Пусть источник тока создает переменное гармоническое напряжение (рисунок)

U(t) = U o sinωt . (1)

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

I(t) = U(t)/R = (U o /R)sinωt = I o sinωt ,

Где I o = U o /R ? амплитудное значение силы тока в цепи.
Как видно, сила тока в такой цепи также меняется с течением времени по синусоидальному закону.
Величины U o и I o = U o /R называются амплитудными значениями напряжения и силы тока. Значения напряжения U(t) и силы тока I(t) , зависящие от времени, называют мгновенными.
Зная мгновенные значения U(t) и I(t) , можно вычислить мгновенную мощность P(t) = U(t)I(t) , которая, в отличие от цепей постоянного тока, изменяется с течением времени.
С учетом зависимости силы тока от времени в цепи перепишем выражение для мгновенной тепловой мощности на резисторе в виде

P(t) = U(t)I(t) = I 2 (t)R = I o 2 Rsin 2 ωt .

Поскольку мгновенная мощность меняется со временем, то использовать эту величину в качестве характеристики длительно протекающих процессов на практике крайне неудобно.
Перепишем формулу для мощности по-другому:

P = UI = U o I o sin 2 ωt = (1/2)U o I o (1 ? cos2ωt) = U o I o /2 ? (U o I o /2)cos2ωt .

Первое слагаемое не зависит от времени. Второе слагаемое? переменная составляющая? функция косинуса двойного угла и ее среднее значение за период колебаний равно нулю (см. рисунок).
Поэтому среднее значение мощности переменного электрического тока за длительный промежуток времени можно найти по формуле

P cp = U o I o /2 = I o 2 /R .

Это выражение позволяет ввести действующие (эффективные) значения силы тока и напряжения, которые используются в качестве основных характеристик переменного тока.
Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.
Поскольку для постоянного тока

P пост =I 2 R ,

То с учетом ранее полученного выражения для среднего значения мощности переменного тока действующее значение силы тока

I д = I o /?2 .

Аналогично можно ввести действующее значение и для напряжения

U д = U o /?2 .

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

P = U д I д = I д 2 R = U д 2 /R, I д = U д /R .

41.1. Треугольники напряжений и сопротивлений.

Амплитуды составляющих общего напряжения:

Действующие значения:

Вектор общего напряжения:

Для того, чтобы найти значение вектора U, построим векторную диаграмму (рис. а). За исходный вектор диаграммы принимаем вектор тока I. Направление этого вектора совпадает с положительнымнаправлением оси, от которой отсчитываются фазовые углы.

Вектор по направлению совпадает с вектором тока I, а вектор направлен перпендикулярно вектору I с положительным углом.

Из диаграммы видно, что вектор общего напряжения U опережает вектор тока I на угол >0, но < , а по величине равен гипотенузе прямоугольного треугольника, катетами которого являются векторы падений напряжения вактивном и индуктивном сопротивлениях и : =Ucos

Проекция вектора напряжения U на направление вектора тока называется активной составляющей вектора напряжения и обозначается Ua. Ua =

Проекция вектора напряжения U на направление, перпендикулярное вектору тока называется реактивной составляющей вектора напряжения и обозначается Up. Up =

Стороны треугольника напряжений, выраженные в единицах напряжения, разделим на ток I. Получим подобный треугольник сопротивлений (рис. б), катетами которого являются активное и индуктивное сопротивления, а гипотенузой – величина .

Отношение действующего напряжения к действующему току данной цепи называется полным сопротивлением цепи. Стороны треугольника сопротивлений нельзя считать векторами, так как сопротивления не являются функциями времени.

Из треугольника сопротивлений следует:

41.2. Полное сопротивление.

Полное сопротивление (Z) - это векторная сумма всех сопротивлений: активного, емкостного и индуктивного.

Полное сопротивление цепи.

41.3. Угол сдвига фаз между напряжением и током.

Аргумент комплексного сопротивления j есть разность начальных фаз напряжения и тока, но его можно также определить по вещественной и мнимой составляющим комплексного сопротивления как j = arctg(X /R ). Следовательно, сдвиг фаз между напряжением и током определяется только параметрами нагрузки и не зависит от параметров тока и напряжения в цепи . Из выражения следует, что положительные значения j соответствуют отставанию тока по фазе, а отрицательные - опережению.

