Общая электротехника с основами электроники

Общая электротехника с основами электроники

Попов В. С., Николаев С. А. Общая электротехника с основами электроники, М., «Энергия», 1972, — 504 c. В книге рассмотрены электрические цепи, электрические машины и трансформаторы, электротехнические намерения и приборы, электропривод и аппаратура управления, передача и распределение электрической энергии, электронные лампы, газоразрядные приборы, полупроводниковые приборы, фотоэлектрические приборы, усилители и генераторы, Книга предназначена для учащихся техникумов неэлектротехнических специальностей. Оглавление Предисловие Введение Часть первая. Общая электротехника 1-1. Основные понятия 1-2. Электрическое напряжение. Потенциал 1-3. Электропроводность 1-4. Электрическая емкость. Конденсаторы 1-5. Соединение конденсаторов 1-6. Энергия электрического поля 1-8. Электроизоляционные материалы Глава вторая. Электрические цепи постоянного тока 2-1. Электрический ток 2-2. Электрическая цепь и ее элементы 2-3. Закон Ома 2-4. Электрические сопротивление и проводимость 2-5. Зависимость сопротивления от температуры 2-6. Проводниковые материалы 2-7. Работа и мощность 2-8. Преобразование электрической энергии в тепловую 2-9. Электрическая нагрузка проводов и защита их от перегрузки 2-10. Потеря напряжения в проводах 2-11. Первый закон Кирхгофа 2-12. Последовательное соединение сопротивлений — приемников энергии 2-13. Параллельное соединение сопротивлений — приемников энергии 2-14. Смешенное соединение сопротивлений 2-15. Два режима работы источника питания 2-16. Второй закон Кирхгофа 2-17. Расчет сложных цепей 2-18. Химические источники питания 2-19. Соединение химических источников питания 2-20. Нелинейные электрические цепи 2-21. Лабораторная работа. Потеря напряжения в линии Глава третья. Электромагнетизм 3-1. Магнитное поле тока. Магнитная индукция. Магнитный поток 3-2. Электромагнитная сила 3-3. Взаимодействие параллельных проводов с токами 3-4. Магнитная проницаемость 3-5. Напряженность магнитного поля. Магнитное напряжение 3-6. Закон полного тока 3-7. Магнитное поле катушки с током 3-8. Ферромагнетики, их намагничивание и перемагничивание 3-9. Ферромагнитные материалы 3-10. Магнитная цепь и ее расчет 3-11. Электромагниты 3-12. Электромагнитная индукция 3-13. Принцип работы электрического генератора 3-14. Принцип работы электродвигателя 3-15. Вихревые токи 3-16. Индуктивность. Электродвижущая сила самоиндукции 3-17. Энергия магнитного поля 3-18. Взаимная индуктивность Глава четвертая. Электрические машины постоянного тока 4-1. Назначение машин постоянного тока 4-2. Устройство машины постоянного тока 4-3. Принцип работы машины постоянного тока 4-4. Устройство обмотки якоря 4-5. Электродвижущая сила обмотки якоря 4-6. Электромагнитный момент на валу машины 4-7. Механическая мощность машины постоянного тока 4-8. Реакция якоря машины постоянного тока 4-9. Коммутация тока 4-10. Понятие о номинальных данных и характеристиках электрических машин 4-11. Генератор с независимым возбуждением 4-12. Генератор с параллельным возбуждением 4-13. Генератор со смешанным возбуждением 4-14. Электродвигатели постоянного тока 4-15. Электродвигатель с параллельным возбуждением 4-16. Электродвигатель с независимым возбуждением 4-17. Электродвигатели с. последовательным и со смешанным возбуждением 4-18. Потери и коэффициент полезного действия 4-19. Лабораторная работа. Электродвигатель с параллельным возбуждением 4-20. Лабораторная работа. Генератор с параллельным возбуждением Главе пятая. Основные понятия, относящиеся к переменным токам 5-1. Переменный ток 5-2. Получение синусоидальной э. д. с. 