Цепи квазистационарного переменного тока. Цепь с источником переменных сторонних ЭДС, сопротивлением, емкостью, и индуктивностью

Квазистационарным называется такой нестационарный ток, мгновенные значения которого практически одинаковы на всех участках цепи.

При каких условиях непостоянный ток можно считать квазистационарным?

Это возможно, если время изменения его характеристик значительно больше, чем время установления электрического равновесия в цепи.

Движение зарядов на всех участках цепи происходит под действием электрического поля, которое распространяется, практически, со скоростью света с»3*10⁸ м/с.

Следовательно, на участке цепи длиной l электромагнитное возмущение распространяется за время . Примем длину электрической цепи в лаборатории равной 3 м. Тогда время распространения поля в такой цепи t=10^-8 с.

Если время изменения мгновенных значений тока будет значительно больше этой величины, то ток можно считать квазистацинарным.

ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РАЗЛИЧНОЙ НАГРУЗКОЙ.

В реальных цепях могут протекать нестационарные токи различного характера, но наиболее широко используется ток, зависящий от времени по гармоническому закону.

Реальные приборы, устройства и элементы электрических цепей, объединяемые общим термином «нагрузка», могут обладать как свойствами активного сопротивления, так и емкостными и индуктивными свойствами.

АКТИВНАЯ НАГРУЗКА (резистор).

Пусть на участке цепи с активным сопротивлением R и пренебрежимо малыми емкостью и индуктивностью (рис.129) течет квазистационарный переменный ток . В этом случае можем применить закон Ома для мгновенных значений тока и напряжения: .

Следовательно, напряжение на резисторе также совершает гармонические колебания с теми же фазой и частотой, что и сила тока, а амплитудные значения силы тока и напряжения связаны законом Ома: . Графики зависимости силы тока и напряжения от времени представлены на рис.130.

ЕМКОСТНАЯ НАГРУЗКА

Рассмотрим участок цепи с конденсатором емкостью С, активное сопротивление которого и индуктивность пренебрежимо малы (рис.133). Пусть на участке течет ток .

Чтобы рассчитать напряжение на конденсаторе, найдем функциональную зависимость заряда на пластинах конденсатора от времени: ,

Постоянную интегрирования примем равной нулю, так как нас интересует лишь заряд конденсатора, обусловленный переменным током.

Тогда напряжение на конденсаторе изменяется по закону:

, т.е. напряжение совершает колебания с той же частотой, что и сила тока, но отстает по фазе от силы тока на (по времени – на четверть периода).

Амплитудные значения силы тока и напряжения связаны постоянным, при данных условиях, коэффициентом , который, при сравнении с законом Ома для резистора, играет роль сопротивления и поэтому называется емкостным сопротивлением.

Следовательно, при чисто емкостной нагрузке закон Ома для мгновенных значений тока и напряжения НЕ ВЫПОЛНЯЕТСЯ, но амплитудные значения тока и напряжения подчиняются закону Ома: .

РИС.134 РИС.135

Полученные соотношения отчетливо проявляются на графиках зависимости силы тока и напряжения от времени (рис.134), а также на векторной диаграмме (рис.135).

ИНДУКТИВНАЯ НАГРУЗКА.

Рассмотрим участок цепи с катушкой индуктивности L и пренебрежимо малыми активным сопротивлением и емкостью (рис.136). Пусть по участку протекает ток .

Так как ЭДС самоиндукции, согласно правилу Ленца, препятствует изменению протекающего тока, то .

Следовательно, напряжение на индуктивности совершает гармонические колебания с той же частотой, что и сила тока, но опережает по фазе силу тока на (по времени – на четверть периода). Амплитудные значения силы тока и напряжения также связаны соотношением, аналогичным закону Ома: , где - называется индуктивным сопротивлением.

Графики зависимости силы тока и напряжения, а также векторная диаграмма, представлены на рис.137 и рис.138.

РИС.137 РИС.138

Силы в электрическом поле. Силы, действующие на точечный заряд, диполь и непрерывно распределенный заряд. Силы, действующие на диэлектрик и проводник. Энергетический метод определения сил.

На точечный заряд в электрическом поле действует сила:

На непрерывно распределенный заряд:

объемная плотность сил:

Объемные силы, действующие на диэлектрик – это сумма сил, действующих на диполи внутри диэлектрика.

- особенно для жидкостей и газов.

Под действием элементарных сил на малые объемы эти элементы сдвигаются в направление роста . На поверхности раздела сила всегда направлена в сторону диэлектрика с меньшим .

Силы в магнитном поле: , объемная плотность сил . У диамагнетиков , поэтому сила направлена в сторону уменьшения магнитного поля.

Работа, которая совершается током, не является результатом превращения кинетической энергии электронов в другие виды энергии. Носитель энергии – не электроны, а поля. В частном случае джоулева тепла кинетическая энергия электрона не является промежуточной формой энергии.

Пусть - объемная плотность тепловой мощности, выделяемой в проводнике. Покажем, что : . Джоулево тепло, выделяемое в объеме , .

, . Получаем:

. Получаем 3 интеграла:

Окончательно получаем:

Здесь 1-я скобка – энергия поля (электрическое + магнитное), а производное – изменение этой энергии в объеме .

, здесь - вектор Умова-Пойнтинга, или же плотность потока.

Изменение энергии в объеме равно работе энергии тока проводимости и потоку энергии через , которая ограничивает . Работа, производимая в замкнутом объеме, совершается за счет потока энергии через поверхность, ограничивающую объем.

Для плоской волны, у которой и колеблются в фазе, в любой момент времени , откуда можно получить вектор Умова-Пойнтинга. Рассмотрим в качестве примера отрезок проводника, по которому течет ток :

. Из закона полного тока можно получить поле на расстоянии от центра: . Тогда поток через поверхность цилиндра – это поток Умова-Пойнтинга. . Это поток энергии, которая втекает в объем через поверхность . Т.е. энергия электромагнитного поля втекает в боковую поверхность проводника и выделяется в виде тепла Джоуля-Ленца. Если в пределах проводника действуют сторонние силы, то в замкнутой цепи постоянного тока энергия от участков, где действуют сторонние силы, передается другим участкам цепи не вдоль проводников, а через окружающее пространство в виде потоков энергии.