, будет всегда действовать против тока, задерживая его изменения. Иначе говоря, ЭДС самоиндукции можно рассматривать как дополнительное сопротивление, оказывающее вместе с активным сопротивлением обмотки противодействие проходящему через обмотку переменному току.

Сопротивление, оказываемое переменному току ЭДС самоиндукции, носит название индуктивного сопротивления .

Индуктивное сопротивление будет тем больше, чем больше индуктивность потребителя (цепи) и выше частота переменного тока. Это сопротивление выражается формулой xl = ωL, где xl — индуктивное сопротивление в омах; L — индуктивность в генри (гн); ω — угловая частота где f — частота тока).

Кроме индуктивного сопротивления существует емкостное сопротивление , обусловливаемое как наличием емкости в проводниках и обмотках, так и включением в отдельных случаях в цепь переменного тока конденсаторов. При увеличении емкости С потребителя (цепи) и угловой частоты тока емкостное сопротивление уменьшается.

Емкостное сопротивление равно xс = 1/ωС, где хс — емкостное сопротивление в омах, ω — угловая частота, С — емкость потребителя в фарадах.

Рассмотрим цепь, активное сопротивление элементов которой r , индуктивность L и емкость С.

Рис. 1. Цепь переменного тока с резистором, катушкой индуктивности и конденсатором.

Полное сопротивление такой цепи z = √ r 2 + (х l — xc) 2 ) = √ r 2 + x 2 )

Графически это выражение можно изобразить в виде, так называемого, треугольника сопротивлений.

Рис.2. Треугольник сопротивлений

Гипотенуза треугольника сопротивлений изображает полное сопротивление цепи, катеты — активное и реактивное сопротивления.

Если одно из сопротивлений цепи — (активное или реактивное), например, в 10 и более раз меньше другого, то меньшим можно пренебречь, в чем легко убедиться непосредственным расчетом.

Активное и реактивное сопротивление

В этой статье мы поведем речь о таких параметрах, как активное и реактивное сопротивление.

Активное сопротивление

И начнем мы статью не с реактивного сопротивления, как ни странно, а с простого и всеми нами любимого радиоэлемента – резистора, который, как говорят, обладает активным сопротивлением. Еще иногда его называют омическим. Как нам говорит вики-словарь, “активный – это деятельный, энергичный, проявляющий инициативу”. Активист готов всегда рвать и метать даже ночью. Он готов ПОЛНОСТЬЮ выложиться и потратить всю энергию во благо общества.

То же самое можно сказать и про другие нагрузки, обладающие активным сопротивлением. Это могут быть различные нагревательные элементы, типа тэнов, а также лампы накаливания.

Как смотреть силу тока в цепи через осциллограф

Чем же резистор отличается от катушки индуктивности и конденсатора? Понятное дело, что выполняемыми функциями, но этим все не ограничивается. Итак, давайте рассмотрим самую простую схемку во всей электронике:

На схеме мы видим генератор частоты и резистор.

Давайте визуально посмотрим, что у нас творится в этой схеме. Для этого, как я уже сказал, нам понадобится генератор частоты

С помощью него мы будем смотреть напряжение и силу тока .

Но ведь осциллограф предназначен для того, чтобы рассматривать форму сигнала напряжения? Как же мы будем рассматривать форму сигнала силы тока? А все оказывается просто). Для этого достаточно вспомнить правило шунта.

Кто не помнит – напомню. Имеем обыкновенный резистор:

Что будет, если через него прогнать электрический ток?

На концах резистора у нас будет падение напряжения. То есть, если замерить с помощью мультиметра напряжение на его концах, мультиметр покажет какое-то значение в Вольтах

И теперь главный вопрос: от чего зависит падение напряжения на резисторе? В дело опять же вступает закон Ома для участка цепи: I=U/R. Отсюда U=IR. Мы видим зависимость от номинала самого резистора и от силы тока, текущей в данный момент в цепи. Слышите? От СИЛЫ ТОКА! Так почему бы нам не воспользоваться таким замечательным свойством и не глянуть силу тока через падение напряжения на самом резисторе? Ведь номинал резистора у нас постоянный и почти не изменяется с изменением силы тока 😉

Осциллограмма силы тока на активном сопротивлении

В данном опыте нам не обязательно знать номинал силы тока в цепи. Мы будем просто смотреть, от чего зависит сила тока и изменяется ли вообще?