5-3. Сдвиг фаз 5-4. Действующие значения тока и напряжения 5-5. Векторная диаграмма Глава шестая. Цепи переменного тока 6-1. Особенности цепей переменного тока 6-2. Цепь с сопротивлением 6-3. Цепь с индуктивностью 6-4. Цепь с активным сопротивлением и индуктивностью 6-5. Неразветвленная цепь с активными сопротивлениями и индуктивностями 6-6. Разветвленная цепь с активными сопротивлениями и индуктивностями 6-7. Цепь с емкостью 6-8. Колебательный контур 6-9. Резонанс напряжений 6-10. Резонанс токов 6-11. Коэффициент мощности 6-12. Активная и реактивная энергия 6-13. Лабораторная работа. Цепь переменного тока с активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью 6-14. Лабораторная работа. Параллельное соединение катушки и конденсатора Глава седьмая. Трехфазные цепи 7-1. Трехфазные системы 7-2. Соединение обмоток генератора звездой 7-3. Соединение обмоток генератора треугольником 7-4. Соединение приемников энергии звездой 7-5. Соединение приемников энергии треугольником 7-6. Лабораторная работа. Трехфазные цепи Глава восьмая. Электротехнические измерения и приборы 8-1. Основные понятия 8-2. Классификация электроизмерительных приборов 8-3. Измерительные механизмы приборов 8-4. Измерение тока и напряжения 8-5. Измерение мощности 8-6. Измерение электрической энергии 8-7. Измерение сопротивлений 8-8. Измерение неэлектрических величин электрическими методами 8-9. Лабораторная работа. Измерение сопротивлений 8-10. Лабораторная работа. Поверка индукционного счетчика 8-11. Лабораторная работа. Измерение мощности в трехфазной цепи Глава девятая. Трансформаторы 9-1. Назначение трансформаторов 9-2. Принцип действия и устройство однофазного трансформатора 9-3. Холостой ход однофазного трансформатора 9-4. Работа нагруженного трансформатора и диаграмма магнитодвижущих сил (м. д. с.) 9-5. Изменение напряжения трансформатора при нагрузке 9-6. Мощность потерь в обмотках нагруженного трансформатора 9-7. Трехфазный трансформатор 9-8. Регулирование напряжения трансформаторов 9-9. Автотрансформаторы 9-10. Трансформаторы для дуговой электросварки 9-11. Измерительные трансформаторы 9-12. Коэффициент полезного действия трансформатора 9-13. Нагрев и охлаждение трансформаторов 9-14. Лабораторная работа. Однофазный трансформатор Глава десятая. Электрические машины переменного тока 10-1. Назначение машин переменного тока. Асинхронные электродвигатели 10-2. Получение вращающегося магнитного поля 10-3. Обмотка статора асинхронного электродвигателя 10-4. Обмотка ротора асинхронного двигателя 10-5. Принцип действия асинхронного двигателя 10-6. Электродвижущие силы в обмотках статора и ротора 10-7. Сопротивления обмотки ротора 10-8. Токи в обмотке ротора 10-9. Вращающий момент двигателя 10-10. Пуск в ход асинхронных двигателей 10-11. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя 10-12. Однофазный асинхронный двигатель 10-13. Потери и к. п. д. асинхронного двигателя 10-14. Синхронные машины 10-15. Универсальный коллекторный двигатель 10-16. Лабораторная работа. Трехфазный асинхронный электродвигатель Глава одиннадцатая. Электропривод и аппаратура управления 11-1. Система электропривода 11-2. Нагрев и охлаждение электрических машин 11-3. Выбор мощности двигателя при продолжительном режиме 11-4. Выбор мощности двигателя при кратковременном режиме 11-5. Выбор мощности двигателя при повторно-кратковременном режиме 11-6. Рубильники 11-7. Пакетные выключатели 11-8. Реостаты для пуска и регулирования электродвигателей 11-9. Контроллеры 11-10. Плавкие предохранители 11-11. Автоматические воздушные выключатели 11-12. Контакторы 11-13. Реле 11-14. Схема управления асинхронным двигателем с помощью реверсивного магнитного пускателя 11-15. Схема включения двухскоростного асинхронного двигателя 11-16. Автоматический пуск асинхронного двигателя с кольцами 11-17. Автоматический пуск двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением 11-18. Лабораторная работа. Сборка и проверка работы схемы релейноконтакторного управления трехфазным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором Глава двенадцатая. Передача и распределение электрической энергии 12-1. Схемы электроснабжения промышленных предприятий. 