Переменное напряжение и ток. Реактивные и нелинейные нагрузки.

Переменное напряжение - это напряжение, которое с течением времени изменяется по величине и(или) знаку.

Частный случай переменного напряжения - гармонический сигнал, например, изменяемый по синусоидальному закону (напряжение питания в электрических сетях):

Где U_m - амплитудное значение напряжения (максимальное значение за период).

Т - период колебания (в сек.)

Из времени периода выражается частота (F) напряжения (измеряется в Герцах). Частота переменного тока численно равна числу периодов в секунду.

F=1/T

Все мы знаем, что дома в розетках у нас напряжение 220В, 50 Герц. Но, какое именно это значение напряжения?

Это синусоидальное напряжение частотой 50Герц. То есть, период изменения мгновенного значения напряжения будет равен 0,02секунды.

Если, подключить к источнику переменного (синусоидального) напряжения активную нагрузку (простое сопротивление (резистор) или просто нагревательный элемент), через эту нагрузку потечет переменный ток, который по форме и значению (с соответствующим множителем, исходя из закона Ома для постоянного тока и величины сопротивления нагрузки) будет совпадать с поданным напряжением.

Действующее значение переменного тока - это величина постоянного тока, который может выполнить ту же самую работу (нагрев), которая определяется мощностью.

Именно действующее (эффективное значение) значение выполняет "работу " в электрических приборах при наличии только активного сопротивления нагрузки (вся работа переходит в тепло).

Соответственно, видно, что мощность определяется площадью под кривой графика.

Для постоянного тока мощность выделяется в течении всего времени воздействия постоянного напряжения на нагрузку.

Для синусоидального напряжения воздействие этого напряжения на нагрузку (соответственно выделение теплоты - совершение работы) происходит нелинейно. И выделение тепла будет усредняться в течении времени за период.

Для переменного синусоидального напряжения это усреднение характеризуется коэффициентом:

 

где U_m - амплитудное значение ("amp") напряжения (максимальное значение за период),

U - это именно полезное действующее значение напряжения (которое, совершает какую-то эквивалентную работу). Часто это значение называют - среднеквадратичным ("rms").

Именно действующее напряжение указано в характеристиках питающих электросетей и на электроприборах. 220Вольт, 50Герц. При обсуждении электропитания потребителей, всегда говорят о величине действующего напряжения.

При этом, если посмотреть на пиковые (амплитудные) значения этого напряжения, оно будет:

 

То есть, амплитудное значение в 1,414 раза больше действующего. Этого значения оно будет достигать в кратковременный момент времени, при прохождения графика переменного напряжения через свой максимум.

 

Из всей информации, которая изложена выше, мало запомнить и заучить все формулы и выражения. Необходимо понять, какие величины от чего и в какой мере зависят.

Главное, понять то, что отношение амплитудного и действующего напряжения равное имеет место только для напряжения синусоидальной формы.

Для "прямоугольной" формы напряжения действующее напряжение будет зависеть от скважности - отношения времени подачи импульса ко времени паузы между импульсами:

 

. Для более "треугольной" ("острой", пилообразной) формы напряжения соотношение между амплитудным и действующим напряжением будет уже другое:

 

"Тепловой" эффект воздействия (то есть RMS) имеет определяющее значение в оценке мощности (работы, которую может совершить), что несет переменное напряжение (или ток соответственно).

Кроме, элементов цепей с активным сопротивлением (линейная нагрузка), есть элементы цепи с так называемым реактивным сопротивлением, то есть индуктивности и емкости (катушки и конденсаторы) и другие более сложные нагрузки.

В цепи, содержащей только активное сопротивление, фаза тока всегда совпадает с фазой напряжения, т. е. сдвиг фаз тока и напряжения в цепи с чисто активным сопротивлением равен нулю

 

В цепи, содержащей чисто реактивное сопротивление — индуктивное или емкостное, — фазы тока и напряжения сдвинуты друг относительно друга на четверть периода, причем в чисто индуктивной цепи фаза тока отстает от фазы напряжения, а в чисто емкостной цепи фаза тока опережает фазу напряжения.