Поэтому, наша схема примет вот такой вид:

В этом случае шунтом будет являться резистор сопротивлением в 0,5 Ом. Почему именно 0,5 Ом? Да потому что он не будет сильно греться, так как обладает маленьким сопротивлением, а также его номинал вполне достаточен, чтобы снять с него напряжение.

Осталось снять напряжение с генератора, а также со шунта с помощью осциллографа. Если вы не забыли, со шунта мы снимаем осциллограмму силы тока в цепи. Красная осциллограмма – это напряжение с генератора Uген , а желтая осциллограмма – это напряжение с шунта Uш , в нашем случае – сила тока. Смотрим, что у нас получилось:

Частота 28 Герц:

Частота 285 Герц:

Частота 30 Килогерц:

Как вы видите, с ростом частоты сила тока у нас осталась такой же.

Давайте побалуемся формой сигнала:

Как мы видим, сила тока полностью повторяет форму сигнала напряжения.

Итак, какие можно сделать выводы?

1) Сила тока через активное (омическое) сопротивление имеет такую же форму, как и форма напряжения.

2) Сила тока и напряжение на активном сопротивлении совпадают по фазе, то есть куда напряжение, туда и ток. Они двигаются синфазно, то есть одновременно.

3) С ростом частоты ничего не меняется (если только на очень высоких частотах).

Конденсатор в цепи переменного тока

Ну а теперь давайте вместо резистора поставим конденсатор.

Как вы видите, конденсатор обладает сопротивлением, так как сила тока в цепи значительно уменьшилась. Но обратите внимание, что произошел сдвиг желтой осциллограммы, то бишь осциллограммы силы тока.

Вспоминаем алгебру старшие классы. Итак, полный период T – это

Теперь давайте прикинем, какой сдвиг фаз у нас получился на графике:

Где-то примерно П/2 или 90 градусов.

Почему так произошло? Во всем виновато физическое свойство конденсатора. В самые первые доли секунд, конденсатор ведет себя как проводник с очень малым сопротивлением, поэтому сила тока в этот момент будет максимальна. В этом можно легко убедиться, если резко подать на конденсатор напряжение и в начальный момент времени посмотреть, что происходит с силой тока

Красная осциллограмма – это напряжение, которое мы подаем на конденсатор, а желтая – это сила тока в цепи конденсатора. По мере заряда конденсатора сила тока падает и достигает нуля при полном заряде конденсатора.

К чему приведет дальнейшее увеличение частоты? Давайте посмотрим:

Как вы видите, с увеличением частоты, у нас сила тока в цепи с конденсатором возрастает.

Реактивное сопротивление конденсатора

Как мы увидели с прошлого опыта, с увеличением частоты растет сила тока! Кстати, у резистора не росла. То есть получается в данном случае из закона Ома, что сопротивление конденсатора зависит от частоты! Да, все так оно и есть. Но называется оно не просто сопротивлением, а реактивным сопротивлением и вычисляется по формуле:

Хс – реактивное сопротивление конденсатора, Ом

П – постоянная и приблизительно равна 3,14

С – емкость конденсатора, Фарад

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Ну а теперь давайте возьмем катушку индуктивности вместо конденсатора:

Проводим все аналогичные операции, как и с конденсатором. Смотрим на осциллограммы в цепи с катушкой индуктивности:

Если помните, вот такую осциллограмму мы получили в схеме с конденсатором:

Видите разницу? На катушке индуктивности ток отстает от напряжения на 90 градусов, на П/2, или, как еще говорят, на четверть периода (весь период у нас или 360 градусов).

Так-так-так…. Давайте соберемся с мыслями. То есть в цепи с переменным синусоидальным током, ток на конденсаторе опережает напряжение на 90 градусов, а на катушке индуктивности ток отстает от напряжения тоже на 90 градусов? Да, все верно.

Почему на катушке ток отстает от напряжения?

Не будем углубляться в различные физические процессы и формулы, просто сочтем за данность, что сила тока не может резко возрастать на катушке индуктивности. Для этого проведем простой опыт. Так же как и на конденсатор, мы резко подадим напряжение на катушку индуктивности, и посмотрим, что случилось с силой тока.

