Самоиндукция. Индуктивность. Синусоидальный ток в индуктивности

Способы задания синусоидального тока

Как следует из вышесказанного, синусоидальный ток можно задать четырьмя различными формами: уравнением i = I_msin(w t + y), определяющим мгновенное значение тока (значение тока в любой момент времени), волновой диаграммой, вектором и комплексным числом. При этом мы легко можем перейти от одной формы задания к другой.

Например: 1) i = 20sin(w t+110°), , ;
2) , , i = 8,49sin(w t-60°);
3) , i = 5sin(w t-143,1°), ,
u = 100 sin (w t + 60°).

В качестве начальной фазы мы берем не 120°, которые указаны на волновой диаграмме, а тот угол, на который сдвинуто начало синусоиды. Начальная фаза на волновой диаграмме определяется ближайшей к началу координат точкой перехода синусоиды через ноль от минуса к плюсу – это 60°. Так как начало синусоиды смещено от точки 0 влево, то начальная фаза положительна.

2.8. Законы Кирхгофа в цепях синусоидального тока.
Методы расчета цепей синусоидального тока

Для мгновенных значений ЭДС, токов и напряжений остаются справедливыми сформулированные ранее законы Кирхгофа.

П е р в ы й: в любой момент времени алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю:

, (2.8)

где n – число ветвей, сходящихся в узле.

В т о р о й: в любой момент времени в замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на всех остальных элементах контура:

, (2.9)

где m – число ветвей, образующих контур.

Токи, напряжения и ЭДС, входящие в уравнения (2.8) и (2.9), есть синусоидальные функции времени, которые мы рассматриваем как проекции некоторых векторов на оси координат. Так как сложению проекций соответствует сложение векторов и соответствующих им комплексных чисел, то справедливыми будут следующие уравнения, которые можно записывать как для действующих, так и для амплитудных значений.

Законы Кирхгофа в векторной форме:	Законы Кирхгофа в символической форме:
(2.10)	(2.11)

Из сказанного вытекают три возможных подхода к расчету цепей синусоидального тока: выполнение операций непосредственно над синусоидальными функциями времени по уравнениям (2.8) и (2.9); применение метода векторных диаграмм, основанного на уравнениях (2.10), использование в расчетах комплексных чисел и уравнений (2.11), являющихся основой символического метода.

Пример 2.4. В узле электрической цепи сходятся три ветви (рис. 2.14).

Токи первых двух ветвей известны: i1 = 8sin(w t+30°) А, i2 = 6sin(w t+120°) А. Требуется записать выражение тока i3 и определить показания амперметров электромагнитной системы.

Рис. 2.14. Узел электрической цепи

Р е ш е н и е. 1. Непосредственное сложение синусоид:

i₃ = i₁+i₂ = 8sin(w t+30°)+6sin(w t+120°) = I_3msin(w t+y ₃).

Сумма двух синусоид одинаковой частоты есть тоже синусоида той же частоты. Ее амплитуда и начальная фаза могут быть найдены по известным из математики формулам:

A,

,

откуда y ₃ = 66,87°. Итак, i₃ = 10 sin (w t+66,87 ° ).

2. Применение метода векторных диаграмм.

В соответствии с первым законом Кирхгофа в векторной форме для цепи на рис. 2.14 имеем . В прямоугольной системе координат строим векторы и и находим вектор , равный их сумме (рис. 2.15).

Так как треугольник oab прямоугольный, а сторона ab равна длине вектора I2m, то = А. Если треугольник получается не прямоугольным, то применяется теорема косинусов. Начальная фаза третьего тока равна углу наклона: вектора I3m к горизонтальной оси:

Рис. 2.15. Векторная диаграмма токов

3. Решение символическим методом.

Записываем комплексные амплитуды первого и второго токов:

A,

A.

По первому закону Кирхгофа в символической форме

А.

Модуль последнего комплексного числа равен амплитуде третьего тока, а аргумент – начальной фазе.

Определяем показания амперметров. Приборы электромагнитной системы показывают действующие значения токов и напряжений, поэтому

A, A, A.

Обращаем внимание на то, что . Это не ошибка. В цепях синусоидального тока для показаний приборов законы Кирхгофа не справедливы. Можно складывать мгновенные значения токов (синусоидальные функции времени), векторы и комплексные числа, но не численные значения токов и напряжений, не показания приборов.

Следует заметить, что первый из рассмотренных в примере методов из-за громоздкости вычислительных операций с синусоидами практически не применяется.

Метод векторных диаграмм удобен при решении относительно несложных задач.

В символической форме, как будет показано ниже, можно рассчитать сколь угодно сложную линейную цепь.

