Как составить закон изменения тока

и
отключении источника.

Применение
закона для определения индуктивности

Найдем
изменение тока в цепи, состоящей из
последовательно соединенных соленоида,
индуктивность которой равна
,
и резистора, активное сопротивление
которого.

Если
внешнее магнитное поле отсутствует или
постоянно, а контур неподвижен, то
индукционные явления обусловлены только
самоиндукцией.

Из
закона Ома для замкнутой цепи, в которой
действует источник ЭДС
,
а общее активное сопротивление,
сила тока равна

Для
нахождения зависимости силы тока от
времени разделим переменные

.

Полагая
постоянными и интегрируя, получаем

где
–
постоянная интегрирования, значение
которой определяется начальными
условиями решаемой задачи.

Пусть
в момент времени
сила тока.
Тогда

Выразив силу тока,
получим

(15.5)

Из
этой общей формулы можно получить
зависимость силы тока от времени при
замыкании цепи. В этом случае начальный
ток равен нулю
и выражение (15.5) приобретает вид

(15.6)

Из
этой формулы видно, что сила тока при
замыкании цепи постепенно увеличивается,
стремясь к
,
соответствующей величине постоянного
тока (рис. 15.1). Нарастание тока происходит
тем медленнее, чем меньше отношениев показателе степени экспоненты или
больше обратное отношение,
физический смысл которого обсуждается
ниже.

Если
же в момент времени
при силе токаисточник ЭДС отключить (),
сохранив замкнутость цепи, то из формулы
(15.5), получим следующую зависимость силы
тока от времени:

(15.7)

В
этом случае сила тока в цепи постепенно
уменьшается от начального значения
,
стремясь к нулю. При этом за время(время
релаксации)
сила тока изменяется в
раза.

Рис. 15.1

Следует
заметить, что в опыте удобнее снимать
вместо зависимости силы тока в цепи от
времени
зависимость напряжения на некотором
известном активном сопротивлении,
последовательно включенном в цепь, от
времени.
Напряжение в этом случае будет
пропорционально силе тока.

Из
сказанного ясно, что, измерив силу токов
(или напряжения) в некоторые моменты
времени
,и зная, кроме того, величину общего
активного сопротивления контура,
можно с помощью зависимостей (15.6) или
(15.7) определить индуктивность контура.

Особенно
просто, зная активное сопротивление
цепи
,
определить её индуктивность, измерив
время релаксации,

(15.8)

3. Вынужденные электромагнитные колебания в контуре,

их применение
для измерения индуктивности

Рассмотрим
контур, состоящий из последовательно
соединенных конденсатора емкостью
,
активного сопротивленияи соленоида индуктивностью.

Для
получения незатухающих электромагнитных
колебаний необходимо включить в контур
источник тока с периодически изменяющейся
ЭДС (рис. 15.2).

Рис. 15.2

В этом случае
колебания в контуре являются вынужденными.

Пусть внешняя ЭДС
изменяется по гармоническому закону

.

Тогда,
используя закон Ома, можно получить
следующее дифференциальное уравнение
вынужденных электромагнитных колебаний

и,
решив это уравнение, найти для
установившихся вынужденных колебаний
связь амплитудных значений силы тока
и внешней ЭДС

(15.9)

где
величина
называется полным сопротивлением
электрической цепи переменного тока.

В
нее входят активное
сопротивление
контура,
емкостное
сопротивление

и индуктивное
сопротивление
.

Если
электрическая емкость контура стремится
к бесконечности
,
то есть емкостное сопротивление к нулю,
то формула (15.9) упрощается

(15.10)

Используя
это выражение, получаем рабочую формулу
для экспериментального определения
индуктивности соленоида. При этом учтем,
что амплитуда падения напряжения на
активном сопротивлении R
связана с амплитудой силы тока в цепи
формулой

(15.11)

Из выражений
(15.10) и (15.11) получим

(15.12)

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Физика — наука эмпирическая. Ее основные законы вытекают из практического опыта и частенько много лет не имеют теоретических обоснований. Именно так обстоит дело с главным законом электротехники, который открыл в 1826 году выдающийся немецкий ученый Георг Симон Ом.

Электрические явления люди наблюдали сотни лет. Но никак не связывали между собой заряженность потертого янтаря и молнию. Только на исходе XVIII столетия электричество стали внимательно исследовать. В 1795 году Алессандро Вольта изобрел «вольтов столб», химическую батарею, и обнаружил появление тока в проводнике, соединяющем ее полюса. Сферы применения электричества стремительно множились, и появилась острая необходимость в расчетных формулах для инженеров. Эту задачу решали многие ученые, но первым сформулировал главную формулу электротехники именно Георг Ом. Он ввел в обиход понятие сопротивления и опытным путем установил зависимость между основными характеристиками электрической цепи.

Определение закона Ома простыми словами

Электрическая цепь состоит из двухполюсного источника напряжения, то есть батареи, аккумулятора или генератора. Если полюса источника соединить проводами, то по ним потечет электрический ток. Его величина определяется сопротивлением проводников. Наглядное представление этой зависимости — обыкновенный водопровод. Аналогом источника напряжения является насос или водонапорная башня, создающая давление в магистрали, количество воды, прошедшее по трубе, — подобие силы тока, а кран соответствует сопротивлению. Полностью открытый, он не ограничивает поток, по мере закручивания отверстие для воды уменьшается, пока не закроется совсем.

Закон Ома для участка цепи

Опытным путем исследователь установил взаимосвязь характеристик электрической цепи. Классическая формулировка закона Ома звучит так:

«Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению».

Формула закона Ома для участка цепи

В таком виде закон Ома приведен в школьных учебниках физики. Согласно этой простой формуле, для определения уровня тока в проводнике достаточно величину напряжения на его сторонах разделить на некий условно постоянный коэффициент, то есть на сопротивление. Почему «условно»? Потому что величина сопротивления может меняться в зависимости от температуры. Поэтому, кстати, лампы накаливания чаще всего перегорают при включении. Сопротивление холодной спирали ниже, чем нагретой, скачок тока при подаче напряжения вызывает ее резкое расширение и разрыв. Но если этот момент преодолен и нить накала уцелела, то ее сопротивление растет, и ток ограничивается. А при температуре жидкого гелия, например, сопротивление падает до нуля, наступает сверхпроводимость.

Закон Ома для замкнутой полной цепи

Предыдущая формулировка годится только для участка цепи, где отсутствует сам источник электродвижущей силы. В реальности ток течет по замкнутому контуру, где обязательно есть батарея или генератор, имеющий собственное внутреннее сопротивление. Поэтому формула закона Ома для полной цепи выглядит несколько сложнее

Формула закона Ома для замкнутой полной цепи

Применение закона Ома

Георг Ом дал в руки инженеров средство для решения задач, связанных с электрическими цепями. Тепловые и световые приборы, электродвигатели, генераторы, линии электропередач, кабели связи рассчитываются на основе этой простой формулы. Нет такой области электротехники, где она не находит применения. Даже в радиотехнике используется закон Ома, но в дифференциальной форме. «Все гениальное — просто», как считали Еврипид, Леонардо да Винчи, Наполеон Бонапарт и Альберт Эйнштейн, несомненные гении. Закон Ома целиком и полностью подтверждает эту истину.

Задача на закон Ома с решением

Задача для участка электрической цепи

Электрочайник, включенный в сеть с напряжением 220 В, потребляет ток 1,1 А. Каково сопротивление электрочайника.

Дано:
U = 220 В
I = 1,1 А

Решение:
Согласно закону Ома для участка цепи:
R=U/I=220/1,1=200 Ом

Ответ: R = 200 Ом.

Задача для полной замкнутой цепи

Источник постоянного тока с ЭДС E = 24 В и внутренним сопротивлением r = 1,5 Ом замкнут на внешнее сопротивление R = 11 Ом. Определить силу тока в цепи.

Дано:
Е=24 В, r=1,5 Ом, R = 11 Ом

Решение:
По закону Ома для замкнутой цепи: I = E/(R + r) = 24/(11+1,5) = 1,92 А.

Ответ: I=1, 92 А.

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Николай Герасимов, старший преподаватель физики в Домашней школе «ИнтернетУрок».

Уравнение изменения тока в цепи

При всех изменениях в электрической цепи: включении, выключении, коротком замыкании, колебаниях величины какого-либо параметра и т.п. – в ней возникают переходные процессы, которые не могут протекать мгновенно, так как невозможно мгновенное изменение энергии, запасенной в электромагнитном поле цепи. Таким образом, переходный процесс обусловлен несоответствием величины запасенной энергии в магнитном поле катушки и электрическом поле конденсатора ее значению для нового состояния цепи.

При переходных процессах могут возникать большие перенапряжения, сверхтоки, электромагнитные колебания, которые могут нарушить работу устройства вплоть до выхода его из строя. С другой стороны, переходные процессы находят полезное практическое применение, например, в различного рода электронных генераторах. Все это обусловливает необходимость изучения методов анализа нестационарных режимов работы цепи.

Основные методы анализа переходных процессов в линейных цепях:

1. Классический метод, заключающийся в непосредственном интегрировании дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное состояние цепи.
2. Операторный метод, заключающийся в решении системы алгебраических уравнений относительно изображений искомых переменных с последующим переходом от найденных изображений к оригиналам.
3. Частотный метод, основанный на преобразовании Фурье и находящий широкое применение при решении задач синтеза.
4. Метод расчета с помощью интеграла Дюамеля, используемый при сложной форме кривой возмущающего воздействия.
5. Метод переменных состояния, представляющий собой упорядоченный способ определения электромагнитного состояния цепи на основе решения системы дифференциальных уравнений первого прядка, записанных в нормальной форме (форме Коши).

Классический метод расчета

Классический метод расчета переходных процессов заключается в непосредственном интегрировании дифференциальных уравнений, описывающих изменения токов и напряжений на участках цепи в переходном процессе.

В общем случае при использовании классического метода расчета составляются уравнения электромагнитного состояния цепи по законам Ома и Кирхгофа для мгновенных значений напряжений и токов, связанных между собой на отдельных элементах цепи соотношениями, приведенными в табл. 1.

Таблица 1. Связь мгновенных значений напряжений и токов на элементах электрической цепи

;

при наличии магнитной связи с катушкой, обтекаемой током ,

;

Для последовательной цепи, содержащей линейные резистор R, катушку индуктивности L и конденсатор С, при ее подключении к источнику с напряжением u (см. рис. 1) можно записать

Резистор (идеальное активное сопротивление)

Катушка индуктивности (идеальная индуктивность)

Конденсатор (идеальная емкость)

.

(1)

Подставив в (1) значение тока через конденсатор

,

получим линейное дифференциальное уравнение второго порядка относительно

.

В общем случае уравнение, описывающее переходный процесс в цепи с n независимыми накопителями энергии, имеет вид:

,

(2)

где х – искомая функция времени (напряжение, ток, потокосцепление и т.п.); — известное возмущающее воздействие (напряжение и (или) ток источника электрической энергии); — к-й постоянный коэффициент, определяемый параметрами цепи.

Порядок данного уравнения равен числу независимых накопителей энергии в цепи, под которыми понимаются катушки индуктивности и конденсаторы в упрощенной схеме, получаемой из исходной путем объединения индуктивностей и соответственно емкостей элементов, соединения между которыми являются последовательными или параллельными.

В общем случае порядок дифференциального уравнения определяется соотношением

,

(3)

где и — соответственно число катушек индуктивности и конденсаторов после указанного упрощения исходной схемы; — число узлов, в которых сходятся только ветви, содержащие катушки индуктивности (в соответствии с первым законом Кирхгофа ток через любую катушку индуктивности в этом случае определяется токами через остальные катушки); — число контуров схемы, ветви которых содержат только конденсаторы (в соответствии со вторым законом Кирхгофа напряжение на любом из конденсаторов в этом случае определяется напряжениями на других).

Наличие индуктивных связей на порядок дифференциального уравнения не влияет.

Как известно из математики, общее решение уравнения (2) представляет собой сумму частного решения исходного неоднородного уравнения и общего решения однородного уравнения, получаемого из исходного путем приравнивания его левой части к нулю. Поскольку с математической стороны не накладывается каких-либо ограничений на выбор частного решения (2), применительно к электротехнике в качестве последнего удобно принять решение , соответствующее искомой переменной х в установившемся послекоммутационном режиме (теоретически для ).

Частное решение уравнения (2) определяется видом функции , стоящей в его правой части, и поэтому называется принужденной составляющей. Для цепей с заданными постоянными или периодическими напряжениями (токами) источников принужденная составляющая определяется путем расчета стационарного режима работы схемы после коммутации любым из рассмотренных ранее методов расчета линейных электрических цепей.

Вторая составляющая общего решения х уравнения (2) – решение (2) с нулевой правой частью – соответствует режиму, когда внешние (принуждающие) силы (источники энергии) на цепь непосредственно не воздействуют. Влияние источников проявляется здесь через энергию, запасенную в полях катушек индуктивности и конденсаторов. Данный режим работы схемы называется свободным, а переменная — свободной составляющей.

В соответствии с вышесказанным, общее решение уравнения (2) имеет вид

(4)

Соотношение (4) показывает, что при классическом методе расчета послекоммутационный процесс рассматривается как наложение друг на друга двух режимов – принужденного, наступающего как бы сразу после коммутации, и свободного, имеющего место только в течение переходного процесса.

Необходимо подчеркнуть, что, поскольку принцип наложения справедлив только для линейных систем, метод решения, основанный на указанном разложении искомой переменной х, справедлив только для линейных цепей.

Начальные условия. Законы коммутации

В соответствии с определением свободной составляющей в ее выражении имеют место постоянные интегрирования , число которых равно порядку дифференциального уравнения. Постоянные интегрирования находятся из начальных условий, которые принято делить на независимые и зависимые. К независимым начальным условиям относятся потокосцепление (ток) для катушки индуктивности и заряд (напряжение) на конденсаторе в момент времени (момент коммутации). Независимые начальные условия определяются на основании законов коммутации (см. табл. 2).

Таблица 2. Законы коммутации

Первый закон коммутации (закон сохранения потокосцепления)

Магнитный поток, сцепленный с катушками индуктивности контура, в момент коммутации сохраняет то значение, которое имел до коммутации, и начинает изменяться именно с этого значения: .

Второй закон коммутации (закон сохранения заряда)

Электрический заряд на конденсаторах, присоединенных к любому узлу, в момент коммутации сохраняет то значение, которое имел до коммутации, и начинает изменяться именно с этого значения: .

Доказать законы коммутации можно от противного: если допустить обратное, то получаются бесконечно большие значения и , что приводит к нарушению законов Кирхгофа.

На практике, за исключением особых случаев (некорректные коммутации), допустимо использование указанных законов в другой формулировке, а именно:

первый закон коммутации – в ветви с катушкой индуктивности ток в момент

коммутации сохраняет свое докоммутационное значение и в дальнейшем начинает изменяться с него: .

второй закон коммутации – напряжение на конденсаторе в момент

коммутации сохраняет свое докоммутационное значение и в дальнейшем начинает изменяться с него: .

Необходимо подчеркнуть, что более общей формулировкой законов коммутации является положение о невозможности скачкообразного изменения в момент коммутации для схем с катушкой индуктивности – потокосцеплений, а для схем с конденсаторами – зарядов на них. В качестве иллюстрации сказанному могут служить схемы на рис. 2, переходные процессы в которых относятся к так называемым некорректным коммутациям (название произошло от пренебрежения в подобных схемах малыми параметрами, корректный учет которых может привести к существенному усложнению задачи).

Действительно, при переводе в схеме на рис. 2,а ключа из положения 1 в положение 2 трактование второго закона коммутации как невозможность скачкообразного изменения напряжения на конденсаторе приводит к невыполнению второго закона Кирхгофа . Аналогично при размыкании ключа в схеме на рис. 2,б трактование первого закона коммутации как невозможность скачкообразного изменения тока через катушку индуктивности приводит к невыполнению первого закона Кирхгофа . Для данных схем, исходя из сохранения заряда и соответственно потокосцепления, можно записать:

Зависимыми начальными условиями называются значения остальных токов и напряжений, а также производных от искомой функции в момент коммутации, определяемые по независимым начальным условиям при помощи уравнений, составляемых по законам Кирхгофа для . Необходимое число начальных условий равно числу постоянных интегрирования. Поскольку уравнение вида (2) рационально записывать для переменной, начальное значение которой относится к независимым начальным условиям, задача нахождения начальных условий обычно сводится к нахождению значений этой переменной и ее производных до (n-1) порядка включительно при .

Пример. Определить токи и производные и в момент коммутации в схеме на рис. 3, если до коммутации конденсатор был не заряжен.

В соответствии с законами коммутации

и .

На основании второго закона Кирхгофа для момента коммутации имеет место

,

и .

Для известных значений и из уравнения

определяется .

Значение производной от напряжения на конденсаторе в момент коммутации (см. табл. 1)

.

Корни характеристического уравнения. Постоянная времени

Выражение свободной составляющей общего решения х дифференциального уравнения (2) определяется видом корней характеристического уравнения (см. табл. 3).

Таблица 3. Выражения свободных составляющих общего решения

Вид корней характеристического уравнения

Выражение свободной составляющей

Корни вещественные и различные

Корни вещественные и

Пары комплексно-сопряженных корней

Необходимо помнить, что, поскольку в линейной цепи с течением времени свободная составляющая затухает, вещественные части корней характеристического уравнения не могут быть положительными.

При вещественных корнях монотонно затухает, и имеет место апериодический переходный процесс. Наличие пары комплексно сопряженных корней обусловливает появление затухающих синусоидальных колебаний (колебательный переходный процесс).

Поскольку физически колебательный процесс связан с периодическим обменом энергией между магнитным полем катушки индуктивности и электрическим полем конденсатора, комплексно-сопряженные корни могут иметь место только для цепей, содержащих оба типа накопителей. Быстроту затухания колебаний принято характеризовать отношением

,

которое называется декрементом колебания, или натуральным логарифмом этого отношения

,

называемым логарифмическим декрементом колебания, где .

Важной характеристикой при исследовании переходных процессов является постоянная времени t , определяемая для цепей первого порядка, как:

,

где р – корень характеристического уравнения.

Постоянную времени можно интерпретировать как временной интервал, в течение которого свободная составляющая уменьшится в е раз по сравнению со своим начальным значением. Теоретически переходный процесс длится бесконечно долго. Однако на практике считается, что он заканчивается при

1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
3. Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. –М.: Энергия- 1972. –240с.

Законы постоянного тока

Постоянный электрический ток. Сила тока

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.

Условия существования электрического тока в проводнике:

• наличие свободных заряженных частиц;
• наличие электрического поля.

Напряженность электрического поля должна быть постоянной.

Цепь постоянного тока должна быть замкнутой.

Важно!
Тепловое движение заряженных частиц нельзя назвать электрическим током, так как оно беспорядочное.

Электрический ток можно обнаружить по его действиям:

• тепловому – при протекании тока проводник нагревается;
• химическому – изменяется состав вещества при прохождении электрического тока (электролиз);
• магнитному – электрический ток создает магнитное поле.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженной частицы.

Сила тока – это скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени, за которое этот заряд переносится.

Обозначение – ​ ( I ) ​, единица измерения в СИ – ампер (А) (является основной).

Вычисляется по формуле:

Если за одинаковые промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд, то ток постоянный.

Для измерения силы тока используют амперметр.

Условное обозначение на схемах:

Амперметр – измерительный прибор для определения силы тока в электрической цепи.

При измерении силы тока амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором измеряют, и с соблюдением полярности. Клемму амперметра со знаком «+» нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока.

Для того чтобы включение амперметра не влияло на величину измеряемого тока, его сопротивление по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим. Каждый амперметр рассчитывается на некоторое определенное максимальное значение измеряемой величины. Но возникают ситуации, когда необходимо выполнить измерение силы тока больше предельно допустимого значения силы тока.

Для этого параллельно амперметру присоединяют проводник (шунт), по которому проходит часть измеряемого тока. Значение сопротивления этого проводника рассчитывается так, чтобы сила тока, проходящего через амперметр, не превышала его максимально допустимого значения.

Сопротивление шунта рассчитывается по формуле:

где ​ ( I_ц ) ​ – сила тока в цепи, ( I_а ) – максимально допустимая для данного амперметра сила тока, ( R_а ) – сопротивление амперметра, ​ ( n=frac ) ​.

При этом цена деления прибора увеличивается в n раз, а точность измерений во столько же раз уменьшается.

Работающим с электрическими цепями надо знать, что для человеческого организма безопасной считается сила тока до 1 мА. Сила тока больше 100 мА приводит к серьезным поражениям организма.

Постоянный электрический ток. Напряжение

В проводнике, по которому протекает ток, заряды движутся под действием сил электростатического поля. Работу электростатических сил характеризуют разностью потенциалов или напряжением.

Электрическое напряжение – скалярная физическая величина, равная отношению работы по перемещению электрического заряда между двумя точками цепи к величине этого заряда.

Обозначение – ​ ( U ) ​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Формула для вычисления:

Напряжение равно разности потенциалов только в том случае, если рассматриваемый участок цепи не содержит источник тока (ЭДС = 0).

Измеряют напряжение вольтметром.

Изображение вольтметра на схеме:

При измерении напряжения вольтметр включают в цепь параллельно с тем прибором, напряжение на котором измеряют, и с соблюдением полярности. Клемму вольтметра со знаком «+» нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. Для того чтобы включение вольтметра не влияло на измерение напряжения, его сопротивление должно быть большим.

Для измерения напряжения больше, чем допустимое для данного вольтметра, используют добавочное сопротивление – резистор, включаемый последовательно с вольтметром.

Величина добавочного сопротивления рассчитывается по формуле:

где ​ ( U ) ​ – напряжение, которое нужно измерить, ​ ( U_В ) ​ – напряжение, на которое рассчитан вольтметр, ​ ( n=frac ) ​, ​ ( R_В ) ​ – сопротивление вольтметра.

При этом цена деления прибора увеличивается в ​ ( n ) ​ раз, а точность измерений во столько же раз уменьшается.

Закон Ома для участка цепи

Взаимосвязь между силой тока, протекающей по проводнику, и напряжением на его концах была экспериментально установлена Г. Омом и носит название закона Ома для участка цепи.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:

График зависимости силы тока от напряжения называется вольт-амперной характеристикой. Из закона Ома для участка цепи следует, что при постоянном сопротивлении сила тока прямо пропорциональна напряжению. Следовательно, вольт-амперная характеристика для металлического проводника представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат.

Проводник с такими свойствами называется резистором.

Угол наклона графика к оси напряжений зависит от сопротивления проводника. Тангенс угла наклона графика равен проводимости резистора.

Электрическое сопротивление. Удельное сопротивление вещества

Электрическое сопротивление – свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока.

Обозначение – ​ ( R ) ​, единица измерения в СИ – Ом.

Объяснить наличие сопротивления можно на основе строения металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику встречают на своем пути ионы кристаллической решетки и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток.

Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены, их длины, геометрической формы и температуры. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 .

Обозначение – ​ ( rho ) ​, единица измерения в СИ – Ом·м.

Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 1,7·10 -8 Ом·м, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 м 2 обладает сопротивлением 1,7·10 -8 Ом. На практике часто используют единицу удельного сопротивления (Ом·мм 2 )/м.

Электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.

Формула для вычисления:

Сопротивление проводника увеличивается с ростом температуры. Удельное сопротивление зависит от температуры:

где ​ ( rho_0 ) ​ – удельное сопротивление при ​ ( T_0 ) ​ = 293 К (20°С), ​ ( Delta T=T-T_0 ) ​, ​ ( alpha ) ​ – температурный коэффициент сопротивления.

Единица измерения температурного коэффициента сопротивления – К -1 .

При нагревании увеличивается интенсивность движения частиц вещества. Это создает трудности для направленного движения электронов. Увеличивается число столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решетки.

Свойство изменения сопротивления при изменении температуры используется в термометрах сопротивления. Эти приборы могут измерять температуру, основываясь на зависимости сопротивления от температуры. У термометров сопротивления высокая точность измерений.

Электродвижущая сила. Внутреннее сопротивление источника тока

Для создания электрического поля в проводниках используют источник тока. Внутри источника тока происходит перераспределение зарядов, в результате которого на полюсах источника возникает избыток зарядов разных знаков.

Виды источников тока:

• электрофорная машина;
• термопара;
• фотоэлемент;
• аккумулятор;
• гальванический элемент.

Сторонними называются силы неэлектрической природы, действующие внутри источника тока.

Когда проводник соединяют с полюсами источника, то на внешнем участке цепи заряженные частицы движутся под действием электростатической силы. А внутри источника на заряды действуют сторонние и электростатические силы.

Под действием этих сил внутри источника происходит перемещение положительных зарядов от отрицательного полюса источника к положительному. Это перемещение происходит до тех пор, пока сторонние силы не станут равными электростатическим. При переносе заряда эти силы совершают работу. Работа сторонних сил по перемещению заряда компенсирует потери энергии заряженными частицами при их движении по цепи.

Электродвижущей силой (ЭДС) называется отношение работы сторонних сил по перемещению положительного заряда к величине этого заряда.

Обозначение – ​ ( varepsilon ) ​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Формула для вычисления:

где ​ ( Delta q ) ​ – модуль перенесенного заряда.

Если электрическая цепь содержит несколько источников тока с ЭДС ​ ( varepsilon_1,varepsilon_2,,…,varepsilon_T ) ​, то суммарная ЭДС ( varepsilon=varepsilon_1+varepsilon_2+…,varepsilon_T ) .

ЭДС считается положительной, если направление обхода цепи против часовой стрелки совпадает с переходом внутри источника тока от отрицательного полюса источника к положительному полюсу.

На рисунке: ​ ( varepsilon_1>0,,varepsilon_2 0. ) ​

Суммарная ЭДС: ( varepsilon=varepsilon_1-varepsilon_2+varepsilon_3. )

При подключении проводника к полюсам источника тока происходит перераспределение заряда на поверхности проводника, а внутри проводника возникает постоянное электрическое поле. Заряды начинают перемещаться по замкнутой цепи, в которой устанавливается постоянная сила тока.

Сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением.

Обозначение внутреннего сопротивления – ​ ( r ) ​. Единица измерения в СИ – Ом.

Закон Ома для полной электрической цепи

Полная электрическая цепь состоит из источника тока и проводников, представляющих внешнее сопротивление.

Закон Ома для полной электрической цепи

Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС, действующей в цепи, и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

Полное сопротивление – это сумма внутреннего сопротивления источника и сопротивления внешней цепи. Во внешней цепи ток идет по направлению электрического поля, внутри источника тока – против поля.

Напряжение на внешней цепи (падение напряжения):

Если цепь разомкнута, то ток внутри источника не проходит и ​ ( varepsilon=U ) ​.

ЭДС численно равна напряжению на зажимах источника тока (разности потенциалов на полюсах источника).

Сопротивление внешней цепи больше внутреннего сопротивления источника.

Если сопротивление внешней цепи мало ​ ( (R=0) ) ​, то возможно короткое замыкание. Сила тока короткого замыкания: ​ ( I_<кз>=frac<varepsilon> ) ​Возрастание силы тока приводит к резкому увеличению количества теплоты и может стать причиной пожара. Для предотвращения возгорания в электрическую цепь последовательно включают предохранители.

Соединение источников тока

Источники тока можно соединять между собой последовательно и параллельно.

При параллельном соединении положительные полюсы элементов соединяют между собой, отрицательные – между собой. Если ЭДС источников одинаковы, то общая ЭДС ​ ( varepsilon=varepsilon_1 ) ​ (​ ( varepsilon_1 ) ​ – ЭДС одного источника). Величина, обратная общему внутреннему сопротивлению, равна сумме величин, обратных внутренним сопротивлениям элементов: ​ ( frac<1>=frac<1>+frac<1>+… ) ​ Если внутренние сопротивления источников одинаковы, то ​ ( r_<общ>=frac ) ​, ​ ( r_1 ) ​ – сопротивление одного источника, ​ ( n ) ​ – число источников. Сила тока: ​ ( frac<varepsilon>> ) ​.

При последовательном соединении положительный полюс источника соединяется с отрицательным полюсом следующего. Общая ЭДС батареи ​ ( varepsilon=varepsilon_1+varepsilon_2+… ) ​, а общее внутреннее сопротивление равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников: ​ ( r=r_1+r_2+… ) Если внутренние сопротивления источников одинаковы, то ​ ( r_<общ>=nr_1 ) ​. Сила тока: ​ ( I=frac ) ​.

Параллельное и последовательное соединение проводников

Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.

Последовательное соединение проводников

При последовательном соединении начало одного проводника соединяется с концом другого.

При последовательном соединении сила тока во всех проводниках одинакова:

Общее напряжение ​ ( U ) ​ на проводниках равно сумме напряжений на отдельных проводниках:

Напряжение на проводниках прямо пропорционально их сопротивлениям:

Общее сопротивление равно сумме сопротивлений проводников, образующих цепь:

Если проводники имеют одинаковое сопротивление, то общее сопротивление находится по формуле:

где ​ ( n ) ​ – число проводников, ​ ( R_i ) ​ – сопротивление проводника.

Параллельное соединение проводников

При параллельном соединении проводники подключаются между одной и той же парой точек. Если в этой точке соединяются три и более проводников, то она называется узлом электрической цепи.

При параллельном соединении напряжение на всех проводниках одинаково:

Сумма сил токов, протекающих по проводникам, равна силе тока в неразветвленной цепи:

Это следствие того факта, что в точках разветвления цепи заряды не могут накапливаться.

Силы токов в разветвленных частях цепи обратно пропорциональны их сопротивлениям:

Величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников:

Если проводники имеют одинаковое сопротивление, то общее сопротивление находится по формуле:

где ​ ( n ) ​ – число проводников, ​ ( R_1 ) ​ – сопротивление проводника.

Если параллельно соединены два проводника, от общее сопротивление вычисляется по формуле:

Смешанное соединение проводников

Смешанное соединение проводников – соединение, при котором часть проводников соединена последовательно, а часть – параллельно.

Важно!
Чтобы рассчитать общее сопротивление такого участка или найти силу тока и напряжение при таком соединении, нужно:

1. разбить его на простые участки с последовательно или параллельно соединенными проводниками;
2. найти общее (эквивалентное) сопротивление каждого из этих участков;
3. составить эквивалентную схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных сопротивлений;
4. рассчитать сопротивление полученной схемы.

Если в схеме не удается выделить участки с последовательным или параллельным соединением проводников, то можно использовать такое правило: точки с одинаковыми потенциалами можно соединять и разъединять, ток между такими точками не идет.

На рисунке, если ​ ( R_1=R_2,R_4=R_5, ) ​ то потенциалы точек 1 и 2 равны. Резистор ​ ( R_3 ) ​ можно убрать на эквивалентной схеме – ток по нему не идет.

Точки с одинаковыми потенциалами есть в схемах с осью или плоскостью симметрии относительно точек подключения источника тока.

Если схема симметрична относительно оси, проходящей через точки входа и выхода тока, то точки равного потенциала находятся на концах симметричных сопротивлений (по ним идут одинаковые токи).

Если схема симметрична относительно оси, перпендикулярной линии, на которой лежат точки входа и выхода тока, то точки равного потенциала находятся на пересечении этой оси с проводниками.

Если в схеме нет участков с известным видом соединения и нет точек с равным потенциалом, то для расчета таких цепей используют правила Кирхгофа.

Правила Кирхгофа:

• Алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю:

Положительными считают токи, входящие в узел, отрицательными – выходящие из узла.

• В любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, имеющихся в контуре:

Порядок расчета цепи:

• выбрать направление токов во всей цепи;
• записать уравнения токов для узлов;
• записать уравнения для выделенных контуров. Произвольные замкнутые контуры выделяются так, чтобы каждый новый контур содержал хотя бы один участок, не входящий в ранее рассмотренные контуры;
• решить полученную систему уравнений.