Как вы видите, при резкой подаче напряжения на катушку, сила тока не стремится также резко возрастать, а возрастает постепенно, если быть точнее, по экспоненте.

Давайте вспомним, как это было у конденсатора:

Все с точностью наоборот! Можно даже сказать, что катушка – это полная противоположность конденсатору 😉

Ну и напоследок давайте еще побалуемся частотой:

С уменьшением частоты сила тока через катушку увеличивается.

Реактивное сопротивление катушки индуктивности

Из опыта выше мы можем сделать вывод, что сопротивление катушки зависит от частоты и вычисляется по формуле

ХL – сопротивление катушки, Ом

П – постоянная и равна приблизительно 3,14

ХL – сопротивление катушки, Ом

П – постоянная и равна приблизительно 3,14

ХL – сопротивление катушки, Ом

П – постоянная и равна приблизительно 3,14

ХL – реактивное сопротивление катушки, Ом

П – постоянная и равна приблизительно 3,14

П – постоянная и приблизительно равна 3,14

L – индуктивность, Генри

Мощность в цепи с реактивными радиоэлементами

Для дальнейшего объяснения этого явления нам потребуется наша осциллограмма с катушки индуктивности:

Итак, давайте выделим на ней один период и разделим его на 4 части, то есть по 90 градусов каждая или π/2.

Давайте начнем с такого понятия, как мощность. Если не забыли, мощность – это сила тока помноженное на напряжение, то есть P=IU. Итак, в первую четвертинку периода t1 у нас напряжение принимает положительные значения и сила тока тоже положительное. Плюс на плюс дает плюс. В эту четверть периода энергия поступает из источника в реактивное сопротивление.

Теперь давайте рассмотрим отрезок времени t2. Здесь ток со знаком “плюс”, а напряжение со знаком “минус”. В итоге плюс на минус дает минус. Получается мощность со знаком “минус”. А разве так бывает? Еще как бывает! В этот промежуток времени реактивный радиоэлемент отдает запасенную энергию обратно в источник напряжения. Для лучшего понимания давайте рассмотрим простой житейский пример.

Представим себе кузнеца за работой:

Не знаю, какое было у вас детство, но я когда был пацаном, брал свинец с аккумуляторов и плющил его в металлические пластинки. И что думаете? Свинец нагревался. Не так, чтобы прям обжигал, а был тепленький на ощупь. То есть моя энергия удара превращалась в тепло, можно даже сказать, в полезную энергию.

А что если взять пружину от стоек ВАЗа и ударять по ней?

С пружиной не станет НИ-ЧЕ-ГО! Она ведь не свинец. Но… заметьте вот такую вещь: как только мы начинаем “плющить” пружину кувалдой, у нас она начинает сжиматься. И вот она сжалась до упора и… выстрелила вверх, подхватив с собой тяжелую кувалду, которая только что пыталась ее расплющить. То есть в данном случае энергия вернулась обратно в источник энергии, то есть обратно к кузнецу. Он вроде как и пытался расплющить пружину, но пружина вернула энергию обратно своим разжатием. То есть кузнецу не надо уже было подымать тяжелый молот, так как за него это уже сделала пружина.

Разжатие пружины и возврат ею энергии обратно – это и есть отрицательная мощность. В этом случае энергия возвращается обратно в источник. Хорошо ли это или плохо – это уже другая история.

В третий промежуток времени t3 и ток и напряжение у нас со знаком “минус”. Минус на минус – это плюс. То есть реактивный элемент снова поглощает энергию, ну а на t4, снова ее отдает, так как плюс на минус дает минус.

В результате за весь период у нас суммарное потребление энергии равно чему?

Так что же это получается тогда? На катушке и конденсаторе не будет выделяться никакой энергии? Получается так. Поэтому в схемах они чаще всего холодные, хотя могут быть и слегка теплыми, так как реальные параметры катушки и конденсатора выглядят совсем по другому.

Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности выглядит вот так:

RL – это сопротивление потерь. Это могут быть потери в проводах, так как любой провод обладает сопротивлением. Это могут быть потери в диэлектрике, потери в сердечнике и потери на вихревые токи. Как видите, раз есть сопротивление, значит на нем может выделяться мощность, то есть тепло.

