Емкость и индуктивность в цепи переменного тока

Если переменную э. д. с. Е = Е0 sin ώt подвести к конденсатору емкостью С, то в цепи конденсатора возникнут зарядоразрядные токи, создающие внешний эффект прохождения переменного тока через емкость, несмотря на то, что через диэлектрик конденсатора электроны не пройдут. Величина емкостного тока Iс может быть измерена приборами, но ее можно рассчитать и аналитически, по такой формуле, в основе которой лежит по-прежнему закон Ома

Емкость и индуктивность в цепи переменного тока

Величина Хс =1/ώC называется емкостным сопротивлением. Это сопротивление будет выражено в омах, если С взять в фарадах.

На рис. 16 б приведены графики, характеризующие процесс прохождения переменного тока через емкость. Здесь отчетливо видно, что фаза тока, проходящего через Хс, опережает фазу напряжения на 90° ( или π/2), вследствие чего мощность, поглощенная конденсатором из питающей цепи за первую четверть периода, возвращается обратно в цепь питания за следующую четверть периода, так как знак ее отрицателен. Таким образом, в цепи емкостного сопротивления Хс электроэнергия не расходуется, потому что, хотя заряжаясь, конденсатор поглощает какую-то энергию на образование в нем электрического поля, разряжаясь вслед за тем, он ее полностью возвращает обратно в цепь, а электрическое поле в его диэлектрике при этом исчезает.

Емкость и индуктивность в цепи переменного тока

Рис. 16. Графики прохождения переменного тока через R, С и L.

 

В отличие от омических, „активных”, или „ваттных", сопротивлений R, поглощающих энергию при прохождении по ним токов и выделяющих ее в окружающую среду в виде тепла, емкостные сопротивления Хс называются „реактивными", или „безваттными".

При подключении переменной э. д. с. к катушке самоиндукции через нее пойдет ток IL, ограничиваемый величиной индуктивного сопротивления XL=ώL:

Емкость и индуктивность в цепи переменного тока

 

При этом из-за действия индуктивности катушки, препятствующей нарастанию проходящего через нее переменного тока, максимум тока будет отставать от максимума э. д. с. на 90° (на π/2). Графики э. д. с., JL и мощности для этого случая показаны на рис. 16 в. Нетрудно видеть, что XL также является сопротивлением реактивным (безваттным), поскольку в течение каждого периода изменения э. д. с. энергия дважды поглощается из питающей цепи на образование собственного магнитного поля катушки и дважды энергия этого поля полностью возвращается в цепь, когда ток убывает до нуля.

Сдвиги фаз на 90° приводят к тому, что средняя мощность за каждый период оказывается равной нулю как для чисто емкостного сопротивления, так и для индуктивного.

Если составить цепь из емкости и сопротивления или индуктивности и сопротивления, которые могут быть соединены друг с другом как параллельно, так и последовательно, то сдвиги фаз между током и напряжением будут меньше 90°, и кривая мощности сделается асимметричной относительно оси абсцисс. Часть реактивной мощности при этом превратится в активную, так как при прохождении тока по сопротивлению неизбежно проявится тепловое действие тока.

В общем случае в последовательной цепи содержатся все три элемента, причем сопротивление такой цепи переменному току называется полным ее сопротивлением Z, или импедан- цем, вычисляемым по формуле

Емкость и индуктивность в цепи переменного тока

В случае, когда последовательно соединены только R и L или R и С, формулы для Z будут соответственно

Емкость и индуктивность в цепи переменного тока

Если величина амплитуды приложенного переменного напряжения составляет Еа, то для вычисления амплитуды тока I0  в обычную формулу закона Ома необходимо вводить вместо R значения Z:

Емкость и индуктивность в цепи переменного тока

Это и является законом Ома для цепей переменного тока.

От соотношения между активной составляющей R и полным сопротивлением Z зависит коэффициент полезного действия той или иной электроцепи, называемый также "коэффициентом мощности", или "косинусом фи" (cos φ),

Емкость и индуктивность в цепи переменного тока

где I и Е — эффективные значения тока и напряжения.

Коэффициент мощности cos φ имеет весьма важное значение в электроэнергетике, так как с этой величиной связана экономичность использования электростанций и электросетевых распределительных устройств. Всюду, где потребление электроэнергии значительно, ведется постоянная борьба за увеличение cos φ, полностью отождествляемого с понятием „коэффициент полезного действия" (к. п. д.). cosφ „ухудшается например, если для вращения станка нужен мотор в 1 квт, а поставлен мотор в 1,5 квт, либо если станок имеет нужный мотор, но часто работает с большой недогрузкой.

Смотрите также