12-2. Трансформаторные подстанции и распределительные устройства промышленных предприятий 12-3. Электрические сети промышленных предприятий 12-4. Защитное заземление Часть вторая. Основы промышленной электроники 13-1. Классификация и применение электронных приборов 13-2. Движение электронов в электрическом поле 13-3. Движение электронов в магнитном поле 13-4. Электронная эмиссия 13-5. Катоды электровакуумных приборов 13-6. Двухэлектродные электронные лампы — диоды 13-7. Применение двухэлектродных ламп Глава четырнадцатая. Трехэлектродные лампы. Четырех- и пятиэлектродные лампы. Усилители 14-1. Устройство и принцип работы триода 14-2. Статические характеристики триода 14-3. Параметры триода 14-4. Простейший каскад усиления 14-5. Характеристики и параметры простейшего каскада усиления 14-6. Типы триодов 14-7. Четырехэлектродные лампы — тетроды 14-8. Пятиэлектродные лампы — пентоды 14-9. Комбинированные и многосеточные лампы. Типы ламп 14-10. Общие понятия, относящиеся к усилителям 14-11. Режимы работы усилителей 14-12. Многокаскадные ламповые усилители 14-13. Обратная связь в усилителях 14-14. Лабораторная работа. Снятие анодных и анодно-сеточных характеристик триода и определение по ним статических параметров 14-15. Лабораторная работа. Снятие частотных характеристик усилителя напряжения низкой частоты Глава пятнадцатая. Газоразрядные приборы и их применение 15-1. Виды газового разряда и его вольт-амперная характеристика 15-2. Ионные приборы с несамостоятельным дуговым разрядом 15-3. Приборы с тлеющим разрядом 15-4. Ионные приборы с самостоятельным дуговым разрядом 15-5. Обозначения газоразрядных приборов 15-6. Лабораторная работа. Снятие анодносеточных и пусковых характеристик тиратрона Глава шестнадцатая. Электронные генераторы. Осциллографы 16-1. Генераторы синусоидальных напряжений 16-2. Зарядка и разряд конденсатора 16-3. Релаксационные генераторы (генераторы пилообразного напряжения) 16-4. Мультивибраторы 16-5. Электроннолучевые трубки 16-6. Электроннолучевой осциллограф 16-7. Обозначения электроннолучевых трубок 16-8. Лабораторная работа. Экспериментальное, определение кривых напряжений в схемах выпрямителей Глава семнадцатая. Полупроводниковые приборы и их применение 17-1. Собственная электропроводность полупроводников 17-2. Примесная электропроводность полупроводников 17-3. Полупроводниковый вентиль 17-4. Германиевые и кремниевые диоды 17-5. Меднозакисные и селеновые диоды 17-6. Применение полупроводниковых вентилей и схемы выпрямителей 17-7. Обозначения полупроводниковых диодов 17-8. Кремниевые стабилитроны (опорные диоды) 17-9. Транзисторы 17-10. Применение транзисторов для усиления колебаний 17-11. Схемы включения и характеристики транзисторов 17-12. Обозначения полупроводниковых триодов 17-13. Лабораторная работа. Снятие характеристик транзистора Глава восемнадцатая. Фотоэлектронные приборы и электронные реле 18-1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом 18-2. Фоторезисторы 18-3. Полупроводниковые фотоэлементы 18-4. Электронные и ионные реле 18-5. Лабораторная работа. Электронное реле — триггер