L – собственно сама индуктивность катушки

С – межвитковая емкость.

А вот и эквивалентная схема реального конденсатора:

r – сопротивление диэлектрика и корпуса между обкладками

С – собственно сама емкость конденсатора

ESI (ESL) – эквивалентная последовательная индуктивность

Здесь мы тоже видим такие параметры, как r и ESR, которые на высоких частотах будут еще лучше себя проявлять, благодаря скин-эффекту. Ну и, соответственно, на них будет выделяться мощность, что приведет к небольшому малозаметному нагреву.

Резюме

Резистор обладает активным (омическим) сопротивлением. Катушка индуктивности и конденсатор обладают реактивным сопротивлением.

В цепи переменного тока на конденсаторе ток опережает напряжение на 90 градусов, а на катушке ток отстает от напряжения на 90 градусов.

Сопротивление катушки вычисляется по формуле

Сопротивление конденсатора вычисляется по формуле:

В цепи переменного тока на идеальном реактивном сопротивлении не выделяется мощность.

Реальные катушка и конденсатор имеют в своем составе паразитные параметры, которые имеют некоторое сопротивление. Поэтому реальные катушка и конденсатор не обладают чисто реактивным сопротивлением.

Активное и реактивное сопротивление. Треугольник сопротивлений

Активное и реактивное сопротивление — сопротивлением в электротехнике называется величина, которая характеризует противодействие части цепи электрическому току. Это сопротивление образовано путем изменения электрической энергии в другие типы энергии. В сетях переменного тока имеется необратимое изменение энергии и передача энергии между участниками электрической цепи.

Читать еще:  Как сделать рулонные шторы своими руками: подробное описание с фото

При необратимом изменении электроэнергии компонента цепи в другие типы энергии, сопротивление элемента является активным. При осуществлении обменного процесса электроэнергией между компонентом цепи и источником, то сопротивление реактивное.

В электрической плите электроэнергия необратимо преобразуется в тепло, вследствие этого электроплита имеет активное сопротивление, так же как и элементы, преобразующие электричество в свет, механическое движение и т.д.

В индуктивной обмотке переменный ток образует магнитное поле. Под воздействием переменного тока в обмотке образуется ЭДС самоиндукции, которая направлена навстречу току при его увеличении, и по ходу тока при его уменьшении. Поэтому, ЭДС оказывает противоположное действие изменению тока, создавая индуктивное сопротивление катушки.

С помощью ЭДС самоиндукции осуществляется возвращение энергии магнитного поля обмотки в электрическую цепь. В итоге обмотка индуктивности и источник питания производят обмен энергией. Это можно сравнить с маятником, который при колебаниях преобразует потенциальную и кинетическую энергию. Отсюда следует, что сопротивление индуктивной катушки имеет реактивное сопротивление.

Самоиндукция не образуется в цепи постоянного тока, и индуктивное сопротивление отсутствует. В цепи емкости и источника переменного тока изменяется заряд, значит между емкостью и источником тока протекает переменный ток. При полном заряде конденсатора его энергия наибольшая.

В цепи напряжение емкости создает противодействие течению тока своим сопротивлением, и называется реактивным. Между конденсатором и источником происходит обмен энергией.

После полной зарядки емкости постоянным током напряжение его поля выравнивает напряжение источника, поэтому ток равен нулю.

Конденсатор и катушка в цепи переменного тока работают некоторое время в качестве потребителя энергии, когда накапливают заряд. И также работают в качестве генератора при возвращении энергии обратно в цепь.

Если сказать простыми словами, то активное и реактивное сопротивление – это противодействие току снижения напряжения на элементе схемы. Величина снижения напряжения на активном сопротивлении имеет всегда встречное направление, а на реактивной составляющей – попутно току или навстречу, создавая сопротивление изменению тока.

Настоящие элементы цепи на практике имеют все три вида сопротивления сразу. Но иногда можно пренебречь некоторыми из них ввиду незначительных величин. Например, емкость имеет только емкостное сопротивление (при пренебрежении потерь энергии), лампы освещения имеют только активное (омическое) сопротивление, а обмотки трансформатора и электромотора – индуктивное и активное.

