Как найти амплитуду напряжения на катушке индуктивности

Опишем колебания, которые происходят в цепи переменного тока при включении в нее конденсатора и катушки индуктивности. А также рассмотрим условия, при выполнении которых в цепи переменного тока наступает резонанс. Получим формулы для вычисления амплитуд напряжений, введем понятия емкостного и индуктивного сопротивления и выясним, какую роль играют эти величины.

Конденсатор в цепи переменного тока

Постоянный ток не может существовать в цепи, содержащий конденсатор. Движению электронов препятствует диэлектрик, расположенный между обкладками. Но переменный ток в такой цепи существовать может, что доказывает опыт с лампой (см. рисунок ниже).

Пусть фактически такая цепь разомкнута, но если по ней течет переменный ток, конденсатор то заряжается, то разряжается. Ток, текущий при перезарядке конденсатора нагревает нить лампы, и она начинает светиться.

Найдем, как меняется сила тока в цепи, содержащей только конденсатор, если сопротивление проводов и обкладок конденсатора можно пренебречь (см. рис. выше). Напряжение на конденсаторе будет равно:

u=φ1−φ2=qC

Учтем, что напряжение на конденсаторе равно напряжению на концах цепи:

qC=Umaxcosωt

Следовательно, заряд конденсатора меняется по гармоническому закону:

q=CUmaxcosωt

Тогда сила тока, представляющая собой производную заряда по времени, будет равна:

i=q´=−CUmaxsinωt=CUmaxcos(ωt+π2)

Следовательно, колебания силы тока опережают колебания напряжения на конденсаторе на π2 (см. график ниже). Это означает, что в момент, когда конденсатор начинает заряжаться, сила тока максимальна, а напряжение равно нулю. После того, как напряжение достигнет максимума, сила тока становится равной нулю и т.д.

Амплитуда силы тока равна:

Imax=UmaxCω

Примем, что:

1Cω=XC

Также будем использовать действующие значения силы тока и напряжения. Тогда получим, что:

Определение

I=UXC

Величина XC, равная обратному произведению циклической частоты на электрическую емкость конденсатора, называется емкостным сопротивлением. Роль этой величины аналогична роли активного сопротивления R в законе Ома.

Обратите внимание, что на протяжении четверти периода, когда конденсатор заряжается до максимального напряжения, энергия поступает в цепь и запасается в конденсаторе в форме энергии электрического поля. В следующую четверть периода (при разрядке конденсатора), эта энергия возвращается в сеть.

Пример №1. Максимальный заряд на обкладках конденсатора колебательного контура qmax=10−6 Кл. Амплитудное значение силы тока в контуре Imax=10−3 А. Определите период колебания (потерями на нагревание проводника пренебречь).

Согласно закону сохранения энергии максимальное значение энергии электрического поля конденсатора равно максимальному значения магнитного поля катушки:

q2max2C=LI2max2

Отсюда:

LC=q2maxI2max

√LC=qmaxImax

T=2π√LC=2πqmaxImax=2·3,1410−610−3≈6,3·10−3 (с)

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Соберем две электрических цепи, состоящих из лампы накаливания, катушки индуктивности и источника питания: в первом случае постоянного, во втором — переменного (см. рисунки «а» и «б» ниже).

Опыт покажет, что в цепи постоянного тока лампа светится ярче по сравнению с той, что включена в цепь переменного тока. Это говорит о том, что сила тока в цепи постоянного тока выше действующего значения силы тока в цепи переменного тока.

Результат опыта легко объясняется явлением самоиндукции. При подключении катушки к постоянному источнику тока сила тока нарастает постепенно. Возрастающее при нарастании силы тока вихревое электрическое поле тормозит движение электронов. Лишь спустя какое-то время сила тока достигает наибольшего значения, соответствующему данному постоянному напряжению.

Если напряжение быстро меняется, то сила тока не успевает достигнуть максимального значения. Поэтому максимальное значение силы тока в цепи переменного тока с катушкой индуктивности ограничивается индуктивность. Чем больше индуктивность и чем больше частота приложенного напряжения, тем меньше амплитуда силы переменного тока.

Определим силу тока в цепи, содержащей катушку, активным сопротивлением которой можно пренебречь (см. рисунок ниже). Для этого найдем связь между напряжением на катушке и ЭДС самоиндукции в ней.

Если сопротивление катушки равно нулю, то и напряженность электрического поля внутри проводника в любой момент времени должна равняться нулю. Иначе, согласно закону Ома, сила тока была бы бесконечно большой. Равенство нулю напряженности поля оказывается возможным потому, что напряженность вихревого электрического поля →Ei, порождаемого переменным магнитным полем, в каждой точке равна по модулю и противоположна по направлению напряженности кулоновского поля →Eк, создаваемого в проводнике зарядами, расположенными на зажимах источника и в проводах цепи.

