Активное и реактивное сопротивления

Электрического сопротивле­ние - величина, характеризующая противодействие элемента электрической цепи электрическому току. Сопро­тивление обусловлено преобразованием электрической энергии в другие виды энергии. В цепях переменного тока различают необратимое преобразование энергии и обмен энергией

между элементами электрической цепи. При необратимо преобразовании электрической энергии в другие виды энергии сопротивление элемента, на котором эти преобразования происходят, называется активным, а в случае обмена энергией между источ­ником и элементом цепи — реактивным сопротивлением.

В электроплитке электроэнергия преобразуется в теп­ловую энергию необратимо, поэтому электроплитка обладает активным сопротивлением R. Активное сопротивле­ние имеют также элементы, в которых происходит преобразование электроэнергии в световую (электролампы), механическую (электродвигатели) энергию и т. д.

В катушке индуктивности переменный ток периоди­чески образует магнитное поле. В момент времени, когда i = I_m, энергия магнитного поля W_м = LI²_m/2 максимальна, а когда i = 0, W_м = 0.

Под действием переменного тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС, направлена встречно току при его возрастании и в одну сторону с током при его убывании. Таким образом, ЭДС самоиндукции противодействует измене­нию тока, обусловливая индуктивное сопротивление X_L катушки. За счет ЭДС самоиндукции происходит возврат энергии магнитного поля катушки в электрическую цепь. В результате источник и катушка обмениваются энергией, подобно маятнику, при колебаниях которого происходит взаимное преобразование кинетической и потенциальной энергии. Значит, индуктивное сопротивление катушки является реактивным сопротивлением.

При постоянном токе ЭДС самоиндукции не возникает, поэтому индуктивное сопротивление равно нулю. В конденсаторе, подключенном к источнику перемен­ного напряжения (см. рис. 4.14), изменяется заряд q = Си, и, следовательно, в элементах цепи между источником и конденсатором проходит переменный ток. При этом в момент времени, когда конденсатор полностью заряжен, u—U_m и энергия электрического поля конденсатора

W_b = CU²_m/2 максимальна.

Току цепи оказывает противодействие напряжение конденсатора, обусловливающее емкостное сопротивление Х_с. Это сопротивление ввиду обмена энергией между источником и конденсатором является реактивным.

После зарядки конденсатора в цепи постоянного тока напряжение электрического поля конденсатора уравновешивает напряжение источника

(Uc = U) и ток отсутствует, т. е. сопротивление конденсатора в цепи постоян­ного тока равно бесконечности.

Сравнивая энергию магнитного поля W_M = LI²/2 и электрического поля

W_э = CU²/2 с кинетической энер­гией W_K = mv²/2 в механике, делаем вывод, что подобно тому как масса т является мерой инерции при энергетических преобразованиях в маятнике, индуктивность L и емкость С являются мерой инерции (мерой сопротивляемости) при энергетических преобразованиях в электрической цепи переменного тока.

Это отражается в формулах X_L = ωL и Х_с = 1/(ωС)

Отметим также, что катушка и конденсатор при пере­менном токе в течение периода работают то в режиме потребителя, когда запасают энергию магнитного или электрического поля, то в режиме генератора, когда возвращают эту энергию назад в электрическую цепь.

Можно сказать обобщенно, что физическим смыслом как активного, так и реактивного сопротивления является противодействие току падения напряжения на элементе цепи. При этом мгновенное значение падения напряжения на активном сопротивлении направлено всегда встреч­но току, а на реактивном сопротивлении — согласно или встречно току, в обоих случаях противодействуя изменению тока.

Реальные элементы цепи обладают активным, индуктивным и емкостным сопротивлением одновременно. Однако в ряде случаев одним или двумя из этих сопро­тивлений можно пренебречь из-за их малых значений.

Так, как конденсатор обладает только емкостным сопротивлением (если пренебречь потерями энергии в нем), лампы накаливания – только активным, а обмотки двигателя и трансформатора – активным и индуктивным.