Алгоритм решения задач на определение силы тока, напряжения или сопротивления на участке цепи:

• начертить схему цепи и указать на ней все элементы;
• установить, какие элементы цепи включены последовательно, какие – параллельно;
• расставить токи и напряжения на каждом участке цепи и записать для каждой точки разветвления (если они есть) уравнения токов и уравнения, связывающие напряжения на участках цепи;
• используя закон Ома, установить связь между токами, напряжениями и ЭДС;
• если в схеме делают какие-либо переключения сопротивлений или источников, уравнения составить для каждого режима работы цепи;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Работа электрического тока. Закон Джоуля–Ленца

Работа тока – работа сил электрического поля, создающего электрический ток.

Работа тока на участке цепи вычисляется по формуле:

Используя формулу закона Ома для участка цепи, можно работу тока вычислить так:

Работа тока в замкнутой цепи находится по формуле:

При протекании постоянного тока по металлическому проводнику электроны сталкиваются с положительными ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки. При этом электроны передают им энергию. Это приводит к нагреванию проводника. Количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время ​ ( t ) ​, равно:

Эта формула выражает закон Джоуля–Ленца: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, прямо пропорционально квадрату силы тока, времени его прохождения и сопротивлению проводника.

Мощность электрического тока

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ко времени, в течение которого она совершается.

Обозначение – ​ ( P ) ​, единица измерения в СИ – ватт (Вт).

Вычисляется по формуле:

Можно записать еще несколько формул для вычисления мощности электрического тока на участке цепи:

Полная мощность источника тока:

Коэффициент полезного действия источника тока:

При решении задач на тепловое действие тока нужно учитывать следующее:

1. Если на участке есть источник тока, то необходимо использовать для решения формулу закона Джоуля–Ленца:

2. Если сила тока в цепи постоянна, то удобно использовать формулу закона Джоуля–Ленца:

3. Если постоянно напряжение, то формулу:

4. Количество теплоты можно находить, используя формулы термодинамики.

Носители свободных электрических зарядов в металлах, жидкостях и газах

Одним из условий существования электрического тока является наличие свободных заряженных частиц.

Носители электрического тока: в металлах – свободные электроны; в электролитах – положительные и отрицательные ионы; в газах – электроны и положительные ионы; в полупроводниках – электроны и дырки; в вакууме – любые заряженные частицы, но чаще всего это электроны.

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. При протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества (опыт Рикке). Это значит, что ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда. Носителями заряда являются частицы одинаковые для всех металлов – электроны.

Сила тока в металлическом проводнике с площадью поперечного сечения ​ ( S ) ​:

где ​ ( q ) ​ – элементарный электрический заряд (заряд электрона), ​ ( n ) ​ – концентрация электронов проводимости, ​ ( v ) ​ – средняя скорость упорядоченного движения электронов.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыты Мандельштама и Папалекси, Стюарта и Толмена). Катушка с большим числом витков проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному гальванометру. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона.

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема. Электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между положительными ионами, образующими кристаллическую решетку металла.

У некоторых металлов и сплавов обнаружено явление сверхпроводимости. Это явление открыто в 1911 г. Камерлинг-Оннесом. При температурах ниже критической сопротивление проводника становится равным нулю. Значения критической температуры для чистых металлов изменяются в диапазоне от долей кельвина до 30 К. В настоящее время получены вещества с критической температурой 125 К. Сверхпроводящие свойства наблюдаются у ртути, свинца, олова.

Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей

Электрический ток в жидкостях

Жидкости, проводящие электрический ток, называют электролитами. К электролитам относятся водные растворы неорганических кислот, солей и оснований, многие соединения металлов в расплавленном состоянии. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы.

В результате электролитической диссоциации (распада нейтральных молекул на ионы) образуются положительные и отрицательные ионы. При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение. Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду).

Электролиз – явление прохождения электрического тока через электролит, сопровождающееся выделением веществ на электродах.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году.

Масса ​ ( m ) ​ вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду ​ ( Q ) ​, прошедшему через электролит:

Величину ​ ( k ) ​ называют электрохимическим эквивалентом.

Электрохимический эквивалент ​ ( k ) ​ равен отношению массы ​ ( m_0 ) ​ иона данного вещества к его заряду ​ ( q_0 ) ​:

где ​ ( M ) ​ – молярная масса вещества, ​ ( n ) ​ – валентность вещества, ​ ( F=eN_A ) ​ – постоянная Фарадея. ​ ( F ) ​ = 96,5·10 3 Кл/моль.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который нужно пропустить через раствор любого электролита для получения одного моля одновалентного вещества.

Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве: получение чистых металлов (меди, алюминия), нанесение металлических покрытий (гальваностегия), изготовление копий с матриц (гальванопластика).

Электрический ток в газах

В обычных условиях газы являются диэлектриками, но при определенных условиях газ может стать проводником. Процесс протекания электрического тока через газ называется газовым разрядом. Носители заряда в газе – свободные электроны и ионы. Проводимость в газах смешанная – электронно-ионная.

Свободные носители заряда в газах появляются в процессе ионизации. Ионизация – процесс вырывания электрона из атома. Наряду с процессом ионизации в газе происходит и обратный процесс – рекомбинация заряженных частиц.

Ионизацию вызывают нагревание газа, излучение (ультрафиолетовое, рентгеновское или гамма-излучение).

Выделяют два вида разрядов в газе: несамостоятельный и самостоятельный разряды.

Несамостоятельный разряд происходит под действием внешнего ионизатора и прекращается, как только ионизатор перестает действовать. Самостоятельный разряд происходит без действия внешнего ионизатора под действием электрического поля, существующего между электродами. С ростом напряженности электрического поля скорости свободных заряженных частиц растут. Достигая катода, такие частицы выбивают из него электроны (вторичная электронная эмиссия). Эти электроны, разгоняясь полем, вызывают ионизацию других молекул (ионизация электронным ударом). Число заряженных частиц нарастает лавинообразно, и внешний ионизатор не нужен для поддержания тока.

На рисунке участок ОАВ соответствует несамостоятельному разряду, участок ВС – самостоятельному разряду.

Виды самостоятельного разряда:

Тлеющий разряд происходит в разреженном газе при низком давлении. Применяется в газосветных трубках, лампах дневного света, цифровых индикаторах, ртутных лампах низкого давления.

Дуговой разряд – разряд между электродами, нагретыми до высокой температуры при атмосферном или повышенном давлении. Применяется в ртутных лампах высокого давления, при сварке металлов, в электропечах, в источниках света (прожекторах).

Коронный разряд возникает при нормальном и повышенном давлении у заостренных электродов. У острия электрода напряженность электрического поля велика, и в этой области возникает ударная ионизация при атмосферном давлении. Коронный разряд может возникнуть в тонких проводах, находящихся под высоким напряжением. Это приводит к утечке электроэнергии. Применяется в электрофильтрах, громоотводах, счетчике Гейгера–Мюллера.

Искровой разряд – это прерывистый самостоятельный разряд при нормальном или повышенном атмосферном давлении газа в электрическом поле очень большой напряженности. Применяется при обработке металлов. Пример такого разряда в природе – молния.

Плазма – частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности отрицательных и положительных зарядов одинаковы. При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращается в газ. Если увеличивать температуру и далее, резко усиливается процесс термической ионизации. Молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы.

В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра и ионосферы. Плазму можно наблюдать в рекламных газовых трубках, кварцевых лампах. За последние годы применение плазмы существенно расширилось. Высокотемпературная плазма (Т ∼ 10 6 –10 8 К) из смеси дейтерия с тритием используется для осуществления управляемого термоядерного синтеза; низкотемпературная плазма (Т ≤ 10 5 К) – в различных газоразрядных приборах: газовых лазерах, ионных приборах.

Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковый диод

В природе существует большая группа веществ, занимающих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по величине электропроводности.

Полупроводниками называют вещества, удельное сопротивление которых находится в интервале от 10 -3 до 10 7 Ом·м. К типичным полупроводникам относятся германий и кремний, селен, теллур, мышьяк.

Удельное сопротивление полупроводника зависит от внешних факторов: температуры, освещенности, электрического поля. С ростом температуры удельное сопротивление полупроводника уменьшается. С ростом освещенности также происходит уменьшение сопротивления полупроводника.

Такой ход зависимости удельного сопротивления от температуры ​ ( rho(T) ) ​ показывает, что у полупроводников концентрация свободных носителей заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Объясним такую зависимость на примере германия.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум разным атомам. Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах, поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках значительно меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут появляться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченном движении участвуют свободные электроны и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток ​ ( I ) ​ в полупроводнике складывается из электронного ​ ( I_Э ) ​ и дырочного ( I_Д ) токов:

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок.

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Собственный полупроводник — полупроводник, не содержащий примесей, влияющих на его электропроводность.

При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков.

Важно!
Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Примесной проводимостью называют проводимость полупроводников при наличии примесей.

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

Электронная проводимость

Электронная проводимость возникает при введении в кристалл германия с четырехвалентными атомами пятивалентных атомов (например атомов мышьяка, ​ ( As ) ​).

Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказывается лишним, он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным.

Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника.

Основными носителями заряда являются электроны. Концентрация свободных электронов намного больше концентрации дырок. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником ​ ( n ) ​-типа.

Дырочная проводимость

Дырочная проводимость возникает при введении в кристалл германия трехвалентных атомов (например атомов индия, ​ ( In ) ​). Атом индия с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия.

Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места – дырки. На эти места могут переходить электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к движению дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов.

Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

p-n переход (электронно-дырочный переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок. Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости называется запирающим слоем. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение ​ ( U_З ) ​, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n-p-переходов и 0,6 В для кремниевых.

p-n-переход обладает свойством односторонней проводимости. Если полупроводник с p-n-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от p-n-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через p-n-переход практически не идет. Напряжение, поданное на p-n-переход, в этом случае называют обратным. Незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов.

Если p-n-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать p-n-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через p-n-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность p-n-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами.

Обозначение на схемах полупроводникового диода:

Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. Они используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода приведена на рисунке.

Полупроводниковые диоды имеют малые размеры, длительный срок службы, механическую прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры.

Переменный ток

Содержание:

Переменный ток – это направленное движение заряженных частиц, направление движения которых меняется на противоположное через равные промежутки времени.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Переменный ток

Переменный ток – это периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника. Переменный ток – это электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону.

Получение переменного тока

Поместим в постоянное и однородное магнитное поле виток проволоки abсd (рис. 178).

При равномерном вращении этого витка вокруг оси ОО магнитный поток, пронизывающий его площадь, будет непрерывно меняться как по величине, так и по направлению.

Вследствие этого, согласно закону электромагнитной индукции, в витке возникает переменная по величине и направлению э. д. с. индукции.

Когда плоскость вращающегося витка становится перпендикулярна силовым линиям магнитного поля (рис. 178,а), пронизывающий её магнитный поток наибольший , скорость же изменения его равна нулю , так как при прохождении через это положение проводники витка ab и cd скользят вдоль силовых линий поля, не пересекая их. Следовательно, э. д. с. индукции, возникающая в витке, которая пропорциональна скорости изменения потока, будет равна нулю (Е = 0).

Когда же плоскость витка параллельна силовым линиям поля (рис. 178,б), поток, пронизывающий её, равен нулю (Ф = 0), скорость же изменения его при прохождении через это положение наибольшая так как проводники витка ab и cd движутся перпендикулярно к силовым линиям поля.

Э. д. е., возникшая в этом случае в витке, имеет наибольшее значение В части ab витка э. д. с. будет направлена от чертежа к наблюдателю, а в части cd, наоборот,— от наблюдателя за чертёж. При дальнейшем повороте витка э. д. е., сохраняя неизменным направление, будет уменьшаться, и в положении, изображённом на рисунке 178, в, величина э. д. с. станет опять равной нулю (Е= 0), так как в этом положении при наибольшей величине магнитного потока, пронизывающего плоскость витка, скорость изменения его наименьшая.

При дальнейшем вращении витка скорость изменения потока, пронизывающего виток, будет увеличиваться; следовательно, э. д. с. по абсолютной величине будет возрастать от 0 до (рис. 178, г). Но так как виток движется теперь навстречу магнитным силовым линиям другой стороной плоскости, то направление э. д. с. в нём изменяется на противоположное: в части ab э. д. с. направлена от наблюдателя за чертёж, а в части cd, наоборот,— от чертежа к наблюдателю. Это направление э. д. с. сохранится и при дальнейшем движении витка, при этом абсолютная величина её будет убывать до нуля (рис. 178, а).

При последующих оборотах витка все эти явления будут повторяться вновь.

Таким образом, величина э. д. с. индукции во вращающемся витке за один его оборот изменяется

Разомкнём виток abсd и присоединим концы его к осциллографу (рис. 179, а). При вращении витка в магнитном поле В осциллограф запишет все изменения тока, по которым можно будет судить и об изменении э. д. с. индукции в витке. На рисунке 179, б показан график изменения э. д. с. в витке за время одного оборота. Вверху показаны последовательные положения витка в магнитном поле, против них (внизу)—значения э. д. с. индукции в витке. Направление силовых линий магнитного потока, пронизывающего виток, показано стрелками. Кружочки изображают сечение витка плоскостью чертежа с указанием направления тока в нём.

Ток, возникающий в витке при равномерном вращении его в однородном магнитном поле, как показывает осциллограмма, изображённая на рисунке 179, а, изменяется синусоидально. Такой ток называется переменным синусоидальным током.

Промежуток времени, в течение которого э. д. с. совершает одно полное колебание, называется периодом переменного тока.

Период колебания обозначают буквой Т. Число полных колебаний за 1 сек называется частотой тока и обозначается буквой f. Единица частоты называется герц (гц):

Если значение э. д. с. в некоторый произвольный момент времени мы обозначим через е (мгновенное значение э. д. е.), а наибольшее значение её (амплитудное значение) — через Ем, то закон, выражающий зависимость е от времени, в случае синусоидального тока можно записать в виде следующего выражения:

В Советском Союзе и в большинстве других стран в промышленности и в быту применяют переменный ток частотой в 50 гц. продолжительность периода такого тока 0,02 секунды.

Генератор переменного тока

Машины, превращающие механическую энергию в энергию электрического тока, называются генераторами. Действие их основано на явлении электромагнитной индукции.

Простейшей схемой генератора может служить проводник в виде рамки, вращающейся вокруг оси ОО в магнитном поле постоянного магнита или электромагнита (рис. 180). При вращении рамки в ней возникает переменная э. д. с.

Если рамку соединить с внешней частью цепи, то в цепи появится переменный ток. Для соединения рамки с внешней цепью используются кольца, укреплённые на той же оси, на которой укреплена и вращающаяся рамка. К кольцам присоединяются концы рамки, а над каждым кольцом устанавливаются неподвижные скользящие контакты — щётки. При вращении рамки за один оборот полярность щёток меняется два раза.

Мы рассмотрели на схеме принцип работы генератора переменного тока. Устройство генератора переменного тока значительно сложнее. С клемм генератора должно сниматься достаточно высокое напряжение; поэтому вместо одного витка приходится брать значительное их число и соответствующим образом соединять их между собой.

Однако такой тип генератора переменного тока с неподвижной магнитной системой (индуктором) и вращающимися витками (якорем), в которых возбуждается э. д. е., строится сравнительно редко. Это вызвано тем, что при помощи подвижных контактов практически невозможно отводить от генератора ток высокого напряжения из-за сильного искрения в подвижных контактах.

Поэтому почти во всех генераторах переменного тока обмотку (якорь), в которой индуктируется э.д.е., устанавливают неподвижно, а вращаться заставляют магнитную систему (индуктор).
Неподвижная часть машины получила название статора, а подвижная — ротора.

Статор генератора переменного тока собирается из листовой стали (для борьбы с вихревыми токами). В пазах, сделанных во внутренней полости статора, укладываются проводники, в которых индуктируется э. д. с. (рис. 181, а). Вращающаяся электромагнитная система — ротор — имеет вид, показанный на рисунке 181, б. На магнитные полюсы ротора надеты обмотки, по которым пропускается постоянный ток. Этот ток подводится к обмотке через щётки и кольца от постороннего источника постоянного тока.

На рисунке 181, в показана полная схема генератора переменного тока, где отчётливо видно, что если ротор вращать какой-либо внешней механической силой, то вместе с ним будет вращаться и создаваемое им магнитное иоле. При этом силовые линии поля будут пересекать проводники, вложенные в пазы статора, и индуктировать в них э. д. с. Величина суммарной э. д. с. генератора будет зависеть от размера и типа обмотки статора, величины магнитного поля ротора и скорости его вращения.

На рисунке 182 изображён внешний вид мощного гидрогенератора Днепрогэса имени В. И. Ленина. Ротор генератора питается постоянным током, даваемым небольшой машиной постоянного тока, находящейся на одном валу с генератором.

Генератор, ротор которого вращается на общем валу с паровой турбиной, называется турбогенератором.

Величина переменного тока. Действующее (эффективное) значение тока и напряжения

Переменная э. д. с. вызывает в цепи переменный по величине и направлению ток.

Если цепь индуктивностью и ёмкостью не обладает, то ток в ней изменяется в соответствии с изменением э. д. с.

Наибольшему значению э. д. с. соответствует и наибольшее значение тока; и наоборот, когда э. д. с. равна нулю, ток также равен нулю. В этом случае принято говорить, что изменения э. д. с. и тока совпадают по фазе.

Разделив, согласно закону Ома, значение э. д. с. на сопротивление цепи R,
мы получим выражение тока в зависимости от времени:

или

где представляет собой мгновенное значение тока, а величина — его амплитудное (наибольшее) значение.

На рисунке 183 изображены две синусоиды: одна из них изображает изменение э. д. е., другая — тока. Обе эти кривые совпадают по фазе.

Сопротивление проводника, в котором напряжение и ток совпадают по фазе, называется активным сопротивлением. В проводнике с активным сопротивлением энергия тока необратимо превращается в другие виды энергии (в механическую, во внутреннюю и др.).

Мгновенное значение переменного тока всё время изменяется, колеблясь между нулём и некоторым наибольшим значением его . Тем не менее мы измеряем переменный ток, как и постоянный, в амперах. Так, например, мы говорим, что по лампочке идёт ток в 0,5 а, а по спиральке нагревательного прибора — ток в 5 а и т. д. О каком же значении переменного тока идёт здесь речь?

Очевидно, что средняя величина тока за полный период его изменения равна нулю, независимо от того, какие большие значения она принимает в различные моменты времени. Следовательно, ею нельзя оценивать величину переменного тока. Может быть, можно характеризовать переменный ток по его наибольшему (амплитудному) значению? Принципиально это возможно, но практически трудно построить прибор, непосредственно измеряющий эту величину тока.

При установлении значения величины переменного тока обычно исходят из таких его действий, которые не зависят от направления тока и могут быть вызваны также постоянным током. К ним относятся, например, тепловые действия тока. Действительно, если через проводник, обладающий некоторым сопротивлением, проходит ток I, то выделяемое в проводнике количество теплоты пропорционально , т. е. не зависит от направления тока.

Пусть переменный ток проходит по проводнику данного сопротивления и в каждую секунду выделяет в нём некоторое количество теплоты. Очевидно, можно пропустить по этому проводнику такой постоянный ток, чтобы в секунду выделялось такое же количество теплоты, как и в случае переменного тока.

Значение постоянного тока, выделяющего в проводнике такое же количество теплоты, что и переменный ток (за одно и то же время), называется действующим (эффективным) значением переменного тока.

Для синусоидального переменного тока действующее значение его (I) меньше амплитудного () в раза, т. е.

Точно так же действующее значение э. д. с. и напряжения меньше амплитудного их значения в раза:

Рассмотренные нами в § 83 амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы (рис. 145), очевидно, не пригодны для измерений в цепях переменного тока, так как при каждом изменении направления тока в катушке меняется и направление вращающего момента, поворачивающего стрелку прибора. Вследствие же большой инерции катушки и стрелки такой прибор не будет реагировать на переменный ток.

Для измерений тока и напряжения в цепях переменного тока применяются приборы, показания которых не зависят от направления тока. Для этой цели пригодны, например, тепловые приборы. В них поворот стрелки вызывается удлинением нити, которая нагревается током.

Пригодны для измерений в цепях переменного тока технической частоты (f=50 гц) и приборы электромагнитной системы (рис. 148). Подвижной частью приборов этой системы является небольшой железный диск, который, перемагничиваясь, всё время втягивается внутрь катушки, по которой идёт переменный ток.

Индуктивность и ёмкость цепи переменного тока

В предыдущем параграфе мы рассмотрели тепловое действие переменного тока, которым в равной степени обладает и постоянный ток. Однако быстрое изменение величины и направления тока обусловливает ряд особенностей переменного тока, отличающих его действия от действий постоянного тока.

Переменный ток, например, не годится для зарядки аккумулятора, его нельзя использовать и для технических применений электролиза.

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 из многих витков медной проволоки и амперметр. Заметим по амперметру величину тока. Вдвинем теперь в катушку железный сердечник, ток при этом не изменится. Если включить теперь катушку в цепь переменного тока с действующим напряжением, равным напряжению постоянного тока, то ток в катушке окажется меньшим. Введение же в катушку железного сердечника приведёт к ещё большему ослаблению тока (рис. 184).

Таким образом, индуктивность цепи переменного тока уменьшает величину тока.

Так как сопротивление цепи измеряется отношением напряжения к току, проходящему по ней, то можно сказать, что наличие в цепи катушки индуктивности увеличивает сопротивление цепи.

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

Рассмотрим следующий пример.

Одна из обмоток трансформатора, который часто можно встретить в школьных физических кабинетах, имеет 600 витков медной проволоки диаметром 1 мм. На эту катушку пошло 150 м медной проволоки, сопротивление которой

Если измерить сопротивление этой катушки в цепи переменного тока частотой 50гц, то окажется, что сопротивление её около 20 ом.

Итак, индуктивность в цепи переменного тока действует в отношении величины тока так же, как сопротивление проводника цепи. С увеличением индуктивности растёт и сопротивление цепи. Сопротивление, которым обладает цепь вследствие наличия в ней индуктивности, называется индуктивным сопротивлением.

Величина индуктивного сопротивления зависит от индуктивности цепи L и частоты тока f. Рассчитывается индуктивное сопротивление по формуле:

Если в цепь постоянного тока мы включим батарею конденсаторов, то никакого тока не обнаружим, что вполне понятно, так как пластины конденсатора отделены друг от друга изолятором. Через конденсатор постоянный ток течь не может.

Если же включить батарею конденсаторов в цепь переменного тока, то в цепи будет ток; электрическая лампочка, включённая в эту цепь, будет гореть (рис. 185).

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. Если выключить конденсатор из цепи, то лампочка будет гореть ярче. Следовательно, наличие конденсатора в цепи переменного тока увеличивает сопротивление цепи.

Опыт показывает, что, чем больше ёмкость конденсатора, включённого в цепь, тем меньшее сопротивление он оказывает переменному току.

Сопротивление, которым обладает цепь вследствие наличия в ней ёмкости, называется ёмкостным сопротивлением. Величина ёмкостного сопротивления зависит от ёмкости цепи и частоты тока. Рассчитывается ёмкостное сопротивление по формуле:

Наличие в цепи переменного тока индуктивности или ёмкости приводит к сдвигу фаз между током и напряжением. При индуктивном сопротивлении, вследствие появления в цепи э. д. с. самоиндукции, ток отстаёт по фазе от приложенного напряжения, а при ёмкостном сопротивлении ток по фазе опережает напряжение.

Если изменение напряжения в цепи происходит по закону то в случае наличия в этой цепи активного и индуктивного сопротивления изменение тока в ней выразится формулой: где сдвиг фаз между напряжением и током. Графики напряжения и тока в этом случае будут иметь вид, изображённый на рисунке 185а.

При наличии в цепи активного и ёмкостного сопротивления изменение тока в цепи выразится формулой На рисунке 185б показаны графики напряжения и тока в этом случае.

Трёхфазный ток

Рассмотренный нами в §96 переменный ток создавался одной э. д. е., возникшей в генераторе. Такой ток называется однофазным переменным током. Однако основной системой тока, принятой в настоящее время повсеместно, является система трёхфазного тока, обладающая, как мы увидим далее (§101), рядом преимуществ перед однофазной системой.

Трёхфазным током называется система трёх однофазных токов, создаваемых тремя э. д. с., имеющими одинаковые амплитуды и частоту, но сдвинутыми одна относительно другой по фазе на или по времени на периода.

Каждая отдельная цепь трёхфазной системы сокращённо называется фазой.

Трёхфазную систему токов принципиально можно получить от трёх одинаковых генераторов переменного однофазного тока, роторы которых, находясь в одном и том же положении, жёстко связаны между собой и не меняют своего относительного положения при вращении. Статорные же обмотки генераторов повёрнуты относительно друг друга на 120° в сторону вращения ротора, как это показано на рисунке 186 (концы их обозначены буквами Н и К). При этих условиях вполне очевидно, что э. д. с. второго генератора будет запаздывать в своих изменениях относительно э. д. с. первого генератора на 120°, т. е. максимальное значение э. д. с. того же направления во втором генераторе наступит после того, как все роторы генераторов повернутся на 120°. Э. д. с. третьего генератора также будет запаздывать относительно э. д. с. второго генератора на 120°.

Но такой способ получения трёхфазного тока оказывается технически сложным и экономически невыгодным. Гораздо проще все три статорные обмотки совместить в одном корпусе статора, что и представлено на рисунке 187. Начала обмоток на этом рисунке обозначены буквами Н, концы — буквами К. Такой генератор называется генератором трёхфазного тока.

Таким образом, статор генератора трёхфазного тока имеет три обмотки (называемые фазами генератора), смещённые на 120° своими началами (или концами) одна относительно другой.

Ротор же генератора трёхфазного тока конструктивно одинаков с ротором генератора однофазного тока.

При вращении ротора во всех обмотках будут создаваться одинаковые по частоте и амплитуде э. д. е., но только они будут не одновременно достигать своих максимумов. Считая, что максимальная э. д. с. создаётся в момент прохождения центра северного полюса ротора под началом обмотки, нетрудно видеть, что максимум э. д. с. того же направления во второй обмотке наступит после поворота ротора на 120е, а максимум э. д. с. того же направления в третьей обмотке наступит после поворота ротора на 240° относительно первой.

Соединяя каждую фазу генератора с внешней цепью, мы получим три цепи однофазного тока, не имеющие между собой никаких электрических соединений, причём токи в каждой отдельной цепи при одинаковом их сопротивлении будут равны по амплитуде, но сдвинуты по фазе друг относительно друга так же, как и э. д. е., на 120°.

График трёхфазного тока, записанный осциллографом, будет иметь вид, изображённый на рисунке 188.

Для соединения такого генератора с внешней цепью потребуется шесть проводов. С целью уменьшения числа проводов, идущих во внешнюю цепь, обмотки генератора и приёмников соединяют между собой, образуя электрически связанную трёхфазную систему. Такое соединение можно выполнить двумя способами: звездой и треугольником.

Оба эти соединения позволяют сэкономить материал на проводку при передаче заданной мощности в сравнении с расходом его при передаче той же мощности от трёх независимых однофазных генераторов.

Соединение звездой

Генератор трёхфазного тока на схемах принято рисовать в виде трёх статорных обмоток, расположенных под углом 120° друг к другу. Буквами Н и К обозначаются начала и концы соответствующих обмоток.

Если три конца статорных обмоток соединить в одну общую точку, называемую нулевой точкой О генератора, то получим такое соединение статорных обмоток, которое называется соединением звездой. К началам тех же обмоток подключаются провода линии, называемые линейными проводами (рис. 189,а). Аналогично могут соединяться и приёмники (рис. 189,б). Провод, соединяющий нулевую точку генератора О с нулевой точкой приёмников О, называется нулевым проводом.

Такая четырёхпроводная система трёхфазного тока имеет два разных напряжения. Напряжение между линейным и нулевым проводами, или, что то же самое, напряжение между началом и концом какой-нибудь обмотки статора называется фазным напряжением

Напряжение, измеряемое между двумя линейными проводами или между началами статорных обмоток, называется линейным напряжением .

Линейное напряжение в раза больше фазного:

Пример. Напряжение между линейными проводами трёхфазной системы, соединённой на звезду, 220 в. Чему равно фазное напряжение?

Пример. Фазное напряжение трёхфазной системы, соединённой на звезду, 220 в. Чему равно напряжение между линейными проводами?

В настоящее время во все новые жилые дома вводится трёхфазный ток с линейным напряжением в 220 в (например, в Москве, в черте города) и 380 в (в загородных линиях Москвы). Электрические же лампочки включают (на звезду) между линейными проводами и нулевым проводом (нулевой провод обязательно должен быть) соответственно на напряжение.

При одинаковой нагрузке фаз ток в нулевом проводе равен нулю и этот провод становится излишним. С таким случаем мы встречаемся, например, при включении в цепь электродвигателя трёхфазного тока.

Соединение треугольником

Соединение треугольником называется такое соединение, при котором конец первой фазы генератора соединяется с началом второй его фазы , конец второй фазы — с началом третьей фазы и, наконец, конец третьей — с началом первой фазы ; к вершинам полученного треугольника присоединяются провода линии (рис. 190, а). Аналогично соединяются и потребители (рис. 190, б).

Из рассмотрения рисунка 190 нетрудно заключить, что при соединении треугольником линейное и фазное напряжения одинаковы

Асинхронный двигатель

Введение в технику трёхфазного тока позволило создать простой по устройству и удобный в эксплуатации электродвигатель, который получил название асинхронного двигателя. Устройство асинхронного двигателя основано на использовании вращающегося магнитного поля. В простейшем случае такое иоле можно получить, вращая подковообразный магнит. Магнитная стрелка, установленная на оси и расположенная вблизи магнита (рис. 191), начнёт при этом вращаться в ту же сторону, что и магнит, и с той же скоростью.

Если во вращающееся магнитное поле поместить замкнутый проводник, укреплённый на оси (рис. 192), то магнитное поле, при своём вращении пересекая стороны контура проводника, будет индуктировать в них э. д. с. индукции, создающую в этом замкнутом контуре индукционный ток. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем вращающегося магнита, приведёт виток во вращение. Направление вращения витка определяется правилом левой руки.

Вращение витка будет направлено в сторону вращения магнитного поля. Однако к разбору этого явления гораздо лучше подойти не с точки зрения формальных правил правой и левой руки, а на основе закона Ленца, вскрывающего физическую сущность этого явления.
Причиной появления индукционного тока в витке является вращение магнитного поля относительно витка. Следовательно, индукционный ток, согласно закону Ленца, будет противодействовать этому вращению поля. Но замедлить вращение магнитного поля он не может, так как оно определяется внешней механической силой, поэтому виток сам будет вращаться в сторону вращающегося магнитного поля. При этом относительная скорость пересечения магнитным полем сторон витка будет уменьшаться.

Если допустить, что виток достиг скорости вращения поля, то э. д. е., а следовательно, и ток в нём будут равны нулю и электромагнитная сила, создающая люмен г вращения, исчезнет.

Поэтому виток, всегда находящийся под действием момента сил сопротивления (например, трения), начнёт останавливаться. Вследствие уменьшения скорости вращения витка его стороны снова будут пересекаться магнитным полем и снова возникнет вращающий момент, который при равномерном вращении всегда будет равен моменту силы сопротивления. Скорость вращения витка во вращающемся магнитном поле всегда меньше скорости вращения поля; поэтому принято говорить, что вращение витка относительно поля является асинхронным (неодновременным).

Трёхфазные асинхронные двигатели состоят из двух основных частей: неподвижной части — статора и вращающейся части — ротора.

Вращающееся магнитное поле создается в двигателе не путём механического вращения магнитных полюсов, а при обтекании переменным трёхфазным током неподвижных обмоток статора.

Если во вращающееся магнитное поле статора поместить на оси железный цилиндр (ротор), то в его теле, пронизываемом вращающимся полем, будут возникать индукционные токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем, по закону Ленца, вызовут вращение ротора в сторону поля со скоростью, меньшей скорости вращения поля.

Чтобы увеличить вращающий момент двигателя и уменьшить потери энергии на нагревание двигателя, необходимо, чтобы токи индуктировались не во всей толще ротора, а только на его поверхности. Для этого тело ротора делается не в виде сплошного цилиндра, а из отдельных стальных пластин толщиной 0,3—0,5 мм (рис. 193, а), изолированных друг от друга лаком или очень тонкой бумагой.