36. Цепь переменного тока с индуктивностью и емкостью

35. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С АКТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Неразветвленная цепь. В любом участке неразветвленной цепи протекает одинаковый по силе ток, который прямо пропорционален

Сопротивление, включенное в цепь переменного тока, в котором происходит превращение электрической энергии в полезную работу или в тепловую энергию, называется активным сопротивлением.

Рассмотрим цепь переменного тока (рис. 53), в которую включено активное сопротивление. В такой цепи под действием переменного напряжения протекает переменный ток. Изменение тока в Цепи, согласно закону Ома, зависит только от изменения напряжения, подключенного к ее зажимам. Когда напряжение равно нулю, ток в цепи также равен нулю. По мере увеличения напряжения ток в Цепи возрастает и при максимальном значении напряжения ток становится наибольшим. При уменьшении напряжения ток убывает. Когда напряжение изменяет свое направление, ток также изменяет свое направление и т. д.

Из сказанного следует, что в цепи переменного тока с активным сопротивлением по мере изменения по величине и направлению напряжения одновременно пропорционально меняются величина и Направление тока. Это значит, что ток и напряжение совпадают по фазе.

Построим векторную диаграмму действующих величин тока и напряжения для цепи с активным сопротивлением. Для этого отлов жим в выбранном масштабе по горизонтали вектор напряжения Чтобы на векторной диаграмме показать, что напряжение и ток в цепи совпадают по фазе (j=0), откладываем вектор тока I по направлению вектора напряжения.

Сила тока в такой цепи определяется по закону Ома

В этой цепи среднее значение мощности, потребляемой активным сопротивлением, выражается произведением действующих значения тока и напряжения.

Индуктивность

(от лат. inductio — наведение, побуждение) физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи. Ток, текущий в проводящем контуре, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, причём Магнитный поток Ф, пронизывающий контур (сцепленный с ним), прямо пропорционален силе тока I :

Единица индуктивности генри (гн) — индуктивность контура, с которым сцеплен магнитный поток 1 вб, когда по контуру течет ток 1 а, или индуктивность контура, в котором возникает э. д. с. самоиндукции 1 в при изменении тока в нем на 1 а в 1 сек.

Прохождение электрического тока по проводнику или катушки сопровождается появлением магнитного поля. Рассмотрим электрическую цепь переменного тока (рис. 54,а), в которую включена катушка индуктивности, имеющая небольшое количество витком проволоки сравнительно большого сечения, активное сопротивления которой можно считать практически равным нулю.

Под действием э.д. с. генератора в цепи протекает переменный ток, возбуждающий переменный магнитный поток. Этот поток пересекает «собственные» витки катушки и в ней возникает электродвижущая сила самоиндукции

где L — индуктивность катушки,

— скорость изменения тока в ней.

Электродвижущая сила самоиндукции, согласно правилу Ленца, всегда противодействует причине, вызывающей ее. Так как э. д. с. самоиндукции всегда противодействует изменениям переменного тока, вызываемым э.д.с. генератора, то она препятствует прохождению переменного тока. При расчетах это учитывается по индуктивному сопротивлению, которое обозначается ХL и измеряется

в омах. Таким образом, индуктивное сопротивление катушки ХL зависит от величины э. д. с. самоиндукции, а следовательно, оно, как и э.д. с. самоиндукции, зависит от скорости изменения тока в катушке (от частоты со) и от индуктивности катушки L:

где XL, — индуктивное сопротивление, ом,

ώ — угловая частота переменного тока, рад/сек,

L — индуктивность катушки, гн.

Так как угловая частота переменного тока

, то индуктивное сопротивление

где, f—-частота переменного тока, гц.

В цепи постоянного тока емкость (идеальный конденсатор) имеет сопротивление бесконечно большое, так как после окончания процесса заряда такой конденсатор не пропускает электрический ток. Однако при подключении емкости к источнику переменного тока (рис. 191,а) происходит непрерывный процесс его заряда и разряда, при этом через емкость проходит переменный ток.

