Сопротивления в цепи переменного тока

Участок цепи, содержащий идеальную индуктивность (рис 2.9)

Участок цепи, содержащий активное сопротивление (рис. 2.6).

Основные свойства простейших цепей переменного тока

Емкость

Индуктивность

Элементы электрической цепи синусоидального тока

Вокруг всякого проводника с током образуется магнитное поле, которое характеризуется вектором магнитной индукции В и магнитным потоком Ф:

.

Если поле образуют несколько (w) проводников с одинаковым током, то используют понятие потокосцепления ψ

(2.7)

ψ = w Ф.

Отношение потокосцепления к току, который его создает называют индуктивностью катушки

(2.8)

L = ψ / i.

При изменении во времени потокосцепления согласно закону Фарадея возникает ЭДС самоиндукции

e_L = - dψ / dt.

С учетом соотношения (2.8) для eL получаем

(2.9)

e_L = - L · di / dt.

Эта ЭДС всегда препятствует изменению тока (закон Ленца). Поэтому, чтобы через проводники все время тек ток, необходимо к проводникам прикладывать компенсирующее напряжение

(2.10)

u_L = -e_L.

Сопоставляя уравнения (2.9) и (2.10) получаем

(2.11)

u_L = L · di / dt

Это соотношение является аналогом закона Ома для индуктивности. Конструктивно индуктивность выполняется в виде катушки с проводом.

Условное обозначение индуктивности

Катушка с проводом кроме свойства создавать магнитное поле обладает активным сопротивлением R.

Условное обозначение реальной индуктивности.

Единицей измерения индуктивности является Генри (Гн). Часто используют дробные единицы

1 мкГн = 10^–6 Гн; 1 мкГн = 10^–3 Гн.

Все проводники с электрическим зарядом создают электрическое поле. Характеристикой этого поля является разность потенциалов (напряжение). Электрическую емкость определяют отношением заряда проводника к напряжению

C = Q / U_C.

С учетом соотношения

i = dQ / dt

получаем формулу связи тока с напряжением

i = C · du_C / dt.

Для удобства ее интегрируют и получают

(2.12)

u_C = 1 / C · ∫ i dt.

Это соотношение является аналогом закона Ома для емкости.

Конструктивно емкость выполняется в виде двух проводников разделенных слоем диэлектрика. Форма проводников может быть плоской, трубчатой, шарообразной и др.

Единицей измерения емкости является фарада:

1Ф = 1Кл / 1В = 1Кулон / 1Вольт.

Оказалось, что фарада является большой единицей, например, емкость земного шара равна ≈ 0,7 Ф. Поэтому чаще всего используют дробные значения

1 пФ = 10^–12 Ф, (пФ – пикофарада);
1 нФ = 10^–9 Ф, (нФ – нанофарада);
1 мкФ = 10^–6 Ф, (мкФ – микрофарада).

Условным обозначением емкости является символ

Простейшие цепи – цепи, содержащие один элемент.

Рис. 2.6

Зададимся изменением тока в резисторе по синусоидальному закону

i(t) = I_mR sin(ωt + ψ_i).

Воспользуемся законом Ома для мгновенных значений тока и напряжения

u(t) = R i(t)

и получим

(2.13)

u(t) = R I_mR sin(ωt + ψ_i).

Формальная запись синусоидального напряжения имеет вид

(2.14)

u(t) = U_mR sin(ωt + ψ_u)

Соотношения (2.13) и (2.14) будут равны если будут выполнены условия равенства амплитуд и фаз

(2.15)

U_mR = R I_mR,

(2.16)

ψ_u = ψ_i.

Соотношение (2.15) может быть записано для действующих значений

(2.17)

U_R = R I_R.

Соотношение (2.16) показывает, что фазы напряжения и тока в резисторе совпадают. Графически это представлено на временной диаграмме (рис. 2.7) и на комплексной плоскости (рис. 2.8).