Активное сопротивление

В цепи действия напряжения и тока, создает противодействие, снижения напряжения на активном сопротивлении. Падение напряжения, созданное током и оказывающее противодействие ему, пропорционально активному сопротивлению.

При протекании тока по компонентам с активным сопротивлением, снижение мощности становится необратимым. Можно рассмотреть резистор, на котором выделяется тепло. Выделенное тепло не превращается обратно в электроэнергию. Активное сопротивление, также может иметь линия передачи электроэнергии, соединительные кабели, проводники, катушки трансформаторов, обмотки электромотора и т.д.

Отличительным признаком элементов цепи, которые обладают только активной составляющей сопротивления, является совпадение напряжения и тока по фазе. Это сопротивление вычисляется по формуле:

R = U/I, где R – сопротивление элемента, U – напряжение на нем, I – сила тока, протекающего через элемент цепи.

На активное сопротивление влияют свойства и параметры проводника: температура, поперечное сечение, материал, длина.

Реактивное сопротивление

Тип сопротивления, определяющий соотношение напряжения и тока на емкостной и индуктивной нагрузке, не обусловленное количеством израсходованной электроэнергии, называется реактивным сопротивлением. Оно имеет место только при переменном токе, и может иметь отрицательное и положительное значение, в зависимости от направления сдвига фаз тока и напряжения. При отставании тока от напряжения величина реактивной составляющей сопротивления имеет положительное значение, а если отстает напряжение от тока, то реактивное сопротивление имеет знак минус.

Активное и реактивное сопротивление, свойства и разновидности

Рассмотрим два вида этого сопротивления: емкостное и индуктивное. Для трансформаторов, соленоидов, обмоток генераторов и моторов характерно индуктивное сопротивление. Емкостный вид сопротивления имеют конденсаторы. Чтобы определить соотношение напряжения и тока, нужно знать значение обоих видов сопротивления, которое оказывает проводник.

Реактивное сопротивление образуется при помощи снижения реактивной мощности, затраченной на образование магнитного поля в цепи. Снижение реактивной мощности создается путем подключения к трансформатору прибора с активным сопротивлением.

Конденсатор, подключенный в цепь, успевает накопить только ограниченную часть заряда перед изменением полярности напряжения на противоположный. Поэтому ток не снижается до нуля, так как при постоянном токе. Чем ниже частота тока, тем меньше заряда накопит конденсатор, и будет меньше создавать противодействие току, что образует реактивное сопротивление.

Иногда цепь имеет реактивные компоненты, но в результате реактивная составляющая равна нулю. Это подразумевает равенство фазного напряжения и тока. В случае отличия от нуля реактивного сопротивления, между током и напряжением образуется разность фаз.

Катушка имеет индуктивное сопротивлением в схеме цепи переменного тока. В идеальном виде ее активное сопротивление не учитывают. Индуктивное сопротивление образуется с помощью ЭДС самоиндукции. При повышении частоты тока возрастает и индуктивное сопротивление.

На индуктивное сопротивление катушки оказывает влияние индуктивность обмотки и частота в сети.

Конденсатор образует реактивное сопротивление из-за наличия емкости. При возрастании частоты в сети его емкостное противодействие (сопротивление) снижается. Это дает возможность активно его применять в электронной промышленности в виде шунта с изменяемой величиной.

Треугольник сопротивлений

Схема цепи, подключенной к переменному току, имеет полное сопротивление, которое можно определить в виде суммы квадратов реактивного и активного сопротивлений.

Если изобразить это выражение в виде графика, то получится треугольник сопротивлений. Он образуется, если рассчитать последовательную цепь всех трех видов сопротивлений.

По этому треугольному графику можно увидеть, что катеты представляют собой активное и реактивное сопротивление, а гипотенуза является полным сопротивлением.

Активное сопротивление в цепи переменного тока

На векторных диаграммах можно показать, что ток и напряже­ние совпадают по фазе (рис. 52,а) или э. д.с. сдвинуты по фазе на некоторый угол (рис. 52,6). Условно принято считать, что векторы перемещаются в направлении против движения часовой стрелки.

