. (5)
Проинтегрируем уравнение (5) и получим для тока следующее выражение:
Так как в цепи нет постоянной составляющей тока, то const=0.
Таким образом, ток в цепи только с индуктивностью имеет вид
, (6)
где ILm – амплитуда тока. . (7)
Сравнивая выражение (7) с приведенным ранее (3), можно сделать вывод, что величина wL в случае индуктивной нагрузки играет роль сопротивления. Она носит название индуктивного сопротивления и обозначается XL.
Из сравнения формул (6) и (1) видно, что ток в цепи, содержащей чисто индуктивную нагрузку, отстает от напряжения по фазе на p/2 радиан (рис. 3, б). На векторной диаграмме вектор напряжения ULm повернут на угол p/2 от вектора тока в положительном направлении – против часовой стрелки, вектор тока Im отстает от него.
3. Пусть в цепь источника переменного тока включен только конденсатор емкостью С без диэлектрических потерь энергии (рис. 4, а).
Рис.4
Напряжение на конденсаторе С равно выходному напряжению источника
(8)
Так как и , то
(9)
где (10)
Величина (11)
|
|
называется емкостным сопротивлением цепи. (Индекс С при обозначении тока указывает лишь на то, что он протекает в цепи с чисто емкостной нагрузкой).
Для постоянного тока w=0, поэтому конденсатор представляет бесконечно большое сопротивление. С ростом частоты переменного тока емкостное сопротивление уменьшается.
Из сравнения формул (9) и (1) видно, протекающий через конденсатор ток опережает по фазе напряжение на емкости на p/2. (рис. 4, б). На векторной диаграмме (рис. 4, в) вектор тока ICm повернут на угол p/2 от UCm в сторону положительного направлению вращения.
Сопротивления XC и XL называют реактивными. На них не происходит превращения энергии электрического тока во внутреннюю энергию нагрузки несмотря на наличие сопротивления (в этом смысл их названия).
4.Рассмотрим электрическую цепь с сосредоточенными параметрами R,L,C (рис. 5, а). Под действием переменного напряжения UВХ в цепи установится переменный ток I, величина которого одинакова во всех элементах – резисторе, катушке и конденсаторе, так как они соединены последовательно (ток через каждый из вольтметров считаем пренебрежимо малым по сравнению с I). Протекающий ток вызывает на них падение напряжения: – на активном сопротивлении, – на индуктивности и – на емкости. Величинами UR, UL, UC, UВХ обозначены напряжения, которые показывают соответствующие вольтметры. Сумма напряжений должна быть равна приложенному к данной цепи напряжению UВХ. Но эта сумма не может быть ни арифметической, ни алгебраической, а только векторной, так как между напряжениями существует фазовые сдвиги.
Для расчета цепей переменного тока применяются два метода: 1)так называемый символический – это аналитический метод с использованием комплексных переменных [1,3,4] и 2) графический – метод векторных диаграмм. Воспользуемся вторым [3].
|
|
Построение векторной диаграммы для последовательного контура производится в следующем порядке.
1.В произвольном направлении, например горизонтально, прочерчивают ось токов и на ней в определенном масштабе откладывают вектор тока Im. Вместо амплитудного значения можно откладывать эффективное, , т.е. показание прибора. Это эквивалентно уменьшению масштаба диаграммы в раз.
2.В том же направлении откладывают вектор UR, – падение напряжения на активном сопротивлении, которое синфазно току. Масштаб для напряжения должен быть выбран, разумеется, свой.
3.Под углом -p/2 к вектору тока строят вектор UC, так как напряжение на конденсаторе отстает от тока по фазе на эту величину.
4.Под углом +p/2 к оси токов проводят вектор UL, так как напряжение на индуктивности опережает ток по фазе.
Рис.5
5.Находят векторную сумму всех напряжений, получается вектор UВХ. Видно, что ток в цепи I не совпадает по фазе с приложенным к ней напряжением UВХ (рис. 5, б). j – разность фаз тока и напряжения (по-другому, сдвиг фаз между током и напряжением).
6.Измерение длины суммарного вектора с учетом масштаба напряжения дает входное напряжение в вольтах, а угол сдвига фаз измеряется на диаграмме транспортиром или вычисляется тригонометрически. В этом состоит графический способ расчета цепи.
Итак, если напряжение на входе цепи изменяется по закону , то в цепи течет ток , причем разность фаз j может быть как положительной, так и отрицательной.
Аналитически величины Im и j определяются следующим образом.