41.4. Закон Ома для действующих и амплитудных значений тока и напряжения.

В активном элементе r происходит необратимое преобразование электрической

энергии в тепловую энергию. Мгновенные значения тока i и напряжения u связаны

законом Ома:

Если ток изменяется по синусоидальному закону тогда напряжение:

С другой стороны мгновенное значение напряжения:

Отсюда получен закон Ома для амплитудных значений: , и закон Ома для действующих значений:

42. Энергетический процесс. Мгновенная, активная, реактивная и полная мощности. Треугольник мощностей. Коэффициент мощности .

Мгновенной мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи
По определению, электрическое напряжение - это отношение работы электрического поля, совершенной при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B, к величине пробного заряда. То есть можно сказать, что электрическое напряжение равно работе по переносу единичного заряда из точки А в точку B. Другими словами, при движении единичного заряда по участку электрической цепи он совершит работу, численно равную электрическому напряжению, действующему на участке цепи. Умножив работу на количество единичных зарядов, мы, таким образом, получаем работу, которую совершают эти заряды при движении от начала участка цепи до его конца. Мощность, по определению, - это работа в единицу времени. Введём обозначения: U - напряжение на участке A-B (принимаем его постоянным на интервале Δt ), Q - количество зарядов, прошедших от А к B за время Δt . А - работа, совершённая зарядом Q при движении по участку A-B, P - мощность. Записывая вышеприведённые рассуждения, получаем:

Для всех зарядов:

Полагая время бесконечно малым, можно принять, что величины напряжения и тока за это время тоже изменятся бесконечно мало. В итоге получаем следующее определение мгновенной электрической мощности:

мгновенная электрическая мощность p (t ), выделяющаяся на участке электрической цепи, есть произведение мгновенных значений напряжения u (t ) и силы тока i (t ) на этом участке:

Активная мощность
Измеряется в W [Вт] Ватт.
Среднее за период T значение мгновенной мощности называется активной мощностью: В цепях однофазного синусоидального тока где U иI - среднеквадратичные значения напряжения и тока, φ - угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r или её проводимость g по формуле В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью S активная связана соотношением

Реактивная мощность

Единица измерения - вольт-ампер реактивный (var, вар)

Реактивная мощность - величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I , умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними: (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает - отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью Р соотношением: .

Физический смысл реактивной мощности - это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

Необходимо отметить, что величина sin φ для значений φ от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ для значений φ от 0 до −90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой Q = UI sin φ, реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную - то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например, асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения.

Измерительные преобразователи реактивной мощности, использующие формулу Q = UI sin φ, более просты и значительно дешевле измерительных преобразователей на микропроцессорной технике.

Полная мощность

Единица полной электрической мощности - вольт-ампер (V·A, В·А)

Полная мощность - величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах: S = U·I ; связана с активной и реактивной мощностями соотношением: где Р - активная мощность, Q - реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q > 0, а при ёмкостной Q < 0).

Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой:

Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели,распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Цель: экспериментально определить импеданс различных нагрузок и сопоставить экспериментальные значения с теоретическими.

Теоретическая часть

Рассмотрим соотношения между током и напряжением в цепи переменного тока при включении в нее различных нагрузок (рис. 29).

Омическое сопротивление. Под этим термином понимают сопротивление проводника постоянному току. В дальнейшем будем рассматривать квазистационарные токи, для которых мгновенные значения силы тока и напряжения, обозначаемые малыми буквами i и u , подчиняются законам Ома и Джоуля-Ленца. Амплитудные значения тока и напряжения будем обозначать I m и U m .