Если векторы имеют различную длину, следовательно, их дейст­вующие значения разные (см. рис. 52, б).

§ 52. АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Сопротивление, включенное в цепь переменного тока, в котором происходит превращение электрической энергии в полезную рабо­ту или в тепловую энергию, называется активным сопротивлением.

К активным сопротивлениям при промышленной частоте (50 гц) относятся, например, электрические лампы накаливания и электро­нагревательные устройства.

Рассмотрим цепь переменного тока (рис. 53), в которую вклю­чено активное сопротивление. В такой цепи под действием перемен­ного напряжения протекает переменный ток. Изменение тока в Цепи, согласно закону Ома, зависит только от изменения напряже­ния, подключенного к ее зажимам. Когда напряжение равно нулю, ток в цепи также равен нулю. По мере увеличения напряжения ток в Цепи возрастает и при максимальном значении напряжения ток становится наибольшим. При уменьшении напряжения ток убывает. Когда напряжение изменяет свое направление, ток также изменяет свое направление и т. д.

Из сказанного следует, что в цепи переменного тока с актив­ным сопротивлением по мере изменения по величине и направлению напряжения одновременно пропорционально меняются величина и Направление тока. Это значит, что ток и напряжение совпадают по фазе.

Построим векторную диаграмму действующих величин тока и напряжения для цепи с активным сопротивлением. Для этого отлов жим в выбранном масштабе по горизонтали вектор напряжения Чтобы на векторной диаграмме показать, что напряжение и ток в цепи совпадают по фазе (=0), откладываем вектор тока I по направлению вектора напряжения.

Сила тока в такой цепи определяется по закону Ома:

В этой цепи среднее значение мощности, потребляемой активным сопротивлением, выражается произведением действующих значения тока и напряжения.

Пример. К цепи переменного тока с активным сопротивлением r=55 ом подключен генератор, максимальное значение напряжения которого Um=310,2 в.

показание вольтметра, подключенного к зажимам генератора; показание амперметра, включенного в цепь; среднее значение мощности, потребляемой сопротивлением.

Решение. Известно, что электроизмерительные приборы, включенные в цепь переменного тока, измеряют действующие значения. Поэтому показание вольтметра, измеряющего напряжение,

Показание амперметра, измеряющего действующее значение тока,

Среднее значение активной мощности, потребляемой сопротивлением, Р=220х4 = 880 вт или Р=I2r=42×55=16×55=880 вт.

§ 53. ИНДУКТИВНОСТЬ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Прохождение электрического тока по проводнику или катушки сопровождается появлением магнитного поля. Рассмотрим электрическую цепь переменного тока (рис. 54,а), в которую включена катушка индуктивности, имеющая небольшое количество витком проволоки сравнительно большого сечения, активное сопротивления которой можно считать практически равным нулю.

Под действием э. д. с. генератора в цепи протекает переменный ток, возбуждающий переменный магнитный поток. Этот поток пересекает «собственные» витки катушки и в ней возникает электродвижущая сила самоиндукции

(55)

где L — индуктивность катушки,

— скорость изменения тока в ней.

Электродвижущая сила самоиндукции, согласно правилу Лен­ца, всегда противодействует причине, вызывающей ее. Так как э. д. с. самоиндукции всегда противодействует изменениям переменного тока, вызываемым э. д.с. генератора, то она препятствует прохож­дению переменного тока. При расчетах это учитывается по индук­тивному сопротивлению, которое обозначается ХL и измеряется

в омах. Таким образом, индуктивное сопротивление катушки ХL зависит от величины э. д. с. самоиндукции, а следовательно, оно, как и э. д. с. самоиндукции, зависит от скорости изменения тока в ка­тушке (от частоты ) и от индуктивности катушки L:

где XL, — индуктивное сопротивление, ом,

ώ — угловая частота переменного тока, рад/сек,

L — индуктивность катушки, гн.

Так как угловая частота переменного тока , то индуктив­ное сопротивление

где, f—-частота переменного тока, гц.

Пример. Катушка, обладающая индуктивностью L=0,5 гн, присоединена к источнику переменного тока, частота которого f=50 гц. Определить:

1) индуктивное сопротивление катушки при частоте f=50 гц;

2) индуктивное сопротивление этой катушки переменному току, частота ко­торого f=800 гц.