В выштампованных пазах этих пластин укладываются медные или алюминиевые стержни. Эти стержни с обоих концов по торцам впаиваются в кольца (рис. 193, б), вследствие чего сам ротор называется короткозамкнутым (рис. 193, в), и так как его обмотка, взятая отдельно от тела ротора, имеет вид беличьего колеса (рис. 193, б), то этот простейший вид роторной обмотки называется «беличьим колесом».

На рисунке 194а показана схема включения трёхфазного асинхронного электродвигателя в сеть.
Следует помнить, что токи в роторе носят индукционный характер.

Асинхронный короткозамкнутый двигатель является очень простым и надёжным двигателем; он лишён коллектора или скользящих контактов; этим обусловлено его широкое распространение в промышленности и сельском хозяйстве. Изменение направления вращения двигателя достигается простым переключением двух каких-либо проводов, соединяющих обмотки статора с линией.

Асинхронный двигатель в разобранном виде показан на рисунке 1946.

Система трёхфазного тока была разработана одним из выдающихся электротехников XIX и начала XX в.— русским инженером М. О. Доливо-Добровольским (1862—1919). Эта система открыла широчайшие возможности промышленного использования электрической энергии. Отметим два важнейших преимущества трёхфазной системы перед обычной однофазной системой переменного тока: 1) экономия в проводах линии, соединяющей станцию с потребителем; 2) возможность получения вращающегося магнитного поля, применяющегося в асинхронных электродвигателях.

Двухэлектродная электронная лампа

Электронными лампами называют обширный класс приборов, действие которых основано на явлении испускания электронов накалёнными металлами.

Область применения их чрезвычайно широка и разнообразна. Достаточно сказать, что радиотехника (радиовещание, радиолокация и телевидение), автоматика и телемеханика целиком базируются на работе этих приборов. В дальнейшем мы познакомимся с некоторыми практическими применениями электронных ламп.

На рисунке 195 показаны внешний вид и схема устройства простейшей двухэлектродной электронной лампы. Анод в этой лампе представляет собой металлический цилиндр, по оси которого устанавливается нить накала — катод.

При накаливании нити током из неё вылетают электроны. Если напряжение между нитью и анодом равно нулю, то вылетевшие из нити электроны образуют вокруг неё своего рода «электронное облачко» (рис. 196). Оно удерживается около нити, которая из-за потери электронов заряжается положительно. Положительно заряженная нить не только удерживает вылетающие из неё электроны, но и втягивает их обратно. В конечном итоге между этими двумя процессами наступит подвижное равновесие, аналогичное тому, которое имеет место между насыщающим паром и жидкостью (при неизменной температуре). При таком равновесии среднее число электронов в облачке остаётся неизменным.

Если создать теперь в лампе электрическое поле, сделав нить К катодом, а пластинку А анодом, включив для этого в анодную цепь батарею на 80—100 в, то электроны из облачка устремятся к аноду: по анодной цепи лампы пойдёт ток.

Если при данном накале катода увеличивать напряжение между нитью и анодом, то всё большее и большее число электронов будет двигаться к аноду и, следовательно, всё меньшее число их будет возвращаться в нить. Ток в анодной цепи при этом будет возрастать.

При некотором напряжении между катодом и анодом все выбрасываемые нитью электроны будут увлекаться к аноду.

Если после этого ещё повышать напряжение, то ток уже не будет возрастать, так как нить при данной её температуре может выделять ежесекундно только определённое число электронов, которое и определяет наибольший ток. Такой ток называется током насыщения. График зависимости тока в анодной цепи от напряжения между анодом и нитью показан на рисунке 197. Этот график называется анодной характеристикой л а м п ы.

Важным свойством электронной лампы является её односторонняя проводимость: электроны в ней движутся от нити к аноду, что соответствует направлению тока от анода к нити. Обратное направление тока невозможно, так как для обратного направления тока нужно было бы соединить электрод А с отрицательным полюсом источника тока, а в этом случае электрическое поле будет отталкивать вылетающие из нити электроны.

Благодаря своей односторонней проводимости электронная лампа используется для выпрямления переменного тока, т. е. для преобразования переменного тока в постоянный.

Устройство выпрямителей переменного тока

Выпрямителями переменного тока называются приборы, дающие возможность превращать переменный ток в ток прерывистый, пульсирующий, постоянного направления, который с помощью специальных устройств (фильтров) может быть сделан не только постоянным по направлению, но и по величине.

Большинство выпрямителей основано на применении приборов, обладающих односторонней проводимостью. Через эти приборы свободно проходит ток одного направления и почти не проходит ток противоположного направления.

Для выпрямления переменного тока широко используется двух-электродная электронная лампа. На рисунке 198 изображена схема включения электронной лампы в цепь переменного тока. Источник переменного тока может быть включен в анодную цепь лампы непосредственно (рис. 198, а) или же через трансформатор (рис. 198, б).

Каждый раз, когда анод имеет положительный потенциал по отношению к катоду, через лампу и участок цепи с сопротивлением R проходит ток. Когда же анод имеет потенциал отрицательный, ток отсутствует. Таким образом, через проводник с сопротивлением R ток проходит только в течение каждого положительного полупериода напряжения, приложенного к выпрямителю.

Ток, протекающий через проводник с сопротивлением R, представляет собой пульсирующий ток постоянного направления. На рисунке 199 верхняя кривая изображает переменный ток, а нижняя — выпрямленный пульсирующий ток.

Для использования обоих полупериодов переменного тока применяются схемы двухполупериодного выпрямления. На рисунке 200 изображена такая схема с двумя лампами, а на рисунке 201 показана кривая пульсирующего тока, проходящего через проводник R. Когда верхний вывод А вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал, а нижний вывод В — отрицательный, работает верхняя лампа. В следующий полупериод, когда знаки потенциалов на этих обмотках

изменяются, работает нижняя лампа. Через проводник с сопротивлением R ток в течение любого полупериода проходит в одном и том же направлении. Таким образом, используются оба полупериода подводимого к лампе переменного напряжения.

Двухэлектродная лампа, служащая для выпрямления переменного тока, называется кенотроном.

Кенотрон обладает идеальной односторонней проводимостью, однако сопротивление его очень велико, поэтому кенотронные выпрямители применяются главным образом для питания радиоустановок, не требующих значительных по величине токов.
Широкое применение в практике получили полупроводниковые выпрямители. Выпрямляющее действие полупроводникового выпрямителя основано на том, что сопротивление его различно в зависимости от направления (полярности) приложенного напряжения.

На рисунке 202 показана схема устройства и включения в цепь полупроводникового выпрямителя. Выпрямитель такого типа состоит из металла М и полупроводника Р, разделённых весьма тонким слоем Z особого вещества (толщиной порядка ). Этот слой называется запирающим слоем. Металлическая пластина К служит для образования контакта с полупроводником.

Процессы, происходящие в запирающем слое при прохождении через него переменного тока, рассмотрены в приложении. Его особенностью является односторонняя проводимость. При положительном потенциале на полупроводнике Р электрический ток проходит через выпрямитель, при отрицательном же потенциале ток не проходит.

В практике применяются меднозакисные (купроксные) выпрямители с запирающим слоем, образующимся при создании закиси меди на медной пластинке, между закисью меди и медью. В последнее время стали широко применяться селеновые выпрямители с запирающим слоем, образующимся при специальной обработке между селеном и нанесённым на него металлом.

Мы рассмотрели типы выпрямителей, которые часто можно встретить в физических кабинетах школ. Мощность их сравнительно невелика. В технике применяются выпрямители, позволяющие выпрямлять переменные токи высоких напряжений и больших мощностей.

Генератор постоянного тока

Постоянный ток может быть получен также от специального генератора постоянного тока.

Мы видели (§ 96), что э. д. с. в витке, вращающемся в магнитном поле, дважды меняет своё, направление за один оборот витка. Для получения во внешней цепи постоянного по направлению тока применяют особое механическое переключающее устройство — коллектор.

В простейшем случае коллектор представляет собой два изолированных друг от друга полукольца, к которым прикрепляются концы витка. Полукольца укрепляются на оси и вращаются вместе с витком, касаясь при этом неподвижных щёток (рис. 203).

В те моменты, когда ток в витке меняет направление, полукольца меняют щётки. Поэтому во внешней цепи ток будет иметь всё время одно и то же направление, но он будет меняться по величине. График изменения тока во внешней цепи, соединённой с генератором, изображён на рисунке 204. Пунктирной синусоидой изображён ток в витке; сплошной линией изображён ток во внешней цепи.

Применяя вместо одного большее число витков, можно получить постоянный ток, график которого будет представлять собой почти прямую, параллельную оси времени. Коллектор в этом случае будет состоять из многих изолированных друг от друга пластин.

Обмотка якоря современного генератора постоянного тока представляет собой очень сложную замкнутую систему, состоящую из большого числа секций с отпайками к коллекторным пластинам от каждой секции.

Тело якоря имеет вид цилиндра, укреплённого на оси и собранного из отдельных стальных пластин толщиной 0,3—0,5 мм, изолированных друг от друга тонкой бумагой или лаком. В вы-штампованных пазах укладывается обмотка якоря. Якорь без обмотки представлен на рисунке 205, а якорь в собранном виде изображен на рисунке 206.

Станина генератора постоянного тока изготовляется из литой стали или чугуна. На внутренней её части укрепляются полюсные сердечники, сделанные из листовой стали (рис.207). На полюсные сердечники надеваются обмотки возбуждения, создающие магнитный поток в машине, который проходит по станине и телу якоря. Вся эта система образует индуктор. Ток в обмотки возбуждения поступает из якоря машины. При вращении якоря проводники, уложенные в его пазах, пересекают силовые линии магнитного поля, создаваемого обмотками возбуждения, и в них возникает э. д. с. а при наличии внешней замкнутой цепи — индукционный ток.

По закону Ленца, индукционный ток противодействует причине, его вызывающей. Такой причиной является движение якоря; следовательно, индукционный ток в якоре противодействует вращению якоря. На преодоление этого противодействия и расходуется механическая энергия теплового или гидравлического двигателя.

Если обмотку возбуждения и якорь генератора постоянного тока приключить к постороннему источнику постоянного напряжения, то якорь придёт во вращение. Генератор превратится в электродвигатель. Это свойство генератора постоянного тока называется обратимостью.

Двигатели постоянного тока находят широкое применение на транспорте. Электрифицированные железные дороги, метро, трамвай, троллейбусы работают на двигателях постоянного тока.

Передача электрической энергии

Преимущество электрической энергии перед другими видами энергии заключается главным образом в том, что передачу её можно осуществлять с относительно малыми потерями на большие расстояния. Шатурская станция, например, передаёт электрическую энергию в Москву по линии длиной 130 км; линия передачи Свирской электростанции, посылающей энергию в Ленинград, имеет протяжение около 250 км; для использования в Москве энергии Волжских гидроэлектростанций имени В. И. Ленина и имени XXII съезда КПСС приходится передавать электрический ток на значительно большие расстояния.

При передаче электроэнергии на расстояние неизбежны потери энергии в линии передачи, так как ток, проходя по проводам линии, нагревает их. Энергия тока, идущая на нагревание проводов линии передачи, является потерянной энергией.

Чтобы передача электрической энергии была экономически выгодной, необходимо потери на нагревание проводов сделать возможно малыми. Как это осуществить?

Закон Джоуля — Ленца указывает два различных пути решения этой задачи. Один путь — уменьшить сопротивление проводов линии передачи, что можно сделать/взяв провода с большим сечением. Выясним на примере, осуществимо ли это практически.

Пусть на электростанции установлен генератор постоянного тока мощностью 200 квт. создающий напряжение 120 в. Требуется передать вырабатываемую генератором энергию на расстояние 10 км от станции. Какого сечения нужно взять провода, чтобы потери в линии передачи не превышали 10% от передаваемой мощности?

Ток, протекающий в линии передачи, определится из равенства:

Потеря мощности в линии По потере мощности находим сопротивление линии:

По формуле найдём площадь сечения проводов:

Один метр такого провода весит 435 кГ, а вес провода для всем линии составил бы 8700 Т. Практически это значит, что такой способ передачи энергии невозможен.

Другой путь, везущий к уменьшению потерь энергии в линии передачи, заключается в уменьшении тока в линии передачи.

Но при данной мощности уменьшение тока возможно лишь при увеличении напряжения.

Пусть теперь та же мощность в 200 квт передастся при напряжении 12000 в.

Ток в линии передачи определится из равенства:

Так как величина тока уменьшилась в 100 раз, то при тех же потерях мощности в линии передачи, рассчитываемой по формуле сопротивление линии передачи увеличится в раз.

Сечение же проводов линии в раз уменьшится и станет равным:

В раз уменьшится и вес меди, идущей на изготовление провода. Передача энергии станет практически возможной.

Таким образом, при передаче электроэнергии на большие расстояния необходимо пользоваться высоким напряжением.

На практике при передаче энергии на большие расстояния пользуются напряжениями в 3300, 6600, 110 000, 160 000, 220 000 в.

Чем длиннее линия передачи, тем более высокое напряжение используется в ней.

Днепровская гидроэлектростанция передаёт ток под напряжением 160 000 в, Свирская станция —220 000 в. Передача электроэнергии новых мощных гидроэлектростанций проектируется под ещё большим напряжением — 400 000 в и выше.

Генераторы переменного тока обычно строят на 2200, 6600, 11 000, 13 200 в. Постройка генераторов на более высокие напряжения затруднительна; в этих случаях потребовалось бы особо высокое качество изоляции всех частей генератора, находящихся под током, выполнение этого связано с большими техническими трудностями и экономически невыгодно.

Поэтому при передаче энергии на большие расстояния приходится повышать напряжение тока, получаемого от генераторов, что осуществляется при помощи трансформаторов.

Трансформатор

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Сердечник технического трансформатора состоит из отдельных стальных пластин, собранных в замкнутую раму той или иной формы (рис. 208). На сердечнике помещены две обмотки с числом витков Обмотки обладают незначительным сопротивлением и большой индуктивностью.

Приложим к концам обмотки которую будем называть первичной, переменное напряжение (от сети или генератора). По обмотке пойдёт переменный ток I, который намагнитит сталь сердечника, создав в нём переменный магнитный поток.

Намагничивающее действие тока пропорционально числу ампер-витков

По мере нарастания тока будет расти и магнитный поток в сердечнике, изменение которого возбудит в витках катушки э. д. с. самоиндукции. Как только э. д. с. самоиндукции достигнет величины приложенного напряжения, рост тока в первичной цепи прекратится. Таким образом, в цепи первичной обмотки трансформатора будут действовать приложенное напряжение и э. д. с. самоиндукции При этом напряжение больше на величину падения напряжения в обмотке, которое очень мало. Следовательно, приближённо можно написать:

Переменный магнитный поток, возникающий в сердечнике трансформатора, пронизывает и витки вторичной обмотки трансформатора, возбуждая в каждом витке этой обмотки такую же по величине э. д. е., как и в каждом витке первичной обмотки.

Так как число витков в первичной обмотке , а во вторичной обмотке , то индуктированные в них э. д. с. будут соответственно равны:

где e — э. д. е., возникающая в одном витке.

Напряжение же на концах разомкнутой вторичной обмотки равно э. д. с. в ней, т. е.

Из равенств (1), (2) и (3) следует, что величина напряжения на концах первичной обмотки трансформатора так относится к величине напряжения на концах вторичной обмотки, как число витков первичной обмотки относится к числу витков вторичной обмотки:

Постоянная величина k называется коэффициентом’ трансформации трансформатора.

В том случае, когда нужно повысить напряжение, вторичная обмотка устраивается с большим числом витков (повышающий трансформатор); в случае же, когда надо понизить напряжение, вторичная обмотка трансформатора берётся с меньшим числом витков (понижающий трансформатор).

Пока вторичная обмотка разомкнута (тока в ней нет), трансформатор работает вхолостую. При холостом ходе он потребляет небольшую энергию, так как ток, намагничивающий стальной сердечник вследствие большой индуктивности катушки, очень мал. Передача энергии из первичной цепи во вторичную при холостом ходе отсутствует.

Нагрузим наш трансформатор, замкнув через реостат цепь вторичной обмотки его (рис. 208). По ней теперь пойдёт индукционный ток, обозначим его буквой . Этот ток, согласно закону Ленца, вызовет уменьшение магнитного потока в сердечнике. Но ослабление магнитного потока в сердечнике приведёт к уменьшению э. д. с. самоиндукции в первичной обмотке и к нарушению равновесия между напряжением , даваемым генератором на первичную обмотку, и э. д. с. самоиндукции . В результате этого в первичной обмотке ток увеличится на какую-то величину и станет равным . Вследствие увеличения тока магнитный поток в сердечнике трансформатора возрастёт до прежней величины и нарушенное равновесие между снова восстановится. Таким образом, появление вторичного тока вызывает увеличение тока в первичной обмотке на величину , которая определит нагрузочный ток первичной обмотки трансформатора. Так как намагничивающее действие тока пропорционально числу ампер-витков , то соотношение между нагрузочными токами определится из равенства:

т.е. нагрузочные токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков в них.

При нагрузке трансформатора происходит непрерывная передача энергии из первичной цепи во вторичную. Согласно закону сохранения и превращения энергии, мощность тока во вторичной цепи равна мощности в первичной цепи; следовательно, должно было бы иметь место равенство:

В действительности это равенство не соблюдается, так как при работе трансформатора имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на вихревые токи в сердечнике и на перемагничивание сердечника; однако потери эти невелики.

Трансформатор принадлежит к числу наиболее совершенных преобразователей энергии. Коэффициент полезного действия современных мощных трансформаторов достигает значений 94—99%. На рисунке 210 изображён трансформатор на небольшую мощность. На рисунке 211 показана трансформаторная подстанция Днепровской гидроэлектростанции.

В линиях трёхфазного тока используются или обычные однофазные трансформаторы, включаемые в каждую из трёх фаз линии, или же специальные трёхфазные трансформаторы, имеющие три пары обмоток.

Идея трансформатора впервые родилась в России и принадлежит изобретателю «русского света» П. Н. Яблочкову. Разрабатывая эту идею дальше, ассистент Московского университета И. Ф. Усагин сконструировал первый трансформатор, который он демонстрировал в 1882 г. на промышленной выставке в Москве.

Электрификация

Громадное значение электрификации СССР придавал создатель Советского государства В. И. Ленин. В речи на III съезде комсомола он говорил:

«Мы знаем, что коммунистического общества нельзя построить, если не возродить промышленности и земледелия, причем надо возродить их не по-старому. Надо возродить их на современной, по последнему слову науки построенной, основе. Вы знаете, что этой основой является электричество, что только, когда произойдёт электрификация всей страны, всех отраслей промышленности и земледелия, когда вы эту задачу освоите, только тогда вы для себя сможете построить то коммунистическое общество, которое не сможет построить старое поколение».

В феврале 1920 г. по инициативе Ленина была создана Государственная комиссия по электрификации России (сокращённо: ГОЭЛРО).

По плану ГОЭЛРО намечалось за 10—15 лет построить 30 районных электростанций общей мощностью в 1,75 млн. киловатт. При жизни Ленина были построены две первые мощные электростанции: Шатурская тепловая электростанция (в 130 км от Москвы) мощностью свыше 100 000 квт и Волховская гидроэлектростанция мощностью 80 000 квт.

Но уже в 1932 г. мощность районных электростанций составляла 2,9 млн. квт.

За годы второй пятилетки мощность электростанций выросла до 8,1 млн. квт.

В 1946 г. СССР располагал электростанциями общей мощностью 10,7 млн. квт. За пятилетие с 1946 по 1950 г. по государственному плану восстановления и развития народного хозяйства СССР мощность действующих в СССР электростанций должна была увеличиться на 11,7 млн. квт. План этот перевыполнен.

Ещё более грандиозным будет рост электроэнергетической базы СССР в результате осуществления строительства гидроэлектростанций на Волге, Каме, Днепре, Ангаре, Иртыше и других больших реках нашей Родины, а также многих тепловых электростанций.

Сооружение крупнейших в мире Волжской имени В. И. Ленина (мощностью 2 млн. 300 тыс. квт), Волжской имени XXII съезда КПСС (мощностью 2 млн. 530 тыс. квт) и Братской (на 3 500 000 квт) гидроэлектростанций играет огромную роль в деле снабжения промышленных предприятий и сельского хозяйства электроэнергией, позволяет в ещё большей степени электрифицировать железные дороги.

Создание судоходного Волго-Донского канала имени В. И. Ленина позволило объединить все моря Европейской части Союза в единую водную систему. Сооружение гидростанции при плотине Цимлянского гидроузла мощностью 160 тыс. квт обеспечило дешёвую электроэнергию для промышленности и земледелия орошаемых полупустынных и засушливых земель Ростовской и Волгоградской областей. Энергию наших рек мы заставляем служить развитию промышленности и сельского хозяйства, увеличению их продуктивности, облегчению труда советских людей, улучшению материального благосостояния народа, строящего коммунизм.

Большую роль в деле электрификации имеет также строительство теплоэлектроцентралей и ветроэлектростанций.

В некоторых районах нашей страны нет крупных рек для строительства гидроэлектростанций, но имеются большие запасы горючих ископаемых: торфа, горючих сланцев, каменного угля. В этих районах строятся теплоэлектроцентрали; в них энергия, полученная при сжигании топлива, превращается в электрическую энергию, которая затем передаётся по проводам к потребителям.

Кроме того, важным источником электрической энергии служит ветер — «голубой уголь». В ветроэлекгростанциях энергия движущегося воздуха превращается в электрическую энергию. Эти станции особенно выгодно строить в тех районах, где постоянно дуют ветры.

В связи со строительством гигантских электростанций наши учёные разрабатывают проблемы передачи электроэнергии на сверхдальние расстояния с наименьшими потерями. Самой важной из этих проблем является изыскание возможностей максимального повышения напряжения в линиях передачи. В настоящее время построены линии электропередач от крупнейших гидроэлектростанций— Волжских имени В. И. Ленина и имени XXII съезда КПСС — на напряжение в 400 000 в.

Для передачи энергии от мощных сибирских электростанций будут использовать ещё более высокие напряжения (800 кв).

В настоящее время в Советском Союзе ведутся экспериментальные работы по передаче электрической энергии постоянным током. Удачное решение этой проблемы позволит ещё выше поднять к. п. д. линий передачи. Объясняется это тем, что одна и та же линия передачи оказывает меньшее сопротивление постоянному току, чем переменному, при одной и той же величине тока. Но генераторы постоянного тока не могут быть построены на необходимые для линий передач высокие напряжения. Поэтому напряжение от генераторов переменного тока необходимо сначала повысить до требуемого значения с помощью трансформаторов, а затем преобразовать в специальных высоковольтных выпрямителях в постоянное напряжение, которое и передавать в линию электропередачи. В пункте потребления постоянное напряжение надо преобразовать в переменное (в инвертерах), затем понизить до нужного значения с помощью трансформаторов.

Мощность в цепи переменного тока

В цепи постоянного тока мощность на каком-нибудь участке характеризует величину энергии электрического тока, которая превращается на этом участке в другие виды энергии за время, равное одной секунде. Величина этой мощности измеряется произведением напряжения на ток:

То же самое можно сказать и о мощности на каком-нибудь участке цепи переменного тока, если эта цепь не обладает ни индуктивностью, ни ёмкостью. Мощность на участке цепи переменного тока, обладающей активным сопротивлением, называется активной мощностью. Активная мощность характеризует величину энергии переменного тока, которая необратимо превращается за 1 секунду в другие виды энергии (во внутреннюю, механическую и др.). Единицей активной мощности является ватт (вт) или киловатт (квт).

Обратимся к опыту. В цепь переменного тока включим проводник с активным сопротивлением. Напряжение при этом будем измерять вольтметром, ток — амперметром, а мощность — ваттметром (рис. 28,а).

Сравнивая показания ваттметра Р с произведением , убеждаемся, что . Следовательно, активную мощность можно измерять непосредственно ваттметром или вычислять по показаниям вольтметра и амперметра.

Значительно сложнее решается вопрос о мощности в цепи переменного тока, если, кроме активного сопротивления, эта цепь обладает ещё индуктивным или ёмкостным сопротивлением.

Включим в цепь переменного тока последовательно с активным сопротивлением катушку индуктивности (рис. 28,б). Показания ваттметра, соответствующие активной мощности в цепи, в этом случае оказываются меньше, чем произведение.

Можно записать, что , где —некоторый коэффициент, получивший название коэффициента мощности. Как показывают теоретические расчёты, коэффициент мощности равен —сдвиг фаз между током и напряжением в цепи переменного тока. Введём значение k в формулу мощности (1), получим:

Величина UI=S получила название полной мощности. Полная мощность в цепи переменного тока измеряется вольтамперами (сокращённо ва) или киловольтамперами (ква). Итак, активная мощность в цепи переменного тока равна полной мощности, умноженной на

В общем случае (при наличии как активного, так и реактивного сопротивлений) в цепи переменного тока активная мощность меньше полной мощности, поэтому коэффициент мощности . При активной нагрузке ; при чисто индуктивной или ёмкостной нагрузке цепи

Чем выше коэффициент мощности, тем лучше используется генератор и сеть. Поэтому необходимо стремиться увеличить коэффициент мощности цепей, питаемых переменным током.

Необходимость увеличения потребителя энергии видно на следующем примере.

Допустим, что на электростанции установлен генератор переменного тока мощностью 240 ква. Напряжение на зажимах генератора 1200 в. Ток, который может установиться в сети, будет равен:

Если к генератору подключить нагрузку, имеющую только активное сопротивление (например, электрические лампы накаливания и электронагревательные приборы), то и активная мощность В этом случае энергия генератора используется полностью.

Если же подключить к этому генератору нагрузку, имеющую (включить потребители с активным и индуктивным сопротивлением), то активная мощность в сети будет: Следовательно, хотя по обмоткам генератора и подводящим к потребителю проводам будет проходить прежний ток, но активная мощность уменьшится. Низкий коэффициент мощности приводит к уменьшению к. п. д. генераторов.

Увеличение в цепях, потребляющих переменный ток, представляет собой важную и довольно сложную задачу энергетики.

Вращение рамки в однородном магнитном поле. Период и частота переменного тока

В сети переменного тока э. д, с. и напряжение должны изменяться по гармоническому закону, т. е. должны быть синусоидальными (§ 24.6). Отклонение от синусоидальной формы напряжения в сети переменного тока приводит к дополнительным потерям энергии.

Рассмотрим получение синусоидального переменного тока при равномерном вращении рамки в однородном магнитном поле. Пусть рамка ABCD, концы которой присоединены к металлическим кольцам, находится в однородном магнитном поле с индукцией В (рис. 26.1, а). К кольцам прижаты щетки a и b, соединенные с потребителем электрической энергии л. Если рамку привести во вращение вокруг оси ОO₁ по часовой стрелке с постоянной угловой скоростью то в отрезках провода АВ и CD возникнут э. д. с. индукции e₁ и е₂, равные по величине и противоположные по направлению.

Движение проводов АВ и CD будет происходить по окружности диаметром d=AD и с линейной скоростью Если отсчет времени и углов вести от положения 1 рамки на рис. 26.1, б, то угол поворота рамки выразится формулой

или (26.1)

где Т — время одного полного оборота рамки. Поскольку угол равен углу между векторами В и для э. д. с. индукции в отрезке АВ или CD имеем формулу (§ 23.3)

где l — длина проводника АВ или CD. Заметим, что такие проводники называют активными, так как при вращении контура только в них наводится э. д. с. Общая э. д. с. в рамке при этом

или

Таким образом, при равномерном вращении рамки в однородном магнитном поле в ней наводится э. д. с., определяемая формулой

или (26.2)

Поскольку и В постоянны, их произведение можно обозначить одной буквой т. е. Тогда

или (26.3)

Вспомним, что максимальное значение синуса равно единице. Следовательно, в формуле (26.3) обозначает максимальную э. д. с., возникающую в рамке при ее вращении; называют еще амплитудой э. д. с. График синусоидально изменяющейся э. д. с. изображен на рис. 26.2. Заметим, что мгновенные значения величин для переменного тока принято обозначать строчными буквами, а максимальные, амплитудные значения — заглавными буквами. Например, для мгновенного значения силы тока применяют обозначение i, а для амплитудного — I_м. Напряжения соответственно обозначают u и U_м.

В рассматриваемом примере круговая (циклическая) частота переменного тока со в формулах (26.2) и (26.3) совпадает с угловой скоростью вращения рамки в магнитном поле, а период изменения переменного тока Т совпадает с периодом вращения рамки. Скорость повторяемости изменений переменного тока характеризуется частотой

Поэтому формулу (26.3) можно записать так:

Рис. 26.2.

Если число оборотов рамки в минуту обозначить через n, то

(26.4)

Стандартная техническая частота переменного тока составляет 50 Гц. Это означает, что э. д. с. и ток меняют свое направление в цепи 100 раз в секунду. Такой ток относят к токам низкой частоты. Для специальных целей применяются токи, частота которых достигает миллионов герц. Их называют токами высокой частоты.

Понятие об устройстве индукционных генераторов

Электрические машины, в которых механическая энергия превращается в электрическую с помощью явления электромагнитной индукции, называют индукционными генераторами.

Основные элементы индукционного генератора переменного тока показаны на рис. 26.1, а: 1 — индуктор, создающий магнитное поле; 2 — якорь (проводник, в котором наводится э. д . с.); 3 — металлические кольца и 4 — щетки, соединяющие неподвижные проводники с вращающимися проводниками.

Для получения э. д. с. индукции важно относительное перемещение проводника и магнитного поля, поэтому на практике индуктор делают вращающимся и называют его ротором, а якорь делают неподвижным и называют его статором. Это целесообразно, так как ротором является электромагнит, для питания которого нужен сравнительно слабый постоянный ток. При такой конструкции ток в ротор передается с. помощью скользящего контакта, который хорошо работает при слабом токе, а потребитель соединяется с генератором неподвижными проводами.

Ротор и статор делают из стали и между ними оставляют очень маленький зазор, поэтому вектор индукции В в зазоре везде перпендикулярен к поверхности статора. Следовательно, вектор В все время перпендикулярен к вектору линейной скорости точек поверхности ротора, т. е. к вектору скорости относительного движения магнитного поля и проводников якоря.

Это означает, что в выражении для э. д. с. угол все время равен и Поэтому, чтобы в проводниках наводилась синусоидально изменяющаяся э. д. с., магнитным полюсам ротора придают специальную форму, обеспечивающую синусоидальное изменение величины вектора В вдоль окружности ротора (рис. 26.3).

Когда у ротора имеется одна пара магнитных полюсов, то частота вращения ротора совпадает с частотой переменного тока. При двух парах полюсов частота изменения магнитного поля в зазоре вдвое больше частоты вращения ротора, поэтому для получения стандартной частоты переменного тока такой ротор должен делать не 50, а 25 об/с. Одну пару полюсов делают у турбогенераторов; роторы которых приводятся во вращение паровой турбиной, а тихоходные многополюсные генераторы устанавливаются на гидростанциях.

Схема устройства индукционного генератора постоянного тока показана на рис. 26.4. Она отличается от схемы генератора переменного тока (рис. 26.1, а) только тем, что здесь вместо колец используется коллектор (3 на рис. 26.4), представляющий собой кольцо, разрезанное на секторы, изолированные друг от друга. Коллектор создает у потребителя ток, постоянный по направлению. Это обеспечивается тем, что левая щетка (см. рис. 26.4) всегда соединена с поднимающейся стороной витка, а правая — с опускающейся стороной. Ясно, что у генераторов постоянного тока якорь делать неподвижным нельзя. График изменения э. д. с. такого генератора показан на рис. 26.5.

Для сравнения на рисунке пунктиром показано изменение э. д. с. в случае сплошных колец.

На практике обмотку якоря разбивают на ряд секций, соединенных с отдельными секторами коллектора. Это ослабляет пульсации напряжения на полюсах машины, т. е. делает его постоянным по величине.

При работе генератора на проводники якоря действует сила Ампера (§ 22.9), препятствующая вращению якоря, которая тем больше, чем сильнее ток, протекающий через обмотку якоря. Следовательно, при увеличении тока, потребляемого от генератора, для вращения его якоря приходится затрачивать все больше энергии. Это относится и к генератору переменного тока.