Ток i при включении в цепь переменного тока емкости определяется количеством электричества q, проходящим по этой цепи в единицу времени. Следовательно,

i = ?q / ?t

где ?q — изменение количества электричества (заряда q) за время ?t.

Количество электричества q, накопленное в конденсаторе при изменении напряжения и, также непрерывно изменяется. Поэтому, учитывая формулу (69), будем иметь:

i = C ?u / ?t

где ?u — изменение напряжения и за время ?t.

Из рис. 191,б видно, что скорость изменения напряжения ?u/?t будет наибольшей в моменты времени, когда угол ?t равен 0; 180 и 360°. Следовательно, в эти моменты времени ток i имеет максимальное значение. В моменты же времени, когда угол ?t равен 90° и 270°, скорость изменения напряжения ?u/?t = 0 и поэтому i = 0.

В течение первой четверти периода происходит заряд емкости и в цепи течет ток заряда, который считаем положительным. При этом по мере заряда емкости и увеличения разности потенциалов на электродах ток i уменьшается. При ?t = 90° емкость полностью заряжается, разность потенциалов на электродах становится равной напряжению и источника и ток i = 0.

Во второй четверти периода емкость начнет разряжаться и ток i изменяет свое направление (становится отрицательным). При

Рис. 191. Схема включения в цепь переменного тока емкости (а), кривые тока i напряжения u (б) и векторная диаграмма (в)

?t =180°, когда u = 0, ток i разряда достигает максимального значения. В этот момент изменяется полярность напряжения и источника и начинается процесс перезаряда емкости при противоположном (отрицательном) направлении тока i. При со/ = 270° заряд прекращается, ток i становится равным нулю и начинается разряд при первоначальном (положительном) направлении тока.

Таким образом, емкость в течение одного периода изменения напряжения и дважды заряжается и дважды разряжается. Следовательно, в цепи (см. рис. 191, а) непрерывно протекает переменный ток i. Из рис. 191,б видно, что при включении в цепь переменного тока емкости ток i опережает по фазе напряжение и на угол 90° или же что напряжение и отстает по фазе от тока i на угол 90° (рис. 191,в).

Комплексная мощность в цепях переменного тока

Комбинация действительных и мнимых значений составляет комплексное число. Он представлен в виде «R+jX», где R — действительная часть, а jX — мнимая часть. В двумерной декартовой плоскости действительные компоненты откладываются по горизонтальной оси, а мнимые части откладываются по вертикальной оси.

Мощность по определению является произведением напряжения и силы тока. Ток и напряжение могут быть представлены в виде векторов с амплитудой и фазой. Прочтите о векторах и RMS.  Поэтому комплексная мощность является произведением среднеквадратичного значения напряжения вектора и сопряженного вектора тока. В цепи с импедансом Z напряжение на импедансе будет v(t), а ток i(t) со среднеквадратичными значениями Vrms и Irms и фазами θv и θ _I .

I ^* сопряжение вектора тока, соответствующего его среднеквадратичному значению. Например, чтобы показать сопряжение A, оно представлено в векторной форме с той же величиной, но с отрицательной фазой:

Комплексное число S теперь представлено в комплексной форме с действительной частью P и мнимой частью Q.

«P» в уравнении показывает среднюю мощность. По определению, когда средняя мощность представлена ​​в векторной форме, она равна P или действительной части комплексной мощности. Эта мощность также называется активной мощностью. Подробнее о средней мощности. Средняя мощность или активная мощность составляет действительную часть комплексной мощности. Мнимая часть Q комплексной мощности – это реактивная мощность.

Активная мощность и реактивная мощность

Активная мощность (P) — это фактическая или реальная мощность, потребляемая или используемая в цепи переменного тока и измеряемая в ваттах. В цепи, когда мощность течет от источника к нагрузке, это называется положительной мощностью. В чисто резистивной цепи мощность остается положительной в каждый момент времени; то есть мощность течет от источника к нагрузке. Эта мощность называется активной мощностью .