Из равенства →Ei=−→Eк следует, что удельная работа вихревого поля (т.е. ЭДС самоиндукции ei) равна по модулю и противоположна по знаку удельной работе кулоновского поля.

Учитывая, что удельная работа кулоновского поля равна напряжения на концах катушки, можно записать:

ei=−u

Напомним, что сила переменного тока изменяется по гармоническому закону:

i=Imaxsinωt

Тогда ЭДС самоиндукции равна:

ei=−Li´=−LωImaxcosωt

Так как u=−ei, то напряжение на концах катушки оказывается равным:

u= LωImaxcosωt=LωImaxsin(ωt+π2)=Umax(ωt+π2)

Амплитуда напряжения равна:

Umax=LωImax

Следовательно, колебания напряжения на катушке опережают колебания силы тока на π2, или колебания силы тока отстают от колебаний напряжения на π2, что одно и то же.

В момент, когда напряжение на катушке достигает максимума, сила тока равна нулю (см. график ниже).

Но в момент, когда напряжение становится равным нулю, сила тока максимальна по модулю. Амплитуда силы тока в катушке равна:

Imax=UmaxLω

Введем обозначение:

Lω=XL

Также будем использовать вместо амплитуд действующие значения силы тока и напряжения. Тогда получим:

Определение

I=UXL

Величина XL, равная произведению циклической частоты на индуктивность, называется индуктивным сопротивлением. Индуктивное сопротивление зависит от частоты. Поэтому в цепи постоянного тока, в котором отсутствует частота, индуктивное сопротивление катушки равно нулю.

Пример №2. Катушка с индуктивным сопротивлениемXL=500 Ом присоединена к источнику переменного напряжения, частота которого ν = 1000 Гц. Действующее значение напряжения U = 100 В. Определите амплитуду силы тока Imax в цепи и индуктивность катушки L. Активным сопротивлением пренебречь.

Индуктивное сопротивление катушки выражается формулой:

XL=Lω=2πνL

Отсюда:

Так как амплитуда напряжения связана с его действующим значением соотношением Umax=U√2, то для амплитуды силы тока получаем:

Резонанс в электрической цепи

Механические и электромагнитные колебания имеют разную природу, но процессы, происходящие при этом, идентичны. Поэтому можно предположить, что резонанс в электрической цепи так же реален, как резонанс в колебательной системе, на которую действует периодическая сила.

Напомним, что в механической системе резонанс тем более заметен, чем меньше в колебательной системе трение между ее элементами. Роль трения в электрической цепи играет активное сопротивление R. Ведь именно наличие этого сопротивления в цепи приводит к превращению энергии тока во внутреннюю энергию проводника, который при этом нагревается. Следовательно, резонанс в электрической цепи будет отчетливо наблюдаться при малом активном сопротивлении R.

Если активное сопротивление мало, то собственная частота колебаний в колебательном контуре определяется формулой:

ω0=1√LC

Сила тока при вынужденных колебаниях должна достигать максимальных значений, когда частота переменного напряжения, приложенного к контуру равна собственной частоте колебательного контура:

ω=ω0=1√LC

Определение

Резонанс в электрическом колебательном контуре — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.

После включения внешнего переменного напряжения резонансное значение силы тока в цепи устанавливается не моментально, а постепенно. Амплитуда колебаний силы тока возрастает до тех пор, пока энергия, выделяющаяся за период на резисторе, не сравняется с энергией, поступающей в контур за это же время:

I2maxR2=UmaxImax2

Упростив это уравнение, получим:

ImaxR=Umax

Следовательно, амплитуда установившихся колебаний силы тока при резонансе определяется уравнением:

Imax=UmaxR

При сопротивлении, стремящемся к нулю, сила тока возрастает до бесконечно больших значений. При большом сопротивлении сила тока возрастает незначительно. Это хорошо видно на графике ниже.

Пример №3. В цепь переменного тока с частотой ν = 500 Гц включена катушка индуктивностью L = 10 мГн. Какой емкости конденсатор надо включить в эту цепь, чтобы наступил резонанс?

Электрическая цепь, описываемая в условии, представляет собой колебательный контур. Резонанс в этой цепи наступит, когда частота переменного тока будет равна собственной частоте колебательного контура (ν = ν₀).

Но:

ν0=12π√LC

Тогда:

ν=12π√LC

Отсюда:

Алиса Никитина | Просмотров: 10k

Переменный электрический ток:

До сих пор рассматривались электрические цепи, содержащие в различных сочетаниях резисторы, конденсаторы и катушки, с источником постоянного тока либо без него. Теперь рассмотрим подключение таких цепей к источнику переменного тока.