2.9. Понятие об активном сопротивлении. Синусоидальный
ток в активном сопротивлении

При протекании электрического тока выделяется энергия в виде тепла или механической работы. Параметр электрической цепи, характеризующий этот процесс, называется активным сопротивлением. Количественно он определяется следующим образом. Пусть на некотором участке цепи за время Т, равное периоду переменного тока, действующее значение которого I, необратимо преобразуется в тепло или механическую работу электрическая энергия W_Т. Тогда активное сопротивление рассматриваемого участка цепи по определению равно

. (2.12)

На схеме активное сопротивление обозначается точно так же, как и сопротивление постоянному току (рис. 2.16). Последнее, называемое еще омическим, определяется структурой кристаллической решетки проводника и состоянием свободных электронов. Наличие вблизи каких-либо проводящих тел и ферромагнитных сердечников на омическое сопротивление не влияет.

Рис. 2.16. Активное сопротивление

Иначе обстоит дело при переменном токе.

При невысоких частотах сопротивление проводника мало отличается от сопротивления постоянному току. Но с повышением частоты все сильнее и сильнее сказывается поверхностный эффект, заключающийся в вытеснении переменного тока из серединных областей проводника к его поверхности. Это приводит к уменьшению сечения, занимаемого током, к увеличению сопротивления и возрастанию тепловых потерь. К аналогичным последствиям приводит и эффект близости, выражающийся в возникновении неравномерности распределения электрического тока по сечению проводника из-за действия магнитного поля соседних проводов.

Если вблизи катушки имеются ферромагнитные сердечники и какие-либо другие проводящие тела, то магнитное поле переменного тока индуцирует в них вихревые токи, что вызывает дополнительные потери энергии на нагрев. Кроме того, в переменном магнитном поле происходит непрерывное периодическое перемагничивание ферромагнитного сердечника, требующее энергетических затрат на изменение направления магнитных моментов доменов.

Таким образом, понятие активного сопротивления является более широким, по сравнению с омическим. Числитель в формуле (2.12) при переменном токе всегда больше, чем при постоянном, так как он включает в себя все перечисленные потери электромагнитной энергии на тепло. Поэтому для одной и той же электрической установки активное сопротивление переменному току всегда оказывается больше чем сопротивление постоянному току.

Мгновенные значения напряжения и тока в активном сопротивлении связаны законом Ома:

или ,

где – активная прово димость: .

При изменении тока по синусоидальному закону

, (2.13)

напряжение тоже синусоидально и имеет с током одинаковые начальные фазы:

. (2.14)

Отсюда или .

Разделив два последних уравнения на , получим

и .

Четыре последних уравнения представляют собой различные формы записи закона Ома для активного сопротивления.

По уравнениям (2.13) и (2.14) можно записать комплексные амплитуды тока и напряжения:

, , откуда

или .

После деления последних двух уравнений на будем иметь:

и .

Получили те же самые выражения закона Ома, но в символической форме.

На рис. 2.17 показаны волновая и векторная диаграммы, построенные по формулам (2.13) и (2.14).

Рис. 2.17. Волновая и векторные диаграммы для активного сопротивления

В активном сопротивлении напряжение и ток совпадают по фазе; их начальные фазы одинаковы, угол сдвига фаз равен нулю, векторы на векторной диаграмме направлены в одну сторону (параллельны).

Если в катушке, изображенной на рис. 2.1, магнитное поле создается собственным током i, то магнитный поток называется потоком самоиндукции и обозначается Ф_L, а индуцируемая в катушке ЭДС е_L – ЭДС самоиндукции. В соответствии с формулой (2.1) она равна

, (2.15)

где – потокосцепление самоиндукции, величина, пропорциональная протекающему по катушке току: = Li.

Коэффициент пропорциональности L между потокосцеплением и током называется собственной индуктивностью или просто индуктивностью катушки (контура). Она зависит от формы и размеров катушки, а также от магнитной проницаемости сердечника. Ее размерность В x с/А=Ом x с. Эта единица измерения называется генри (Гн).

Подставляя последнее выражение в (2.15) и полагая L = const, получаем следующую формулу, определяющую ЭДС самоиндукции:

. (2.16)

На рис. 2.18 показано изображение индуктивности на электрической схеме; uL – напряжение на зажимах катушки, обусловленное электродвижущей силой самоиндукции, или другими словами, напряжение, наведенное в катушке собственным переменным магнитным полем.

Рис. 2.18. Обозначение индуктивности

Все три стрелки на схеме (i, e_L, u_L) принято направлять в одну сторону. Раньше мы видели, что при одинаковых направлениях стрелок напряжения и ЭДС они имеют разные знаки. Поэтому

. (2.17)

Знак минус в правой части формулы (2.16) обусловлен принципом Ленца, определяющим направление индуцированной ЭДС. В рассматриваемом случае он может быть сформулирован следующим образом:

Дата добавления: 2014-01-06