Отметим еще, что электрические машины постоянного тока обладают обратимостью, т. е. могут работать и как генератор и как электродвигатель.

Действующие значения ЭДС, напряжения и силы переменного тока

При синусоидальном переменном токе средние значения напряжения и тока за период равны нулю и не могут служить его характеристиками. Однако среднее значение квадрата силы тока за период отлично от нуля. Следовательно, при включении в цепь переменного тока измерительного прибора, отклонение стрелки которого пропорционально квадрату силы тока, стрелка отклонится и установится на определенном делении шкалы. Каков смысл этого показания?

Вспомним, что количество выделенного в проводнике тепла изменяется пропорционально квадрату силы тока. Представим себе, что в цепь переменного тока включен тепловой амперметр, действие которого основано на выделении тепла электрическим током. Поскольку шкала такого амперметра градуируется на амперы для постоянного тока, можно заключить, что переменный ток по своему тепловому эффекту эквивалентен постоянному току, силу которого указывает на шкале прибора стрелка. Это позволяет ввести понятие эффективного значения силы переменного тока. Эффективным (или действующим) значением силы переменного тока называют силу такого постоянного тока I, который за один период переменного тока выделяет столько же тепла, сколько последний за то же время.

Все амперметры, предназначенные для переменного тока, показывают эффективное значение силы тока. В курсе электротехники доказывается, что оно в раз меньше амплитудного значения силы тока I_м, т. е.

(26.5)

Так как деления на шкале вольтметра соответствуют произведению где при переменном токе — эффективное значение тока, протекающего через вольтметр, а — сопротивление вольтметра, то называют эффективным напряжением переменного тока, которое в раз меньше т. е.

(26.6)

Аналогично эффективное значение э. д. с. переменного тока в раз меньше его амплитудного значения

(26.7)

Все вольтметры, предназначенные для переменного тока, показывают эффективные значения э. д. с. и напряжения.

Индуктивность и емкость в цепи переменного тока

Изменения силы тока, напряжения и э. д. с. в цепи переменного тока происходят с одинаковой частотой, но фазы этих изменений, вообще говоря, различны. Поэтому если начальную фазу силы тока условно принять за нуль, то начальные фазы напряжения и э. д. с. соответственно будут иметь некоторые значения и При таком условии мгновенные значения силы тока, напряжения и э. д. с. будут выражаться следующими формулами:

(26.8)

(26.9)

(26.10)

Сопротивление цепи, которое обусловливает безвозвратные потери электрической энергии на тепловое действие тока, называют активным. Это сопротивление для тока низкой частоты можно считать равным сопротивлению R этого же проводника постоянному току и находить по формуле (16.18):

В цепи переменного тока, имеющей только активное сопротивление, например в лампах накаливания, нагревательных приборах и т. п., сдвиг фаз между напряжением и током равен нулю, т. е. Это означает, что ток и напряжение в такой цепи изменяются в одинаковых фазах, а электрическая энергия полностью расходуется на тепловое действие тока.

Включение в цепь переменного тока катушки с индуктивностью L проявляется как увеличение сопротивления цепи. Объясняется это тем, что при переменном токе в катушке все время действует э. д. с. самоиндукции, ослабляющая ток. Сопротивление X_L, которое обусловливается явлением самоиндукции, называют индуктивным сопротивлением. Так как э. д. с. самоиндукции тем больше, чем больше индуктивность цени и чем быстрее изменяется ток, то индуктивное сопротивление прямо пропорционально индуктивности цепи L и круговой частоте переменного тока

(26.11)

Влияние индуктивного сопротивления на силу тока в цепи наглядно иллюстрируется опытом, изображенным на рис. 26.6. При опускании ферромагнитного сердечника в катушку лампа гаснет, а при его удалении вновь загорается. Это объясняется тем, что индуктивность катушки сильно возрастает при введении в нее сердечника. Следует отметить, что напряжение на индуктивном сопротивлении опережает по фазе ток.

Постоянный ток не проходит через конденсатор, так как между его обкладками находится диэлектрик. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то после зарядки конденсатора ток в цепи прекратится.

Пусть конденсатор включен в цепь переменного тока. Заряд конденсатора (q=CU) вследствие изменения напряжения непрерывно изменяется, поэтому в цепи течет переменный ток. Сила тока будет тем больше, чем больше емкость конденсатора и чем чаще происходит его перезарядка, т. е. чем больше частота переменного тока.

Сопротивление, обусловленное наличием электроемкости в цепи переменного тока, называют емкостным сопротивлением Х_с. Оно обратно пропорционально емкости С и круговой частоте

(26.12)

Из сравнения формул (26.11) и (26.12) видно, что катушки индуктивности представляют собой очень большое сопротивление для тока высокой частоты и небольшое для тока низкой частоты, а конденсаторы — наоборот. Напряжение на емкостном сопротивлении Х_с отстает по фазе от тока.

Индуктивное Х_L и емкостное Х_с сопротивления называют реактивными. В теории переменного тока доказывается, что при последовательном включении индуктивного и емкостного сопротивлений общее реактивное сопротивление равно их разности:

(26.13)

и имеет индуктивный характер при и емкостный характер при

В заключение заметим, что средняя активная мощность переменного тока, показывающая, сколько энергии за единицу времени передается электрическим током данному участку цепи, определяется формулой

(26.14)

Мощность, затрачиваемая только на тепловое действие тока, выражается формулой

(26.15)

Из (26. 14) видно, что для увеличения активной мощности переменного тока нужно повышать (Объясните, почему наибольшее значение имеет при

Преобразование переменного тока. Трансформатор

Одно из важных преимуществ переменного тока перед постоянным заключается в том, что напряжение переменного тока относительно легко поддается изменению с помощью электромагнитной индукции, а способы преобразования постоянного тока сложны.

Прибор для преобразования напряжения и силы переменного тока при неизменной частоте называют трансформатором (рис. 26.7, а). Он был изобретен П. Н. Яблочковым в 1876 г. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника, сделанного из мягкой стали или феррита, на котором имеются две изолированные друг от друга катушки (их называют обмотками) с разным числом витков. Первичная обмотка включается в сеть переменного тока, а вторичная — соединяется с потребителем. Ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток (рис. 26.7, б), который наводит одинаковую э. д. с. индукции в каждом витке обеих обмоток. Если первичная обмотка имеет w₁, витков, а вторичная w₂, то э. д. с. индукции в обмотках прямо пропорциональны числу витков в них:

(26.16)

При разомкнутой цепи вторичной обмотки (холостой ход трансформатора) напряжение U₂ на ее зажимах равно э. д. с. В первичной обмотке при этом течет слабый ток I₀, который называют током холостого хода. Так как падение напряжения U₁ на сопротивлении обмотки очень мало, то напряжение Ut немного больше э. д. с. но практически

Таким образом, при холостом ходе трансформатора напряжения на обмотках прямо пропорциональны числу витков обмоток:

(26.17)

Если число витков во вторичной обмотке w₂ больше, чем в первичной w₁, то трансформатор называют повышающим, а если w₂ меньше, чем — понижающим. Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называют коэффициентом трансформации n:

(26.18)

Итак, у понижающего трансформатора n больше единицы, а у повышающего — меньше единицы.

Когда цепь вторичной обмотки замыкается (к трансформатору подключается нагрузка), ток вторичной обмотки I₂ создает в сердечнике магнитный поток, направленный навстречу потоку первичной обмотки. Ослабление потока в сердечнике уменьшает э. д. с. в первичной обмотке. Поэтому ток в ней возрастает до такого значения I₁, при котором ее магнитный поток скомпенсирует встречный поток вторичной катушки и результирующий поток в сердечнике останется прежним.

Поскольку магнитный поток катушки пропорционален числу ее витков и току, то можно приближенно считать, что (на самом деле немного больше ). Отсюда

(26.19)

т. е. сила тока в обмотках обратно пропорциональна числу витков.

Падения напряжения на сопротивлениях обмоток невелики, поэтому можно считать и т. е. выражение (26.17) приближенно справедливо и для трансформатора под нагрузкой.

Из (26.17) и (26.19) следует, что Это означает, что мощности тока в первичной цепи Р₁ и во вторичной цепи Р₂ приближенно равны *). (На рис. 26.7 б справа — условное изображение трансформатора.)

*) Углы сдвига фаз в обеих обмотках мало отличаются друг от друга.

Индукционная катушка

Для получения в лаборатории переменного тока высокого напряжения за счет энергии постоянного тока применяют индукционную катушку Румкорфа, которая представляет собой трансформатор оригинальной конструкции (рис. 26.8).

При замыкании ключа К ток от батареи Б проходит через стойку, винт В, стальной молоточек М, первичную катушку А с сердечником из ферромагнетика и возвращается к батарее Б. Так как сердечник при этом намагничивается, то молоточек М притягивается к нему, и цепь размыкается. Тогда сердечник размагничивается, молоточек выпрямляется и снова замыкает цепь через винт В. Затем весь описанный процесс повторяется снова.

Таким образом, вокруг первичной катушки создается переменное магнитное поле, которое наводит э. д. с. индукции во вторичной катушке, имеющей большое число витков. Ее концы показаны наверху.

При размыкании цепи между молоточком М и винтом В возникает искра, которая замедляет изменение поля, т. е. снижает напряжение между концами вторичной катушки. Для ослабления искры параллельно искровому промежутку присоединяют конденсатор С. Индукционная катушка позволяет получить между концами вторичной катушки напряжение порядка 10 000 В.

Трехфазный ток

В настоящее время очень широкое применение получила трехфазная система переменного тока, изобретенная в конце прошлого века русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским. Выясним, как получается трехфазный ток.

Генератор трехфазного тока отличается от индукционного генератора, рассмотренного в §§ 26.1 и 26.2, тем что на его статоре вместо одной обмотки якоря размещены три одинаковые обмотки (рис. 26.9), смещенные относительно друг друга на 1/3 окружности (120°). Начала обмоток обозначены буквами А, В и С, а концы — соответственно X, Y и Z.

Ротор (индуктор) представляет собой постоянный электромагнит со скользящими контактами, создающий в воздушном зазоре генератора магнитное поле с синусоидальным распределением индукции по окружности (рис. 26.3). При вращении ротора в каждой из трех обмоток индуцируется синусоидальная э. д. с. Период изменения этих э. д. с. равен периоду вращения ротора, а круговая частота совпадает с круговой скоростью вращения.

Поскольку обмотки смещены на 1/3 окружности, то э. д. с. в каждой из них запаздывает по отношению к предыдущей по ходу вращения ротора на 1/3 периода. Так, если в момент времени, изображенный на рис. 26.9, э. д. с. е_А в обмотке А—X имеет максимальное значение, то, когда ротор повернется на 1/3 оборота (т. е. через 1/3 периода), он займет такое же положение относительно следующей обмотки В—Y, и ее э. д. с. е_В будет иметь максимальное значение; еще через 1/3 периода будет максимальна э. д. с. е_В в третьей обмотке С—Z, затем снова в первой (е_А) и т. д. Таким образом, получается, что э. д. с. е_В отстает по фазе от е_А, а е_C в свою очередь отстает от е_В на 1/3 периода, т. е. на угол или 120° (рис. 26.10, а). Этот сдвиг фаз э. д. с. е_А, е_В и е_C удобно выразить (подобно тому как это делалось для механических колебаний в § 24.7) с помощью векторов и равных по величине амплитудному значению э. д. с. и составляющих друг с другом углы 120° (рис. 26.10, б). При вращении этих векторов с круговой скоростью против часовой стрелки их проекции на вертикальную ось дадут мгновенные значения соответствующих э. д. с. е_А, е_В и е_C.

Система, состоящая из трех электрических цепей, в которых действуют переменные э. д. с. одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1/3 периода (т. е. на или 120°, называется трехфазной системой. Каждая из этих трех цепей называется фазой, а система переменных токов в таких цепях называется трехфазным током. Трехфазный ток обладает важными преимуществами перед обычным переменным током, поэтому почти на всех электростанциях установлены генераторы трехфазного тока.

Каждую из трех фаз генератора в принципе можно было бы соединить отдельными проводами с потребителями и использовать в виде отдельных источников переменного тока. Однако это нецелесообразно, и фазы всегда соединяют между собой.

На рис. 26.11 показан один из способов соединения генератора с потребителями. Концы фаз генератора X, У и Z соединены в одни узел О, который называют нейтральной точкой или нейтралью. Такой способ соединения фаз называют соединением звездой. На рис. 26.11 аналогично включены потребители, разбитые на три группы, которые называют фазами нагрузки. От генератора к потребителям идут четыре провода: провода АА’, ВВ’, СС’ называют линейными, а OO’ — нейтральным проводом.

Напряжения между началом каждой фазы А, В, С и нулевой точкой О называют фазными напряжениями и обозначают U_A, U_B и U_C или в общем случае U_ф. Поскольку падение напряжения внутри обмоток генератора мало, то напряжения на фазах генератора равны соответствующим э. д. с. (см. рис. 26.10) и также изображаются симметричной звездой векторов U_A, U_B, U_C (рис. 26.12, а), составляющих между собой углы 120°.

Напряжения между началами обмоток, т. е. между линейными проводами (рис. 26.11),называются линейными напряжениями и обозначаются U_AB, U_BC, U_CA или U_л. Линейные напряжения равны разности соответствующих фазных напряжений. Например, линейное напряжение U_л—U_AB —U_A—U_B и на рис. 26.12, а изображается вектором U_AB, замыкающим концы векторов U_A и U_B (направленным из конца вычитаемого вектора в конец уменьшаемого). Аналогично определяются напряжения U_BC и U_CA.

Проведем в равнобедренном треугольнике, образованном векторами двух фазных и одного линейного напряжений, высоту из точки О (рис. 26.12, а). Тогда получим Таким образом, присоединении звездой линейное напряжение в раз больше фазного:

(26.20)

Так, если фазное напряжение равно 127 В, то линейное составляет

Токи, текущие в фазах, называют фазными токами (обозначают I_ф), а токи в линейных проводах — линейными токами (I_Л). Из рис. 26.11 видно, что для этой схемы соединений токи в фазах генератора I_A, I_B, I_C равны соответствующим линейным токам и токам в фазах нагрузки т. е.

(26.21)

Величина этих токов определяется фазными напряжениями и сопротивлениями фаз нагрузки. Заметим, что при чисто активной нагрузке токи совпадают по фазе с соответствующими фазными напряжениями; если же нагрузка имеет индуктивный или емкостной характер, то токи отстают или опережают напряжения на некоторый угол

Ток в нейтральном проводе I₀ равен сумме фазных токов. Поэтому на векторной диаграмме он должен быть равен геометрической сумме векторов I_А, I_B, I_C. При одинаковой нагрузке фаз токи I_А, I_B, I_C получаются одинаковыми по величине и образуют симметричную звезду векторов (рис. 26.12, б). Нетрудно понять, что в этом случае ток в нейтральном проводе получается равным нулю. Поэтому при одинаковой нагрузке фаз нейтральный провод можно отключить, и в системе ничего не изменится.

Рассмотрим другой способ соединения фаз генератора; начало каждой фазы соединяется с концом предыдущей фазы так, что фазы образуют замкнутый треугольник (рис. 26.13). Такое соединение фаз называется соединением треугольником. Поскольку фазы генератора подключены непосредственно к линейным проводам, то при соединении треугольником линейные напряжения равны фазным:

(26.22)

Из сравнения (26.20) и (26.22) видно, что при переключении фаз генератора со звезды на треугольник линейные напряжения уменьшаются в раз.

Для каждого узла соединения (рис. 26.13) сумма втекающих токов равна сумме вытекающих токов. Поэтому получается, что токи в линейных проводах равны разности соответствующих фазных токов (рис. 26.14). При одинаковой нагрузке фаз из рис. 26.14 получается соотношение

(26.23)

Потребители также можно соединить треугольником, подключив их прямо к линейным проводам (рис. 26.15). Ясно, что при этом для напряжений выполняется соотношение (26.22). Токи в фазах нагрузки определяются их сопротивлениями; при одинаковых сопротивлениях фаз выполняется соотношение (26.23).

Генератор может быть соединен звездой, а потребители — треугольником, и наоборот. Следует помнить, что при соединении фаз (генератора или нагрузки) звездой выполняются соотношения (26.20) и (26.21), а при соединении фаз треугольником — (26.22) и (26.23). В зависимости от того, какое напряжение надо получить на потребителе, применяется та или иная схема соединений фаз генератора и нагрузки. (Покажите, что при одном и том же фазном напряжении генератора можно, применяя различные варианты соединений, получить на нагрузке напряжения 127, 220, 380 В.)

Общая активная мощность трехфазной системы равна сумме активных мощностей трех фаз (см. (26.14)). При одинаковой нагрузке фаз

(26.24)

(Напомним, что при чисто активной нагрузке )

Выразив U_ф и I_ф через U_л и I_л с помощью соотношений (26.20) и (26.21) при соединении фаз звездой или (26.22) и (26.23) при соединении треугольником, получим для обоих случаев

(26.25)

Из этого соотношения видно, что линия передачи трехфазного тока экономичнее двухпроводной линии передачи: при одних и тех же напряжениях и токах в линиях передач в трехфазной линии общая длина проводов в 1,5 раза больше, чем в двухпроводной линии, а передаваемая мощность больше в раза.

Важнейшим достоинством трехфазной системы является простота, надежность и экономичность трехфазных электродвигателей. В основе их устройства лежит вращающееся магнитное поле. Выясним, как оно образуется.

Статор трехфазного двигателя по устройству аналогичен статору генератора (рис. 26.9). На внутренней поверхности статора размещаются три катушки — фазы двигателя. Они соединяются звездой или треугольником и подключаются к трехфазной линии.

Поскольку катушки (фазы) одинаковые, то токи в них получаются одинаковыми по величине, но сдвинутыми по фазе друг относительно друга на угол или 120°, и в любой момент времени могут быть представлены как проекции на вертикальную ось векторов I_А, I_B и I_C,вращающихся с круговой скоростью На рис. 26.16, а показаны положения этих векторов через промежутки времени что соответствует их повороту на угол или 30°.

Ток в каждой катушке создает магнитное поле, синусоидально изменяющееся вдоль оси, перпендикулярной плоскости катушки. Напряженности полей Н_А, Н_B и Н_C катушек в каждый момент времени (рис. 26.16, б) пропорциональны токам катушек (§ 22.14).

Напряженность результирующего поля всех трех катушек Н равна геометрической сумме напряженностей Н_А, Н_B и Н_C. Из рис. 26.16,б видно, что вектор Н получается одинаковым по величине и поворачивается на тот же угол что и векторы I_A, I_B, I_C, т. е. вращается в статоре с той же круговой скоростью

Таким образом, при наложении трех синусоидальных магнитных полей, направленных под углом (120°) друг к другу и сдвинутых по фазе на такой же угол, получается вращающееся магнитное поле с постоянной по величине напряженностью.

Представим себе, что внутрь статора помещен ротор, представляющий собой постоянный электромагнит со скользящими контактами. Северный и южный полюсы вращающегося магнитного поля будут притягивать к себе противоположные полюсы ротора, и ротор будет вращаться с той же скоростью, с какой вращается поле статора. Поэтому такой двигатель называют синхронным. Он имеет такое же устройство, как и генератор (рис. 26.9).

В конструкции трехфазного двигателя другого типа вдоль поверхности ротора в пазы укладываются проводники (рис. 26.17, а), которые замыкаются по торцам кольцами. Такой ротор называется короткозамкнутым; его обмотка, снятая с ротора, напоминает беличье колесо (рис. 26.17, б). Отметим, что скользящие контакты для такого ротора не нужны.

Линии индукции вращающегося магнитного поля, пересекая проводники ротора, наводят в них индукционные токи, которые замыкаются через торцевые кольца. Направление этих токов можно определить по правилу правой руки (§ 23.3), учитывая, что отогнутый большой палец должен показывать направление движения проводника относительно поля (в двигателе, изображенном на рис. 26.17, а, поле вращается по часовой стрелке). Эти токи в свою очередь взаимодействуют с магнитным полем, в результате чего возникают силы Ампера (§ 22.9), действующие на проводники в сторону вращения поля (в соответствии с правилом левой руки). Эти силы увлекают ротор вслед за вращающимся полем.

Однако ротор вращается со скоростью несколько меньшей, чем поле (на несколько процентов), так как при его синхронном вращении с полем прекратилось бы относительное движение проводников и поля, исчезли бы индукционные токи и силы, действующие на проводники. Такой трехфазный двигатель называют асинхронным. Он очень прост по устройству и применяется очень широко.

Получение, передача и распределение электрической энергии в народном хозяйстве

Развитие народного хозяйствав первую очередь определяется развитием энергетики. Поскольку главными источниками энергии для промышленности являются электростанции, в уделяется большое внимание строительству новых и увеличению мощности уже работающих электростанций. Общая мощность электростанций в в 1974 г. превысила 200•10 6 кВт, а в 1980 г. возросла примерно в 1,4 раза.

Наша страна обладает огромными запасами гидроэнергии. Построены такие гиганты, как Братская ГЭС мощностью 4,5•10 6 кВт, крупнейшая в мире Красноярская ГЭС мощностью 6•10 6 кВт, на которой установлены и самые мощные в мире гидроагрегаты — по 0,5•10 6 кВт. Строится Саяно-Шушенская ГЭС мощностью 6,4•10 6 кВт. Продолжается строительство каскада ГЭС на Ангаре, общая мощность которого будет составлять (12—15)•10 6 кВт.

Большая часть электроэнергии в нашей стране в настоящее время вырабатывается на тепловых станциях, работающих на дешевом топливе. Мощность крупнейшей в мире Криворожской станции составляет 3•10 6 кВт. Строятся еще более крупные станции, каждая мощностью по (4—5)•10 6 кВт. На них устанавливаются турбогенераторы мощностью до 1,2•10 6 кВт.

Наиболее быстрыми темпами идет строительство атомных электростанций, которые в недалеком будущем займут первое место по производству электроэнергии.

Для получения электроэнергии используются и другие источники — солнечные электростанции, геотермальные, ветровые и т. д. В будущем предполагается использовать энергию морских приливов; проектируется, например, мощная приливная электростанция на Белом море.

Эффективное использование электроэнергии можно осуществить только с помощью передачи ее на большие расстояния с минимальными потерями. Для этого энергию нужно передавать при высоком напряжении. Уже имеются линии передачи, работающие при напряжениях 500, 750 кВ, разрабатываются передачи на напряжение более миллиона вольт.

Высоковольтные линии передачи объединяют электростанции обширных районов страны, образуя энергетическую систему. Созданы энергосистемы Сибири, Средней Азии, Европейской части. Объединение этих энергосистем завершает создание Единой энергетической системы. Она связывает густонаселенные районы европейской части страны и Средней Азии с мощными источниками энергии Сибири. Кроме того, при большой разнице во времени между восточными и западными районами нашей страны это позволяет сэкономить до 40•10 6 кВт мощности, т. е. вместо строительства электростанции такой мощности можно обходиться переброской электроэнергии в ту зону, где потребление в данный момент максимально. Большие выгоды дает и объединение энергоресурсов соседних социалистических стран.

Упрощенная схема передачи электроэнергии на большие расстояния показана на рис. 26.18. При высоких напряжениях на линиях передач, применяемых в настоящее время, выгодно осуществлять передачу на постоянном токе. Разрабатываются такие передачи на напряжение 1,5•10 6 В.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Содержание:

Переходные процессы в электрических цепях с сосредоточенными параметрами:

В предыдущих главах электрические цепи постоянного и переменного токов и их расчет рассмотрены в установившемся режиме, т. е. при установившихся напряжениях и токах.

В установившемся режиме напряжения и токи во всех участках электрической цепи остаются неизменными в течение сколь угодно большого промежутка времени. В понятие неизменных напряжений и токов в данном случае включаются не только постоянные, но и синусоидальные напряжения и токи с постоянными амплитудой и частотой.

По условиям эксплуатации и характеру работы электроустановок или по другим (в том числе случайным) причинам изменяются режимы в электрических цепях.

Для перехода от одного установившегося режима к другому требуется некоторый переходный период, в течение которого изменяются величины токов и напряжений в электрической цепи. С большей или меньшей скоростью эти величины приходят в соответствие с условиями нового режима.
В последующих параграфах для переходных периодов в некоторых простых цепях найдены зависимости тока и напряжения от времени, позволяющие определить их величины в любой момент.

Общие сведения о переходных процессах

Для изучения переходных процессов в простой или сложной цепи необходимо рассмотреть общие сведения о них. В числе таких сведений отметим причины возникновения переходных процессов, основные определения и два закона коммутации, на которых основаны исследования переходных процессов.

Причины возникновения переходных процессов

Переходные процессы возникают вследствие изменения э. д. с. в цепи, напряжения, приложенного к цепи, или в связи с изменением ее параметров — сопротивления, индуктивности или емкости.

Непосредственными причинами возникновения переходных процессов могут быть: коммутационные изменения режимов, т.е. включение и выключение источников питания, приемников энергии; короткие замыкания на участках электрических цепей; изменения механической нагрузки электродвигателей и др.

Электромагнитные процессы, происходящие в электрических целях при переходе от одного установившегося режима к другому, называют переходными процессами.

Электрические токи, напряжения в цепи во время переходного процесса называют переходными токами или напряжениями.

Продолжительность переходных процессов в электрических цепях (переходный период) чаще всего составляет десятые и сотые доли секунды. Однако знание характера их очень важно, так как и за малое время возможны резкие увеличения токов и напряжений, которые могут оказаться опасными для электрических установок.

В устройствах связи, автоматики, счетно-решающей техники, радиотехники с помощью переходных процессов формируются импульсы — сигналы, несущие определенную информацию.

Изучение переходных процессов в этих устройствах необходимо для оценки тех изменений, которые они могут внести в электрические сигналы.
Соотношение длительностей установившихся и переходных режимов может быть самым различным и зависит от условий эксплуатации и назначения электрических цепей. Одни из них по продолжительности практически все время работают в установившемся режиме (двигатели с длительной неменяющейся нагрузкой, лампы электрического освещения), другие, наоборот, непрерывно находятся в переходном режиме (двигатели с повторно-кратковременной нагрузкой, линии связи во время передачи информации, импульсные устройства автоматики, счетно-решающие машины в период работы).

Первый закон коммутации

Первый закон коммутации применяется к цепям, обладающим индуктивностью.

Ток в индуктивности не может измениться скачком. Поэтому мгновенный ток в ветви с индуктивностью в первый момент переходного периода остается таким, каким он был в последний момент предшествующего установившегося режима.

Справедливость первого закона коммутации следует из простых рассуждений, которые изложим применительно к случаю включения катушки индуктивности на постоянное напряжение U (рис. 25.1).
До замыкания рубильника Р установившийся режим характеризуется тем, что ток в цепи, напряжения активное u_R и индуктивное u_L равны нулю.

С момента замыкания рубильника возникает переходный процесс, в течение которого ток в катушке увеличивается до некоторой величины i = I, изменяются и напряжения u_R и u_L. Электрическое состояние цепи по схеме рис. 25.1 в любой момент переходного периода характеризуется уравнением

В установившемся режиме при замкнутом рубильнике Р ток в цепи постоянный, т. е. скорость изменения тока равна нулю: , поэтому и индуктивное напряжение u_L равно нулю. Напряжение источника полностью приложено к сопротивлению R, и ток в цепи определяется согласно закону Ома:

Предположим, что переходный период отсутствует и ток в катушке мгновенно () увеличился от 0 до конечной величины I. Тогда скорость изменения тока должна быть равна бесконечности ().
Но это противоречит уравнению (25.1), в котором напряжение источника U — конечная величина. Изменение тока скачком означало бы также, что энергия магнитного поля катушки увеличилась скачком от 0 до Для мгновенного изменения запаса энергии в магнитном поле цепи требуется источник бесконечно большой мощности , что лишено физического смысла.

Из первого закона коммутации следует, что в начальный момент после замыкания рубильника (при t = 0) ток в цепи равен нулю (i₀ = 0), падение напряжения в сопротивлении i₀R = 0, а индуктивное напряжение — напряжению источника u_0L = U и цепь как бы разомкнута индуктивностью.

Второй закон коммутации

Второй закон коммутации применяется к цепям, обладающим емкостью.

Напряжение на емкости не может измениться скачком. Поэтому напряжение на емкости в первый момент переходного периода остается таким, каким оно было в последний момент предшествующего установившегося режима.

Рассуждения, подтверждающие второй закон коммутации, приведем применительно к случаю зарядки конденсатора через резистор (включение цепи с R и С на постоянное напряжение, рис. 25.2). До замыкания рубильника Р установившийся режим характеризуется тем, что ток в цепи на резисторе и конденсаторе равны нулю.

Рис. 25.2. Ко второму закону коммутации

С момента замыкания рубильника возникает переходный процесс, в течение которого напряжение на конденсаторе увеличивается до напряжения источника U (конденсатор заряжается), изменяются ток в цепи и напряжение на резисторе.

Электрическое состояние цепи (рис. 25.2) в любой момент переходного периода характеризуется уравнением, составленным по второму закону Кирхгофа:

Ток в цепи пропорционален скорости изменения напряжения на конденсаторе:

Учитывая это, получаем

Приложенное к цепи напряжение (напряжение источника) делится на две части: одна из них () компенсирует падение напряжения в резисторе, а другая (u_C) равна напряжению в конденсаторе.

В установившемся режиме при замкнутом рубильнике Р напряжение на конденсаторе не изменяется, т. е. скорость изменения напряжения на конденсаторе равна нулю (), поэтому и ток в цепи равен нулю (i_у = 0). Напряжение на резисторе равно нулю, и, следовательно, напряжение источника полностью приложено к конденсатору: (т. е. цепь разомкнута конденсатором).

Доказательства существования переходного периода при зарядке конденсатора аналогичны тем, которые были ранее приведены для цепи с катушкой индуктивности.
Предположим, что в момент замыкания рубильника Р напряжение на конденсаторе изменилось скачком от 0 до U. Такое предположение означает конечное изменение напряжения за время, равное нулю, т. е. , что противоречит уравнению (25.4), в котором напряжение источника — конечная величина. Кроме того, при изменении напряжения на конденсаторе скачком энергия электрического поля должна увеличиться мгновенно от 0 до . Для такого скачкообразного изменения энергии требуется источник бесконечно большой мощности, чего в действительности быть не может. Из второго закона коммутации следует, что в начальный момент переходного периода (при t = 0) напряжение на конденсаторе равно нулю (u_C0 = 0) (конденсатор как бы замкнут накоротко). Напряжение на резисторе равно напряжению источника i₀R = U, а ток в цепи i₀ = U/R.

Включение катушки индуктивности на постоянное напряжение

После включения катушки к источнику постоянного напряжения ток в цепи рис. 25.1 увеличивается, но не мгновенно. Перейдем к более подробному анализу переходного процесса.

График переходного тока

Закон изменения тока в катушке после замыкания рубильника в схеме рис. 25.1 можно выяснить, используя уравнение (25.1) в преобразованном виде:

В первый момент переходного периода ток в цепи с R и L равен нулю (i₀ = 0).

Поэтому независимо от величины сопротивления R скорость изменения тока в начальный момент переходного периода выражается отношением величины напряжения к индуктивности:

Из этого выражения следует, что сразу после включения цепи ток начинает увеличиваться по линейному закону с наибольшей в данных условиях скоростью.

Но так происходит лишь в начальный момент переходного периода. Как только в цепи появился ток, хоть и малой величины, одновременно возникло падение напряжения iR [см. уравнение (25.1)], а индуктивное напряжение соответственно уменьшилось. Уменьшение индуктивного напряжения немедленно вызовет снижение скорости изменения тока.

Рис. 25.3. График переходного тока после включения цепи на постоянное напряжение

Таким образом, рассматриваемый переходный процесс в катушке (при постоянных величинах U, R, L) отличается тем, что с увеличением тока уменьшается скорость его изменения. По этой причине график тока (кривая i на рис. 25.3) с течением времени все более отклоняется от прямой i_L, которая соответствует начальной скорости переходного процесса. Прямая i_L, как нетрудно заметить, является касательной к кривой переходного тока i реальной цепи, а наклон ее к оси абсцисс характеризует наибольшую скорость изменения тока, возможную при заданных условиях.