Пусть источник тока создает переменное гармоническое напряжение (рис. 194)

Согласно закону Ома сила тока на участке цепи, содержащем только резистор сопротивлением R, подключенный к этому источнику, изменяется со временем также по синусоидальному закону:

где — амплитудное значение силы тока в цепи.

Как видно, сила тока в такой цепи также меняется с течением времени по синусоидальному закону.

Величины   называются амплитудными значениями напряжения и силы тока. Значения напряжения U(t) и силы тока I(t), зависящие от времени, называют мгновенными.

Зная мгновенные значения U(t) и I(t), можно вычислить мгновенную мощность которая, в отличие от цепей постоянного тока, изменяется с течением времени.

С учетом зависимости силы тока от времени в цепи перепишем выражение для мгновенной тепловой мощности на резисторе в виде

Поскольку мгновенная мощность меняется со временем, то использовать эту величину в качестве характеристики длительно протекающих процессов на практике крайне неудобно.

Перепишем формулу для мощности по-другому:

Первое слагаемое не зависит от времени. Второе слагаемое — переменная составляющая — функция косинуса двойного угла и ее среднее значение за период колебаний равно нулю (см. рис. 194).

Поэтому среднее значение мощности переменного электрического тока за длительный промежуток времени можно найти по формуле

Это выражение позволяет ввести действующие (эффективные) значения силы тока и напряжения, которые используются в качестве основных характеристик переменного тока.

Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.
Поскольку для постоянного тока то с учетом ранее полученного выражения для среднего значения мощности переменного тока действующее значение силы тока  

Аналогично можно ввести действующее значение и для напряжения

Таким образом, выражения для расчета мощности, потребляемой в цепях постоянного тока, остаются справедливыми и для переменного тока, если использовать в них действующие значения силы тока и напряжения:

Необходимо отметить, что закон Ома для цепи переменного тока, содержащей только резистор сопротивлением R, выполняется как для амплитудных и действующих, так и для мгновенных значений напряжения и силы тока, вследствие того, что их колебания совпадают по фазе (см. рис. 194).
Таким образом, резисторы оказывают сопротивление как постоянному, так и переменному току, при этом в обоих случаях в них происходит превращение электрической энергии во внутреннюю. Вследствие этого сопротивление резисторов R получило название активного или омического сопротивления.

Катушка индуктивности в цепях переменного тока

Реальный соленоид (катушка индуктивности) обладает активным сопротивлением R и индуктивностью L. В цепях постоянного тока главную роль играет его сопротивление R, тогда как в цепях переменного тока — его индуктивность L.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в идеальной катушке, у которой отсутствует активное сопротивление (R=0), при включении ее в цепь переменного тока.

В катушке индуктивностью L переменный ток вызывает появление ЭДС самоиндукции:
где — амплитудное значение ЭДС самоиндукции (рис. 195).

При возрастании силы тока ЭДС самоиндукции согласно правилу Ленца будет препятствовать его увеличению. Для идеальной катушки, активное сопротивление которой равно нулю (R=0), согласно закону Ома для полной цепи где U(t) напряжение на концах катушки.

Следовательно, в любой момент времени внешнее напряжение на концах катушки равно по модулю и противоположно по знаку ЭДС самоиндукции в катушке:

Сравнивая выражения для мгновенных значений силы тока I(t) и напряжения U(t), видим, что для их амплитудных значений можно записать закон Ома в виде

Величину называют индуктивным сопротивлением катушки. Оно пропорционально индуктивности катушки и частоте переменного тока в цепи  

Обратите внимание на то, что фазы колебаний силы тока и напряжения не совпадают. Наличие сдвига фаз означает, что мгновенное значение напряжения U на катушке индуктивности опережает мгновенное значение силы I переменного тока по фазе на  Такой сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения характерен в целом для цепей переменного тока, содержащих элементы, обладающие индуктивностью.
Закон Ома для цепи переменного тока, содержащей только катушку индуктивности, выполняется и для действующих значении силы тока и напряжения так как тогда

Таким образом, если в цепь переменного тока включена катушка индуктивности, то закон Ома выполняется для амплитудных и действующих значений силы тока и напряжения, но не выполняется для их мгновенных значений, так как мгновенные значения силы тока и напряжения не совпадают по фазе (см. рис. 195).

Мгновенная мощность, потребляемая катушкой индуктивности от источника переменного тока, определяется по формуле

Поскольку среднее за период значение функции равно нулю, то и средняя мощность за период также равна нулю:

Как видно из рисунка 195, цепь с идеальной катушкой индуктивности в течение первой и третьей четвертей периода работает в режиме потребителя, запасая энергию магнитного поля в катушке, а в течение второй и четвертой — в режиме генератора, возвращая источнику запасенную энергию.

Поскольку потерь энергии в этом случае не происходит, то индуктивное сопротивление называют реактивным.