Пусть к омическому сопротивлению приложено напряжение, меняющееся по гармоническому закону:

U = U m сos wt , (31)

где w – циклическая частота колебаний. Согласно закону Ома через R потечет ток силой i :

i = I m сos wt , (33)

Из соотношений (32) и (33) следует:

1) фазы тока и напряжения на омическом сопротивлении совпадают;

2) амплитуды силы тока и напряжения связаны соотношением

Рис. 29. Омическая, индуктивная и емкостная нагрузки

Индуктивное сопротивление. Подадим на катушку, обладающую индуктивностью L и пренебрежимо малым омическим сопротивлением, напряжение, меняющееся по закону (31). В катушке возникает меняющийся ток, создающий переменное магнитное поле. Изменение магнитного потока Ф = Li этого поля возбудит в витках катушки ЭДС самоиндукции

.

Поскольку подводимое к катушке напряжение играет роль ЭДС, а падение напряжения в цепи отсутствует (R = 0), по второму правилу Кирхгофа для мгновенных значений можем записать:

u + = 0 или .

Последнее перепишем в виде дифференциального уравнения

Или .

Интегрирование этого уравнения дает следующее выражение:

.

,

(35)

Из (31) и (35) следует:

1) ток, проходящий через катушку, отстает от напряжения по фазе на p/2 или, что то же самое, напряжение опережает ток по фазе на p/2;

Из сопоставления (36) с (32) следует, что величина wL в цепи с индуктивностью играет роль сопротивления. Величину

X L = wL (37)

называют индуктивным сопротивлением .

Емкостное сопротивление . Конденсатор представляет собой разрыв проводов, поэтому постоянный ток он не пропускает. При изменении напряжения между обкладками меняется и мгновенное значение заряда конденсатора, определяемого формулой

q = Cu , (38)

для чего в подводящих проводах должен протекать ток, приносящий заряд к обкладкам или уносящий от них. Говорят, что конденсатор пропускает переменный ток, хотя в пространстве между обкладками никакой передачи заряда от одной обкладки к другой не происходит.

Проходящий по проводам заряд скапливается на обкладках конденсатора, поэтому его величина равна i = dq/dt , где q – мгновенное значение заряда обкладки. Учитывая (38) и считая подаваемое напряжение меняющимся по закону (31), получаем:

.

Так как cos (p/2 + wt ) = –sin wt, последнее примет вид:

. (39)

Сопоставляя (31) и (39), имеем:

1) ток в цепи с конденсатором опережает напряжение по фазе на p/2, иначе говоря, напряжение отстает от тока по фазе на p/2;

2) амплитуды тока и напряжения связаны соотношением

. (40)

Величину

называют емкостным сопротивлением .

При измерениях и расчетах цепей переменного тока вместо амплитудных пользуются действующими (эффективными) значениями силы тока I и напряжения U , которые связаны с амплитудными:

Их использование обусловлено тем, что закон Джоуля-Ленца в случае переменного тока принимает такой же вид, как и для постоянного. Соответственно электроизмерительные приборы градуируются на эффективные значения.

Очевидно, что формулы (34), (36) и (40) не изменяются при замене амплитудных значений на эффективные и примут вид:

U R = I × R , U L = I × wL , U C = I /wC , (42)

где индексы R , L и C означают напряжение на соответствующей нагрузке.

Векторные диаграммы . Фазовые соотношения между током и напряжением графически изображены на рис. 30.

Существует и другой способ их представления, позволяющий упростить расчеты цепей со сложной нагрузкой.

Рис. 31

Проведем из некоторой точки О (рис. 31) ось ОХ и отложим из той же точки вектор А под углом j к оси ОХ . Затем приведем этот вектор во вращение вокруг точки О в плоскости рисунка против часовой стрелки с угловой скоростью w. Угол a между А® и ОХ спустя время t будет a = wt + j. Проекция А® на ось ОХ равна

А Х = Х = A cos a

Х = A cos (wt + j). (43)

Вывод: всякое гармоническое колебание можно представить вращением вектора соответствующей длины и ориентации.

Следовательно, если построить вектор U и под соответствующим углом отложить вектор I , то при совместном вращении векторов угол между ними останется неизменным (43). Векторные диаграммы токов и напряжений при различных нагрузках приведены на рис. 32.

Последовательное соединение R , L и С . Для расчета такой цепи воспользуемся методом векторных диаграмм. При последовательном соединении нагрузок мгновенное значение силы тока во всех точках цепи должно быть одинаковым, т.е. фаза тока на всех нагрузках одинакова.