Мощность, которая непрерывно колеблется между нагрузкой и источником, не совершая при этом никакой существенной работы, называется 9. 0031 реактивная мощность, вызванная нелинейными устройствами, такими как конденсаторы и катушки индуктивности в цепи переменного тока, и измеряется как VAR, то есть реактивный вольт-ампер. Реактивная мощность не считается полезной. Реактивная мощность зависит от реактивного сопротивления нагрузки в цепи и измеряет обмен энергией между источником и реактивной частью нагрузки.

Чисто резистивная цепь подразумевает, что реактивная мощность равна 0. Нагрузка является индуктивной, когда реактивная мощность больше 0 (Q>0), что означает отставание мощности. Когда реактивная мощность (Q) меньше 0 (Q<0), нагрузка будет иметь емкостной характер.

В индуктивной цепи ток отстает от напряжения, а в емкостной цепи ток опережает напряжение. Мощность, измеренная в любой момент времени в емкостной цепи, может быть как положительной, так и отрицательной. Отрицательная мощность указывает на поток мощности от нагрузки к источнику. Это происходит, когда конденсатор накапливает энергию в положительном периоде и высвобождает ее в отрицательном полупериоде; следовательно, мы получаем отрицательную мощность. Это не фактическая мощность и не потребляется.

Связь между комплексной мощностью и импедансом

Работая с радиочастотными системами и блоками, очень важно знать поведение резистора R, катушки индуктивности L и конденсатора C с точки зрения мощности. Как мы знаем из предыдущих разделов, импеданс резистора постоянен и не зависит от частоты. В резистивной цепи R есть только средняя мощность, а фаза равна 0, следовательно, 𝜙 равно 0, поэтому реактивной мощности нет. 𝜙 = θv-θ _I = 0, θ _I =0. Можно сказать, что резистор поглощает среднюю мощность.

Реактивная мощность накапливается и разряжается катушками индуктивности и конденсаторами. В индуктивной цепи частота прямо пропорциональна импедансу; когда частота увеличивается, импеданс увеличивается. Когда 𝜙 равно 90, средняя мощность становится равной 0. 𝜙 = θv- θ _I => 90°, θ _c = 90°. Поэтому индуктивность никогда не поглощает среднюю мощность. Чтобы поглощать мощность, в цепи должен быть резистор. Он имеет только реактивную положительную часть, которая поглощает реактивную мощность. В емкостной цепи действительная часть имеет значение 0, так как 𝜙 = θv- θ _I = -90°, θ _c = -90°. Мнимая часть имеет отрицательное значение из-за отрицательного потока мощности и генерирует реактивную мощность, измеряемую в ВАр (реактивный вольт-ампер).

 

Узнайте больше по этой теме, пройдя полный курс «Теория и принципы проектирования радиочастот — RAHRF201 ».

Посмотрите видеоролики курса для более подробного понимания. Также ознакомьтесь с другими курсами по радиочастотным системам и проектированию интегральных схем на  https://rahsoft.com/courses/ 9.0073

Rahsoft также предоставляет сертификат по радиочастотам. Все курсы предлагают пошаговый подход.

Переменный ток в резисторе, физика индуктора и конденсатора

В цепях постоянного тока ток течет в одном направлении. В цепях переменного тока (AC) вместо постоянного напряжения, подаваемого от батареи, напряжение колеблется по синусоидальному закону, изменяясь со временем как V = V _o  sin ωt.