Сопротивление
катушки постоянному току назовем
активным и обозначим через R.
Если катушку индуктивности включать в
цепь переменного тока, то вследствие
периодического изменения силы тока в
катушке возникает ЭДС самоиндукции,
препятствующая приложенному напряжению.
Это приводит к уменьшению силы тока в
катушке, иначе говоря, ее сопротивление
становится больше, чем активное. То
есть, катушка будет обладать не только
активным, но и реактивным (индуктивным)
сопротивлением R_L.

В
дальнейшем ограничимся рассмотрением
наиболее простого случая, когда R<<
R_L.
При этом индуктивное сопротивление
легко рассчитывается.

Пусть
через катушку индуктивностью L
протекает переменный ток величиной

(4)

При
этом на концах катушки возникает
напряжение U,
что численно равное ЭДС самоиндукции.

(5)

Для
переменного тока I, протекающего по
постоянному сопроти­влению R,
согласно закону Ома можно записать:

(6)

Сравнивая
(5) и (6), приходим к выводу, что катушка
индуктивности обладает реактивным
сопротивлением, равным:

(7)

Таким
образом, реактивное сопротивление
катушки пропорционально ее индуктивности
и частоте переменного тока. Сравнивая
(4) и (5), можно прийти к выводу, что колебания
напряжения на катушке индуктивности
опережает по фазе на π/2 колебания тока
в той же катушке. Запишем (5) в виде:

(8)

где U
— амплитудное значение напряжения на
концах катушки индуктивности. Тогда,
сравнивая (5) и (8) и учитывая (7),
можно
записать, что:

(9)

(10)

Эти формулы
позволяют рассчитывать индуктивность
катушки по

известному
значению U₀
и I₀,
и будут использовать при определении
индуктивности методом ампеометра-вольтметра.

Экспериментальная часть

Принципиальная
схема для определения индуктивности
методом амперметра-вольтметра приведена
на рисунке 1.

Установка
состоит из источника переменного
напряжения частоты

(звукового генератора), нагруженного
на последовательно соединенные активное
сопротивление R
и магазин индуктивностей L.

Магазин
индуктивностей позволяет получить
переменное значение индуктивности в
пределах от 0 до 0,1 гн. Величина индуктивности
подсчитывается по формуле:

(11)

где n
– номер положения переключателя магазина
индуктивностей.

Вольтметр
V_R
измеряет амплитудное значение напряжений
U_0R
на активном сопротивлении. Полное
отклонение стрелки вольтметра
соответствует напряжению в 25 в. Активное
сопротивление R
равно 10000 Ом. Следовательно, зная U_0R,
можно рассчитать амплитудное значение
тока I₀,
протекающего по цепи.

(12)

Вольтметр
V_L.
измеряет амплитудное значение напряжения
U_0R
на катушке индуктивности. Полное
отклонение стрелки соответствует 10
вольтам. Зная U_0R
и I₀,
а также частоту переменного напряжения,
можно определить индуктивность катушки
по формуле:

(13)

Таким
образом, пользуясь источником переменного
напряжения с известной частотой
,
зная амплитудное значение тока I₀
, протекающего по катушке и амплитудное
значение напряжения на катушке
индуктивности U_0L
по формуле (13) можно рассчитать значение
индуктивности этой катушки. Такой метод
определения индуктивности носит
название метода амперметра-вольтметра.

Соседние файлы в папке МАГНЕТИЗ

• #

  12.03.2015280.06 Кб258BAZA.XLS

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

  12.03.201599.84 Кб252КП.XLS

• #

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: переменный ток, вынужденные электромагнитные колебания.

Переменный ток — это вынужденные электромагнитные колебания, вызываемые в электрической цепи источником переменного (чаще всего синусоидального) напряжения.

Переменный ток присутствует всюду. Он течёт по проводам наших квартир, в промышленных электросетях, в высоковольтных линиях электропередач. И если вам нужен постоянный ток, чтобы зарядить аккумулятор телефона или ноутбука, вы используете специальный адаптер, выпрямляющий переменный ток из розетки.

Почему переменный ток распространён так широко? Оказывается, он прост в получении и идеально приспособлен для передачи электроэнергии на большие расстояния. Подробнее об этом мы поговорим в листке, посвящённом производству, передаче и потреблению электрической энергии.

А сейчас мы рассмотрим простейшие цепи переменного тока. Будем подключать к источнику переменного напряжения поочерёдно: резистор сопротивлением , конденсатор ёмкости и катушку индуктивности . Изучив поведение этих элементов, мы в следующем листке «Переменный ток. 2» подключим их одновременно и исследуем прохождение переменного тока через колебательный контур, обладающий сопротивлением.

Напряжение на клеммах источника меняется по закону:

(1)

Как видим, напряжение может быть положительным и отрицательным. Каков смысл знака напряжения?