Решение. Индуктивное сопротивление переменному току при f=50 гц

При частоте тока f=800 гц

Приведенный пример показывает, что индуктивное сопротивление катушки повышается с увеличением частоты переменного тока, протекающего по ней. По мере уменьшения частоты тока индуктивное сопротивление убывает. Для постоянного тока, когда ток в катушке не изменяется и магнитный поток не пересекает ее витки, э. д. с. самоиндукции не возникает, индуктивное сопротивлений катушки ХL равно нулю. Катушка индуктивности для постоянного тока представляет собой лишь сопротивление

Выясним, как изменяется э. д. с. самоиндукции, когда по катушке индуктивности протекает переменный ток.

Известно, что при неизменной индуктивности катушки э. д. с. самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока и она всегда направлена навстречу причине, вызвавшей ее.

На графике (рис. 54, в) переменный ток показан в виде синусоиды (сплошная линия). В первую четверть периода сила тока возрастает от нулевого до максимального значения. Электродвижущая сила самоиндукции ес, согласно правилу Ленца, препятствует увеличению тока в цепи. Поэтому на графике (пунктирной линией) показано, что ес в это время имеет отрицательное значение. Во вторую четверть периода сила тока в катушке убывает до нуля. В это время э. д.с. самоиндукции изменяет свое направление и увеличивается препятствуя убыванию силы тока. В третью четверть периода том изменяет свое направление и постепенно увеличивается до максимального значения; э. д. с. самоиндукции имеет положительное значение и далее, когда сила тока убывает, э. д. с. самоиндукции опять меняет свое направление и вновь препятствует уменьшению силы тока в цепи.

Что такое активное сопротивление переменного тока?

«Физика — 11 класс»

Активное сопротивление

Сила тока в цепи с резистором

Есть цепь, состоящая из соединительных проводов и нагрузки с малой индуктивностью и большим сопротивлением R.

Сопротивление R называется активным сопротивлением, т.к. при наличии нагрузки, обладающей этим сопротивлением, цепь поглощает энергию, поступающую от генератора.
Эта энергия превращается во внутреннюю энергию проводников — они нагреваются.
Напряжение на зажимах цепи меняется по гармоническому закону:

u = Um cos ωt

Мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения.
По закону Ома мгновенное значение силы тока:

В проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока совпадают по фазе с колебаниями напряжения, а амплитуда силы тока определяется равенством

Мощность в цепи с резистором

В цепи переменного тока промышленной частоты (v = 50 Гц) сила тока и напряжение меняются.
При прохождении тока по проводнику, например по нити электрической лампочки, количество выделенной энергии также будет меняться во времени.

Мощность в цепи постоянного тока на участке с сопротивлением R определяется формулой

Р = I 2 R

Мгновенная мощность в цепи переменного тока на участке, имеющем активное сопротивление R, определяется формулой

Р = i 2 R

Cреднее значение мощности за период (используем формулу для мгновенного значения силы тока и выражение ):

График зависимости мгновенной мощности от времени (рис.а):

Согласно графику (рис.б) среднее за период значение cos 2ωt равно нулю, а значит равно нулю второе слагаемое в формуле для среднего значения мощности за период.

Тогда средняя мощность равна:

Действующие значения силы тока и напряжения.

Среднее за период значение квадрата силы тока:

Величина, равная квадратному корню из среднего значения квадрата силы тока, называется действующим значением силы переменного тока.
Действующее значение силы переменного тока обозначается через I:

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

Действующее значение переменного напряжения определяется аналогично:

Закон Ома для участка цепи переменного тока с резистором в действующих значениях:

В случае электрических колебаний важны общие характеристики колебаний, такие, как амплитуда, период, частота, действующие значения силы тока и напряжения, средняя мощность.
Именно действующие значения силы тока и напряжения регистрируют амперметры и вольтметры переменного тока.

Действующие значения непосредственно определяют среднее значение мощности Р переменного тока:

р = I 2 R = UI.

Итак:
Колебания силы тока в цепи с резистором совпадают по фазе с колебаниями напряжения, а мощность определяется действующими значениями силы тока и напряжения.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Электромагнитные колебания. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector