Ланцюги змінного струму, що містять активний, ємнісний та індуктивний опори

Розглянемо електричні коливання, які виникають при наявності в колі генератора ЕРС, яка періодично змінюється.

Коло з активним (омічним) опором. Спочатку розглянемо частинний випадок, коли генератор змінного струму замкнений на зовнішнє коло, яке містить лише активний опір R (мал. 4.1). Припустимо, що в колі існує змінний струм:

I = I_m sin w t.

Мал. 4.1.

Застосовуючи закон Ома, визначимо, за яким законом змінюється напруга на активному опорі

U = I×R = I_mR sin w t = U_m sin w t, U_m = I_mR. (4.1)

Ця рівність показує, що між коливаннями U та І немає зсуву фаз: напруга і струм одночасно досягають максимальних значень і одночасно перетворюються в нуль (мал. 4.2). Наочно це можна зобразити за допомогою векторної діаграми. Величини, які змінюються за гармонічним законом (U та І), будемо розглядати як вектори, модуль яких дорівнює їхньому амплітудному значенню, а кут між ними – різниці фаз. Вісь діаграми виберемо так, щоб вектор І збігівся з нею за напрямком. Цю вісь називають віссю струмів. Тоді вектор, що зображає коливання напруги, буде направлений вздовж осі струмів (мал. 4.3). Довжина цього вектора U_m = I_m×R.

Мал. 4.2.

Мал. 4.3.

Коло з індуктивністю. Розглянемо випадок, коли ділянка кола містить лише індуктивність (мал. 4.4). Тоді за законом електромагнітної індукції Фарадея електрорушійна сила (ЕРС) індукції e_i визначається швидкістю зміни магнітного потоку Ф, тобто e_i = –dФ / dt. У випадку самоіндукції магнітний потік Ф прямо пропорційний силі струму I, що тече по контуру, тобто Ф = LI, де L – індуктивність контура. Таким чином, при наявності змінного струму в кoтушці індукується ЕРС самоіндукції, величина якої дорівнює e_is = – LdI / dt. Відповідно до закону Ома для повного кола сума всіх ЕРС за відсутності активного опору повинна дорівнювати нулю, тобто L × dI/dt = U_L.

Якщо сила струму в колі змінюється за законом I = , то для U_L отримуємо: U_L = I_m×wL ×cos w t = U_mL ×sin(w t + p /2), U_mL = I_mwL. (4.2)

Порівнюючи відношення для амплітудних значень І_m та U_m із законом Ома, бачимо, що роль опору відіграє величина = wL, яку називають індуктивним опором.

Також видно, що сила струму I та напруга U зсунуті за фазою одна відносно іншої (мал. 4.5) на величину j = p/ 2, причому напруга в будь-який момент часу випереджає силу струму. На векторній діаграмі це зобразиться так, як показано на мал. 4.6.

Мал. 4.5. Мал. 4.6.

Коло з ємністю. Розглянемо третій частинний випадок, коли ділянка кола містить лише конденсатор ємності С (мал. 4.7). Як і раніше, будемо вважати, що сила струму змінюється за законом I = I_m sin wt. Різниця потенціалів між пластинами конденсатора U_C = q/C. Але ж сила струму I = dq/dt. Тоді

. (4.3)

Постійна інтегрування визначає заряд, який не пов’язаний з коливаннями струму, і тому можна покласти q ₀ = 0. Отже,

U_С = – (І_m/wC)cos w t = U_mC sin(w t – p /2), (4.4)

де U_mC = І_m/w C.

Порівнюючи (4.4) із законом Ома, бачимо, що роль опору відіграє величина X_C = 1 /wC, яка називається ємнісним опором. Ємнісний опір зменшується із зростанням частоти. Бачимо також, що сила струму та напруга зсунуті по фазі на величину p/ 2, причому сила струму в будь-який момент часу випереджає напругу (мал. 4.8).

Отриманий результат зобразимо за допомогою векторної діаграми (мал. 4.9). Вектор, що відповідає коливанням напруги, повернений у від’ємному напрямі (за годинниковою стрілкою) на кут p /2. Довжина вектора дорівнює амплітуді напруги I_m/wC.

Мал. 4.8. Мал. 4.9.