Однако напряжения на нагрузках не совпадают по фазе с током. Напряжение на омическом сопротивлении совпадает по фазе с током, на индуктивном – опережает ток на p/2, на емкостном – отстает на p/2. Таким образом, сложив векторы U R , U L и U C , получим полное напряжение, приложенное к цепи. Поскольку U L и U C противоположны по направлению, удобнее сначала сложить их, а затем вектор U L – U C сложить с U R . В итоге имеем:

.

Подставляя соотношения (42), получим:

. (44)

В этом выражении роль сопротивления выполняет величина

, (45)

называемая полным сопротивлением цепи переменному току или импедансом . С ее использованием (44) примет вид:

U = I × Z. (46)

Это выражение часто называют законом Ома для переменных токов. Величина

(47)

называется реактивным сопротивлением и является комбинацией индуктивного и емкостного сопротивлений.

Векторная диаграмма (рис. 33) также показывает, что приложенное напряжение и протекающий в цепи ток колеблются не в одинаковой фазе, а имеют между собой сдвиг фаз j, величина которого определяется любой из приведенных ниже формул, следующих из диаграммы:

; ;

.

Следует отметить, что формула (46) является общей для любого соединения нагрузок, а формулы (45), (47) и (48) справедливы лишь для частного случая последовательного соединения.

Экспериментальная часть

Оборудование: реостат 1000 Ом, ключ, амперметр, вольтметр, реостат 100 Ом, батарея конденсаторов, катушка.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Измерение омического сопротивления.

Схема установки приведена на рис. 34.

В этом опыте в качестве нагрузки применяется низкоомный реостат. Высокоомный реостат используется как потенциометр.

1. Измерить ток через нагрузку при трех различных значениях подаваемого на нее напряжения. Результаты измерения занести в табл. 12.

Задание 2. Измерение емкостного сопротивления.

1. В рабочую схему в качестве нагрузки включить батарею конденсаторов. Ток и напряжение на нагрузке измерить аналогично заданию 1. Результаты измерения также внести в табл. 12.

Примечание. Значение емкости батареи рекомендуется выбрать в интервале 20–40 мкФ.

Задание 3. Измерение импеданса катушки.

1. Измерение импеданса катушки проводится аналогично предыдущим заданиям с использованием катушки в качестве нагрузки.

Задание 4. Измерение импеданса последовательного соединения R , L и С.

1. Нагрузкой будут служить соединенные последовательно реостат, батарея конденсаторов и катушка.

2. Ток и напряжение на нагрузке измерить аналогично заданию 1.

3. По результатам каждого измерения вычислить импедансы Z эксп нагрузок.

4. Сравнить экспериментальные результаты с теоретическими или паспортными значениями. Результаты сравнения привести в выводе.

Таблица 12

Номер задания	Напряжение, U	Сила тока, I	Z эксп, Ом	Z экспср , Ом	Z теор, Ом
цена деления	в делениях	в В	цена деления	в делениях	в А
резистор
конденсатор
катушка
4 последовательное соединение

Примечание. Теоретическим для реостата будет его паспортное значение сопротивления. Для конденсатора Z теор определяется по использованному в опыте значению емкости, расчет производится по формуле (41). Катушка обладает и омическим, и индуктивным сопротивлением, поэтому ее импеданс вычисляется по формуле (45), причем в качестве R должна использоваться сумма омических сопротивлений реостата и катушки.

5. Вычисление погрешностей экспериментальных значений произвести по классам точности амперметра и вольтметра, теоретических – по паспортным данным приборов.

Контрольные вопросы и задания

1. Запишите и поясните закон Ома для переменного тока.

2. Как определяется омическое, реактивное и полное сопротивление в цепи переменного тока?

3. Что понимается под эффективными значениями тока и напряжения?

4. Нарисуйте векторную диаграмму для резистора в цепи переменного тока. Сделайте пояснения.

5. Нарисуйте векторную диаграмму для конденсатора в цепи переменного тока. Сделайте пояснения.

6. Нарисуйте векторные диаграммы для идеальной катушки и катушки с заметным омическим сопротивлением в цепи переменного тока. Сделайте пояснения.