Теоретически переходный процесс продолжается бесконечно долго, а ток в цепи асимптотически стремится к установившемуся I = U/R.

Постоянная времени электрической цепи

Если предположить, что при наличии в цепи сопротивления R ток изменялся бы по линейному закону с наибольшей скоростью (прямая i_L), то установившейся величины I он достиг бы за наименьшее время t = τ. Этот промежуток времени является важной характеристикой и называется постоянной времени электрической цепи.

Постоянную времени можно определить графически (рис. 25.3). Для этого нужно провести касательную Оа к кривой тока в начале координат; точку пересечения касательной с асимптотой спроектировать на ось времени. Отрезок Оа’ в масштабе времени выражает постоянную времени τ.
Такую же длину имеет отрезок , который можно получить, если провести касательную к кривой тока в любой точке , найти точку  пересечения касательной с асимптотой и спроектировать точки  и  на ось времени.
Из рис. 25.3 можно получить аналитическое выражение для определения постоянной времени. Прямая  представляет собой график изменения тока (i_L) в идеальной катушке без сопротивления.
Это следует из уравнения (25.5): при R = 0
  
Отсюда

По графику при t = τ i = I.
Так как U = IR, то постоянная времени

Постоянная времени, как видно из последней формулы, определяется только параметрами R, L данной цепи.

Уравнение кривой переходного тока

Уравнение кривой переходного тока в катушке после замыкания рубильника в схеме рис. 25.1 можно получить, используя уравнение (25.1) в таком виде:

Проинтегрируем обе части этого дифференциального уравнения:

В результате интегрирования получим

или

(постоянная интегрирования взята в форме  для упрощения окончательного выражения переходного тока). Потенцируя, находим

Постоянная интегрирования К₂ определяется из начальных условий: согласно первому закону коммутации, в начальный момент переходного периода ток в цепи равен нулю, так как он был равен нулю в последний момент до включения рубильника.
Подставив в последнее равенство t = 0 и i = 0, найдем

Определив К₂ из начальных условий, получим окончательно уравнение для переходного тока

В этом уравнении τ = L/R — уже известная постоянная времени цепи.
Уравнению (25.8) соответствует график переходного тока (кривая i на рис. 25.3).
Как было отмечено, переходный процесс продолжается бесконечно долго. Это подтверждается уравнением (25.8), согласно которому ток устанавливается при t = ∞. В практике переходный период считается законченным по истечении времени, равном (4 ÷ 5)τ, когда ток отличается от установившегося примерно на 1%.

Принужденная и свободная составляющие переходного тока

Из уравнения (25.8) видно, что переходный ток можно рассматривать как алгебраическую сумму двух составляющих:

Первая составляющая представляет собой ток, установившийся в цепи по окончании переходного процесса (прямая i_пр на рис. 25.3):

Этот ток определяется непрерывным действием постоянного напряжения U в переходном и установившемся режимах. Его принято называть принужденным током.

Вторая составляющая возникает в начале переходного процесса и постепенно затухает до нуля, после чего переходный процесс считается законченным (кривая i_св на рис. 25.3). Эта составляющая переходного тока называется свободным током. Он изменяется по закону

Из уравнения (25.10) следует:
постоянная времени электрической цепи равна интервалу времени, в течение которого свободный ток в этой цепи убывает в е раз.

График переходного тока (рис. 25.3) можно получить, сложив графики принужденного и свободного токов. Однако нужно помнить, что физически реальным в течение переходного процесса является общий ток, постепенно нарастающий от начального (i = 0) до установившегося (i = I).
Одновременно с увеличением тока происходит процесс постепенного изменения (в данном случае накопления) энергии  в магнитном поле.

Влияние величины напряжения и параметров цепи на переходный процесс

Переходный процесс при включении цепи с R и L на постоянное напряжение U характеризуют три показателя: установившийся ток, начальная скорость изменения тока и постоянная времени цепи [см. формулы (25.2), (25.6), (25.7)].
Используя эти выражения, можно проследить влияние величины напряжения источника и параметров цепи на переходный процесс (имеются в виду изменения напряжения или параметров цепи до начала переходного процесса).
Установившийся ток и начальная скорость изменения тока зависят от напряжения, а постоянная времени цепи, характеризующая продолжительность переходного процесса, не зависит.

Эти заключения отражены на рис. 25.4: графики установившегося тока проведены на разном уровне, а касательные к кривой тока наклонены к оси времени под разными углами. При этом постоянная времени не изменилась (τ₂ = τ₁).

Продолжительность переходного процесса в обоих случаях одинакова, несмотря на то что скорость изменения тока разная. Это обстоятельство не должно вызывать сомнения: при изменении напряжения ток увеличивается с другой скоростью, но и стремится к другой установившейся величине.

Рис. 25.4. Графики переходного тока при различных напряжениях на зажимах цепи

При изменении сопротивления R в цепи изменяются установившийся ток и постоянная времени. Начальная скорость изменения тока от сопротивления R не зависит.

В соответствии с этими выводами на рис. 25.5 проведены две асимптоты (I₁ и I₂) и одна общая касательная к графикам переходного тока в начале координат:

Касательная пересекает асимптоты в точках с разными координатами не только по оси токов, но и по оси времени, что подтверждает предыдущий вывод о зависимости постоянной времени от сопротивления R.

Рис. 25.5. Графики переходного тока при различных сопротивлениях цепи

Рис. 25.6. Графики переходного тока при различных индуктивностях цепи

Из этого нетрудно сделать заключение о том, как влияет сопротивление на продолжительность переходного процесса.
Изменение индуктивности не сказывается на величине установившегося тока, но начальная скорость изменения тока и постоянная времени изменяются. Поэтому на рис. 25.6 проведены одна (общая) асимптота и две касательные в начале координат к графикам переходного тока. Касательные пересекают асимптоту в двух точках и отмечают величины постоянных времени τ₁ и τ₂, соответствующих двум величинам индуктивности цепи.
В данном случае переходные токи стремятся к одинаковой установившейся величине с разной скоростью, поэтому продолжительность переходного процесса неодинакова.

Отключение катушки индуктивности от источника постоянного напряжения

Отключение приемников электрической энергии от источника или от сети осуществляется в большинстве случаев разрывом цепи в одной или нескольких точках. Встречаются случаи, когда элементы цепи, обладающие большой индуктивностью, при разрыве цепи одновременно замыкаются накоротко или на разрядное сопротивление.

Размыкание электрической цепи с катушкой индуктивности

При размыкании электрической цепи с катушкой индуктивности (рис. 25.7, а) в момент разрыва цепи напряжение между расходящимися контактами выключателя В резко увеличивается от нуля до U + u_L. Скорость изменения тока в момент разрыва цепи , поэтому величина — может быть весьма большой. Воздушный промежуток между контактами пробивается и образуется искра. Таким образом, ток в цепи сохраняется некоторое время после начала расхождения контактов. При большой мощности источника искровой разряд может перейти в дуговой. Для гашения электрической дуги отключающие аппараты, как правило, снабжаются дугогасительными приспособлениями, конструкция которых зависит от мощности цепи и рабочего напряжения установки.

Рис. 25.7. Схемы размыкания цепи с индуктивностью

В некоторых случаях (например, при выключении обмоток возбуждения электрических машин) напряжение может достигать величин, опасных для изоляции. Значительного повышения напряжения можно избежать, если одновременно с отключением индуктивной катушки от источника замкнуть ее на разрядное сопротивление (рис. 25.7, б). По подобной схеме работают, например, автоматы гашения поля (АГП) генераторов на электростанциях. При внутренних повреждениях в генераторе необходимо как можно скорее отключить его от сети и «погасить» магнитное поле. Для этого и служит АГП, с помощью которого обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление и отключается от возбудителя.

Изменение тока в катушке, замкнутой на разрядное сопротивление

Переходный процесс в замкнутом контуре катушка — разрядное сопротивление отличается от процесса в цепи рис. 25.7, а тем, что скорость изменения тока зависит от параметров цепи  и L. Соответствующим подбором разрядного сопротивления величина ее может быть ограничена.
При включении катушки на постоянное напряжение по схемам рис. 25.1 или 25.7, б катушка является приемником энергии. Ток i и э. д. с. самоиндукции е_L имеют противоположные направления, что соответствует накоплению энергии в магнитном поле катушки за счет энергии источника.
После отключения цепи от источника энергии (рис. 25.7, б) в образовавшемся короткозамкнутом контуре ток не может уменьшиться мгновенно до нуля, а поддерживается в течение переходного периода, пока имеется энергия в магнитном поле катушки.

Запас энергии в магнитном поле непрерывно уменьшается, так как в активном сопротивлении цепи R совершается необратимый процесс превращения электрической энергии в тепловую.

Таким образом, во время переходного процесса катушка является источником электрической энергии с электродвижущей силой самоиндукции е_L, которая возникает и поддерживается в связи с уменьшением тока. Это подтверждается и изменением направления э. д. с. самоиндукции, которое теперь совпадает с направлением тока.

Закон изменения тока при выключении катушки (как и при ее включении) определяется параметрами R и L. Еще до подробного анализа уравнения тока, который приведен далее, можно отметить обстоятельства, позволяющие судить о характере уменьшения тока в катушке.

Рис. 25.8. График переходного тока в катушке индуктивности, замкнутой на сопротивление

В начальный момент переходного периода величина тока в катушке сохраняется в соответствии с первым законом коммутации. В дальнейшем после отключения источника энергии принужденная составляющая переходного тока отсутствует, поэтому переходный ток является свободным током. Возникновение свободного тока связано с изменением запаса энергии в магнитном поле, подобно тому как при увеличении тока в катушке изменением энергии в магнитном поле определяется свободная составляющая тока (см. рис. 25.3). Отличие заключается лишь в том, что при включении катушки энергия в магнитном поле накапливалась, а теперь она расходуется. С этим и связано изменение направления свободного тока, которое всегда совпадает с направлением э. д. с. самоиндукции.

Предположим, что сопротивление короткозамкнутого контура в схеме рис. 25.7, б равно сопротивлению цепи при включении катушки по схеме рис. 25.1 и индуктивности одинаковы. В этом случае график тока в цепи рис. 25.7, б после замыкания ее накоротко можно получить, повернув на 180° вокруг оси времени график i_1св свободного тока при включении катушки (ср. рис. 25.3 и 25.8, где показаны также графики установившегося i_1у и переходного i₁ токов при включении катушки).

Касательная к графику тока (рис. 25.8) в точке с координатами t = 0, i = I отсечет на оси времени отрезок τ, выражающий постоянную времени цепи, которая и в данном случае аналитически определяется формулой (25.7).

Уравнение переходного тока

Величину переходного тока в короткозамкнутой катушке можно определить из уравнения (25.1), если учесть, что U = 0:

После разделения переменных получим

а после интегрирования обеих частей уравнения —

где К₃ — постоянная интегрирования, отсюда

В установившемся режиме, предшествующем отключению катушки от источника, и в начальный момент переходного периода (t = 0) ток i₀ = I = U/R.
Учитывая это, из начальных условий найдем K₃:

а

Таким образом, уравнение тока в переходный период имеет вид

где — постоянная времени короткозамкнутой цепи.
В короткозамкнутой катушке ток уменьшается по экспоненциальному закону от i₀ = I до установившегося i_y = 0.
Сравнивая (25.11) с выражением свободного тока в катушке при ее включении на постоянное напряжение (25.10), убеждаемся, что они одинаковы, если не учитывать изменение знака.
Длительность переходного процесса, как и при включении катушки, теоретически равна бесконечности, а практически ток принимается равным нулю при t = (4 ÷ 5)τ.’
Вопрос о влиянии величины начального тока I и параметров цепи на продолжительность переходного процесса можно проанализировать аналогично тому, как это сделано  для случая включения катушки.
Основными характеристиками переходного процесса являются:
начальный ток I = U/R; начальная скорость изменения тока

постоянная времени цепи τ = L/R.
Нетрудно заметить, что выражения этих характеристик совпадают соотвественно с формулами (25.2), (25.6) и (25.7). Изменился лишь знак в формуле начальной скорости изменения тока. Но это объясняется просто: ток теперь не увеличивается, а уменьшается, и касательная к кривой тока наклонена к оси времени под утлом, большим 90°.

Изменение сопротивления в цепи с индуктивностью

При включении катушки индуктивности, обладающей параметрами R, L, сопротивление цепи уменьшается скачком от ∞ до R, а при выключении оно увеличивается от R до ∞.

В соответствии с такими изменениями сопротивления ток в цепи за время переходного периода увеличивается от 0 до I или уменьшается от I до 0.
При скачкообразном изменении сопротивления цепи в конечных пределах тоже возникает переходный процесс, который в общих чертах подобен уже рассмотренным процессам.

Некоторые особенности его обусловлены тем, что при уменьшении сопротивления ток увеличивается начиная с некоторой конечной величины, а при увеличении сопротивления ток уменьшается не до нуля.

Уменьшение сопротивления в цепи

При разомкнутом рубильнике Р в цепи с последовательно соединенными сопротивлением R₁ и катушкой R₂, L (рис. 25.9) установившийся ток

После замыкания рубильника сопротивление в цепи внезапно уменьшается до R₂, а ток постепенно увеличивается до
Переходный процесс от первого режима ко второму отличается от рассмотренного  тем, что ток в цепи увеличивается не от нуля, а от величины I₁. Однако закон изменения тока от I₁ до I₂ такой же.

25.9. Схема изменения скачком сопротивления в цепи

Рис. 25.10. График переходного тока после уменьшения сопротивления

Вследствие уменьшения сопротивления в цепи возникает добавочный свободный ток, начальная величина которого определяется в соответствии с первым законом коммутации:
Если к принужденному току прибавить свободный ток  то получим переходный ток, который в начальный момент сохраняет свою предыдущую величину I₁:

Свободный ток уменьшается в течение переходного процесса до нуля по известному закону (рис. 25.10). По аналогии с формулой (25.11) имеем

или

где 

Увеличение сопротивления в цепи

Обратный переход от второго режима к первому совершается после размыкания рубильника. Сопротивление цепи внезапно увеличивается, а ток от I₂ уменьшается по экспоненциальному закону, стремясь к установившейся величине I₁ (рис. 25.11).

Рис. 25.11. График переходного тока после увеличения сопротивления

Принужденная составляющая переходного тока i_пр = I₁.
Свободная составляющая, по аналогии с формулой (25.11),

где

Уравнение переходного тока

Зарядка конденсатора

Анализ процесса зарядки конденсатора от источника постоянного напряжения во многом совпадает с анализом переходного процесса после включения катушки на постоянное напряжение, так как исходные уравнения (25.1) и (25.4) по своей структуре аналогичны.

Уравнение кривых переходного тока и напряжения на конденсаторе

Закон изменения напряжения на конденсаторе и зарядного тока можно найти, решив дифференциальное уравнение (25.4). Путем разделения переменных это уравнение приводится к виду, удобному для интегрирования:

Интегрирование и последующие преобразования, выполненные в том же порядке, как для цепи с катушкой индуктивности, приводят к решению уравнения в виде

где К₄ — постоянная интегрирования.
Из начальных условий (t = 0, u_C0 — 0) находим
Уравнение кривой напряжения на конденсаторе принимает вид

Уравнение зарядного тока легко найти из предыдущего уравнения (25.14), если учесть выражение (25.3):


В дальнейшем для анализа переходных процессов при зарядке конденсаторов потребуется выражение скорости изменения напряжения на конденсаторе в начальный момент времени. Это выражение нетрудно получить, используя формулы (25.3) и (25.15):

Графики зависимости напряжения на конденсаторе u_C и зарядного тока i₃ от времени изображены на рис. 25.12.
Как видно из этих графиков, скорость увеличения напряжения на конденсаторе и скорость уменьшения зарядного тока непрерывно снижаются.

Рис. 25.12. Графики переходных тока и напряжения при зарядке конденсатора

Напряжение u_C и зарядный ток асимптотически стремятся к своим пределам: u_C— к величине напряжения источника U, а ток i — к нулю. Теоретически переходный процесс продолжается бесконечно долго, что подтверждают уравнения (25.14) и (25.15) (u_C = U и i = 0 при t = ∞). Однако практически считают, что переходный процесс заканчивается за время, равное (4 ÷ 5)τ. Величина τ в уравнениях (25.14) и (25.15) — постоянная времени цепи:

Постоянная времени, которая зависит от параметров цепи R, С, как и в цепи с индуктивностью, является показателем продолжительности переходного процесса.
В уравнении (25.14) можно выделить принужденную и свободную составляющие напряжения на конденсаторе:



Зарядный ток состоит только из свободной составляющей

а принужденная составляющая

Влияние величины напряжения источника и параметров цепи на переходный процесс

Переходный процесс при зарядке конденсатора от источника постоянного напряжения характеризуют три показателя: установившееся напряжение на конденсаторе; начальная скорость изменения напряжения; постоянная времени [см. формулы (25.18), (25.16), (25.17)].

Рис. 25.13. Графики переходного напряжения на конденсаторе при различных напряжениях источника

Рис. 25.14. Графики переходного напряжения на конденсаторе при различных сопротивлениях цепи

Используя их выражения, можно проследить влияние величины напряжения заряжающего источника и параметров цепи на переходный процесс (имеется в виду изменение напряжения или параметров цепи до начала переходного процесса).

При изменении напряжения источника изменяются установившееся напряжение на конденсаторе и начальная скорость изменения напряжения, а постоянная времени цепи, характеризующая длительность переходного процесса, от напряжения не зависит. На рис. 25.13 построены соответственно двум различным напряжениям источника U₁ и U₂ два графика изменения напряжения на конденсаторе 1 и 2 и две касательные к ним в начале координат, имеющие разные углы наклона к оси времени.
Продолжительность переходного периода в обоих случаях одинакова, так как напряжения на конденсаторе изменяются с разными скоростями, стремясь к разным установившимся величинам.

Рис. 25.15. Графики переходных напряжений и тока конденсатора при различных величинах емкости

Сопротивление входит в выражения начальной скорости изменения напряжения на конденсаторе (25.16) и постоянной времени цепи (25.17), а установившееся напряжение на конденсаторе от сопротивления не зависит. В соответствии с этим на рис. 25.14 проведены одна общая асимптота (U₁ = U₂) и две касательные в начале координат к графикам переходного напряжения на конденсаторе.

Касательные пересекают асимптоту в двух точках, при этом отмечают две величины постоянной времени: τ₁ и τ₂. На том же рисунке показаны кривые 1 и 2 изменения напряжения на конденсаторе u_C, соответствующие двум величинам сопротивления в цепи. По этим графикам нетрудно сделать заключение о влиянии сопротивления на переходный процесс заряда конденсатора. Изменение емкости влияет на продолжительность переходного процесса так же, как изменение сопротивления (рис. 25.15) К такому заключению можно прийти, применяя для анализа те же выражения (25.16), (25.17), (25.18). Однако имеется разница в энергетической характеристике процесса: при изменении емкости меняется конечный запас энергии в электрическом поле цепи, а при изменении сопротивления — количество электрической энергии, преобразованной в тепло.

Задача 25.13.

Конденсатор емкостью С = 10 мкФ заряжается через резистор, сопротивление которого R = 9 Ом, по схеме рис. 15.16 (переключатель П в положении 1) от источника электрической энергии с э. д. с. Е = 100 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом (на схеме не показано). Через промежуток времени, равный удвоенной величине постоянной времени цепи зарядки, переключатель П переведен в положение 2.
Определить энергию, израсходованную в резисторе за время зарядки конденсатора.
Решение. Закон изменения напряжения на конденсаторе в процессе зарядки

К моменту переключения рубильника напряжение u_C достигает величины

Закон изменения тока в процессе зарядки конденсатора

Энергия, израсходованная в сопротивлении R при зарядке конденсатора,

Разрядка конденсатора на сопротивление

Переходный процесс при разрядке конденсатора рассмотрим по схеме рис. 25.16, предполагая, что заряженный до напряжения u_СУ = U конденсатор емкостью С отключается от источника энергии и его обкладки замыкаются на сопротивление R (переключатель П в положении 2).

Рис. 25.16. Схема разрядки конденсатора

Переходный процесс при разрядке конденсатора

После переключения по схеме рис. 25.16 конденсатор не может разрядиться мгновенно, т. е. напряжение u_C не может уменьшиться скачком до нуля, а поддерживается в течение переходного периода за счет энергии, накопленной в электрическом поле конденсатора.

При этом в активном сопротивлении R совершается необратимый процесс превращения электрической энергии в тепловую. Запас энергии в электрическом поле непрерывно сокращается, а вместе с этим уменьшается и напряжение на конденсаторе. Во время переходного периода конденсатор является источником энергии.

Характер изменения напряжения на конденсаторе при его разрядке можно установить пока без математического анализа несложными рассуждениями, предположив, что конденсатор замкнут на то же сопротивление R, через которое он заряжается.

В начальный момент переходного периода величина напряжения на конденсаторе сохраняется, как и следует из второго закона коммутации. В дальнейшем закон уменьшения напряжения u_C будет определяться изменением энергии в электрическом поле конденсатора, подобно тому как при зарядке изменением энергии электрического поля определяется свободная составляющая напряжения на конденсаторе (см. рис. 25.12).

Отличие заключается лишь в том, что при зарядке энергия в электрическом поле накапливалась, а при разрядке она расходуется. Выражением этого отличия служит изменение направления разрядного тока в конденсаторе по сравнению с зарядным током (на рис. 25.16 направления тока, напряжений на конденсаторе и резисторе при разрядке показаны сплошными, а при зарядке — пунктирными стрелками).

График разрядного тока можно получить, повернув график зарядного тока на 180° вокруг оси времени (рис. 25.17).

Рис. 25.17. Графики переходных напряжений и тока при разрядке конденсатором

Так же можно получить график напряжения на конденсаторе, который по форме повторяет график свободной составляющей напряжения на конденсаторе при зарядке (на рис. 25.17 графики, относящиеся к процессу зарядки, показаны пунктиром, а графики при разрядке — сплошными линиями). Касательная к графику u_C в точке с координатами t = 0, u_C = U отсечет на оси времени отрезок τ, выражающий постоянную времени цепи, которая и при разрядке алгебраически определяется формулой (25.17).

Уравнение напряжения на конденсаторе и тока в цепи при разрядке конденсатора

Для математического анализа переходного процесса при разрядке конденсатора исходным является уравнение (25.4), в котором для этого случая напряжение источника нужно считать равным нулю:

отсюда

После разделения переменных получим

После интегрирования

Отсюда

где К₅ — постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий: при t = 0 и u_C0 = U.
Подставляя начальные условия в последнее уравнение, найдем
К₅ = U.
Следовательно, напряжение на конденсаторе при разрядке выражается уравнением

где τ = RC — постоянная времени цепи при разрядке конденсатора.
Итак, напряжение на конденсаторе при разрядке уменьшается по экспоненциальному закону от u_C0 = U до установившегося u_CУ = 0.
Сравнивая формулу (25.21) с выражением свободного напряжения на конденсаторе при зарядке [см. формулу (25.19)], убеждаемся в том, что они одинаковы, если не учитывать изменения знака.
Длительность переходного процесса, как и при зарядке, теоретически равна бесконечности, а практически разрядка считается законченной при t = (4 ÷ 5)τ.
Для разрядного тока выражение получается на основе закона Ома:

Вопрос о влиянии величины начального напряжения и параметров цепи на продолжительность переходного процесса можно проанализировать, используя три основные характеристики переходного процесса: начальное напряжение на емкости начальную скорость изменения u_C:

постоянную времени
Эти выражения совпадают соответственно с формулами (25.16), (25.17), (25.18). Только знак в формуле начальной скорости изменился на обратный. Объясняется это тем, что конденсатор теперь разряжается, а не заряжается, и напряжение u_C уменьшается, а не увеличивается, поэтому касательная к кривой u_C в начальный момент наклонена к оси времени под углом, большим 90°.

Задача 25.15.

Согласно условию задачи 25.13, после периода зарядки конденсатора переключатель П переведен из положения 1 в положение 2.
Определить энергию, израсходованную в цепи за время разрядки конденсатора.
Решение. При разрядке конденсатора энергия, израсходованная в элементе цепи с сопротивлением R, равна убыли энергии электрического поля конденсатора в одно и то же время.
Энергия электрического поля к концу зарядки конденсатора

Вся эта энергия выделяется в виде тепла в сопротивлении при разрядке конденсатора. Таким образом, общая энергия, выделенная в сопротивлении R при зарядке и разрядке, составляет

Включение катушки индуктивности на синусоидальное напряжение

Изменение напряжения источника во время переходного процесса влияет на характер переходного тока. При анализе переходного процесса в цепи переменного тока приходится, кроме того, учитывать сдвиг фаз между напряжением и установившимся током, начальную фазу напряжения или, иначе говоря, мгновенное напряжение источника в момент включения цепи.
Однако переходные процессы в цепях постоянного и переменного токов одинаковы: они возникают при переходе от одного установившегося режима к другому при несоответствии запасов энергии в электрическом и магнитном полях цепи условиям нового режима. В течение переходного режима это несоответствие устраняется изменением энергии полей.

Уравнение переходного тока

После включения участка электрической цепи с активным сопротивлением R и индуктивностью L на синусоидальное напряжение (рис. 25.18) начинается переходный период, к концу которого в цепи устанавливается синусоидальный ток.

Рис. 25.18. Схема катушки индуктивности, включенной на переменное напряжение

Момент включения цепи будем полагать началом отсчета времени (t = 0).
Пусть приложенное напряжение изменяется по закону

где ψ — начальная фаза.
В момент включения цепи напряжение имеет величину

Ток в цепи после ее включения представляется суммой принужденной и свободной составляющих:
В установившемся режиме синусоидальный ток в катушке сдвинут по фазе относительно напряжения на угол φ, определяемый соотношением активного и индуктивного сопротивлений катушки. Установившийся ток, как известно, является принужденной составляющей переходного тока:

где
    
Свободная составляющая переходного тока не зависит от формы приложенного напряжения и изменяется по такому же закону [см. формулу (25.10)], что и при включении катушки на постоянное напряжение, равное мгновенному напряжению источника (u₀) в момент включения цепи (t = 0):

где К₆ — постоянная интегрирования, равная свободной составляющей тока при t = 0, т. е.   — постоянная времени цепи.
Таким образом, переходный ток

Постоянную К₆ находят с помощью первого закона коммутации: в начальный момент (t = 0) ток в цепи равен нулю, так как ранее цепь была разомкнута и ток в катушке скачком измениться не может.

Рис. 25.19. Графики переходного процесса в катушке индуктивности после включения на переменное напряжение

Поэтому

отсюда следует, что
Bp (25.25)

Следовательно,

Уравнение свободной составляющей

Переходный ток

Графики переходного тока и его составляющих показаны на рис. 25.19.

Влияние на переходный процесс начальной фазы приложенного напряжения

Рассматривая рис. 25.19, можно заметить, что изменения установившегося и переходного токов носят колебательный характер, причем колебания установившегося тока совершаются около оси ωt, а переходного тока — около кривой i_св(t). Обусловлено это тем, что свободная составляющая переходного тока, внося искажения, как бы смещает график синусоидального тока и искривляет его ось. Степень искажения зависит от того, в какой момент включена цепь, так как в выражение свободной составляющей (25.29) входит начальная фаза приложенного к цепи напряжения.

Рис. 25.20. Графики переходного процесса после включения катушки индуктивности (при ψ = φ)

Рис. 25.21. Графики переходного процесса после включения катушки индуктивности (при ψ = φ + 90°)

Если включение катушки произошло в момент, когда принужденная составляющая переходного тока равна нулю [т. е. при ψ = φ, см. формулу (25.27)], то свободная составляющая не возникает: согласно (25.27), при ψ = φ i_св = 0. Иначе говоря, в этом случае переходный период отсутствует и в цепи с первого момента после включения наступает установившийся режим (рис. 25.20).
Наибольшая величина свободного тока в начальный момент времени может быть равна амплитуде установившегося тока. Это имеет место при ψ = φ + 90°, когда в момент включения цепи принужденная составляющая тока равна амплитуде I_m (рис. 25.21):

В этом случае свободная составляющая переходного тока затухает быстрее или медленнее в зависимости от величины постоянной времени цепи, а переходный ток в соответствии с этим приближается к установившемуся.
В цепях с большой постоянной времени (с большой индуктивностью и малым сопротивлением) свободная составляющая переходного тока затухает медленно, поэтому переходный ток в течение первого полупериода достигает величины, равной почти удвоенной амплитуде установившегося тока:

Короткое замыкание в цепи переменного тока

При внезапном коротком замыкании скачком уменьшается сопротивление цепи Z. Переходный процесс, возникающий в результате изменения сопротивления, рассмотрим на схеме рис. 25.22, где электрическая нагрузка, представленная сопротивлением Z_н, подключена через сопротивление Z_л к источнику синусоидального напряжения с постоянной амплитудой и неизменной частотой. Такой схемой замещения можно представить реальную
цепь, в которой к шинам трансформаторной подстанции через линию (Z_л) подключена группа потребителей электрической энергии (Z_н).

Рис. 25.22. Схема короткого замыкания в цепи переменного тока

Уравнение кривой переходного тока

Предположим, что сопротивление цепи изменилось в результате короткого замыкания в конце линии, как показано на рис. 25.22. При этом будем считать, что синусоидальное напряжение источника остается неизменным по амплитуде (принятое условие неизменности амплитуды напряжения соответствует короткому замыканию на участке, отделенном от мощных источников питания большим сопротивлением).

До короткого замыкания установившийся режим характеризуется напряжением  и током:

Уравнение напряжения, приложенного к цепи,

где ψ— фазовый угол, определяющий напряжение в начальный момент короткого замыкания (t = 0).
Установившийся ток до короткого замыкания отстает от напряжения на угол  зависящий от параметров линии и нагрузки:

В этом случае уравнение тока

Установившийся режим после короткого замыкания характеризуется тем же напряжением U и током

Уравнение установившегося тока

где φ₂ — угол сдвига фаз напряжения и установившегося тока короткого замыкания, определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений короткозамкнутой цепи:

Переходный ток в короткозамкнутой линии представим суммой принужденной и свободной составляющих:
( — установившийся ток короткого замыкания).
Свободная составляющая тока изменяется по тому же закону, по которому она изменяется в цепи по схеме рис. 25.9 при уменьшении сопротивления:

где τ₂ — постоянная времени короткозамкнутой цепи:

K₇ — постоянная величина, определяемая из начальных условий.
В начальный момент переходного периода, согласно первому закону коммутации, следовательно,

Отсюда

Свободная составляющая переходного тока, согласно уравнению (25.34)

Переходный ток короткого замыкания выражается уравнением

На рис. 25.23 показаны графики напряжения и тока в цепи до и после короткого замыкания.

Влияние начальной фазы напряжения на переходный процесс короткого замыкания

Ток короткого замыкания, как уже отмечено, складывается из двух составляющих — принужденной составляющей, равной установившемуся току короткого замыкания, и свободной составляющей, затухающей благодаря наличию в цепи активного сопротивления.

Принужденная составляющая изменяется по синусоидальному закону, и поэтому ее называют периодической составляющей, а свободная составляющая не изменяет знака, и ее называют апериодической составляющей тока короткого замыкания.

Начальную величину свободной составляющей определяют из уравнения (25.36):

Она зависит от начальной фазы напряжения ψ, т. е. от момента возникновения короткого замыкания.

Рис. 25.23. Графики переходного процесса при коротком замыкании в цепи переменного тока (при )

Рис. 25.24. Графики переходного процесса при коротком замыкании в цепи переменного тока (при )

Наиболее тяжелым случаем является короткое замыкание в момент, когда мгновенное напряжение на зажимах цепи равно нулю (), а сопротивление цепи короткого замыкания чисто индуктивное (). Соответствующий график тока короткого замыкания показан на рис. 25.24.