В бытовой цепи частота 60 Гц. Угловая частота связана с частотой f соотношением ω = 2πfV _или  представляет собой максимальное напряжение, которое в бытовой цепи в Северной Америке составляет около 170 вольт. Однако мы говорим о бытовом напряжении 120 вольт; это число является своего рода средним значением напряжения. Конкретный используемый метод усреднения называется среднеквадратичным (возведите напряжение в квадрат, чтобы все стало положительным, найдите среднее значение, извлеките квадратный корень) или среднеквадратичное значение. Напряжения и токи для цепей переменного тока обычно выражаются как среднеквадратичное значение. ценности. Для синусоидальной волны соотношение между пиком и среднеквадратичным значением средний:

среднеквадратичное значение значение = 0,707 пиковое значение

Сопротивление в цепи переменного тока

Соотношение V = IR применяется для резисторов в цепи переменного тока, поэтому I = V/R = (V _o /R) sin(ωt) = I _o  sin(ωt)

В цепях переменного тока мы будем много говорить о фазе тока относительно напряжения. В цепи, в которой используются только резисторы, ток и напряжение находятся в фазе друг с другом, а это означает, что пиковое напряжение достигается в тот же момент, что и пиковый ток. В цепях с конденсаторами и индукторами (катушками) соотношение фаз будет совсем другим.

Емкость в цепи переменного тока

Теперь рассмотрим цепь, в которой есть только конденсатор и источник переменного тока (например, настенная розетка). Конденсатор – это устройство для хранения заряда. Оказывается, между током и напряжением существует разность фаз 90°, при этом ток достигает своего пика за 90° (1/4 периода) до того, как напряжение достигает своего пика. Иными словами, в чисто емкостной цепи ток опережает напряжение на 90°.

Чтобы понять, почему это так, мы должны рассмотреть некоторые из соответствующих уравнений, в том числе: связь между напряжением и зарядом для конденсатора:

CV = отношение Q между током и потоком изменений: I = ∆Q/∆t

Источник питания переменного тока создает колебательное напряжение. Мы должны проследить схему через один цикл напряжения, чтобы выяснить, что происходит с током.

Шаг 1 – В точке а (см. схему) напряжение равно нулю и конденсатор не заряжен. Сначала напряжение быстро увеличивается. Напряжение на конденсаторе соответствует напряжению источника питания, поэтому ток большой для накопления заряда на пластинах конденсатора. Чем ближе напряжение достигает своего пика, тем медленнее оно изменяется, а это означает, что должен протекать меньший ток. Когда напряжение достигает пика в точке b, конденсатор полностью заряжен и ток моментально равен нулю.

Шаг 2. После достижения пика напряжение начинает падать. Теперь конденсатор должен разрядиться, поэтому ток меняет направление. Когда напряжение проходит через ноль в точке c, оно меняется довольно быстро; чтобы соответствовать этому напряжению, ток должен быть большим и отрицательным.

Шаг 3 – Между точками c и d напряжение отрицательное. Заряд снова накапливается на обкладках конденсатора, но полярность противоположна той, что была на первом этапе. Ток снова отрицательный, и когда напряжение достигает своего отрицательного пика в точке d, ток падает до нуля.

Шаг 4. После точки d напряжение стремится к нулю, и конденсатор должен разрядиться. Когда напряжение достигает нуля, оно проходит полный цикл, поэтому снова возвращается к точке а, чтобы повторить цикл.

Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд должен протекать, чтобы создать определенное напряжение на пластинах, и тем выше будет ток. Чем выше частота напряжения, тем короче время, доступное для изменения напряжения, поэтому тем больше должен быть ток. Таким образом, ток увеличивается с увеличением емкости и частоты.

Обычно это рассматривается с точки зрения эффективного сопротивления конденсатора, известного как емкостное реактивное сопротивление, измеряемое в омах. Между током и сопротивлением существует обратная зависимость, поэтому емкостное реактивное сопротивление обратно пропорционально емкости и частоте:

Конденсатор в цепи переменного тока имеет такое сопротивление, которое называется емкостным реактивным сопротивлением и измеряется в омах. Это зависит от частоты переменного напряжения и определяется как Емкостное реактивное сопротивление X _c  = 1/ωC ​​= 1/2πfC

Мы можем использовать это как сопротивление (поскольку на самом деле это сопротивление) в уравнении вида V = IR, чтобы получить напряжение на конденсаторе:

В = IX _c

Обратите внимание, что V и I обычно являются среднеквадратичными значениями. значения напряжения и силы тока.