Всегда подразумевается, что выбрано положительное направление обхода контура. Напряжение считается положительным, если электрическое поле зарядов, образующих ток, имеет положительное направление. В противном случае напряжение считается отрицательным.

Начальная фаза напряжения не играет никакой роли, поскольку мы рассматриваем процессы, установившиеся во времени. При желании вместо синуса в выражении (1) можно было бы взять косинус — принципиально от этого ничего не изменится.

Текущее значение напряжения в момент времени называется мгновенным значением напряжения.

к оглавлению ▴

Условие квазистационарности

В случае переменного тока возникает один тонкий момент. Предположим, что цепь состоит из нескольких последовательно соединённых элементов.

Если напряжение источника меняется по синусоидальному закону, то сила тока не успевает мгновенно принимать одно и то же значение во всей цепи — на передачу взаимодействий между заряженными частицами вдоль цепи требуется некоторое время.

Между тем, как и в случае постоянного тока, нам хотелось бы считать силу тока одинаковой во всех элементах цепи. К счастью, во многих практически важных случаях мы действительно имеем на это право.

Возьмём, к примеру, переменное напряжение частоты Гц (это промышленный стандарт России и многих других стран). Период колебаний напряжения: с.

Взаимодействие между зарядами передаётся со скоростью света: м/с. За время, равное периоду колебаний, это взаимодействие распространится на расстояние:

м км.

Поэтому в тех случаях, когда длина цепи на несколько порядков меньше данного расстояния, мы можем пренебречь временем распространения взаимодействия и считать, что сила тока мгновенно принимает одно и то же значение во всей цепи.

Теперь рассмотрим общий случай, когда напряжение колеблется с циклической частотой . Период колебаний равен , и за это время взаимодействие между зарядами передаётся на расстояние . Пусть — длина цепи. Мы можем пренебречь временем распространения взаимодействия, если много меньше :

(2)

Неравенство (2) называется условием квазистационарности. При выполнении этого условия можно считать, что сила тока в цепи мгновенно принимает одно и то же значение во всей цепи. Такой ток называется квазистационарным.

В дальнейшем мы подразумеваем, что переменный ток меняется достаточно медленно и его можно считать квазистационарным. Поэтому сила тока во всех последовательно включённых элементах цепи будет принимать одинаковое значение — своё в каждый момент времени. Оно называется мгновенным значением силы тока.

к оглавлению ▴

Резистор в цепи переменного тока

Простейшая цепь переменного тока получится, если к источнику переменного напряжения подключить обычный резистор (мы полагаем, разумеется, что индуктивность этого резистора пренебрежимо мала, так что эффект самоиндукции можно не принимать во внимание) , называемый также активным сопротивлением (рис. 1)

Рис. 1. Резистор в цепи переменного тока

Положительное направление обхода цепи выбираем против часовой стрелки, как показано на рисунке. Напомним, что сила тока считается положительной, если ток течёт в положительном направлении; в противном случае сила тока отрицательна.

Оказывается, мгновенные значения силы тока и напряжения связаны формулой, аналогичной закону Ома для постоянного тока:

Таким образом, сила тока в резисторе также меняется по закону синуса:

Амплитуда тока равна отношению амплитуды напряжения к сопротивлению :

Мы видим, что сила тока через резистор и напряжение на нём меняются «синхронно», точнее говоря — синфазно (рис. 2).

Рис. 2. Ток через резистор совпадает по фазе с напряжением

Фаза тока равна фазе напряжения, то есть сдвиг фаз между током и напряжением равен нулю.

к оглавлению ▴

Конденсатор в цепи переменного тока

Постоянный ток через конденсатор не течёт — для постоянного тока конденсатор является разрывом цепи. Однако переменному току конденсатор не помеха! Протекание переменного тока через конденсатор обеспечивается периодическим изменением заряда на его пластинах.

Рассмотрим конденсатор ёмкости , подключённый к источнику синусоидального напряжения (рис. 3). Активное сопротивление проводов, как всегда, считаем равным нулю. Положительное направление обхода цепи снова выбираем против часовой стрелки.

Рис. 3. Конденсатор в цепи переменного тока

Как и ранее, обозначим через заряд той пластины конденсатора, на которую течёт положительный ток — в данном случае это будет правая пластина. Тогда знак величины совпадает со знаком напряжения . Кроме того, как мы помним из предыдущего листка, при таком согласовании знака заряда и направления тока будет выполнено равенство .

Напряжение на конденсаторе равно напряжению источника:

Отсюда

Дифференцируя это равенство по времени, находим силу тока через конденсатор:

(3)

Графики тока и напряжения представлены на рис. 4. Мы видим, что сила тока каждый раз достигает максимума на четверть периода раньше, чем напряжение. Это означает, что фаза силы тока на больше фазы напряжения (ток опережает по фазе напряжение на ).