7. Нарисуйте векторную диаграмму для последовательного соединения резистора, конденсатора и катушки в цепи переменного тока. Сделайте пояснения. Получите из векторной диаграммы закон Ома.

Лабораторная работа 9 (11)

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель: ознакомиться с измерением мощности в цепи переменного тока методом трех вольтметров.

Теоретическая часть

Как всякий проводник, катушка в цепи постоянного тока потребляет энергию, идущую на нагревание проводов. Свойство проводника превращать энергию электрического тока в тепловую характеризуется его омическим сопротивлением R . Мощность тепловых потерь определяется по формуле

где I – сила тока в проводнике.

При включении катушки в цепь переменного тока у нее также происходит выделение тепла по закону (49), но в этом случае I – эффективное значение силы переменного тока.

Если у катушки имеется ферромагнитный сердечник, то проходящий по катушке переменный ток возбуждает в нем вихревые токи (токи Фуко), ведущие к нагреванию сердечника. Кроме того, происходит непрерывное изменение намагниченности сердечника по величине и направлению (перемагничивание), что также приводит к нагреванию сердечника. Эти дополнительные потери энергии эквивалентны возрастанию сопротивления проводника. Совокупные необратимые потери энергии, идущие на нагревание как проводов, так и сердечника, характеризуются активным сопротивлением катушки, определяемым по формуле

Это сопротивление, в отличие от омического, невозможно измерить, его можно лишь рассчитать.

Падение напряжения на активном сопротивлении считается колеблющимся в фазе с током.

Рис. 35

При отсутствии ваттметра мощность, потребляемая катушкой, может быть определена с использованием трех вольтметров. Если катушка обладает индуктивностью L и активным сопротивлением R а, то между током в катушке и напряжением на ней возникает сдвиг фаз j, что иллюстрируется векторной диаграммой (рис. 35), где I – ток через катушку, U а и U L – падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях катушки, U к – полное напряжение на катушке.

Потребляемую катушкой мощность можно вычислить либо из (49), либо по формуле

. (51)

I и U к измеряют непосредственно, а для определения коэффициента мощности (сos j) последовательно с катушкой включается омическое сопротивление R .

Из векторной диаграммы (рис. 36) полное напряжение в цепи запишется по теореме косинусов:

. (52)

Рис. 36

В этих выражениях U – подаваемое напряжение, U к – напряжение на катушке, U R – напряжение на омическом сопротивлении. Все три напряжения измеримы непосредственно. Далее, поскольку катушка и омическое сопротивление соединены последовательно, сила тока в них одинакова и определяется по формуле

что позволяет обойтись без амперметра.

Экспериментальная часть

Оборудование: автотрансформатор; катушка; реостат; вольтметр 0-50 В; 2 вольтметра 0-150 В; сплошной и наборный сердечники.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Измерение мощности катушки без сердечника.

В схеме на рис. 37 подаваемое в цепь напряжение регулируется автотрансформатором. В качестве омического сопротивления используется реостат.

Закон ома для переменного тока в общем случае имеет такой же вид, как и для постоянного. То есть при увеличении напряжения в цепи ток также в ней будет увеличиваться. Отличием же является то, что в цепи переменного тока сопротивление ему оказывают такие элементы как катушка индуктивности и емкость. Учитывая этот факт, запишем закон ома для переменного тока.

Формула 1 — закон ома для переменного тока

где z это полное сопротивление цепи.

Формула 2 — полное сопротивление цепи

В общем случае полное сопротивление цепи переменного тока будет состоять из активного емкостного и индуктивного сопротивления. Проще говоря, ток в цепи переменного тока, зависит не только от активного омического сопротивление, но и от величины емкости и индуктивности.

Рисунок 1 — цепь, содержащая омическое индуктивное и емкостное сопротивление

Если, например, в цепь постоянного тока включить конденсатор то тока в цепи не будет, так как конденсатор на постоянном токе является разрывом цепи. Если же в цепи постоянного тока появится индуктивность, то ток не изменится. Строго говоря, изменится, так как катушка будет обладать омическим сопротивлением. Но изменение будет ничтожным.