Катушка индуктивности представляет собой просто катушку провода (часто намотанную на кусок ферромагнетика). Если мы теперь посмотрим на цепь, состоящую только из катушки индуктивности и источника переменного тока, мы снова обнаружим, что существует 90° разности фаз между напряжением и током в катушке индуктивности. Однако на этот раз ток отстает от напряжения на 90°, поэтому он достигает своего пика через 1/4 цикла после пика напряжения.

Причина этого связана с законом индукции:

e = -N∆ɸ/∆t или e = – L∆I/∆t

Применение правила цикла Кирхгофа к приведенной выше схеме дает:

V – L∆I/∆t = 0, поэтому V = L∆I/∆t

По мере того, как напряжение источника питания увеличивается от нуля, напряжение на катушке индуктивности совпадает с ним. В случае конденсатора напряжение исходило от заряда, хранящегося на обкладках конденсатора (или, что то же самое, от электрического поля между обкладками). В катушке индуктивности напряжение возникает из-за изменения потока через катушку или, что то же самое, из-за изменения тока через катушку, что изменяет магнитное поле в катушке.

Для получения большого положительного напряжения требуется большое увеличение тока. Когда напряжение проходит через ноль, ток должен перестать изменяться буквально на мгновение. Когда напряжение большое и отрицательное, ток должен быстро уменьшаться. Все эти условия могут быть удовлетворены, если ток изменяется как отрицательная косинусоидальная волна, когда напряжение следует синусоидальной волне.

Как ток через индуктор зависит от частоты и индуктивности? Если частота повышена, времени на изменение напряжения меньше. Если временной интервал уменьшается, изменение тока также уменьшается, поэтому ток ниже. Ток также уменьшается, если индуктивность увеличивается.

Как и в случае с конденсатором, это обычно выражается через эффективное сопротивление катушки индуктивности. Это эффективное сопротивление известно как индуктивное реактивное сопротивление. Это определяется как X _L  = ωL = 2πfL, где L — индуктивность катушки (это зависит от геометрии катушки и наличия у нее ферромагнитного сердечника). Единицей индуктивности является генри.

Как и в случае с емкостным сопротивлением, напряжение на катушке индуктивности определяется по формуле: V = IX _L

Куда уходит энергия?

Одно из основных различий между резисторами, конденсаторами и катушками индуктивности в цепях переменного тока заключается в том, что происходит с электрической энергией. С резисторами мощность просто рассеивается в виде тепла. В конденсаторе энергия не теряется, потому что конденсатор попеременно накапливает заряд, а затем снова отдает его. В этом случае энергия запасается в электрическом поле между обкладками конденсатора. Количество энергии, хранящейся в конденсаторе, определяется энергией в конденсаторе: Энергия = ½ CV ²

Другими словами, существует энергия, связанная с электрическим полем. В общем случае плотность энергии (энергия на единицу объема) в электрическом поле без диэлектрика равна: диэлектрическая постоянная.

В индукторе также нет потерь энергии, потому что энергия попеременно накапливается в магнитном поле, а затем возвращается в цепь. Энергия, запасенная в катушке индуктивности:

Энергия в индукторе: Энергия = ½ LI ²

Опять же, есть энергия, связанная с магнитным полем. Плотность энергии в магнитном поле: Плотность энергии в магнитном поле = B ² / (2μ ₀ ).

Присоединяйтесь к дискуссионному форуму и выполняйте задание : Найдите вопросы в конце каждого урока. Нажмите здесь, чтобы обсудить свои ответы на форуме

Вы хотите учиться в Великобритании или КАНАДЕ? : Воспользуйтесь нашим БЕСПЛАТНЫМ калькулятором, чтобы узнать, сколько вам нужно будет показать посольству! Это БЕСПЛАТНО Нажмите здесь, чтобы начать путешествие за границу.