В реальных электрических сетях индуктивное сопротивление цепи короткого замыкания во многих случаях значительно больше активного, поэтому при расчете токов короткого замыкания активное сопротивление часто не учитывают. При этом условии свободная составляющая переходного тока в момент t = 0 близка к наибольшей возможной величине, равной амплитуде периодической составляющей. Если активное сопротивление цепи короткого замыкания мало, свободная составляющая затухает медленно, поэтому в самом неблагоприятном случае за время, приблизительно равное полупериоду, ток короткого замыкания достигает своей наибольшей величины, близкой к удвоенной амплитуде установившегося тока короткого замыкания.
Наибольший мгновенный ток короткого замыкания называют ударным током (i_уд).

Свободная составляющая тока короткого замыкания затухает тем быстрее, чем меньше постоянная времени цепи короткого замыкания τ₂, т. е. чем больше активное сопротивление и меньше индуктивность.
Параметры цепей короткого замыкания в реальных электроустановках обычно такие, что свободная составляющая тока короткого замыкания заметно проявляется в течение 0,1—0,2 с.

Методы анализа переходных процессов в линейных цепях с сосредоточенными параметрами

Как отмечено ранее, в установившемся режиме токи и напряжения всех ветвей электрической цепи изменяются по периодическому закону или, в частном случае, сохраняют неизменные значения. Всякое изменение как топологии цепи, так и параметров входящих в нее элементов: подключение или отключение отдельных ветвей, изменение параметров пассивных элементов или параметров источников энергии, нарушает периодический характер изменения токов и напряжений ветвей, т. е. приводит к тому, что режим работы цепи становится неустановившимся. Любое скачкообразное изменение в цепи, приводящее к нарушению установившегося режима, будем называть коммутацией. Если внешнее воздействие на цепь и после коммутации имеет периодический характер, то с течением времени (теоретически через бесконечно большой промежуток времени) цепь перейдет в новый установившийся режим. Неустановившиеся процессы, которые имеют место в цепи при переходе от одного установившегося режима к друюму, называются переходными.

При анализе переходных процессов в цепи, как правило, можно пренебречь длительностью процесса коммутации, т. е. считать, что коммутация осуществляется практически мгновенно. Начало отсчета времени переходного процесса обычно совмещают с моментом коммутации, причем через t=0_ обозначают момент времени, непосредственно предшествующий коммутации, а через или — момент времени, следующий непосредственно за коммутацией (начальный момент времени после коммутации).

Переходные процессы, связанные с изменением топологии цепи или различными коммутациями пассивных элементов, присущи в основном устройствам производства, передачи и преобразования электрической энергии. Для радиотехнических устройств более характерен режим, когда топология цепи и параметры пассивных элементов неизменны, а внешнее воздействие на цепь изменяется по произвольному (чаще всего непериодическому) закону. Понятие коммутации в том виде, как оно было сформулировано ранее, по сути дела, теряет смысл, так как изменение параметров источников энергии происходит практически непрерывно. При анализе неустановившихся процессов в радиотехнических цепях начало отсчета времени выбирают исходя из постановки задачи, независимо от того, находилась ли цепь до этого момента времени в установившемся режиме или нет. Для единства терминологии начало отсчета времени неустановившихся процессов, имеющих место в радиотехнических цепях, обычно также называют моментом коммутации.

Законы коммутации

Переход реальной электрической цепи от одного установившегося режима к другому не может происходить мгновенно, скачком. Это объясняется тем, что каждому установившемуся состоянию соответствует определенное значение энергии, запасенной в электрическом и магнитном полях. Скачкообразный переход от одного установившегося режима к другому потребовал бы скачкообразного изменения запасенной энергии,- что, учитывая выражение (1.5), возможно только, если источники энергии обладают бесконечно большой мощностью, т. е. отдаваемые ими токи или напряжения могут принимать бесконечно большие значения. В связи с тем что любой реальный источник энергии может отдавать только конечную мощность, суммарная энергия, запасенная в цепи, может изменяться только плавно, т. е. представляет собой непрерывную функцию времени. Принимая во внимание, что запасенная в цепи энергия определяется суммарными зарядом всех конденсаторов и потокосцеплением всех индуктивных катушек, приходим к выводу, что суммарные потокосцепление и заряд цепи также являются непрерывными функциями времени, в частности после коммутации они равны суммарному потокосцеплению и суммарному заряду цепи в момент времени

Это положение известно под названием принципа непрерывности во времени суммарного потокосцепления и суммарного электрического заряда цепи. В реальных цепях в момент коммутации возможны коммутационные потери энергии, например потери энергии за счет искры или электрической дуги между контактами переключателей, поэтому суммарная энергия цепи после коммутации может быть несколько меньше суммарной энергии цепи до коммутации.

Если электрическая цепь не содержит энергоемких элементов, то процесс ее перехода от одного установившегося режима к другому должен происходить мгновенно. Такие безреактивные цепи можно рассматривать только в качестве весьма упрощенных моделей реальных цепей.

Если коммутация идеализированной электрической цепи не затрагивает ветвей, содержащих реактивные элементы, т. е. в процессе коммутации не производится подключения или отключения ветвей, содержащих емкости и индуктивности, и не происходит скачкообразного изменения их параметров, то из принципа непрерывности суммарных потокосцепления и заряда цепи следует непрерывность токов индуктивностей и напряжений емкостей. Вывод о непрерывности токов индуктивностей и напряжений емкостей формулируется в виде законов (правил) коммутации.

Первый закон коммутации: в начальный момент времени после коммутации ток индуктивности сохраняет такое же значение, как и непосредственно перед коммутацией:

а затем плавно изменяется, начиная с этого значения.

Второй закон коммутации: в начальный момент времени после коммутации напряжение на емкости сохраняет такое же значение, как и непосредственно перед коммутацией:

а затем плавно изменяется, начиная с этого значения.

Законы коммутации не накладывают ограничений на характер изменения токов емкостей, напряжений индуктивностей и токов или напряжений сопротивлений, которые могут изменяться произвольным образом, в том числе и скачкообразно.

Как известно, в теории цепей рассматриваются процессы, имеющие место в идеализированных цепях при идеализированных внешних воздействиях. Применение чрезмерно упрощенных моделей элементов цепей и внешних воздействий может привести к нарушению предпосылок, использованных при формулировании законов коммутации, и вследствие этого к нарушению самих законов. Так, представляют интерес случаи, когда идеализированные источники энергии в течение бесконечно короткого промежутка времени могут отдавать бесконечно большой ток или напряжение, т. е. развивать бесконечно большую мощность. При таких внешних воздействиях законы коммутации нарушаются и токи индуктивностей или напряжения емкостей изменяются скачкообразно.

Законы коммутации могут не выполняться и при некоторых коммутациях, затрагивающих ветви, содержащие реактивные элементы. Коммутации такого типа называются некорректными. Анализ процессов в цепях при некорректных коммутациях производят с использованием принципа непрерывности суммарных потокосцепления и электрического заряда цепи, который имеет более общий характер, чем законы коммутации.

Следует подчеркнуть, что некорректность коммутации возникает вследствие излишне упрощенного рассмотрения процесса коммутации или в результате применения чрезмерно упрощенных моделей элементов и может быть устранена при более строгом анализе.

Таким образом, термин «некорректная коммутация» является не вполне удачным: правильнее говорить не о некорректной коммутации, а о некорректной постановке задачи коммутации.

Пример 6.1.

Рассмотрим процесс зарядки конденсатора от гальванического элемента. Если использовать последовательные схемы замещения конденсатора и источника энергии (рис. 6.1, а), то переключение ключа S из положения 1 в положение 2 (или наоборот) является корректной коммутацией.

Действительно, пусть в исходном состоянии ключ находится в ,положении 1 и емкость С полностью разряжена, а в момент времени t = 0 ключ перебрасывается в положение 2. Если бы в результате коммутации напряжение та емкости возросло скачком, то в соответствии с компонентным уравнением емкости (1.13) ток цепи достиг бы бесконечно большого значения, что привело бы к .тому, что левая часть уравнения баланса напряжений для цепи, получающейся после коммутации не равнялась бы правой части.

Таким образом, предположение о том, что в рассматриваемой цепи нарушается второй закон коммутации, приводит к явно неправильному результату. Следовательно, в начальный момент времени после коммутации напряжение на емкости сохраняет то же значение, что и в момент времени, непосредственно предшествующий коммутации:  а затем плавно увеличивается, стремясь в пределе к новому установившемуся значению, роемому э.д.с. источника напряжения (в установившемся режиме ток через емкость равен нулю, и из уравнения баланса напряжений следует, что = Е).

Если в исходном состоянии ключ находится в положении 2, а емкость С заряжена до напряжения Е, то при перебросе ключа в положение 1 напряжение на емкости в начальный момент времени после коммутации сохраняет значение, которое было в момент времени, непосредственно предшествующий коммутации, напряжение на сопротивлении скачком становится равным — (0+) = —Е, а ток сопротивления скачком возрастает до значения (0+)= Затем напряжение и ток емкости плавно уменьшаются, стремясь в пределе к нулю.

Если упростить схему замещения конденсатора и исключить из нее последовательное сопротивление (рис. 6.1, б), то перевод ключа из положения 1 в положение 2 будет по-прежнему оставаться корректной коммутацией в то время, как перевод ключа из положения 2 в положение 1 — станет некорректной коммутацией (некорректность коммутации объясняется тем, что рассматриваемая схема замещения цепи не учитывает потерь энергии в конденсаторе и соединительных проводах, а также энергию, выделяющуюся вместе с искрой между контактами ключа. В зависимости от требуемой точности анализа необходимо либо принять, что напряжение на емкости скачком изменилось от одного установившегося значения до другого, либо применить более сложную схему замещения цепи с учетом ключа и соединительных проводников).

Если упрощать и далее схему замещения цепи (исключив из нее внутреннее сопротивление источника (рис. 6.1, в), то перевод ключа из одного положения в другое всегда будет представлять собой некорректную коммутацию.

Пример 6.2.

Рассмотрим идеализированную цепь (рис. 6.2). Пусть в исходном состоянии ключ S находится в положении 1, через индуктивность протекает постоянный ток а ток индуктивности равен нулю: 

Если в момент времени t=0 ключ S перебросить из положения 1 в положение 2, то индуктивности окажутся включенными последовательно и их токи должны мгновенно уравняться (для соблюдения уравнения баланса токов). Очевидно, что такая коммутация некорректна, причем начальное значение тока индуктивностей после коммутации может быть определено из принципа непрерывности потокосцепления:  откуда

При анализе такой цепи обычно принимается, что токи индуктивностей скачком изменяются до уровня а затем плавно увеличиваются, начиная с этого уровня, до установившегося значения

Можно убедиться, что энергия данной цепи непосредственно после коммутации

меньше, чем энергия, запасенная в индуктивности  до коммутации:

причем разность между этими величинами равна энергии коммутационных потерь. Рассмотренная коммутация может быть сделана корректной, если при анализе принять во внимание конечное время коммутации, применить более точные модели индуктивных катушек, содержащие не только сопротивления потерь, но и паразитные емкости, и учесть явления, имеющие место в искре или дуге между контактами. Разумеется, учет этих явлений существенно усложняет анализ.

Общий подход к анализу переходных процессов

Задача анализа переходных процессов заключается в общем случае в определении мгновенных значений токов и напряжений всех или части ветвей электрической цепи в произвольный момент времени после коммутации. Для этого необходимо найти общее решение основной системы уравнений электрического равновесия цепи или системы уравнений электрического равновесия, составленной любым другим способом, при t> 0. Исключая из системы уравнений все неизвестные величины, кроме одной, получают дифференциальное уравнение цепи, составленное относительно этой величины. Таким образом, задача анализа переходных процессов может быть сведена к решению дифференциального уравнения цепи при t > 0. В частности, задача анализа переходных процессов в линейной инвариантной во времени цепи с сосредоточенными параметрами -ro порядка сводится к нахождению об

щего решения линейного неоднородного дифференциального уравнения -ro порядка вида (1.61).

Общее решение такого уравнения содержит v произвольных постоянных, для нахождения которых необходимо задать значения искомой функции у и ее — 1 первых производных в начальный момент времени после коммутации, т. е. при t = Эти величины определяют с помощью законов коммутации на основании анализа процессов, имеющих место в рассматриваемой цепи перед коммутацией. В результате анализа цепи до коммутации рассчитывают значения токов всех индуктивностей и напряжения всех емкостей в момент времени, непосредственно предшествующий коммутации. Далее, используя законы коммутации (в более общем случае — принцип непрерывности потокосцепления и электрического заряда цепи), находят значения токов индуктивностей и напряжений емкостей в начальный момент времени после коммутации. Очевидно, что для определения v начальных условий требуется применить законы коммутации к v независимо включенным реактивным элементам, т. е. к реактивным элементам, включенным таким образом, что их энергетическое состояние может быть задано независимо. Следовательно, порядок сложности цепи, равный порядку дифференциального уравнения цепи определяется числом независимо включенных реактивных элементов. Совокупность начальных значений токов независимо включенных индуктивностей и напряжений независимо включенных емкостей представляет собой независимые начальные условия цепи. Используя независимые начальные условия и уравнения электрического равновесия цепи после коммутации, находят зависимые начальные условия, т. е. значения токов и напряжений любых ветвей и их производных в момент времени t =  

Если энергия, запасенная в цепи в момент времени, непосредственно предшествующий коммутации, равна нулю, то говорят, что цепь анализируется при нулевых начальных условиях. Если начальный запас энергии не равен нулю, то цепь анализируется при ненулевых начальных условиях (в первом случае все независимые начальные условия равны нулю, во втором случае хотя бы одно из них имеет ненулевое значение).

Следует обратить внимание на то, что независимые начальные условия, а следовательно, токи и напряжения ветвей цепи после коммутации определяются исходя из энергетического состояния цепи только в момент времени, непосредственно предшествующий коммутации (t = 0_), и не зависят от характера процессов, имеющих место в рассматриваемой цепи до коммутации (при ).

Определение порядка сложности цепи

В некоторых случаях порядок сложности электрической цепи v бывает желательно выяснить еще до составления уравнений электрического равновесия. Очевидно, что значение не может превышать общего числа реактивных элементов цепи В связи с тем что последовательно или параллельно включенные реактивные элементы одного типа не являются энергетически независимыми, при подсчете необходимо объединять такие элементы и заменять их эквивалентным элементом соответствующего типа.

Если в цепи имеется так называемый емкостный контур, т е. контур, образованный только емкостями и, может быть, независимыми источниками напряжения, то напряжение любой из емкостей такого контура выражают через напряжения других емкостей с помощью уравнения баланса напряжений, составленного для данного емкостного контура. Таким образом, наличие в цепи емкостного контура уменьшает на единицу число независимо включенных емкостей и снижает порядок сложности цепи.

Число независимо включенных индуктивностей снижается при наличии в цепи так называемого индуктивного сечения, т. е. сечения, в которое входят только индуктивности, и, может быть, независимые источники тока. Частным случаем индуктивного сечения является индуктивный узел (узел, к которому подключены только индуктивности и независимые источники тока). Ток, а следовательно, и энергия любой из индуктивностей, входящей в индуктивное сечение, могут быть выражены через токи других индуктивностей на основании уравнений баланса токов, составленного для данного сечения.

Если в состав цепи входит несколько емкостных контуров или индуктивных сечений, то при оценке числа независимо включенных реактивных элементов учитывают только независимые емкостные контуры и независимые индуктивные сечения, т. е. такие контуры и сечения, уравнения баланса напряжений и токов которых независимы.

Таким образом, порядок сложности линейной цепи, составленной только из идеализированных пассивных элементов и независимых источников тока или напряжения:

Где — общее число реактивных элементов; — число независимых емкостных контуров; — число независимых индуктивных сечений.

Следует иметь в виду, что порядок сложности цепи зависит также от соотношений между параметрами входящих в нее элементов, поэтому выражение (6.4) позволяет оценить только максимально возможное значение порядка сложности цепи (в том числе и цепи с управляемыми источниками).

Пример 6.3.

Определим порядок сложности цепи, схема которой приведена на рис. 6.3, а.

Преобразуя участки цепи, содержащие последовательно и параллельно включенные однотипные реактивные элементы (рис. 6.3, б), определяем общее число реактивных элементов цепи = 6. Рассматриваемая цепь содержит один емкостной контур, образованный емкостями и источником напряжения е, и одно индуктивное сечение (индуктивности поэтому порядок сложности данной цепи не может превышать четырех.

Классический метод анализа переходных процессов

Свободные и принужденные составляющие токов и напряжений:

Классический метод анализа переходных процессов в линейных инвариантных во времени цепях с сосредоточенными параметрами основан на классическом методе решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Как известно, общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами [см. (1.61)]

равно сумме частного решения этого уравнения и общего решения однородного дифференциального уравнения

которое получается из (1.61) при f(t) = 0.

Общее решение однородного дифференциального уравнения (6.5) характеризует так называемые свободные процессы в цепи, т. е. процессы в цепи после коммутации в отсутствие внешних источников энергии (напомним, что функция f (t) обращается в нуль при выключении всех независимых источников тока и напряжения).

Таким образом, характер свободных процессов ие зависит от вида внешнего воздействия на цепь, а определяется только параметрами пассивных элементов и линейно управляемых источников, а также топологией цепи после коммутации.

Свободные процессы в цепи протекают за счет разности энергий, соответствующих установившимся режимам работы цепей до и после коммутации. В связи с тем что эта разность имеет конечное значение, свободные процессы в цепях с потерями с течением времени затухают (в идеализированных цепях без потерь свободные процессы имеют незатухающий характер).

Частное решение уравнения (1.61) определяет принужденный режим работы цепи, т.е. режим, задаваемый действующими в цепи независимыми источниками энергии.

Если внешнее воздействие иа цепь после коммутации изменяется по периодическому закону (сохраняет неизменное значение), то частное решение уравнения (1.61) характеризует установившийся режим цепи после коммутации.

Итак, при использовании классического метода анализа переходных процессов искомая реакция цепи у (ток или напряжение какойлибо ветви после коммутации) представляется в виде суммы свободной и принужденной составляющих:

Свободная составляющая реакции цепи с течением времени затухает поэтому принужденная составляющая реакции представляет собой установившееся значение искомого тока или напряжения после коммутации

Для определения принужденной составляющей реакции цепи можно воспользоваться рассмотренными ранее методами анализа линейных цепей в установившемся режиме. Если после коммутации токи всех независимых источников тока и напряжения всех независимых источников напряжения не изменяются, то с течением времени в цепи после коммутации установится режим постоянного тока. Очевидно, что принужденная составляющая реакции цепи в этом случае будет являться постоянным током или напряжением.

Если после коммутации цепь находится под гармоническим воздействием определенной частоты, то принужденная составляющая реакции цепи также будет гармонической функцией времени и для определения можно воспользоваться методом комплексных амплитуд.

Если цепь после коммутации находится под воздействием нескольких источников гармонических колебаний различной частоты, то, используя принцип наложения, мгновенное значение можно найти как сумму мгновенных значений частичных токов или напряжений, вызванных в установившемся после коммутации режиме каждым из источников в отдельности. Применяя принцип наложения, можно найти принужденную составляющую реакции цепи и тогда, когда внешнее воздействие на цепь х (t) описывается периодической функцией более сложного вида, удовлетворяющей условиям Дирихле, т. е. имеющей на конечном интервале конечное число максимумов и минимумов и конечное число разрывов первого рода. В этом случае Функция х (t) может быть разложена в ряд Фурье (представлена в виде суммы гармонических колебаний кратных частот), а мгновенное значение может быть найдено как сумма мгновенных значений частичных токов или напряжений, вызванных в установившемся после коммутации режиме каждой из гармонических составляющих внешнего воздействия в отдельности.

Для определения свободной составляющей реакции цепи необходимо найти корней характеристического уравнения

соответствующего однородному уравнению (6.5). Когда все корни уравнения (6.6) простые (различные), свободная составляющая реакции имеет вид

т. е. каждому простому корню соответствует слагаемое свободной составляющей вида

где —постоянная интегрирования.

Если какой-либо корень  характеристического уравнения (6.6) имеет кратность n, то этому корню соответствует слагаемое свободной составляющей вида

Характеристическое уравнение (6.6) может иметь вещественные или комплексные корни, причем все корни  характеристического уравнения линейной цепи, составленной из идеализированных пассивных элементов и независимых источников энергии, расположены в левой полуплоскости комплексного переменного р (включая и мнимую ось): так как только в этом случае свободные процессы в цепи имеют затухающий (точнее, ненарастающий) характер.

Общая схема применения классического метода анализа переходных процессов

Наметим основные этапы классического метода анализа переходных процессов в линейных инвариантных во времени цепях с сосредоточенными параметрами.

1. Анализ цепи до коммутации. В результате этого анализа определяют токи индуктивностей и напряжения емкостей в момент времени, непосредственно предшествующий коммутации (t= 0_).

2. Определение независимых начальных условий. Независимые начальные условия представляют собой токи индуктивностей и напряжения емкостей в момент времени (t = ). Независимые начальные условия находят с помощью законов коммутации или принципа непрерывности потокосцепления и электрического заряда цепи.

3. Составление дифференциального уравнения цепи после коммутации (при Дифференциальное уравнение цепи получают из системы уравнений электрического равновесия цепи, составленной любым методом, путем исключения всех неизвестных величин, кроме одной, представляющей собой Ток или напряжение какой-либо ветви.

4. Анализ установившегося процесса в цепи после коммутации (при В результате анализа установившегося процесса в цепи после коммутации находят принужденную составляющую реакции цепи (частное решение дифференциального уравнения цепи).

5. Определение свободной составляющей реакции цепи. На этом этапе составляют характеристическое уравнение цепи, находят его корни и определяют общий вид свободной составляющей реакции цепи (общее решение однородного дифференциального уравнения, соответствующего дифференциальному уравнению цепи после коммутации).

6. Нахождение общего вида реакции цепи. Общий вид реакции цепи (общее решение дифференциального уравнения цепи) находят путем суммирования свободной и принужденных составляющих реакции цепи.

7. Определение постоянных интегрирования. Постоянные интегрирования находят по зависимым начальным условиям (значениям искомых токов или напряжений и их — 1 первых производных в начальный момент времени после коммутации). Для определения зависимых начальных условий используют независимые начальные условия и уравнения электрического равновесия цепи после коммутации.

8. Определение реакции цепи, соответствующей заданным начальным условиям. Подставляя постоянные интегрирования в общее решение дифференциального уравнения цепи после коммутации, находят частное решение дифференциального уравнения, соответствующее заданным начальным условиям, т. е. искомый ток или напряжение одной из ветвей при t>0.

Переходные процессы в последовательной RС-цепи при скачкообразном изменении э. д. с.

Рассмотрим переходные процессы в последователоной RС-цепи (рис. 6.4, а) при скачкообразном изменении э. д. с. идеализированного источника постоянного напряжения

Такое изменение э. д. с. источника напряжения происходит наприМеР, когда в цепи, схема которой приведена на рис. 6.4, б, ключ S в момент времени t = 0 перебрасывают из положения 1 в положение 2.

Очевидно, что в момент времени, непосредственно предшествовавший коммутации, напряжение на емкости равнялось напряжению на зажимах источника энергии при t<0 (предполагается, что до коммутации цепь находилась в установившемся режиме). Используя второй закон коммутации, находим единственное независимое начальное условие

Дифференциальное уравнение рассматриваемой цепи можно составить относительно любой из неизвестных величин (напряжения на сопротивлении напряжения на емкости тока сопротивления

 тока емкости  однако, учитывая, что для данной цепи известно начальное значение напряжения на емкости, целесообразно составить уравнение относительно этого напряжения.

Исключая из основной системы уравнений электрического равновесия цепи при

все неизвестные величины, кроме получаем

Напряжение на емкости при представим в виде суммы принужденной и свободной составляющих

Очевидно, что с течением времени после коммутации в цепи должен установиться режим постоянного тока, причем установившееся значение тока емкости будет равно нулю (сопротивление емкости постоянному току бесконечно велико), а установившееся значение напряжения на емкости — напряжению источника энергии после коммутации. Таким образом, принужденная составляющая напряжения на емкости

Характеристическое уравнение цепи

имеет единственный корень

где — постоянная времени последовательной RС-цепи, поэтому свободная составляющая напряжения на емкости содержит один экспоненциальный член

Используя выражения (6.10), (6.11) и (6.12), находим напряжение на емкости после коммутации при произвольных начальных условиях

Для определения постоянной интегрирования воспользуемся независимым начальным условием (6.9). Полагая в (6.13) получаем откуда

Таким образом, при заданных начальных условиях напряжение на емкости после коммутации  определяется выражением

Зависимость напряжения на емкости от времени при различных соотношениях между показана на рис. 6.4, в— д. Здесь же показана зависимость от времени тока емкости которая при определяется путем дифференцирования выражения (6.14) по времени и умножения результата на С:

Как видно из рисунка, в начальный момент после коммутации напряжение на емкости сохраняет то же значение, что и до коммутации, а затем плавно изменяется, стремясь в пределе к новому установившемуся значению. Ток емкости в начальный момент скачком изменяется от нуля до начального значения:

а затем плавно уменьшается, стремясь в пределе к нулю. В связи с тем что установившееся значение тока емкости до и после коммутации равно нулю, ток рассматриваемой цепи содержит только свободную составляющую.

Анализ выражения (6.16) показывает, что значение тока емкости численно равно постоянному току, который протекал бы в цепи после коммутации, если бы емкость С была заменена идеальным источником напряжения э. д. с. Следовательно, в начальный момент времени после коммутации емкость ведет себя подобно источнику напряжения, э. д. с. которого равна начальному значению напряжения на емкости. Если начальное значение напряжения на емкости равно нулю, то в начальный момент после коммутации ветвь с емкостью можно считать короткозамкнутой, т. е. сопротивление емкости равно нулю.

Далее (см. пример 6.4) будет показано, что в начальный момент времени после коммутации индуктивность ведет себя подобно источнику тока, ток которого равен начальному значению тока через индуктивность. При  ветвь с индуктивностью в начальный момент времени можно считать разомкнутой, т. е. сопротивление индуктивности при t = имеет бесконечно большое значение.

Как видно из выражений (6.12) и (6.15), скорость затухания свободных составляющих тока и напряжения емкости не зависит от значения э. д. с. идеализированного источника напряжения до и после коммутации, а определяется только постоянной времени цепи которая численно равна промежутку времени, в течение которого свободные составляющие тока и напряжения уменьшаются в 2,718 раз. Можно показать, что при любом

Таким образом, постоянная времени рассматриваемой цепи численно равна длине подкасательной к кривой или при любом значении т. е. длине отрезка временной оси, заключенного между какой-либо точкой и точкой пересечения временной оси касательной, проведенной к кривой или в точке или Для определения постоянной времени цепи касательную к кривым или наиболее удобно проводить при = 0. В этом случае она пересекает ось времени в точке t =  (рис. 6.4, в—д).

Чем больше постоянная времени цепи, тем медленнее затухают свободные составляющие токов и напряжений и, следовательно, токи и напряжения цепи медленнее приближаются к установившимся значениям.

Теоретически процесс установления нового режима длится бесконечно долго, однако, учитывая, что к моменту времени, равному после коммутации, свободные составляющие уменьшаются до уровня менее 0,02 от начального значения, переходные процессы в цепи можно считать практически закончившимися через промежуток времени после коммутации.

Подключение к последовательной RL-цепи источника гармонического напряжения

Рассмотрим переходные процессы в последовательной RL-цепи, содержащей идеализированный источник, э. д. с. которого е (t) изменяется во времени по закону

Временная диаграмма е (t) при > 0 приведена на рис. 6.5, а. В этом случае ток индуктивности в момент времени, непосредственно предшествующий коммутации, (0_) = 0.

Дифференциальное уравнение цепи, составленное относительно тока при имеет вид

Принужденная составляющая тока может быть найдена с помощью метода комплексных амплитуд

где —модуль и аргумент комплексного входного сопротивления рассматриваемой цепи. Характеристическое уравнение цепи

имеет единственный корень = —R/L, поэтому свободная составляющая тока содержит один экспоненциальный член

где  = L/R — постоянная времени последовательной RL-цепи.

Суммируя свободную и принужденную составляющие, находим общее решение дифференциального уравнения цепи (6.18) после коммутации:

Для определения постоянной интегрирования воспользуемся первым законом коммутации, в соответствии с которым начальное значение тока рассматриваемой цепи должно равняться нулю:

Подставляя (6.20) в выражение (6.19), получаем откуда

С учетом (6.21) выражение для тока рассматриваемой цепи после коммутации принимает вид

Характер переходных процессов зависит от соотношения между начальной фазой э. д. с. идеализированного источника напряжения и аргументом входного сопротивления цепи. Если выбирают таким образом, что начальные значения принужденной и свободной составляющих равны нулю то свободная составляющая тока тождественно равна нулю. Переходные процессы в цени в этом случае отсутствуют, т. е. установившийся режим наступает сразу же после коммутации. При или начальные значения свободной и принужденной составляющих максимальны, и отличие в форме кривых выражено наиболее резко (рис. 6.5, б).

Как и для последовательной RC-цепи, скорость затухания свободной составляющей тока рассматриваемой цепи не зависит от характера внешнего воздействия, а определяется только постоянной времени За промежуток времени t = свободная составляющая тока уменьшается в е раз и к моменту времени после коммутации переходные процессы в цепи можно считать практически закончившимися.

Подключение к последовательной RLC-цепи источника постоянного напряжения

Последовательная RLС-цепь содержит два независимо включенных реактивных элемента, поэтому процессы в ней описываются дифференциальным уравнением второго порядка, а для определения постоянных интегрирования необходимо задать два независимых начальных условия. Если э. д. с. идеального источника напряжения изменяется во времени по закону

то независимые начальные условия цепи имеют нулевые значения

Составим уравнение электрического равновесия цепи по методу токов ветвей

Дифференцируя правую и левую части (6.23), получаем дифференциальное уравнение рассматриваемой цепи после коммутации

Для определения единственного решения этого уравнения, соответствующего заданному режиму работы цепи до коммутации, необходимо определить начальные значения тока цепи и его первой производной по времени. Начальное значение тока цепи совпадает с начальным значением тока индуктивности

а начальное значение первой производной тока цепи по времени может быть найдено с использованием независимых начальных условий (6.22) и уравнения электрического равновесия цепи (6.23) при

В связи с тем что установившееся значение тока этой цепи после коммутации равно нулю, ток при содержит только свободную составляющую:

Характеристическое уравнение последовательной RLC-цепи

имеет два корня 

где  — коэффициент затухания;  — резонансная частота цепи. В зависимости от соотношения между величинами  и  или, что то же самое, в зависимости от добротности цепи,

корни характеристического уравнения (6.27) могут быть вещественными различными, комплексно-сопряженными или вещественными одинаковыми (кратными). Рассмотри каждый из этих случаев.

Вещественные различные корни. При малой добротности последовательной RLC-цепи (Q<12, т.е. R>2p) характеристическое уравнение (6.27) имеет два различных вещественных отрицательных корня, а выражение для тока цепи после коммутации содержит два экспоненциальных члена:

Дифференцируя правую и левую части выражения (6.29) 

 и используя зависимые начальные условия (6.25), (6.26), составляем уравнения для определения постоянных интегрирования  и   откуда 

С учетом (6.30) выражение для тока цепи после коммутации принимает вид

Расположение корней  характеристического уравнения в плоскости комплексного переменного р и зависимость нормированного тока рассматриваемой цепи от времени

приведены на рисунке 6.6,а. Переходный процесс в цепи носит апериодический (неколебательный) характер, причем вследствие того, что  вторая составляющая нормированного тока цепи  затухает быстрее, чем первая 

Комплексно-сопряженные корни добротности последовательной RLС-цепи (Q> 1/2, т. е. R < 2р и характеристическое уравнение (6.27) имеет два комплексно-сопряженных корня

где — частота свободных колебаний в цепи (смысл этого понятия будет ясен из последующего изложения). Ток цепи после коммутации, как и в предыдущем случае, определяется выражением 

(6.29), которое после нахождения постоянных интегрирования

 может быть с учетом соотношения

преобразовано к виду

где 

Таким образом, при включении в последовательную RLС-цепь с высокой добротностью идеального источника постоянного напряжения переходные процессы в ней имеют колебательный характер. Ток цепи представляет собой затухающую гармоническую функцию, амплитуда которой экспоненциально уменьшается во времени. Колебательный характер переходного процесса в цепи связан с периодическим обменом энергией между емкостью и индуктивностью, а затухание колебаний объясняется потерями энергии в сопротивлении.

