Резистивный элемент в цепи переменного тока

активный токвекторная диаграмма резистораВ электрическую цепь могут быть включены различные элементы. Все они служат ее нагрузкой, т.е. сопротивлениями. А по своему действию на ток сопротивления подразделяются на активное, индуктивное и реактивное. Активное сопротивление R на схемах обозначаются как резисторы, индуктивные L как катушки индуктивности, а реактивные C как конденсаторы. Рассмотрим, как взаимоизменяются ток и напряжение в электрической цепи переменного тока с каждым из этих сопротивлений. Случай включения активного сопротивления представлен рис.1. Для наглядности графика взято сопротивление номиналом 2Ом. Как видно из графика, а лучше открыть ссылку на рисунок в новой вкладке, - ток меняется одинаково с напряжением. Совпадают по времени (не по величине - не путайте) все нулевые, максимальные и минимальные значения (точки) напряжения и тока. Да и все промежуточные значения тока и напряжения возрастают и убывают, как следует из наблюдения за графиком, так сказать, синхронно. Как говорят правильным электротехническим языком, напряжение и ток совпадают по фазе. Соотношение между комплексными значения тока и напряжения для резистивного элемента наглядно иллюстрируется векторной диаграммой (рис.1а). Из векторной диаграммы также видно, что векторы комплексных значений тока и напряжения резистивного элемента совпадают по фазе. На диаграмме это показано стрелками тока и напряжения в одном напряжении с разностью в 0°, т.е. ψi = ψu.

Индуктивный элемент в цепи переменного тока

индуктивный токвекторная диаграмма индуктивностиСовсем иная картина при включении в цепь катушки индуктивности. Здесь для наглядности сравнения графиков мы приняли индуктивное сопротивление за 1Ом. Также необходимо сразу сказать, что на графиках и в формулах между собою равны следующие обсуждаемые значения на оси времени: 0,005сек = п/2 = 90°; 0,01сек = п= 180°; 0,015сек = 1,5п = 270°; 0,02сек = 2п = 360°. Здесь п - число "пи" - и оно же 180°. Это все одно и то же. То есть период Т , за который величина возвращается в исходное положение - это 2п. Говорят, что в идеальной индуктивности ток отстает от напряжения на 90°. Разберемся, как это выглядит в действительности. В момент включения ток через катушку равен нулю, в то время как напряжение на катушке равно напряжению источника.

Через время 0,005сек = п/2 = 90° ток через катушку имеет максимальное значение, а напряжение равно нулю. Еще через 90°(т.е. когда t = 0,01сек = п = 180°) напряжение на катушке снова максимально (разумеется, обратной полярности), а ток равен нулю. И так через каждые 90°. Это явление получило название самоиндукции. Самоиндукция препятствует резкому нарастанию тока при включении источниика и убыванию тока при выключении источника. В этом, собственно, и заключается назначение дроссельного элемента люминесцентных ламп. Использование такого дросселя приведено для примера в разделе "Маленькие хитрости". Что касается мощности, то получается нижеследующая картина. В первую четверть( от 0сек до 0,005сек)периода мгновенная мощность положительна при нарастании тока(независимо от его знака) в индуктивном элементе - в это время энергия накапливается в магнитном поле индуктивного элемента. В течение следующей четверти(от 0,005сек до 0,01сек)периода при спадании тока индуктивный элемент уже не получает энергию от источника, а наоборот, отдает ему. Поэтому среднее значение мощности за период равно нулю, т.е синусоидальный ток в индуктивном элементе работы не совершает. И в отличие от резистивного элемента энергетический режим индуктивного элемента принято определять не активной, а реактивной индуктивной мощностью, равной максимальному положительному значению мгновенной мощности. Ее единицей является вольт-ампер реактивный (вар). Сопротивление индуктивного элемента определяется как: XL = ω*L, где L - значение индуктивности, а ω = 2*п*f, где п - число пи, f - частота источника напряжения.
На рис.2а приведена векторная диаграмма для индуктивного элемента. На векторной диаграмме показано, что вектор комплексного значения тока IL отстает по фазе от вектора комплексного значения напряжения UL на угол п/2 (90°). Этот угол показан на рисунке синим цветом. Также из диаграммы видно, что нарастание напряжения UL опережает нарастание тока IL по времени. На диаграмме это видно по тому, что вектор напряжения расположен левее вектора тока, т.е. угол напряжения (фаза - это одно и то же) больше угла сдвига тока.
P.S. Для пытливых умов все же стоит заметить, что некоторая активная мощность на индуктивном элементе все же выделяется, поскольку имеется сопротивление намотанной медной проволоки. Очень часто индуктивный элемент в цепи постоянного тока применяют в качестве токоограничительного элемента при запуске. В люминесцентных светильниках дроссельный элемент является индуктивным и позволяет в момент запуска ограничить ток внутри лампы особенно в первый момент. В радиоприемных устройствах индуктивность вместе с емкостным элементом входит в состав колебательных контуров, позволяя выделить нужную частоту. В звуковоспроизводящих устройствах индуктивность входит в состав всевозможных фильтров, позволяя "отсеивать" ненужные частотные помехи.

Емкостной элемент в цепи переменного тока

емкостной токвекторная диаграмма емкостного элементаНастало время рассмотреть поведение емкостного элемента. Емкостной элемент(конденсатор) ведет себя по сравнению с индуктивностью с точностью до наоборот. Здесь ток опережает напряжение на 90°. Физически это означает, что в момент включения цепи ток в ней будет максимальным. По мере зарядки конденсатора напряжение на нем будет приближаться к напряжению источника и как только они сравняются, ток в цепи будет ноль. После этого в следующую четверть периода начнется разрядка напряжения, а ток будет возрастать. Далее синусоидальное напряжение сменит полярность и процесс повторится. Мгновенная мощность в емкостном элементе положительна в те интервалы времени, в течение которых напряжение(а не ток, как в индуктивном элементе) возрастает(независимо от знака).

читать далее...

В течение этих интервалов происходит зарядка емкости и в его электрическом поле накапливается энергияю. При уменьшении напряжения (опять-таки по модулю, т.е по абсолютнгому значению)на емкости мгновенная мощность отрицательна. Емкостной элемент разряжается и энергия, запасенная в его электрическом поле, возвращается к источнику. Таким образом, в емкостном элементе, так же как и в индуктивном, синусоидальный ток не совершает работы. Энергетический режим емкостного элемента принято определять реактивной емкостной мощностью, равной максимальному отрицательному значению мгновенной мощности.
На рис.3а приведена векторная диаграмма для емкостного элемента. На векторной диаграмме показано, что вектор комплексного значения тока конденсатора IС опережает по фазе вектор комплексного значения напряжения конденсатора UС на угол п/2 (90°). Этот угол показан на рисунке синим цветом. Также из диаграммы видно, что нарастание тока IС опережает нарастание напряжение UС по времени. На диаграмме это видно по тому, что вектор тока расположен левее вектора напряжения, т.е. угол сдвига тока (фаза - это одно и то же) больше угла сдвига напряжения. Сопротивление емкостного элемента определяется как: XС = 1/ω*С, где С - значение емкости, а ω = 2*п*f, где п - число пи, f - частота источника напряжения.

Сопутствующие темы раздела:

активное, индуктивное и реактивное сопротивления в цепи постоянного тока
электрику о резисторах
электрику о конденсаторах
электрику об индуктивности
электрический резонанс