Если же конденсатор и катушку включить в цепи переменного тока, то они будут оказывать сопротивление току пропорционально величине ёмкости и индуктивности соответственно. Кроме этого в цепи буде наблюдаться сдвиг фаз между напряжением и током. В общем случае ток в конденсаторе опережает напряжение на 90 градусов. В индуктивности же отстает на 90 градусов.

Емкостное сопротивление зависит от величины емкости и частоты переменного тока. Эта зависимость обратно пропорциональна, то есть с увеличением частоты и ёмкости сопротивление будет уменьшаться.

Были выведены соотношения, связывающие амплитуды переменных токов и напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке индуктивности: R I R = U R ; 1 ω C I C = U C ; ω L I L = U L .

Эти соотношения во виду напоминают закон Ома для участка цепи постоянного тока, но только теперь в них входят не значения постоянных токов и напряжений на участке цепи, а амплитудные значения переменных токов и напряжений .

Соотношения (*) выражают закон Ома для участка цепи переменного тока, содержащего один из элементов R , L и C . Физические величины R , 1 ω C и ωL называются активным сопротивлением резистора, емкостным сопротивлением конденсатора и индуктивным сопротивлением катушки.

При протекании переменного тока по участку цепи электромагнитное поле совершает работу, и в цепи выделяется джоулево тепло. Мгновенная мощность в цепи переменного тока равна произведению мгновенных значений тока и напряжения: p = J ċ u . Практический интерес представляет среднее за период переменного тока значение мощности P = P ср = I 0 U 0 cos ω t cos (ω t + φ) ¯ .

Здесь I 0 и U 0 – амплитудные значения тока и напряжения на данном участке цепи, φ – фазовый сдвиг между током и напряжением. Черта означает знак усреднения. Если участок цепи содержит только резистор с сопротивлением R , то фазовый сдвиг φ = 0 : P R = I R U R cos 2 ω t ¯ = I R U R 2 = I R 2 R 2 .

Для того, чтобы это выражение по виду совпадало с формулой для мощности постоянного тока, вводятся понятия действующих или эффективных значений силы тока и напряжения: I д = I 0 2 ; U д = U 0 2 .

Средняя мощность переменного тока на участке цепи, содержащем резистор, равна P R = I д U д.

Если участок цепи содержит только конденсатор емкости C , то фазовый сдвиг между током и напряжением φ = π 2 . Поэтому P C = I C U C cos ω t cos (ω t + π 2) ¯ = I C U C cos ω t (- sin ω t) ¯ = 0.

Аналогично можно показать, что P L = 0 .

Таким образом, мощность в цепи переменного тока выделяется только на активном сопротивлении. Средняя мощность переменного тока на конденсаторе и катушке индуктивности равна нулю.

Рассмотрим теперь электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора, конденсатора и катушки. Цепь подключена к источнику переменного тока частоты ω. На всех последовательно соединенных участках цепи протекает один и тот же ток. Между напряжением внешнего источника e (t) и током J (t) возникает фазовый сдвиг на некоторый угол φ. Поэтому можно записать J (t) = I 0 cos ωt; e (t) = ℰ 0 cos (ωt + φ) .

Такая запись мгновенных значений тока и напряжения соответствует построениям на векторной диаграмме (рис. 2.3.2). Средняя мощность, развиваемая источником переменного тока, равна P = I 0 ℰ 0 cos ω t cos (ω t + φ) ¯ = I 0 ℰ 0 2 cos φ = I д ℰ д cos φ .

Как видно из векторной диаграммы, U R = ℰ 0 · cos φ , поэтому P = I 0 U R 2 . Следовательно, вся мощность, развиваемая источником, выделяется в виде джоулева тепла на резисторе, что подтверждает сделанный ранее вывод.

В § 2.3 было выведено соотношение между амплитудами тока I 0 и напряжения ℰ 0 для последовательной RLC -цепи: I 0 = ℰ 0 R 2 + (ω L - 1 ω C) 2 .

Величину Z = R 2 + (ω L - 1 ω C) 2 называют полным сопротивлением цепи переменного тока. Формулу, выражающую связь между амплитудными значениями тока и напряжения в цепи, можно записать в виде ZI 0 = ℰ 0 .