Расположение корней характеристического уравнения в плоскости комплексного переменного р и зависимость тока цепи от времени показаны на рис. 6.6, б. Корни характеристического уравнения расположены симметрично относительно действительной оси в левой полуплоскости на полуокружности с радиусом, численно равным резонансной частоте последовательного колебательного контура

Чем меньше коэффициент затухания тем ближе к мнимой оси расположены корни уравнения, меньше различие между и медленнее затухание свободных процессов. В пределе, при корни характеристического уравнения располагаются на мнимой оси, частота свободных колебаний совпадает с резонансной частотой цепи, а колебательные процессы в цепи носят незатухающий характер (рис. 6.6, в). Таким образом, резонансная частота RLC-upna численно равна частоте свободных колебаний в цепи, когда коэффициент затухания равен нулю.

Пунктирными линиями на рис. 6.6, б показаны кривые которые характеризуют закон изменения амплитуды тока во времени. Эти кривые называются огибающими. Величина, численно равная длине подкасательной к огибающей тока, называется постоянной времени последовательной RLС-цепи. Очевидно, что за промежуток времени t = ордината огибающей тока уменьшается в е раз. Скорость затухания свободных процессов в рассматриваемой цепи может быть охарактеризована также логарифмическим декрементом колебаний который равен натуральному логарифму отношения двух максимальных значений тока, взятых через период свободных колебаний 

Находя натуральный логарифм отношения ординат огибающих тока для можно прийти к выводу, что логарифмический декремент колебаний ие зависит от выбора а определяется только добротностью цепи Q:

Анализ выражения (6.31) показывает, что логарифмически^ декремент колебаний равен нулю при и обращается в бесконечность при

Кратные корни. При Q=12, т.е. при  характеристическое уравнение последовательной RLС-цепи имеет два одинаковых вещественных корня расположенных на отрицательной вещественной полуоси в плоскости комплексного переменного р (рис. 6.6, г). Как следует из выражения (6.8), общее решение дифференциального уравнения (6.24) при в этом случае имеет вид

Определяя с помощью зависимых начальных условий (6.25) и (6.26) значения постоянных интегрирования и подставляя их в выражение (6.32), получаем окончательно

Как и для вещественных различных корней, переходный процесс в цепи при одинаковых вещественных корнях имеет апериодический характер (рис. 6.6, г), поэтому условие Q = 1/2 является предельным условием существования в цепи апериодических свободных процессов. Режим работы цепи на границе между колебательным и апериодическим характерами переходных процессов называется критическим.

Итак, характер переходных процессов в последовательной RLC-цепи полностью определяется расположением корней характеристического уравнения в плоскости комплексного переменного.

Зависимость характера переходных процессов от расположения корней характеристического уравнения в плоскости комплексного переменного присуща не только последовательной RLС-цепи, она является общим свойством линейных электрических цепей любого порядка сложности.

Подключение к последовательной RLС-цепи источника гармонического напряжения

Рассмотрим важный для практики случай включения источника гармонического напряжения в последовательную RLC-цепь с высокой добротностью Свободные процессы в такой цепи, как было установлено ранее, имеют колебательный характер. Пусть идеализированный источник напряжения включен в цепь в момент времени t =0, причем примем, что мгновенное значение э.д.с. этого источника при t = 0 равно нулю Уравнение электрического равновесия такой цепи после коммутации, составленное по методу токов ветвей, имеет вид

а дифференциальное уравнение цепи

Для решения уравнения (6.34) необходимо определить начальные значения тока цепи и его первой производной по времени Используя независимые начальные условия

и уравнение электрического равновесия (6.33), получаем

Далее, суммируя составляющие тока

находим общее решение уравнения (6.34) при

Здесь — амплитуда принужденной составляющей тока; — аргумент комплексного входного сопротивления рассматриваемой цепи.

Для определения постоянных интегрирования продифференцируем правую и левую части (6.38)

и подставим в выражения (6.38) и (6.39) зависимые начальные условия (6.35). Решая полученную таким образом систему уравнений относительно находим

С учетом соотношений (6.40) выражение (6.37) для свободной составляющей тока может быть преобразовано к виду

Предположим, что частота о> внешнего воздействия близка к частоте свободных колебаний, а добротность Q настолько велика, что практически совпадает с резонансной частотой цепи С учетом этих допущений, которые незначительно уменьшают общность получаемых результатов, выражение (6.41) существенно упрощается:

Таким образом, в последовательной 7?£С-цепи, удовлетворяющей принятым допущениям, свободная составляющая тока является затухающей гармонической функцией времени. В начальный момент времени амплитуда свободной составляющей тока равна амплитуде принужденной составляющей, а затем уменьшается по экспоненциальному закону. Через промежуток времени, равный после коммутации, амплитуда свободной составляющей становится пренебрежительно малой по сравнению с амплитудой принужденной составляющей, и переходной процесс в цепи можно считать практически закончившимся.

Ток цепи после коммутации равен сумме свободной и принужденной составляющих:

Если частота внешнего воздействия в точности совпадает с резонансной частотой цепи озо, то входное сопротивление цепи имеет чисто резистивный характер и выражение (6.42) принимает вид (рис. 6.7, а)

Как видно из рисунка, амплитуда тока цепи при плавно увеличивается во времени, стремясь в пределе к установившемуся значению Ни при каких значениях t амплитуда тока после коммутации не превышает этого значения.

При включении в последовательную RLС-цепь источника гармонического напряжения, частота которого близка к резонансной, но не равна ей, в цепи наблюдаются биения, заключающиеся в периодическом увеличении амплитуды тока или напряжения до значения, значительно превышающего амплитуду принужденной составляющей (рис. 6.7, б). Если пренебречь затуханием свободной составляющей тока то из выражения (6.42) получаем

Как видно из этого выражения, ток цепи имеет частоту, близкую к резонансной, а амплитуда тока медленно изменяется во времени:

причем максимальное значение тока в переходном режиме в два раза превышает амплитуду принужденной составляющей.

Возникновение биений при включении источника гармонического напряжения в последовательную RLC-цепь объясняется тем, что вследствие несовпадения частот внешнего воздействия и свободных колебаний фазовые соотношения между свободной и принужденной составляющими тока непрерывно изменяются, а разность мгновенных фаз этих колебаний линейно нарастает во времени. В те моменты времени, когда разность мгновенных фаз будет равна где k = 0,1, 2, …. сумма мгновенных значений будет максимальна, а в те моменты времени, когда разность фаз будет равна — минимальна. Частотой биений называют частоту повторения максимумов огибающей тока (6.45). Угловая частота биений, таким образом, равна абсолютному значению разности угловых частот свободной и принужденной составляющей

В реальных колебательных контурах коэффициент затухания имеет малое, но конечное значение. Свободная составляющая тока в таких контурах экспоненциально уменьшается во времени, а биения носят затухающий характер.

Операторный метод анализа переходных процессов

Преобразование Лапласа и его применение к решению дифференциальных уравнений:

Классический метод анализа переходных процессов применяют в основном тогда, когда исследуемая цепь имеет невысокий порядок сложности, а внешнее воздействие на нее после коммутации является гармонической функцией времени либо постоянно. Если внешнее воздействие на цепь после коммутации имеет более сложный характер, то определение принужденной составляющей реакции цепи существенно затруднено, а при повышении порядка цепи усложняется определение постоянных интегрирования. Значительно большие возможности представляет операторный метод анализа переходных процессов, основанный на применении преобразования Лапласа. Подобно ранее рассмотренному методу комплексных амплитуд, операторный метод относится к символическим методам, в которых операции над функциями времени заменяются операциями над их символами (изображениями). Взаимное соответствие между функцией времени a (t) и ее изображением А (р) в операторном методе устанавливается с помощью прямого

или обратного 

преобразований Лапласа и указывается знаком соответствия

Функция А (р) называется операторным изображением функции а (t) или изображением функции р (t) по Лапласу. Исходная функция времени a (t) по отношению к своему операторному изображению является оригиналом. Комплексное число р будем называть оператором преобразования Лапласа или комплексной частотой (смысл последнего понятия будет пояснен в следующем параграфе).

Из курса высшей математики известно, что для функций а (t), равных нулю при t < 0, интегрируемых при t > 0 и удовлетворяющих неравенству

где К и — некоторые постоянные числа, интеграл (6.46) абсолютно сходится при Re (р) > . Изображение А (р) в полуплоскости Re (р) > является аналитической функцией р, которая стремится к нулю при Re(p) На практике к интегрированию по формулам (6.46), (6.47) приходится прибегать сравнительно редко, так как для большинства часто употребляемых функций разработаны таблицы прямого и обратного преобразований Лапласа [6, 7]. Операторные изображения некоторых функций приведены в приложении 1. Следует иметь в виду, что в ряде справочников, в частности в [6], приведены таблицы преобразовании Карсона—Хевисайда

которое отличается от преобразования Лапласа только наличием множителя р.

Напомним некоторые свойства преобразования Лапласа. Изображение по Лапласу постоянной величины К равно этой величине, деленной на р:

Умножение функции времени а (t) на постоянное число К соответствует умножению на это же число ее изображения:

Изображение суммы функций времени равно сумме изображений этих функций:

где

Если начальное значение функции a (t) равно нулю а = 0, то дифференцированию функции а (y) соответствует умножение изображения этой функции на р (теорема дифференцирования)

при 

Повторным применением теоремы дифференцирования, можно выражения для производных высших порядков:

Интегрированию функции времени в пределах от 0 до t соответствует деление изображения этой функции на р (теорема интегрирования:

смещению функции времени на соответствует умножение изображения на (теорема запаздывания):

а смещению изображения А (р) в комплексной плоскости на комплексное число соответствует умножение оригинала на  (теорема смещения):

Значения функции времени при t = 0 и t = могут быть найдены с помощью предельных соотношений

предполагается, что соответствующие пределы существуют).

Если изображение А (р) может быть представлено в виде отношения двух полиномов от р, не имеющих общих корней:

причем степень полинома М (р) выше, чем степень полинома N (р), а уравнение

не имеет кратных корней, то для перехода от изображения к оригиналу можно воспользоваться теоремой разложения

где — корни уравнения (6.56).

Теорема разложения может быть сформулирована также для случая, когда уравнение (6.56) имеет кратные корни, и может быть распространена на случай, когда А (р) является произвольной мероморфной функции р, т. е. функцией, не имеющей иных особых точек, кроме полюсов [7].

Как известно, преобразование Лапласа лежит в основе операторного метода решения линейных дифференциальных уравнений, разработанного в середине прошлого века русским математиком М. Е. Ващенко-Захарченко. Независимо, но значительно позднее известный английский ученый О. Хевисайд применил операторный метод к анализу переходных процессов в электрических цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами. Значительный вклад в развитие и обоснование операторного метода внесли советские ученые К. А. Круг, В. С. Игнатовский, А. М. Эфрос, А. М. Данилевский, А. И. Лурье, М.И. Конторович и зарубежные ученые Д. Р. Карсон, Я. Минусинский, Б. ван дер Поль, П. Леви.

При использовании операторного метода решения дифференциальных уравнений неизвестные токи и напряжения ветвей электрической цепи, а также заданные токи и напряжения независимых источников заменяют их операторными изображениями. При этом система интегродифференциальных уравнений электрического равновесия, составленная относительно мгновенных значений токов и напряжений ветвей, преобразуется в систему алгебраических уравнений, составленных относительно операторных изображений соответствующих токов и напряжений. Решая эту систему уравнений, можно найти изображения искомых токов и напряжений ветвей электрической цепи после коммутации. Далее, применяя обратное преобразование Лапласа, можно перейти от изображений искомых токов и напряжений к оригиналам.

Уравнения электрического равновесия цепи в операторной форме. Операторные схемы замещения идеализированных двухполюсных элементов

Итак, используя преобразование Лапласа, каждому уравнению, входящему в систему уравнений электрического равновесия цепи, можно поставить в соответствие уравнение, составленное относительно операторных изображений токов и напряжений. Уравнениям баланса мгновенных значений токов и напряжений соответствуют уравнения баланса операторных изображений токов и напряжений, а компонентным уравнениям, описывающим соотношения между мгновенными значениями токов и напряжений отдельных ветвей, соответствуют уравнения, связывающие операторные изображения токов и напряжений тех же ветвей. Вследствие того что изображение суммы функций времени равно сумме изображений этих функций (6.50), для перехода от уравнений баланса мгновенных значений токов и напряжений ветвей к уравнениям баланса операторных изображений токов и напряжений достаточно в уравнениях (1.37), (1.40) заменить мгновенные значения токов и напряжений их операторными изображениями

Если уравнения баланса напряжений формировались относительно мгновенных значений напряжений отдельных элементов (1.42), то в операторной форме эти уравнения принимают вид

Уравнения (6.58) и (6.59) или (6.60) будем называть уравнениями баланса токов и напряжений в операторной форме, а операторные изображения токов и напряжений— операторными токами и напряжениями.

 По аналогии с ранее рассмотренными понятиями комплексного входного сопротивления и комплексной входной проводимости введем понятия операторного входного сопротивления Z (р) и операторной входной проводимости Y (р).

Операторным входным сопротивлением пассивного линейного двухполюсника называется отношение операторного напряжения на входе двухполюсника к операторному току при нулевых начальных условиях

где  — операторные изображения тока и напряжения на входе некоторого пассивного двухполюсника при и нулевых начальных условиях.

Величина, обратная Z (р), называется операторной входной проводимостью

Операторное входное сопротивление и операторная входная проводимость пассивного линейного двухполюсника, подобно его комплексному входному сопротивлению и комплексной входной проводимости, не зависят от интенсивности внешнего воздействия и определяются только параметрами входящих в двухполюсник идеализированных пассивных элементов и схемой их соединения.

Как следует из выражений (6 .61), (6.62), каждому пассивному линейному двухполюснику при нулевых начальных условиях может быть поставлена в соответствие операторная схема замещения, на которой рассматриваемый двухполюсник представляется своим операторным входным сопротивлением или операторной входной проводимостью, а токи и напряжения на его зажимах — их операторными изображениями. Если в рамках решаемой задачи двухполюсник не находится при нулевых начальных условиях, то его операторная эквивалентная схема должна содержать независимый источник тока или напряжения, характеризующий начальные запасы энергии в цепи.

Рассмотрим операторные компонентные уравнения и операторные схемы замещения идеализированных пассивных двухполюсников.

Сопротивление. Соотношения между мгновенными значениями тока и напряжения на зажимах сопротивления устанавливаются выражениями (1.9), (1.10):

Учитывая, что умножению функции времени на постоянное число соответствует умножение изображения функции на это же число (6.49), получения компонентных уравнений сопротивления в операторной форме достаточно в выражениях (1.9), (1.10) заменить мгновенные значения токов и напряжений их операторными изображениями

Подставляя соотношения (6.63), (6.64) в (6.61), (6.62), находим выражения для операторного входного сопротивления и операторной входной проводимости

Операторная эквивалентная схема сопротивления приведена на рис. 6.8.

Емкость. Напряжение и ток емкости связаны соотношениями (1.13), (1.16):

Используя теоремы дифференцирования (6.52) и интегрирования (6.53), получаем

Операторные компонентные уравнения емкости (6.66) и (6.67) являются равносильными и могут быть получены одно из другого. При нулевых начальных условиях они принимают вид

Таким образом, операторное входное сопротивление (p) и операторная входная проводимость емкости (р) определяются выражениями

Операторным компонентным уравнениям (6.66) и (6.67) соответствуют параллельная и последовательная схемы замещения емкости (рис. 6.9, а, б), содержащие независимый источник тока или напряжения . При нулевых начальных условиях независимые источники тока или напряжения, характеризующие начальный запас энергии в емкости, выключаются, и в операторной эквивалентной схеме емкости остается только один элемент — операторное входное сопротивление или операторная входная проводимость емкости (рис. 6.9 в). 

Индуктивность. Мгновенные значения тока и напряжения индуктивности связаны между собой соотношениями (1.22) и (1.23):

Применяя к этим выражениям теоремы дифференцирования (6.52) и интегрирования (6.53), получаем компонентные уравнения индуктивности в операторной форме:

Уравнения (6.69), (6.70) равносильные и могут быть получены одно из другого с помощью элементарных преобразований. Используя их, определяем комплексное входное сопротивление и комплексную входную проводимость индуктивности

и строим ее последовательную и параллельную схемы замещения (рис. о. 10, а, б). Как и операторные схемы замещения емкости, операторные схемы замещения индуктивности содержат независимый источник напряжения или тока характеризующий начальный запас энергии в индуктивности. Операторная эквивалентная схема индуктивности при нулевых начальных условиях приведена на рис. 6.10, в.

Анализируя полученные результаты, нетрудно установить, что выражения для операторных входных сопротивлений (проводимостей) идеализированных пассивных элементов имеют такую же структуру, как и выражения для комплексных входных сопротивлений (проводимостей) этих же элементов, и могут быть получены одно из другого путем замены  на р.

Аналогичным образом может быть получено выражение для операторного входного сопротивления (проводимости) произвольного линейного двухполюсника, составленного из идеализированных пассивных

элементов. Поэтому для преобразования операторных схем замещения линейных пассивных двухполюсников при нулевых начальных условиях можно использовать все рассмотренные ранее (см. гл. 2) правила преобразования линейных пассивных цепей при гармоническом воздействии, а для преобразования операторных схем замещения тех же участков цепей при ненулевых начальных условиях — правила преобразования активных двухполюсников. В частности, последовательная и параллельная схемы замещения емкости или индуктивности могут быть преобразованы одна в другую с помощью рассмотренных ранее (см. гл. 2) приемов преобразования активных двухполюсников.

Используя операторные эквивалентные схемы идеализированных пассивных элементов, можно получить операторную эквивалентную схему произвольного участка линейной цепи или всей цепи в целом. С этой целью каждый идеализированный пассивный элемент, изображенный на эквивалентной схеме цепи для мгновенных значений, должен быть заменен операторной эквивалентной схемой, а токи и напряжения идеализированных источников тока или напряжения — представлены операторными изображениями соответствующих функций.

Операторная эквивалентная схема цепи имеет такую же структуру, как и эквивалентная схема цепи для мгновенных значений, но содержит дополнительные независимые источники энергии, определяющие запасы энергии цепи в момент времени, непосредственно предшествовавший коммутации.

Используя операторную схему замещения цепи, можно с помощью любого из известных методов сформировать систему уравнений ее электричесхого равновесия в операторной форме, которая будет равносильна основной системе уравнений электрического равновесия цпи после коммутации.

В связи с тем что операторная схема замещения цепи может быть построена непосредственно по эквивалентной схеме цепи для мгновенью значении, этап формирования дифференциальных уравнений цепи может быть исключен. Метод анализа переходных процессов в линейных цепях, основанный на формировании операаторных уравнений  электрического равновесия цепей по их операторным эквивалентным схемам, получил название операторного метода анализа переходных процессов. Этот метод представляет собой дальнейшее развитие операторного метода решения дифференциальных уравнений и позволяе анализировать процессы в цепи после коммутации, минуя этап формирования уравнений электрического равновесия цепи для мгновенных значений токов и напряжений.

Общая схема применения метода

Наметим основные этапы анализа переходных процессов в линейных цепях с помощью операторного метода.

1. Анализ цепи до коммутации и определение независимых начальных условий. Выполняются так же, как и при использовании классического метода анализа переходных процессов.
2. Составление операторной эквивалентной схемы цепи после коммутации. Составление операторной эквивалентной схемы цепи производится непосредственно по эквивалентной схеме цепи для мгновенных значений путем замены каждого идеализированного пассивного элемента его операторной схемой замещения и представления токов и напряжений идеализированных источников тока или напряжения их операторными изображениями.
3. Составление уравнений электрического равновесия цепи в операторной форме. Система уравнений электрического равновесия цепи в операторной форме может быть сформирована любым из рассмотренных в гл.4 методов непосредственно по операторной схеме замещения цепи.
4. Решение уравнений электрического равновесия цепи относительно изображений искомых токов и напряжений. Может производиться любым методом, в том числе путем использования рассмотренного ранее метода сигнальных графов.
5. Определение оригиналов искомых токов и напряжений. Как правило, производится путем применения таблиц обратного преобразования Лапласа [6] и использования основных свойств преобразования Лапласа. Если изображение интересующей функции представляет собой отношение двух полиномов р, для выполнения обратного преобразования Лапласа можно воспользоваться теоремой разложения.

Пример 6.4.

Для цепи, схема которой приведена на рис. 6.11, а, найдем зависимость тока и напряжения индуктивности от времени при  Э.д.с. идеализированного источника постоянного напряжения е (t) при t = 0 скачком изменяется от

Анализируя процессы в цепи до коммутации, находим начальное значение тока индуктивности

Для построения операторной эквивалентной схемы цепи после коммутации (рис. 6.11, б) заменяем все идеализированные пассивные элементы их операторными схемами замещения, а э. д. с. идеализированного источника напряжения

— операторной э.д.с., Используя метод контурных токов, составляем систему уравнений электрического равновесия цепи в операторной форме

где 

Решая эту систему уравнений, находим операторные изображения искомого тока

и напряжения

Преобразуем полученные выражения к такому виду, чтобы для выполнения обратного преобразования Лапласа можно было непосредственно воспользоваться таблицами, приведенными в приложении 1:

Учитывая, что получаем .выражения для искомых тока и напряжения индуктивности при

где — постоянная времени рассматриваемой цепи. Как видно из полученных соотношений, в начальный момент времени ток индуктивности сохраняет то же значение, что и до коммутации а затем плавно изменяется, стремясь в пределе к  Напряжение индуктивности в начальный момент времени скачком изменяется от нуля до и а затем плавно уменьшается до нуля.

Нетрудно заметить, что в начальный момент времени (t =  ток и напряжение индуктивности принимают такие значения, которые они имели бы в случае, если индуктивность была заменена идеализированным источником тока (рис. 6.11, в), ток которого равен

Таким образом, в начальный момент после коммутации индуктивность ведет себя подобно идеализированному источнику тока (при нулевых начальных условиях ток этого источника равен нулю, и, следовательно, ветвь, содержащую индуктивность, в начальный момент времени можно считать разомкнутой).

Операторные характеристики линейных цепей

Реакция цепи на экспоненциальное воздействие:

Выясним, какой физический смысл имеет оператор р, входящий в выражения для операторных сопротивлений и проводимостей. С этой целью найдем реакцию цепи на экспоненциальное внешнее воздействие

где — некоторые комплексные числа.

Коэффициент имеет размерность внешнего воздействия и называется обобщенной комплексной амплитудой, величина — имеет размерность  и называется обобщенной (комплексной) частотой.

Заметим, что многие встречающиеся на практике внешние воздействия можно рассматривать как частный случай экспоненциального воздействия или как сумму некоторого их количества. Действительно, при  выражение (6.72) описывает экспоненциально затухающее экспоненциально нарастающее или неизменное внешнее воздействие. Сумма экспоненциальных воздействий с комплексно-сопряженными амплитудами и комплексно-сопряженными частотами представляет собой гармоническое колебание

амплитуда которого нарастает , затухает или неизменна во времени . Как видно из выражения (6.73), мнимую часть комплексной частоты можно рассматривать как угловую частоту некоторого гармонического колебания, а вещественную часть— как коэффициент, определяющий характер изменения огибающей этого колебания. Вследствие того что интегрирование и дифференцирование экспоненциальной функции не изменяют ее вида, реакция линейной цепи на экспоненциальное внешнее воздействие определенной комплексной частоты является экспоненциальной функцией той же частоты, причем отношение реакции цепи к внешнему воздействию в этом случае не зависит от времени.

Пусть напряжение, приложенное к зажимам идеализированного пассивного элемента изменяется во времени по закону

В этом случае ток сопротивления

ток емкости

и ток индуктивности 

Входным сопротивлением пассивного линейного двухполюсника при экспоненциальном внешнем воздействии называется отношение мгновенного значения напряжения на зажимах этого двухполюсника к мгновенному значению тока:

Используя выражения (6.74) — (6.78), найдем входные сопротивления идеализированных пассивных элементов при экспоненциальном внешнем воздействии

Полагая в выражениях (6.79) получаем рассмотренные ранее выражения для операторных входных сопротивлений идеализированных пассивных элементов, а полагая — выражения для комплексных входных сопротивлений тех же элементов при гармоническом внешнем воздействии. Таким образом, комплексные сопротивления идеализированных пассивных элементов при гармоническом внешнем воздействии численно равны входным сопротивлениям тех же элементов при экспоненциальном внешнем воздействии а операторные входные сопротивления рассматриваемых элементов — входному сопротивлению этих элементов при экспоненциальном внешнем воздействии

Следовательно, оператор преобразования Лапласа р, входящий в выражения для операторных входных сопротивлений и проводимостей идеализированных пассивных элементов, можно рассматривать как обобщенную (комплексную) частоту экспоненциального воздействия вида (6.80).

Переходя от идеализированных пассивных элементов к участкам цепей, составленным из таких элементов, и, далее, к произвольным линейным цепям, убеждаемся, что отношение двух любых токов или напряжений этих цепей при экспоненциальном внешнем воздействии вида (6.80) численно равно отношению операторных изображений соответствующих токов или напряжений при нулевых начальных условиях.

Понятие об операторных характеристиках

Рассмотрим идеализированную линейную цепь, не содержащую независимых источников тока и напряжения, у которой выделены пара входных v — v’ и пара выходных k — k’ зажимов.

Операторной, или обобщенной, частотной характеристикой линейной цепи называется отношение операторного изображения реакции цепи к операторному изображению внешнего воздействия при нулевых начальных условиях:

где

Учитывая, что отношение двух любых токов и напряжений линейной цепи, находящейся под экспоненциальным воздействием, численно равно отношению операторных изображений соответствующих величин при нулевых начальных условиях, устанавливаем, что операторная характеристика линейной цепи численно равна отношению реакции цепи к внешнему воздействию при внешнем воздействии вида (6.80)

Для перехода от операторной характеристики цепи к ее комплексной частотной характеристике достаточно в выражении (6.81) заменить р на Следовательно, комплексную частотную характеристику можно рассматривать как частный случай обобщенной частотной характеристики при

Подобно комплексной частотной характеристике, операторная характеристика линейной цепи не зависит от действующих в цепи токов и напряжений, а определяется только топологией цепи и параметрами входящих в нее элементов. В связи с тем что выражения для операторных сопротивлений и проводимостей идеализированных пассивных элементов (6.65), (6.68), (6.71) были получены безотносительно к виду внешнего воздействия, операторные характеристики описывают свойства линейных цепей при произвольных внешних воздействиях. 

Как и комплексные частотные характеристики, операторные характеристики цепи делятся на входные и передаточные, причем каждой комплексной частотной характеристике соответствует операторная. В зависимости оттого, какая величина выступаете качестве внешнего воздействия на цепь, а какая рассматривается в качестве отклика цепи, различают:

операторное входное сопротивление

операторную входную проводимость

операторные коэффициенты передачи по напряжению 

и току

операторное передаточное сопротивление 

и операторную передаточную проводимость

Операторные коэффициенты передачи по напряжению и току являются безразмерными величинами, операторные входное и передаточное сопротивления имеют размерность сопротивления, а операторные входная и передаточная проводимости — размерность проводимости.

Определение операторных характеристик

Для определения операторной характеристики цепи с заданной комплексной частотной характеристикой достаточно в соответствующем аналитическом выражении заменить на р. В общем случае выражения для любых операторных характеристик сколь угодно сложной линейной цепи, не содержащей независимых источников энергии, могут быть получены из рассмотрения узловых или контурных уравнений цепи, составленных по ее операторной схеме замещения при нулевых начальных условиях.

Пусть необходимо найти операторные входное сопротивление и входную проводимость цепи со стороны зажимов v — v’. Подключим к этим зажимам идеализированный источник напряжения (t) и построим операторную схему замещения цепи при нулевых начальных условиях. Выбирая систему независимых контуров таким образом, чтобы ветвь, содержащая источник явилась главной ветвью v-гo контура, составим систему контурных уравнений цепи в операторной форме. Далее, используя формулы Крамера (4.14), найдем ток v-й ветви, совпадающий с током v-гo контура:

Здесь — определитель системы контурных уравнений, составленных в операторной форме; — алгебраическое дополнение элемента

Используя выражение (6.88), находим операторное входное сопротивление и операторную входную проводимость цепи  со стороны зажимов v — v’:

Аналогичным образом можно найти и передаточные функции цепи. С этой целью, используя (4.14), определяем ток

и напряжение

ветви, содержащей сопротивление и являющейся главной ветвью k-го контура. Далее, подставляя выражения (6.88), (6.89), (6.90) в (6.84) — (6.87), находим операторный коэффициент передачи цепи по напряжению

операторный коэффициент передачи по току

операторную передаточную проводимость

и операторное передаточное сопротивление

В связи с тем что определитель представляют собой полиномы от собственных и взаимных операторных сопротивлений независимых контуров цепи, а сопротивления контуров являются рациональными функциями р с вещественными коэффициентами, любая операторная характеристика линейной электрической цепи не содержащей независимых источников энергии, также является рациональной функцией р с вещественными коэффициентами, т. е. может быть представлена в виде отношения двух полиномов

Здесь — вещественные коэффициенты, значения которых опре деляются параметрами идеализированных пассивных элементов и управляемых источников.

Напомним, что значения аргумента при которых N (р) = О, называются нулями, а значения аргумента при которых М (р) = 0, — полюсами функции Решая уравнения N (р) = 0; М (р) = 0 и разлагая полиномы N (р) и М (р) на множители, выражение (6.91) можно преобразовать к виду

Здесь — вещественное число, называемое масштабным коэффициентом.

Из выражения (6.92) следует, что нули и полюсы функции определяют значения этой функции с точностью до постоянного коэффициента K. Зная расположение нулей и полюсов операторной характеристики цепи в плоскости комплексной частоты р, можно получить полную информацию о свойствах этой цепи, в частности с точностью до постоянного множителя найти реакцию цепи на заданное воздействие. Графическое изображение расположения нулей и полюсов функции в плоскости комплексной частоты называется диаграммой нулей и полюсов или полюсно-нулевой диаграммой функции. При пoстроении полюсно-нулевых диаграмм мнимую и вещественную оси плоскости р обозначают соответственно нули изображают кружками, а полюсы — крестиками.

Пример 6.5.

Для цепи, схема которой приведена на рис. 3.12, а, найдем операторное входное сопротивление со стороны зажимов 1—1′ и операторный коэффициент передачи по напряжению от зажимов 1—1′ к зажимам 2—2′ в режиме холостого хода на зажимах  2—2′. Построим диаграммы нулей и полюсов функций

Ранее были получены выражения для комплексного входного сопротивления (3.12) и комплексного коэффициента передачи (3.16) данной цепи

Заменяя в этих выражениях на р, находим операторное входное сопротивление и операторный коэффициент передачи цепи по напряжению:

Можно убедиться, что аналогичные результаты получаются и при рассмотрении операторной схемы замещения цепи (рис. 6.12, а).

Полюсно-нулевые диаграммы функций изображены на рис. 6.12, б,в соответственно. Функция имеет один нуль = —RL, функция имеет один нуль = 0 и один полюс v = — R/L.

Пример 6.6.

Найдем операторное входное сопротивление последовательного колебательного контура (см. рис. 3.21, а) в режиме холостого хода на выходе. Построим полюсно-нулевую диаграмму функции .

Операторное входное сопротивление последовательного колебательного контура равно сумме операторных сопротивлений входящих в контур элементов

Используя введенные ранее обозначения запишем выражение для операторного входного сопротивления контура в виде

В зависимости от соотношения между величинами операторное входное сопротивление может иметь два различных вещественных нуля

два одинаковых вещественных нуля

или два комплексно-сопряженных нуля

Во всех случаях функция имеет один полюс

Диаграммы нулей и полюсов функции для изображены на рис. 6.13, а, б, в соответственно. Очевидно, что нули функции   являются полюсами функции а полюсы — нулями

Из примеров 6.5 и 6.6 видно, что нули операторного входного сопротивления цепи (полюсы операторной входной проводимости) совпадают с корнями характеристического уравнения, определяющего характер свободных процессов в цепи. Этот результат имеет весьма общий характер и позволяет находить корни характеристического уравнения по выражению для входного сопротивления (входной проводимости) цепи, не прибегая к составлению дифференциального уравнения.