Рис. 2.7 и 2.8

Рис. 2.9

Зададим изменение тока в индуктивности по синусоидальному закону

i(t) = I_mL sin(ωt + ψ_i).

Используем уравнение связи между током и напряжением в индуктивности

u_L = L · di / dt

и получим

u_L(t) = ωL · I_mL cos(ωt + ψ_i).

Заменим cos на sin и получим

(2.18)

u_L(t) = ωL · I_mL sin(ωt + ψ_i + 90°).

Формальная запись синусоидального напряжения имеет вид

(2.19)

u_L(t) = U_mL sin(ωt + ψ_u).

Соотношения (2.18) и (2.19) будут равны если выполняется условие равенства амплитуд и фаз

(2.20)

U_mL = ωL · I_mL,

(2.21)

ψ_u = ψ_i + 90°.

Уравнение (2.20) можно переписать для действующих значений

(2.22)

U_L = ωL · I_L.

Уравнение (2.21) показывает, что фаза тока в индуктивности отстает от фазы напряжения на 90°. Величину X_L = ωL в уравнении (2.20) называют индуктивным сопротивлением. Единицей его измерения является Ом. Графически электрические процессы в индуктивности представлены на рис. 2.10, 2.11.

Рис. 2.10 и 2.11

3. Участок цепи, содержащий ёмкость (рис. 2.12)

Рис. 2.12

Зададим изменение тока в емкости по синусоидальному закону

i(t) = I_mC sin(ωt + ψ_i).

Используем уравнением связи между током и напряжением в емкости

u_C = 1 / C · ∫ i dt,

и получим

u_C = 1 / (ωC) · I_mC (-cos(ωt + ψ_i)).

Заменим –cos на sin

(2.23)

u_C = 1 / (ωC) · I_mC sin(ωt + ψ_i - 90°).

Формальная запись синусоидального напряжения имеет вид

(2.24)

u_C = U_mC sin(ωt + ψ_u).

Соотношения (2.23) и (2.24) будут равны если выполняется условие равенства амплитуд и фаз

(2.25)

U_mC = 1 / (ωC) · I_mC,

(2.26)

ψ_u = ψ_i - 90°.

Уравнение (2.25) можно переписать для действующих значений

(2.27)

U_C = 1 / (ωC) · I_C.

Уравнение (2.26) показывает, что фаза напряжения в емкости отстает от фазы тока на 90°. Величину X_C = 1 / (ωC) в уравнении (2.25) называют емкостным сопротивлением цепи и измеряют его в Омах. Графически электрические процессы в емкости представлены на рис. 2.13, 2.14.

Рис. 2.13 и 2.14

В цепях переменного тока выделяют следующие виды сопротивлений.

Активное. Активным называют сопротивление резистора. Условное обозначение

Единицей измерения сопротивления является Ом. Сопротивление резистора не зависит от частоты.

Реактивное. В разделе реактивные выделяют три вида сопротивлений: индуктивное xL и емкостное хс и собственно реактивное. Для индуктивного сопротивления выше была получена формула X_L = ωL. Единицей измерения индуктивного сопротивления также является Ом. Величина xL линейно зависит от частоты.

Для емкостного сопротивления выше была получена формула X_C = 1 / ωC. Единицей измерения емкостного сопротивления является Ом. Величина хс зависит от частоты по обратно-пропорциональному закону. Просто реактивным сопротивлением цепи называют величину X = X_L - X_C.

Полное сопротивление. Полным сопротивлением цепи называют величину

(2.28)

.

Из этого соотношения следует, что сопротивления Z, R и X образуют треугольник: Z – гипотенуза, R и X – катеты. Для удобства в этом треугольнике рассматривают угол φ, который определяют уравнением

(2.29)

φ = arctg((X_L - X_C) / R),

и называют углом сдвига фаз. С учетом него можно дать дополнительные связи

(2.30)

R = Z cos φ,

(2.31)

X = Z sin φ.

Дата добавления: 2014-01-04