Это соотношение называют законом Ома для цепи переменного тока. Формулы (*), приведенные в начале этого параграфа, выражают частные случаи закона Ома (**).

Понятие полного сопротивления играет важную роль при расчетах цепей переменного тока. Для определения полного сопротивления цепи во многих случаях удобно использовать наглядный метод векторных диаграмм. Рассмотрим в качестве примера параллельный RLC -контур, подключенный к внешнему источнику переменного тока (рис. 2.4.1).

Параллельный RLC -контур

При построении векторной диаграммы следует учесть, что при параллельном соединении напряжение на всех элементах R , C и L одно и то же и равно напряжению внешнего источника. Токи, текущие в разных ветвях цепи, отличаются не только по значениям амплитуд, но и по фазовым сдвигам относительно приложенного напряжения. Поэтому полное сопротивление цепи нельзя вычислить по законам параллельного соединения цепей постоянного тока . Векторная диаграмма для параллельного RLC -контура изображена на рис. 2.4.2.

Векторная диаграмма для параллельного RLC-контура

Из диаграммы следует: I 0 = ℰ 0 (1 R) 2 + (ω L - 1 ω C) 2 .

Поэтому полное сопротивление параллельного RLC -контура выражается соотношением Z = 1 (1 R) 2 + (ω L - 1 ω C) 2 .

При параллельном резонансе (ω 2 = 1 / LC ) полное сопротивление цепи принимает максимальное значение, равное активному сопротивлению резистора: Z = Z max = R .

Фазовый сдвиг φ между током и напряжением при параллельном резонансе равен нулю.

Георг Симон Ом начал свои исследования вдохновляясь знаменитым трудом Жана Батиста Фурье «Аналитическая теория тепла». В этой работе Фурье представлял тепловой поток между двумя точками как разницу температур, а изменение теплового потока связывал с его прохождением через препятствие неправильной формы из теплоизолирующего материала. Аналогично этому Ом обуславливал возникновение электрического тока разностью потенциалов.

Исходя из этого Ом стал экспериментировать с разными материалами проводника. Для того, чтобы определить их проводимость он подключал их последовательно и подгонял их длину таким образом, чтобы сила тока была одинаковой во всех случаях.

Важно при таких измерениях было подбирать проводники одного и того же диаметра. Ом, замеряя проводимость серебра и золота, получил результаты, которые по современным данным не отличаются точностью. Так, серебряный проводник у Ома проводил меньше электрического тока, чем золотой. Сам Ом объяснял это тем, что его проводник из серебра был покрыт маслом и из-за этого, по всей видимости, опыт не дал точных результатов.

Однако не только с этим были проблемы у физиков, которые в то время занимались подобными экспериментами с электричеством. Большие трудности с добычей чистых материалов без примесей для опытов, затруднения с калибровкой диаметра проводника искажали результаты тестов. Еще большая загвоздка состояла в том, что сила тока постоянно менялась во время испытаний, поскольку источником тока служили переменные химические элементы. В таких условиях Ом вывел логарифмическую зависимость силы тока от сопротивления провода.

Немногим позже немецкий физик Поггендорф, специализировавшийся на электрохимии, предложил Ому заменить химические элементы на термопару из висмута и меди. Ом начал свои эксперименты заново. В этот раз он пользовался термоэлектрическим устройством, работающем на эффекте Зеебека в качестве батареи. К нему он последовательно подключал 8 проводников из меди одного и того же диаметра, но различной длины. Чтобы измерить силу тока Ом подвешивал с помощью металлической нити над проводниками магнитную стрелку. Ток, шедший параллельно этой стрелке, смещал ее в сторону. Когда это происходило физик закручивал нить до тех пор, пока стрелка не возвращалась в исходное положение. Исходя из угла, на который закручивалась нить можно было судить о значении силы тока.

В результате нового эксперимента Ом пришел к формуле:

Х = a / b + l

Здесь X – интенсивность магнитного поля провода, l – длина провода, a – постоянная величина напряжения источника, b – постоянная сопротивления остальных элементов цепи.

Если обратиться к современным терминам для описания данной формулы, то мы получим, что Х – сила тока, а – ЭДС источника, b + l – общее сопротивление цепи .