Временные характеристики линейных цепей

Единичные функции и их свойства:

Важное место в теории линейных цепей занимает исследование реакции этих цепей на идеализированные внешние воздействия, описываемые так называемыми единичными функциями.

Единичной ступенчатой функцией (функцией Хевисайда) называется функция

При = 0 для единичной ступенчатой функции используют обозначение l (t) (рис. 6.14, б). График функции l (t— ) имеет вид ступеньки или скачка, высота которого равна l (рис. 6.14, а). Скачок такого типа будем называть единичным. Функцию Хевисайда

l  удобно использовать для аналитического представления различных внешних воздействий на цепь, значение которых скачкообразно изменяется в момент коммутации:

где f (t) — ограниченная функция времени.

При подключении цепи к источнику постоянного тока или напряжения значение внешнего воздействия на цепь

где — момент коммутации.

Внешнее воздействие такого вида называется неединичным скачком. Используя функцию Хевисайда, выражение (6.95) можно представить в виде

Если при t = в цепь включается источник гармонического тока или напряжения

то с использованием функции l (t — внешнее воздействие на цепь можно представить в форме

Если внешнее воздействие на цепь в момент времени t = скачкообразно изменяется от одного фиксированного значения до другого то

Внешнее воздействие на цепь, имеющее форму прямоугольного импульса высотой X и длительностью (рис. 6.15, а), можно представить в виде разности двух одинаковых скачков

сдвинутых во времени на (рис. 6.15, б, в):

Рассмотрим прямоугольный импульс длительностью и высотой 1/ (рис. 6.16, а). Очевидно,что площадь этого импульса равна 1 и не зависит от . При уменьшении длительности импульса его высота возрастает, причем при она стремится к бесконечности, но площадь остается равной 1. Импульс бесконечно малой длительности, бесконечно большой высоты, площадь которого равна 1 будем называть единичным импульсом. Функция, определяющая единичный импульс, обозначается и называется —функцией или функцией Дирака.

Итак,

причем 

При = 0 для -функции используется обозначение (t). При построении временных диаграмм функции и (t) будем изображать в виде вертикальной стрелки со значком оо около острия (рис.6.16, б, в).

Для установления связи между -функцией и единичной ступенчатой функцией воспользуемся выражением (6.96). Полагая X = 1/ и устремляя к нулю, получаем

откуда 

Таким образом, -функция представляет собой производную от единичной ступенчатой функции, а единичная ступенчатая функция — интеграл от -функции.

Строгое обоснование операций над единичными функциями, в том числе операции дифференцирования единичной ступенчатой функции, дано в теории обобщенных функций. Для качественного обоснования таких операций функции и 6 удобно рассматривать в качестве предельных значений некоторых более простых функций, для которых соответствующие операции являются определенными. Рассмотрим, например, функцию  (t) (рис. 6.17, а), удовлетворяющую условиям

 

Производная функция (t) по времени (рис. 6.17, б) имеет вид прямоугольного импульса длительностью и высотой 1/:

При функция (t) вырождается в единичную ступенчатую функцию, а функция — в -функцию:

откуда непосредственно следует, что

При выполнении различных операций над единичными функциями момент коммутации удобно расчленять на три различных момента: _ момент времени, непосредственно предшествовавший коммутации

— собственно момент коммутации и —момент времени, следующий непосредственно после коммутации. С учетом этого интеграл (6.98) можно заменить на

В общем случае

Произведение произвольной ограниченной функции времени f(t) на 6  

следовательно,

Из выражений (6.102) и (6.103) следует, что интеграл от произведения произвольной ограниченной функции f (t) на равен либо значению этой функции при (если точка принадлежит интервалу интегрирования), либо нулю (если  не принадлежит интервалу интегрирования):

Таким образом, с помощью -функции можно выделять значения функции f (t) в произвольные моменты времени Эту особенность — функции обычно называют фильтрующим свойством.

Для определения реакции линейных электрических цепей на внешнее воздействие в виде единичного скачка или единичного импульса необходимо найти изображения единичных функций по Лапласу. Используя рассмотренные свойства единичных функций, получаем

При операторные изображения единичных функций имеют простой вид:

Переходная и импульсная характеристики линейных цепей

Рассмотрим линейную электрическую цепь, не содержащую независимых источников тока и напряжения. Пусть внешнее воздействие на Цепь представляет собой неединичный скачок а реакция цепи на это воздействие при нулевых начальных условиях

Переходной характеристикой линейной цепи, не содержащей независимых источников энергии, называется отношение реакции этой цепи на воздействие неединичного скачка тока или напряжения к высоте этого скачка при нулевых начальных условиях:

Из выражения (6.107) видно, что если X =1, следовательно, переходная характеристика цепи численно равна реакции цепи на воздействие единичного скачка тока или напряжения. Размерность переходной характеристики равна отношению размерности отклика к размерности внешнего воздействия, поэтому переходная характеристика может иметь размерность сопротивления, проводимости или быть безразмерной величиной.

Пусть внешнее воздействие на цепь имеет форму бесконечно короткого импульса бесконечно большой высоты и конечной площади

Реакцию цепи на это воздействие при нулевых начальных условиях обозначим

Импульсной характеристикой ) линейной цепи, не содержащей независимых источников энергии, называется отношение реакции этой цепи на воздействие бесконечно короткого импульса бесконечно большой высоты и конечной площади к площади этого импульса при нулевых начальных условиях:

Как следует из выражения (6.108), импульсная характеристика цепи численно равна реакции цепи на воздействие единичного импульса = 1), а размерность импульсной характеристики равна отношению размерности отклика цепи к произведению размерности внешнего воздействия на время.

Подобно комплексной частотной и операторной характеристикам цепи, переходная и импульсная характеристики устанавливают связь между внешним воздействием на цепь и ее реакцией, однако в отличие от первых характеристик аргументом последних является время t, а не угловая или комплексная р частота. Так как характеристики цепи, аргументом которых является время , называются временными, а аргументом которых является частота (в том числе и комплексная) — частотными характеристиками, то переходная и импульсная характеристики относятся к временным характеристикам цепи.

Каждой операторной характеристике цепи можно поставить в соответствие переходную и импульсную  характеристики. Для установления связи между ними найдем операторные изображения переходной и импульсной характеристик. Используя выражения (6.107), (6.108), запишем

Здесь  — операторные изображения реакции цепи на внешние воздействия соответственно. Выражая через операторные изображения внешних воздействий получаем

При = 0 операторные изображения переходной и импульсной характеристик имеют простой вид

Таким образом, импульсная характеристика цепи — это функция, изображение которой, по Лапласу, представляет собой операторную характеристику цепи а переходная характеристика цепи  — функция, операторное изображение которой равно Выражения (6.109), (6.110) устанавливают связь между частотными и временнйми характеристиками цепи. Зная, например, им. пульсную характеристику можно с помощью прямого преобразования Лапласа найти соответствующую операторную характеристику цепи

а по известной операторной характеристике с помощью обратного преобразования Лапласа определить импульсную характеристику цепи

Используя выражения (6.109) и теорему дифференцирования (6.51), нетрудно установить связь между переходной и импульсной характеристиками

Следовательно, импульсная характеристика цепи равна первой производной переходной характеристики по времени. В связи с тем что переходная характеристика цепи численно равна реакции цепи на воздействие единичного скачка напряжения или тока, приложенного к цепи с нулевыми начальными условиями, значения функции при равны нулю. Поэтому, строго говоря, переходную характеристику цепи следует записывать как а не Заменяя в выражении (6.111) на и используя соотношение (6.103), получаем

Выражение (6.112) известно под названием формулы обобщенной производной. Первое слагаемое в этом выражении представляет собой производную переходной характеристики при t> а второе слагаемое содержит произведение -функции на значение переходной характеристики в точке . Если при функция изменяется скачкообразно, то импульсная характеристика цепи содержит -функцию, умноженную на высоту скачка переходной характеристики в точке Если функция не претерпевает разрыва при т. е. значение переходной характеристики в точке равно нулю, то выражение для обобщенной производной совпадает с выражением для обычной производной.

Определение временных характеристик линейных цепей

Для определения переходных (импульсных) характеристик линейной цепи в общем случае необходимо рассмотреть переходные процессы, имеющие место в данной цепи при воздействии на нее единичного скачка (единичного импульса) тока или напряжения. Это может быть выполнено с помощью классического или операторного методов анализа переходных процессов. На практике для нахождения временных характеристик линейных цепей удобно использовать другой путь, основанный на применении соотношений, устанавливающих связь между частотными и временными характеристиками. Определение временных характеристик в этом случае начинается с составления операторной схемы замещения цепи для нулевых начальных условий. Далее, используя эту схему, находят операторную характеристику соответствующую заданной паре: внешнее воздействие на цепь — реакция цепи Зная операторную характеристику цепи и применяя соотношения (6.109) или (6.110), определяют искомые временные характеристики.

При качественном рассмотрении реакции линейной цепи на воздействие единичного импульса тока или напряжения переходной процесс в цепи разделяют на два этапа. На первом этапе (при [цепь находится под воздействием единичного импульса, сообщающего цепи определенную энергию. Токи индуктивностей и напряжения емкостей, при этом скачком изменяются на значение, соответствующее поступившей в цепь энергии. На втором этапе (при ) действие приложенного к цепи внешнего воздействия закончилось (при этом соответствующие источники энергии выключены, т. е. представлены внутренними сопротивлениями), и в цепи возникают свободные процессы, протекающие за счет энергии, запасенной в реактивных элементах на первой стадии переходного процесса. Таким образом, импульсная характеристика цепи, численно равная реакции на воздействие единичного импульса тока или напряжения, характеризует свободные процессы в рассматриваемой цепи. Следовательно, при переходе цепи от исходного состояния к первой стадии переходного процесса, законы коммутации не выполняются, а при переходе от первой стадии переходного процесса ко второй — выполняются.

Пример 6.7.

Для цепи, схема которой приведена на рис. 3.12, а, найдем переходную и импульсную характеристики в режиме холостого хода на зажимах 2 —2′. Внешнее воздействие на цепь — напряжение на зажимах 1 —1′ х (t)=  реакция цепи — напряжение на зажимах 2—2′ у (t) =

Операторная характеристика данной цепи, соответствующая указанной паре’ внешнее воздействие на цепь — реакция цепи, была получена в примере 6.5:

Следовательно, операторные изображения переходной и импульсной характеристик цепи имеют вид

Используя таблицы обратного преобразования Лапласа (см. приложение 1), переходим от изображения искомых временных характеристик к оригиналам (рис. 6.18, а, б):

Заменяя в полученных выражениях t на t — находим временные характеристики цепи при

Отметим, что выражение для импульсной характеристики рассматриваемой цепи (t) могло быть получено и другим путем с помощью формулы (6.112), примененной к выражению для переходной характеристики цепи

Для качественного объяснения вида переходной и импульсной характеристик цепи в рассматриваемом включении, подсоединим к зажимам независимый источник напряжения е (t) =  (рис. 6.18, в). Переходная характеристика данной цепи численно равна напряжению на зажимах  при воздействии на цепь единичного скачка напряжения е (t) = 1 (t), В, и нулевых начальных условиях.

В начальный момент времени после коммутации сопротивление индуктивности бесконечно велико, поэтому при t —  = 0 напряжение на выходе цепи равно напряжению на зажимах 1—1′:

С течением времени напряжение на индуктивности уменьшается, стремясь к нулю при Все это объясняет, почему переходная характеристика начинается от значения и стремится к нулю при

Импульсная характеристика цепи численно равна напряжению на зажимах  при приложении к входу цепи единичного импульса напряжения

е (t) =

При все входное напряжение оказывается приложенным к индуктивности, и ток индуктивности скачком увеличивается от нуля до

 При источник напряжения может быть заменен короткозамыкаюшей перемычкой, а ток индуктивности плавно уменьшается от до нуля. Напряжение на индуктивности равно напряжению на сопротивлении R, поэтому при выходное напряжение цепи изменяется от                        ) — R/L до нуля.

Применение принципа наложения для анализа переходных процессов в линейных цепях

Определение реакции цепи на произвольное внешнее воздействие:

Наиболее общий подход к анализу переходных процессов в линейных цепях основан на использовании принципа наложения. Внешнее воздействие на цепь х = х (t) в этом случае представляют в виде линейной комбинации однотипных элементарных составляющих

а реакцию цепи на такое воздействие ищут в виде линейной комбинации частичных реакций (t) на воздействие каждой из элементарных составляющих внешнего воздействия в отдельности:

В качестве элементарных составляющих (t) можно выбирать внешние воздействия, описываемые различными классами функций, реакция цепи на которые может быть найдена с помощью рассмотренных ранее методов. Наиболее широкое распространение получили элементарные (пробные) воздействия в виде гармонической функции времени, единичного скачка или единичного импульса.

Метод анализа переходных процессов в линейных цепях, основанный на представлении внешнего воздействия в виде конечной или бесконечной суммы гармонических функций времени, получил название спектрального.

Определение реакции цепи на произвольное внешнее воздействие по ее переходной характеристике

Рассмотрим произвольную линейную электрическую цепь, не содержащую независимых источников энергии, переходная характеристика которой (t) известна. Пусть внешнее воздействие на цепь задается в виде произвольной функции х = х (t), равной нулю при t< и непрерывной при всех t, за исключением точки t = где х (t) может иметь конечный разрыв (рис. 6.19). Функцию х (t) можно приближенно представить в виде суммы неединичных скачков или, что то же самое, в виде линейной комбинации единичных скачков, смещенных один относительно другого на 

Здесь — высота начального скачка функции х (t); — высота скачка, подаваемого в момент времени t = (на рис. 6.19 этот скачок заштрихован).

В соответствии с определением переходной характеристики (6.107) реакция цепи на воздействие неединичного скачка, приложенного в момент времени t = , равна произведению высоты скачка на переходную характеристику цепи Следовательно,реакция цепи на воздействие, представляемое суммой неединичных скачков (6.113), равна сумме произведений высот скачков на соответствующие переходные характеристики

Очевидно, что точность представления входного воздействия в виде суммы неединичных скачков, как и точность представления реакции цепи в видe (6.114), возрастает с уменьшением шага разбиения по времени При суммирование заменяется интегрированием:

Выражение (6.115) известно под названием интеграла Дюамеля (интеграла наложения). Используя это выражение, можно найти точное значение реакции цепи на заданное воздействие х = х (t) в любой момент времени t после коммутации. Интегрирование в (6.115) осуществляется на промежутке причем выражения для и получаются из выражений для х (t) и (t) путем замены t на и t — соответственно.

С помощью интеграла Дюамеля можно найти реакцию цепи на заданное воздействие и тогда, когда внешнее воздействие на цепь описывается кусочно-непрерывной функцией, т. е. функцией, которая имеет конечное число конечных разрывов. В этом случае необходимо разбить интервал интегрирования на несколько промежутков в соответствии с интервалами непрерывности функции х = х (t) и учесть реакцию цепи на конечные скачки функции х = х (t) в точках разрыва.

Пример 6.8.

Найдем реакцию цепи на внешнее воздействие, задаваемое функцией х = х (t) вида (рис. 6.20)

Разбиваем ось времени на четыре промежутка в соответствии с интервалами непрерывности функции х = х (t).

При t< 0 реакция цепи у = у (t) тождественно равна нулю (реакция цепи не может опережать по времени внешнее воздействие на цепь).

На участке функция х = х (t) непрерывна, поэтому реакция цепи находится непосредственно с помощью выражения (6.115)

При интервал интегрирования ]0, t[ содержит одну точку разрыва функции х (t). Разбивая интервал интегрирования на два промежутка и учитывая реакцию цепи на воздействие скачка функции х (t) в точке получаем

При интервал интегрирования содерРис. 6.20. д примеру о.б жит две точки разрыва функции х (t). Для определения реакции цепи в этом случае необходимо разбить интервал интегрирования на три промежутка и учесть реакцию цепи на скачки функции в точках Принимая во внимание, что при = 0, получаем

Пример 6.9. Найдем на зажимах  цепи, схема которой приведена на рис. 3.12, а, если напряжение на зажимах  этой цепи изменяется во времени по закону

Переходная характеристика данной цепи в рассматриваемом включении была определена в примере 6.7:

При t < 0 напряжение на зажимах 2—2′ тождественно равно нулю. При 

При 

Определение реакции цепи на произвольное внешнее воздействие по ее импульсной характеристике

 Пусть внешнее воздействие на линейную электрическую цепь, импульсная характеристика которой известна, описывается произвольной функцией х = х (t), равной нулю при и непрерывной при всех t, за исключением точки где функция х (t) может иметь конечный разрыв (рис. 6.21). Функция х (t) может быть приближенно представлена в виде суммы импульсов (t) длительностью сдвинутых один относительно другого на

Рассматривая элементарный импульс (на рис. 6.21 заштрихован) как разность двух неединичных скачков сдвинутых по времени на выражение (6.116) можно представить в форме

где — площадь элементарного импульса

Точность представления внешнего воздействия на цепь с помощью выражения (6.117) возрастает с уменьшением шага разбиения по времени

Учитывая, что

внешнее воздействие на цепь при достаточно малом шаге разбиения по времени можно представить в виде линейной комбинации единичных импульсов

В соответствии с определением импульсной характеристики (6.108) реакция цепи на воздействие одиночного импульса равна произведению площади импульса на импульсную характеристику цепи

Следовательно, реакция цепи на воздействие вида (6.118) равна сумме произведений площадей импульсов на соответствующие импульсные характеристики

Устремляя к нулю и переходя от суммирования к интегрированию, получаем окончательно

Выражение (6.119) представляет собой одну из форм записи интеграла Дюамеля и его можно получить непосредственно из (6.115), используя правило интегрирования по частям и учитывая соотношения между переходной и импульсной характеристиками цепи (6.112). Выражение (6.119) можно использовать для определения реакции цепи и в том случае, когда внешнее воздействие на цепь описывается кусочно-непрерывной функцией, при этом интервал интегрирования разбивается на несколько промежутков в соответствии с интервалами непрерывности функции x(t).

Пример 6.10.

Зная импульсную характеристику цепи найдем реакцию цепи на внешнее воздействие, описанное в примере 6.8.

Разбиваем ось времени на четыре промежутка в соответствии с интервалами непрерывности функции х = х (t) и, используя выражение (6.119), определяем реакцию цепи на заданное воздействие на каждом из промежутков:

Пример 6.11.

Используя данные примеров 6.7 и 6.9, найдем реакцию цепи на заданное внешнее воздействие по ее импульсной характеристике

Разбиваем ось времени на три интервала в соответствии с интервалами непрерывности функции х = х (t). При t<0 напряжение на зажимах 2—2’ тождественно равно нулю.

На участке функция  не имеет разрывов, поэтому напряжение на зажимах 2—2′ находится непосредственно с помощью выражения (6.119):

поскольку

то, выполняя преобразования, получаем выражение для напряжения на зажимах при

При интервал интегрирования содержит точку разрыва функции Разбивая интервал интегрирования на два промежутка и принимая во внимание, что получаем выражение для напряжения на зажимах 2—2′ при

Как и следовало ожидать, полученные выражения для реакции рассматриваемой цепи на заданное воздействие, найденные с помощью импульсной характеристики цепи, совпадают с соответствующими выражениями, полученными с использованием переходной характеристики цепи (пример 6.9).

Функция f (t), определяемая соотношением

называется сверткой функций и Используя известное из математики [7] свойство свертки двух функций

из выражений (6.115) и (6.119) можно получить еще две формы записи интеграла Дюамеля

Все приведенные формы записи интеграла Дюамеля равноценны в смысле получаемых результатов, поэтому выбор того или иного выражения определяется только удобством вычислений и не носит принципиального характера.

Электромагнитные колебания

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

Темы кодификатора ЕГЭ: свободные электромагнитные колебания, колебательный контур, вынужденные электромагнитные колебания, резонанс, гармонические электромагнитные колебания.

Электромагнитные колебания — это периодические изменения заряда, силы тока и напряжения, происходящие в электрической цепи. Простейшей системой для наблюдения электромагнитных колебаний служит колебательный контур.

Колебательный контур

Колебательный контур — это замкнутый контур, образованный последовательно соединёнными конденсатором и катушкой.

Зарядим конденсатор, подключим к нему катушку и замкнём цепь. Начнут происходить свободные электромагнитные колебания — периодические изменения заряда на конденсаторе и тока в катушке. Свободными, напомним, эти колебания называются потому, что они совершаются без какого-либо внешнего воздействия — только за счёт энергии, запасённой в контуре.

Период колебаний в контуре обозначим, как всегда, через . Сопротивление катушки будем считать равным нулю.

Рассмотрим подробно все важные стадии процесса колебаний. Для большей наглядности будем проводить аналогию с колебаниями горизонтального пружинного маятника.

Начальный момент: . Заряд конденсатора равен , ток через катушку отсутствует (рис. 1). Конденсатор сейчас начнёт разряжаться.

Рис. 1.

Несмотря на то, что сопротивление катушки равно нулю, ток не возрастёт мгновенно. Как только ток начнёт увеличиваться, в катушке возникнет ЭДС самоиндукции, препятствующая возрастанию тока.

Аналогия. Маятник оттянут вправо на величину и в начальный момент отпущен. Начальная скорость маятника равна нулю.

Первая четверть периода : . Конденсатор разряжается, его заряд в данный момент равен . Ток через катушку нарастает (рис. 2).

Рис. 2.

Увеличение тока происходит постепенно: вихревое электрическое поле катушки препятствует нарастанию тока и направлено против тока.

Аналогия . Маятник движется влево к положению равновесия; скорость маятника постепенно увеличивается. Деформация пружины (она же — координата маятника) уменьшается.

Конец первой четверти : . Конденсатор полностью разрядился. Сила тока достигла максимального значения (рис. 3). Сейчас начнётся перезарядка конденсатора.

Рис. 3.

Напряжение на катушке равно нулю, но ток не исчезнет мгновенно. Как только ток начнёт уменьшаться, в катушке возникнет ЭДС самоиндукции, препятствующая убыванию тока.

Аналогия. Маятник проходит положение равновесия. Его скорость достигает максимального значения . Деформация пружины равна нулю.

Вторая четверть: . Конденсатор перезаряжается — на его обкладках появляется заряд противоположного знака по сравнению с тем, что был вначале (рис. 4).

Рис. 4.

Сила тока убывает постепенно: вихревое электрическое поле катушки, поддерживая убывающий ток, сонаправлено с током.

Аналогия. Маятник продолжает двигаться влево — от положения равновесия к правой крайней точке. Скорость его постепенно убывает, деформация пружины увеличивается.

Конец второй четверти . Конденсатор полностью перезарядился, его заряд опять равен (но полярность другая). Сила тока равна нулю (рис. 5). Сейчас начнётся обратная перезарядка конденсатора.

Рис. 5.

Аналогия. Маятник достиг крайней правой точки. Скорость маятника равна нулю. Деформация пружины максимальна и равна .

Третья четверть: . Началась вторая половина периода колебаний; процессы пошли в обратном направлении. Конденсатор разряжается (рис. 6).

Рис. 6.

Аналогия. Маятник двигается обратно: от правой крайней точки к положению равновесия.

Конец третьей четверти: . Конденсатор полностью разрядился. Ток максимален и снова равен , но на сей раз имеет другое направление (рис. 7).

Рис. 7.

Аналогия. Маятник снова проходит положение равновесия с максимальной скоростью , но на сей раз в обратном направлении.

Четвёртая четверть: . Ток убывает, конденсатор заряжается (рис. 8).

Рис. 8.

Аналогия. Маятник продолжает двигаться вправо — от положения равновесия к крайней левой точке.

Конец четвёртой четверти и всего периода: . Обратная перезарядка конденсатора завершена, ток равен нулю (рис. 9).

Рис. 9.

Данный момент идентичен моменту , а данный рисунок — рисунку 1. Совершилось одно полное колебание. Сейчас начнётся следующее колебание, в течение которого процессы будут происходить точно так же, как описано выше.

Аналогия. Маятник вернулся в исходное положение.

Рассмотренные электромагнитные колебания являются незатухающими — они будут продолжаться бесконечно долго. Ведь мы предположили, что сопротивление катушки равно нулю!

Точно так же будут незатухающими колебания пружинного маятника при отсутствии трения.

В реальности катушка обладает некоторым сопротивлением. Поэтому колебания в реальном колебательном контуре будут затухающими. Так, спустя одно полное колебание заряд на конденсаторе окажется меньше исходного значения. Со временем колебания и вовсе исчезнут: вся энергия, запасённая изначально в контуре, выделится в виде тепла на сопротивлении катушки и соединительных проводов.

Точно так же будут затухающими колебания реального пружинного маятника: вся энергия маятника постепенно превратится в тепло из-за неизбежного наличия трения.

к оглавлению ▴

Энергетические превращения в колебательном контуре

Продолжаем рассматривать незатухающие колебания в контуре, считая сопротивление катушки нулевым. Конденсатор имеет ёмкость , индуктивность катушки равна .

Поскольку тепловых потерь нет, энергия из контура не уходит: она постоянно перераспределяется между конденсатором и катушкой.

Возьмём момент времени, когда заряд конденсатора максимален и равен , а ток отсутствует. Энергия магнитного поля катушки в этот момент равна нулю. Вся энергия контура сосредоточена в конденсаторе:

Теперь, наоборот, рассмотрим момент, когда ток максимален и равен , а конденсатор разряжен. Энергия конденсатора равна нулю. Вся энергия контура запасена в катушке:

В произвольный момент времени, когда заряд конденсатора равен и через катушку течёт ток , энергия контура равна:

Таким образом,

(1)

Соотношение (1) применяется при решении многих задач.

к оглавлению ▴

Электромеханические аналогии

В предыдущем листке про самоиндукцию мы отметили аналогию между индуктивностью и массой. Теперь мы можем установить ещё несколько соответствий между электродинамическими и механическими величинами.

Для пружинного маятника мы имеем соотношение, аналогичное (1):

(2)

Здесь, как вы уже поняли, — жёсткость пружины, — масса маятника, и — текущие значения координаты и скорости маятника, и — их наибольшие значения.

Сопоставляя друг с другом равенства (1) и (2), мы видим следующие соответствия:

(3)

(4)

(5)

(6)

Опираясь на эти электромеханические аналогии, мы можем предвидеть формулу для периода электромагнитных колебаний в колебательном контуре.

В самом деле, период колебаний пружинного маятника, как мы знаем, равен:

B соответствии с аналогиями (5) и (6) заменяем здесь массу на индуктивность , а жёсткость на обратную ёмкость . Получим:

(7)

Электромеханические аналогии не подводят: формула (7) даёт верное выражение для периода колебаний в колебательном контуре. Она называется формулой Томсона. Мы вскоре приведём её более строгий вывод.

к оглавлению ▴

Гармонический закон колебаний в контуре

Напомним, что колебания называются гармоническими, если колеблющаяся величина меняется со временем по закону синуса или косинуса. Если вы успели забыть эти вещи, обязательно повторите листок «Механические колебания».

Колебания заряда на конденсаторе и силы тока в контуре оказываются гармоническими. Мы сейчас это докажем. Но прежде нам надо установить правила выбора знака для заряда конденсатора и для силы тока — ведь при колебаниях эти величины будут принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Сначала мы выбираем положительное направление обхода контура. Выбор роли не играет; пусть это будет направление против часовой стрелки (рис. 10).

Рис. 10. Положительное направление обхода

Сила тока считается положительной , если ток течёт в положительном направлении. В противном случае сила тока будет отрицательной .

Заряд конденсатора — это заряд той его пластины, на которую течёт положительный ток (т. е. той пластины, на которую указывает стрелка направления обхода). В данном случае — заряд левой пластины конденсатора.

При таком выборе знаков тока и заряда справедливо соотношение: (при ином выборе знаков могло случиться ). Действительно, знаки обеих частей совпадают: если , то заряд левой пластины возрастает, и потому .

Величины и меняются со временем, но энергия контура остаётся неизменной:

(8)

Стало быть, производная энергии по времени обращается в нуль: . Берём производную по времени от обеих частей соотношения (8); не забываем, что слева дифференцируются сложные функции (Если — функция от , то по правилу дифференцирования сложной функции производная от квадрата нашей функции будет равна: ):

Подставляя сюда и , получим:

Но сила тока не является функцией, тождественно равной нулю; поэтому

Перепишем это в виде:

(9)

Мы получили дифференциальное уравнение гармонических колебаний вида , где . Это доказывает, что заряд конденсатора колеблется по гармоническому закону (т.е. по закону синуса или косинуса). Циклическая частота этих колебаний равна:

(10)

Эта величина называется ещё собственной частотой контура; именно с этой частотой в контуре совершаются свободные (или, как ещё говорят, собственные колебания). Период колебаний равен:

Мы снова пришли к формуле Томсона.

Гармоническая зависимость заряда от времени в общем случае имеет вид:

(11)

Циклическая частота находится по формуле (10); амплитуда и начальная фаза определяются из начальных условий.

Мы рассмотрим ситуацию, подробно изученную в начале этого листка. Пусть при заряд конденсатора максимален и равен (как на рис. 1); ток в контуре отсутствует. Тогда начальная фаза , так что заряд меняется по закону косинуса с амплитудой :

(12)

Найдём закон изменения силы тока. Для этого дифференцируем по времени соотношение (12), опять-таки не забывая о правиле нахождения производной сложной функции:

Мы видим, что и сила тока меняется по гармоническому закону, на сей раз — по закону синуса:

(13)

Амплитуда силы тока равна:

Наличие «минуса» в законе изменения тока (13) понять не сложно. Возьмём, к примеру, интервал времени (рис. 2).

Ток течёт в отрицательном направлении: . Поскольку , фаза колебаний находится в первой четверти: . Синус в первой четверти положителен; стало быть, синус в (13) будет положительным на рассматриваемом интервале времени. Поэтому для обеспечения отрицательности тока действительно необходим знак «минус» в формуле (13).

А теперь посмотрите на рис. 8. Ток течёт в положительном направлении. Как же работает наш «минус» в этом случае? Разберитесь-ка, в чём тут дело!

Изобразим графики колебаний заряда и тока, т.е. графики функций (12) и (13). Для наглядности представим эти графики в одних координатных осях (рис. 11).

Рис. 11. Графики колебаний заряда и тока

Обратите внимание: нули заряда приходятся на максимумы или минимумы тока; и наоборот, нули тока соответствуют максимумам или минимумам заряда.

Используя формулу приведения

запишем закон изменения тока (13) в виде:

Сопоставляя это выражение с законом изменения заряда , мы видим, что фаза тока, равная , больше фазы заряда на величину . В таком случае говорят, что ток опережает по фазе заряд на ; или сдвиг фаз между током и зарядом равен ; или разность фаз между током и зарядом равна .

Опережение током заряда по фазе на графически проявляется в том, что график тока сдвинут влево на относительно графика заряда. Сила тока достигает, например, своего максимума на четверть периода раньше, чем достигает максимума заряд (а четверть периода как раз и соответствует разности фаз ).

к оглавлению ▴

Вынужденные электромагнитные колебания

Как вы помните, вынужденные колебания возникают в системе под действием периодической вынуждающей силы. Частота вынужденных колебаний совпадает с частотой вынуждающей силы.

Вынужденные электромагнитные колебания будут совершаться в контуре, поключённом к источнику синусоидального напряжения (рис. 12).

Рис. 12. Вынужденные колебания

Если напряжение источника меняется по закону:

то в контуре происходят колебания заряда и тока с циклической частотой (и с периодом, соответственно, ). Источник переменного напряжения как бы «навязывает» контуру свою частоту колебаний, заставляя забыть о собственной частоте .

Амплитуда вынужденных колебаний заряда и тока зависит от частоты : амплитуда тем больше,чем ближе к собственной частоте контура .При наступает резонанс — резкое возрастание амплитуды колебаний. Мы поговорим о резонансе более подробно в следующем листке, посвящённом переменному току.

Если вам нравятся наши материалы — записывайтесь на курсы подготовки к ЕГЭ по физике онлайн