Рис. 4. Ток через конденсатор опережает по фазе напряжение на

Найти сдвиг фаз между током и напряжением можно также с помощью формулы приведения:

Используя её, получим из (3):

И теперь мы чётко видим, что фаза тока больше фазы напряжения на .

Для амплитуды силы тока имеем:

Таким образом, амплитуда силы тока связана с амплитудой напряжения соотношением, аналогичным закону Ома:

где

Величина называется ёмкостным сопротивлением конденсатора. Чем больше ёмкостное сопротивление конденсатора, тем меньше амплитуда тока, протекающего через него, и наоборот.

Ёмкостное сопротивление обратно пропорционально циклической частоте колебаний напряжения (тока) и ёмкости конденсатора. Попробуем понять физическую причину такой зависимости.

1. Чем больше частота колебаний (при фиксированной ёмкости ), тем за меньшее время по цепи проходит заряд ; тем больше амплитуда силы тока и тем меньше ёмкостное сопротивление. При ёмкостное сопротивление стремится к нулю: . Это означает, что для тока высокой частоты конденсатор фактически является коротким замыканием цепи.

Наоборот, при уменьшении частоты ёмкостное сопротивление увеличивается, и при имеем . Это неудивительно: случай отвечает постоянному току, а конденсатор для постоянного тока представляет собой бесконечное сопротивление (разрыв цепи).

2. Чем больше ёмкость конденсатора (при фиксированной частоте), тем больший заряд проходит по цепи за то же время (за ту же четверть периода); тем больше амплитуда силы тока и тем меньше ёмкостное сопротивление.

Подчеркнём, что, в отличие от ситуации с резистором, мгновенные значения тока и напряжения в одни и те же моменты времени уже не будут удовлетворять соотношению, аналогичному закону Ома. Причина заключается в сдвиге фаз: напряжение меняется по закону синуса, а сила тока — по закону косинуса; эти функции не пропорциональны друг другу. Законом Ома связаны лишь амплитудные значения тока и напряжения.

к оглавлению ▴

Катушка в цепи переменного тока

Теперь подключим к нашему источнику переменного напряжения катушку индуктивности (рис. 5). Активное сопротивление катушки считается равным нулю.

Рис. 5. Катушка в цепи переменного тока

Казалось бы, при нулевом активном (или, как ещё говорят, омическом) сопротивлении через катушку должен потечь бесконечный ток. Однако катушка оказывает переменному току сопротивление иного рода.
Магнитное поле тока, меняющееся во времени, порождает в катушке вихревое электрическое поле , которое, оказывается, в точности уравновешивает кулоновское поле движущихся зарядов:

(4)

Работа кулоновского поля по перемещению единичного положительного заряда по внешней цепи в положительном направлении — это как раз напряжение . Аналогичная работа вихревого поля — это ЭДС индукции .

Поэтому из (4) получаем:

(5)

Равенство (5) можно объяснить и с энергетической точки зрения. Допустим, что оно не выполняется. Тогда при перемещении заряда по цепи совершается ненулевая работа, которая должна превращаться в тепло. Но тепловая мощность равна нулю при нулевом омическом сопротивлении цепи. Возникшее противоречие показывает, что равенство (5) обязано выполняться.

Вспоминая закон Фарадея , переписываем соотношение (5):

откуда

(6)

Остаётся выяснить, какую функцию, меняющуюся по гармоническому закону, надо продифференцировать, чтобы получить правую часть выражения (6). Сообразить это нетрудно (продифференцируйте и проверьте!):

(7)

Мы получили выражение для силы тока через катушку. Графики тока и напряжения представлены на рис. 6.

Рис. 6. Ток через катушку отстаёт по фазе от напряжения на

Как видим, сила тока достигает каждого своего максимума на четверть периода позже, чем напряжение. Это означает, что сила тока отстаёт по фазе от напряжения на .

Определить сдвиг фаз можно и с помощью формулы приведения:

Получаем:

Непосредственно видим, что фаза силы тока меньше фазы напряжения на .

Амплитуда силы тока через катушку равна:

Это можно записать в виде, аналогичном закону Ома:

где

Величина называется индуктивным сопротивлением катушки. Это и есть то самое сопротивление, которое наша катушка оказывает переменному току (при нулевом омическом сопротивлении).

Индуктивное сопротивление катушки пропорционально её индуктивности и частоте колебаний. Обсудим физический смысл этой зависимости.

1. Чем больше индуктивность катушки, тем большая в ней возникает ЭДС индукции, противодействующая нарастанию тока; тем меньшего амплитудного значения достигнет сила тока. Это и означает, что будет больше.

2. Чем больше частота, тем быстрее меняется ток, тем больше скорость изменения магнитного поля в катушке, и тем большая возникает в ней ЭДС индукции, препятствующая возрастанию тока. При имеем , т. е. высокочастотный ток практически не проходит через катушку.

