Гармонический ток в сопротивлении

 

Пусть

Тогда ток в сопротивлении R (рис. 3.3) можно определить по закону Ома: ,

Отсюда .

Сдвиг фаз между напряжением и током , т.е. ток и напряжение на сопротивлении совпадают по фазе.

Поскольку , то для действующих значений справедливо

, (3.11)

где Z – полное сопротивление цепи (импеданс), равное отношению действующих значений напряжения и тока.

Для цепи, представленной на рис. 3.3, полное сопротивление .

Для определения мгновенной мощности, поступающей в сопротивление, воспользуемся полученным выше соотношением для мгновенной мощности:

(3.12)

Активная мощность, равная средней мощности за период,

(3.13)

Таким образом, в резистивном элементе с сопротивлением R электромагнитная энергия преобразуется в тепловую при мощности преобразования Резистивные элементы вводят в схему также и для учета необратимого преобразования электромагнитной энергии в другие формы энергии (например, в механическую) и для учета излучаемой энергии.

Гармонический ток в индуктивности

Индуктивность – элемент цепи, который учитывает энергию магнитного поля . При увеличении (уменьшении) тока энергия магнитного поля увеличивается (уменьшается). Следовательно, индуктивные элементы можно рассматривать как аккумуляторы (накопители энергии).

При изменении тока в индуктивности возникает ЭДС самоиндукции e_L. По закону Ленца e_L препятствует изменению тока. Поэтому при традиционном выборе одинаковых положительных направлений для тока i_L и ЭДС e_L, как показано на рис. 3.5, знаки e_L и противоположны и Чтобы через индуктивность проходил переменный ток, к ее выводам надо приложить напряжение u_L, равное по величине и противоположное по направлению ЭДС e_L:

(3.14)

где L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью. Единица измерения индуктивности – генри (Гн).

Так как электрическому току всегда сопутствует магнитное поле, любой обтекаемый током участок цепи, представляющий электротехническое устройство, должен характеризоваться индуктивностью.

Если тогда

(3.15)

Закон Ома для цепи с индуктивным элементом .

– индуктивное сопротивление, имеет размерность сопротивления. Полное сопротивление Z также равно X_L.

Начальная фаза напряжения , сдвиг фаз .

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Амплитуда и действующее значение напряжения и тока на индуктивности связаны законом Ома.

2. Напряжение u_L опережает по фазе ток i_L на .

Мгновенная мощность

(3.16)

Из выражения (3.16) следует, что средняя мощность за период, а следовательно, и активная мощность равны нулю. Индуктивность – реактивный элемент.

Мгновенная мощность может быть положительной, отрицательной и равной нулю (рис. 3.6). Если p (t)> 0, индуктивность заряжается энергией

в виде энергии магнитного поля; если p (t)< 0,индуктивность возвращает энергию источнику. Средняя мощность за период P _ср= 0(мгновенная мощность колеблется относительно нуля).

Индуктивная проводимость

. (3.17)

Гармонический ток в емкости

Емкостный элемент цепи с емкостью С учитывает энергию электрического поля .

Ток в ветви с емкостью равен скорости изменения заряда на электродах, и при указанном положительном направлении тока знак тока совпадает со знаком производной по времени от заряда q.

. (3.18)

Единица измерения емкости – фарада (Ф).

Пусть тогда

. (3.19)

Отсюда

Емкостное сопротивление .

Полное сопротивление Z также равно X_C.

Фаза тока , а сдвиг фаз .

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Амплитуда и действующее значение напряжения и тока на емкости связаны законом Ома.

2. Напряжение u_с отстает по фазе от тока i_с на .

Мгновенная мощность

.

Мгновенная мощность может быть положительной, отрицательной и равной нулю (рис. 3.8). Если p (t)> 0, емкость заряжается энергией в виде энергии электрического поля; если p (t)< 0, емкость возвращает энергию источнику. Средняя мощность за период P_ср = 0,а, следовательно, и активная мощность равна нулю, что означает, что происходит обмен энергией без потерь, емкость – реактивный элемент.

 

Емкостная проводимость

. (3.20)

3.2.4. Последовательное соединение R, L, C

Для мгновенных значений токов и напряжений выполняются I и II законы Кирхгофа.