Закон Ома для участка цепи

Закон Ома для отдельного участка цепи гласит: сила тока на участке цепи увеличивается при возрастании напряжения и уменьшается при возрастании сопротивления этого участка.

I = U / R

Исходя из этой формулы, мы можем решить, что сопротивление проводника зависит от разности потенциалов. С точки зрения математики, это правильно, но ложно с точки зрения физики. Эта формула применима только для расчета сопротивления на отдельном участке цепи.

Таким образом формула для расчета сопротивления проводника примет вид:

R = p ⋅ l / s

Закон Ома для полной цепи

Отличие закона Ома для полной цепи от закона Ома для участка цепи заключается в том, что теперь мы должны учитывать два вида сопротивления. Это «R» сопротивление всех компонентов системы и «r» внутреннее сопротивление источника электродвижущей силы. Формула таким образом приобретает вид:

I = U / R + r

Закон Ома для переменного тока

Переменный ток отличается от постоянного тем, что он изменяется с определенными временными периодами. Конкретно он изменяет свое значение и направление. Чтобы применить закон Ома здесь нужно учитывать, что сопротивление в цепи с постоянным током может отличатся от сопротивления в цепи с током переменным. И отличается оно в том случае если в цепи применены компоненты с реактивным сопротивлением. Реактивное сопротивление может быть индуктивным (катушки, трансформаторы, дроссели) и емкостными (конденсатор).

Попробуем разобраться, в чем реальная разница между реактивным и активным сопротивлением в цепи с переменным током. Вы уже должны были понять, что значение напряжение и силы тока в такой цепи меняется со временем и имеют, грубо говоря, волновую форму.

Если мы схематически представим, как с течением времени меняются эти два значения, у нас получится синусоида. И напряжение, и сила тока от нуля поднимаются до максимального значения, затем, опускаясь, проходят через нулевое значение и достигают максимального отрицательного значения. После этого снова поднимаются через нуль до максимального значения и так далее. Когда говорится, что сила тока или напряжение имеет отрицательное значение, здесь имеется ввиду, что они движутся в обратном направлении.

Весь процесс происходит с определенной периодичностью. Та точка, где значение напряжения или силы тока из минимального значения поднимаясь к максимальному значению проходит через нуль называется фазой.

На самом деле, это только предисловие. Вернемся к реактивному и активному сопротивлению. Отличие в том, что в цепи с активным сопротивлением фаза тока совпадает с фазой напряжения. То есть, и значение силы тока, и значение напряжения достигают максимума в одном направлении одновременно. В таком случае наша формула для расчета напряжения, сопротивления или силы тока не меняется.

Если же цепь содержит реактивное сопротивление, фазы тока и напряжения сдвигаются друг от друга на ¼ периода. Это означает, что, когда сила тока достигнет максимального значения, напряжение будет равняться нулю и наоборот. Когда применяется индуктивное сопротивление, фаза напряжения «обгоняет» фазу тока. Когда применяется емкостное сопротивление, фаза тока «обгоняет» фазу напряжения.

Формула для расчета падения напряжения на индуктивном сопротивлении:

U = I ⋅ ωL

Где L – индуктивность реактивного сопротивления, а ω – угловая частота (производная по времени от фазы колебания).

Формула для расчета падения напряжения на емкостном сопротивлении:

U = I / ω ⋅ С

С – емкость реактивного сопротивления.

Эти две формулы – частные случаи закона Ома для переменных цепей.

Полный же будет выглядеть следующем образом:

I = U / Z

Здесь Z – полное сопротивление переменной цепи известное как импеданс.

Сфера применения

Закон Ома не является базовым законом в физике, это лишь удобная зависимость одних значений от других, которая подходит почти в любых ситуациях на практике. Поэтому проще будет перечислить ситуации, когда закон может не срабатывать:

• Если есть инерция носителей заряда, например, в некоторых высокочастотных электрических полях;
• В сверхпроводниках;
• Если провод нагревается до такой степени, что вольтамперная характеристика перестает быть линейной. Например, в лампах накаливания;
• В вакуумных и газовых радиолампах;
• В диодах и транзисторах.