Наоборот, при имеем . Для постоянного тока катушка является коротким замыканием цепи.

И снова мы видим, что закону Ома подчиняются лишь амплитудные, но не мгновенные значения тока и напряжения. Причина та же — наличие сдвига фаз.

Резистор, конденсатор и катушка, рассмотренные пока что по отдельности, теперь соберутся вместе в колебательный контур, подключённый к источнику переменного напряжения. Читайте следующий листок — «Переменный ток. 2».

Как мы с вами говорили, в цепи переменного тока, содержащей
активное сопротивление, происходят постоянные потери энергии, сопровождающиеся
выделением тепла. При этом, количество теплоты, выделяющееся на активном
сопротивление при прохождении по нему переменного тока, можно рассчитать, как и
в случае с постоянным током, по закону Джоуля — Ленца:

Однако быстрое изменение величины и направления переменного тока
обусловливает ряд особенностей, отличающих его действия от действий тока постоянного.
Так, например, переменный ток не годится для технических применений
электролиза. Дело в том, что величина переменного тока зависит не только от
напряжения и сопротивления цепи, но и от индуктивности проводников, включённых
в цепь. В этом можно убедиться на следующем опыте. Включим в цепь
постоянного тока катушку, содержащую большое количество витков медной проволоки
и амперметр.

Снимем показания амперметра. А теперь вдвинем в катушку
железный сердечник — ток при этом не изменился.

Посмотрим, что будет происходить в этой же цепи, но при
включении в неё источника переменного тока с действующим напряжением, равным
напряжению постоянного тока.

Нетрудно заметить, что ток в катушке уменьшился. Введение же
в катушку железного сердечника приведёт к ещё большему ослаблению тока. Следовательно,
индуктивность цепи переменного тока уменьшает величину тока.

Причиной этого является возникающая в цепях переменного тока ЭДС
самоиндукции, которая препятствует нарастанию тока. Вследствие ЭДС самоиндукции
в момент, когда напряжение в цепи достигает максимума, ток не успевает
достигнуть той величины, которую он достиг бы в отсутствие самоиндукции.

Например, представим, что у нас есть катушка, на которую
намотано 600 витков медной проволоки, диаметром 1 мм. Предположим, что на эту
катушку пошло 150 метров этой проволоки. Тогда, исходя из определения, её
сопротивление примерно равно 3,2 Ом. Но если измерить сопротивление этой
катушки в цепи переменного тока частотой 50 Гц, то оно окажется равным примерно
20 Ом.

Это говорит нам о том, что индуктивность в цепи
переменного тока действует в отношении величины тока так же, как и активное
сопротивление.

Сопротивление, которым обладает цепь вследствие наличия в
ней индуктивности, называется индуктивным сопротивлением. Узнаем от чего
оно зависит. Итак, пусть в цепи, содержащей катушку индуктивности, протекает
переменный ток, сила которого изменяется по гармоническому закону:

Тогда, ЭДС самоиндукции будет равна произведению
индуктивности катушки и первой производной силы тока по времени, взятому с
обратным знаком:

Если активное сопротивление катушки равно нулю, то и
напряжённость электрического поля внутри проводника в любой момент времени
должна быть равна нулю. В противном случае сила тока была бы бесконечно большой
(это следует из закона Ома). Равенство нулю напряжённости поля оказывается
возможным потому, что напряжённость, вихревого электрического поля,
порождаемого переменным магнитным полем, в каждой точке равна по модулю и
противоположна по направлению напряжённости кулоновского поля, создаваемого в
проводнике зарядами, расположенными на зажимах источника и в проводах цепи.

Следовательно, удельная работа вихревого поля (то есть ЭДС
самоиндукции) равна по модулю и противоположна по знаку удельной работе
кулоновского поля.

Учитывая, что удельная работа кулоновского поля равна
напряжению на концах катушки, то напряжение в цепи переменного тока, будет
обратно по знаку ЭДС самоиндукции:

Произведение величин, стоящих перед функцией косинуса,
является амплитудой напряжения:

Давайте перепишем уравнение для мгновенного напряжения,
воспользовавшись введённым обозначением, а также заменим косинус на синус,
воспользовавшись формулой приведения:

Отсюда следует, что колебания напряжения на катушке
опережают колебания силы тока на π/2:

Давайте выразим из формулы для амплитуды напряжения амплитуду
силы тока в катушке:

Величина, равная произведению циклической частоты и
индуктивности катушки и есть индуктивное сопротивление:

Тогда можно записать, что амплитудное значение силы тока в
цепи переменного тока, содержащую только катушку индуктивности, прямо
пропорционально амплитудному напряжению и обратно пропорционально индуктивному
сопротивлению.