При прохождении синусоидаль­ного тока через электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных элементов R, L, C (рис. 3.9), на выводах a – b этой цепи создается синусоидальное напряжение, равное по II закону Кирхгофа алгебраической сумме синусоидальных напряжений на отдельных элементах:

(3.21)

Из тригонометрии известно, что

. (3.22)

Применим формулу (3.22) к выражению (3.21):

(3.23)

Реактивное сопротивление последовательной RLC – цепи

может принимать следующие значения:

– цепь носит чисто активный характер (в цепи резонанс);

– цепь носит индуктивный характер, т.е. ;

– цепь носит емкостный характер, т.е. .

Полное сопротивление цепи

;

угол разности фаз

,

определяется по оси от кривой напряжения к кривой тока и бывает острым или прямым: j < 0при емкостном характере цепи (ток опережает напряжение), j > 0при индуктивном характере цепи (ток отстает по фазе от напряжения), j = 0при резистивном характере цепи (индуктивное и емкостное сопротивления равны) – такой режим цепи называют резонансом напряжений.

Из выражений и следует, что связь активного и реактивного сопротивления с полным сопротивлением выражается следующими формулами:

, (3.24)

что удобно представлять с помощью треугольника сопротивлений (рис. 3.10).

Умножив левые и правые части выражений для сопротивлений (3.24) на действующее значение тока I, получим соответственно действующие значения напряжений на активном и реактивном сопротивлениях, которые называют активной и реактивной составляющими напряжения:

(3.25)

Тогда действующее значение суммарного напряжения можно определить как Для напряжений также можно построить прямоугольный треугольник напряжений.

3.2.5. Параллельное соединение R, L, C

Если к выводам электрической цепи, состоящей из параллельно соединенных R, L, C (рис. 3.11), приложено синусоидальное напряжение то по I закону Кирхгофа синусоидальный ток в неразветвленной части равен алгебраической сумме синусоидальных токов в параллельных ветвях где

– совпадает по фазе с напряжением u(t);

– отстает по фазе от напряжения u (t) на ;

– опережает по фазе напряжение u (t) на .

Просуммируем:

Выражение (3.26) является тригонометрической формой записи I закона Кирхгофа для мгновенных значений.

Активная проводимость цепи , всегда положительна.

Реактивная проводимость цепи , в зависимости от знака может иметь индуктивный (В > 0)или емкостный (B < 0)характер. Если В = 0, цепь носит активный характер.

Для нахождения и jвоспользуемся приемом, приведенным в предыдущем разделе:

, (3.27)

т.е. ток отстает от напряжения на угол j.

Здесь – начальная фаза напряжения;

– начальная фаза тока;

– разность фаз;

– амплитудное значение тока;

– полная проводимость цепи – величина, обратная полному сопротивлению ;

– угол разности фаз определяется по оси в направлении от напряжения к току и является острым или прямым .

– при индуктивном характере цепи, т.е. при B > 0; при этом ток опережает по фазе напряжение.

– при емкостном характере цепи, т.е. при B < 0; при этом ток опережает по фазе напряжение.

– при резистивном характере цепи, т.е. при равенстве индуктивной и емкостной проводимостей ; при этом ток совпадает по фазе с напряжением. Такой режим работы электрической цепи называют резонансом токов.

Активная и реактивная проводимости цепи связаны с полной проводимостью формулами

. (3.28)

Для проводимостей также можно построить треугольник проводимостей.

Активная и реактивная составляющие тока определяются следующим образом:

. (3.29)

Активная и реактивная составляющие тока связаны с действующим значением суммарного тока формулой . Для токов также можно построить треугольник токов.

Следует отметить, что описывать электрические цепи синусоидального тока, оперируя понятиями мгновенного значения тока и напряжения, достаточно трудоемко и применимо только для простейших электрических цепей, не содержащих большого числа контуров и источников. С усложнением электрических цепей такая форма расчета становится крайне затруднительной и требуется метод, позволяющий рассчитывать электрические цепи переменного тока алгебраически аналогично цепям постоянного тока. Таким удобным расчетным методом служит символический метод.