А теперь давайте определим мгновенную мощность в данной цепи:

Как видим, потребляемая идеальной катушкой, периодически
изменяется с двойной частотой, а её среднее значение за период равно нулю, так
как равно нулю среднее значение синуса двойного аргумента. Следовательно, так
же как активное сопротивление, индуктивное сопротивление ограничивает силу тока
в цепи, но в отличие от активного сопротивления на нём электрическая энергия не
превращается необратимо в другие виды энергии.

Теперь давайте с вами соберём цепь постоянного тока,
содержащую последовательно соединённые конденсатор и лампочку. Замкнув цепь, мы
обнаружим, что никакого тока в цепи нет. Это вполне понятно, так как пластины
конденсатора отделены друг от друга изолятором. Поэтому через конденсатор
постоянный ток течь не может.

А теперь заменим источник постоянного тока на источник
переменного напряжения. Лампочка горит. Объясняется это достаточно просто. В
цепи переменного тока электроны совершают колебательное движение. Это приводит
к тому, что обкладки конденсаторов попеременно заряжаются то положительно, то
отрицательно. Электроны же в проводах цепи движутся то в одном, то в другом
направлении, нагревая спираль лампы. Если выключить конденсатор из цепи, то
лампочка будет гореть ярче. Следовательно, наличие конденсатора в цепи
переменного тока увеличивает сопротивление цепи.

Сопротивление, которым обладает цепь вследствие наличия в
ней ёмкости, называется ёмкостным сопротивлением.

Выясним, от чего оно зависит. Для этого рассмотрим цепь,
состоящую из генератора переменного напряжения, конденсатора и проводов,
сопротивление которых пренебрежимо мало.

Пусть напряжение на конденсаторе изменяется синусоидально:

Следовательно, и заряд конденсатора будет изменяться со
временем по закону синуса:

Найдём силу тока в цепи, как первую производную заряда по
времени:

Произведение величин, стоящих перед функцией синуса, является
амплитудой силы тока:

Перепишем предыдущее уравнение с учётом введённых обозначений,
и воспользуемся формулой приведения для перехода от функции косинуса к функции
синус:

Отсюда следует, что колебания силы тока опережают по фазе
колебания напряжения на конденсаторе на π/2:

Теперь давайте перепишем уравнение для амплитуды силы тока
так, как это показано на экране:

Величина, обратная произведению ёмкости конденсатора и
циклической частоты является ёмкостным сопротивлением:

Подставив данное уравнение в предыдущее равенство, найдём,
что амплитудное значение силы тока в цепи переменного тока, содержащую
только конденсатор, прямо пропорционально амплитудному напряжению и обратно
пропорционально ёмкостному сопротивлению:

Теперь определим мгновенную мощность в данной цепи:

Как и в предыдущем случае, при наличии в цепи только ёмкостного
сопротивления частота изменения мощности вдвойне больше частоты изменения силы
тока, а её среднее значение за период равно нулю. Следовательно, на ёмкостном сопротивлении
электрическая энергия не превращается необратимо в другие виды. Поэтому ёмкостное
и индуктивное сопротивления в отличие от активного называют реактивными.

Теперь рассмотрим цепь, содержащую все элементы: резистор,
катушку индуктивности, конденсатор и источник переменного напряжения.

Так как электромагнитные взаимодействия распространяются со
скоростью света, то во всех последовательно включённых элементах цепи изменения
силы тока происходят практически одновременно. Однако колебания мгновенных
значений напряжения на каждом из элементов не совпадают по фазе с колебаниями
силы тока. Но в любой момент времени сумма мгновенных значений напряжений на
последовательно включённых элементах цепи равна ЭДС источника:

Учитывая, что на активном сопротивлении колебания силы тока
совпадают, на ёмкостном опережают, а на индуктивном отстают от колебаний
напряжения, то последнее равенство можно записать так:

Амплитуду колебаний напряжения в цепи можно выразить через
амплитудные значения напряжения на отдельных её элементах, воспользовавшись
методом векторных диаграмм.

Амплитудное значение силы тока в цепи совпадает по фазе с
амплитудным значением напряжения на резисторе. Из этой диаграммы можно найти
амплитуду приложенного напряжения, которая равна геометрической сумме этих амплитуд.

Используя теорему Пифагора, выразим квадрат амплитуды
колебаний напряжения в цепи:

Далее, используя закон Ома для участка цепи, выразим
амплитудные значения напряжений, стоящих в правой части равенства, через
амплитудное значение силы тока и реактивные сопротивления:

Выражая из полученного уравнение амплитудное значение силы
тока, получим закон Ома для участка цепи переменного тока:

Величина, стоящая в знаменателе формулы, называется полным
сопротивлением цепи:

Величина же, стоящая в скобках под знаком корня, называется реактивным
сопротивлением.