Активний опір і котушка індуктивності в колі змінного струму

Розглядаючи ланцюг змінного струму, що містить тільки індуктивний опір (дивіться статтю «Котушка індуктивності в колі змінного струму»), ми мали на увазі рівним нулю активний опір цього ланцюга.

Але в реальності як провід самої котушки, так і з`єднувальні дроти володіють хоча і маленьким, але активним опором, тому ланцюг неминуче споживає енергію джерела струму.

Тому при визначенні загального опору зовнішньої ланцюга необхідно класти її реактивне і активне опору. Але покладати ці два різних за своїм характером опору можна.

В даному випадку повний опір ланцюга змінному струмі знаходять методом геометричного складання.

Будують прямокутний трикутник (див. Малюнок 1) однією стороною якого є величина індуктивного опору, а інший - величина активного опору. Розшукувана повний опір ланцюга визначиться третьою стороною трикутника.

Малюнок 1. Визначення повного опору кола, що містить індуктивний і активний опір

Опір ланцюга позначається латинською буквою Z і вимірюється в Омасі. З побудови видно, що повний опір завжди більше індуктивного і активного опорів, окремо взятих.

Алгебраїчний вираз повного опору кола має вигляд:

де Z - загальний опір, R - активний опір, XL - індуктивний опір ланцюга.

Таким чином, повний опір ланцюга змінному струмі, що складається з активного і індуктивного опору, дорівнює кореню квадратному із суми квадратів активного і індуктивного опорів цьому ланцюзі.

Закон Ома для такого ланцюга виразиться формулою I = U / Z, де Z - загальний опір кола.

Розберемо зараз, яке буде напруга, якщо ланцюг, не рахуючи і і зрушення фаз між струмом і на індуктивності, володіє також порівняно великим активним опором. На практиці такий ланцюгом може служити, наприклад, ланцюг, що містить котушку індуктивності без сталевого сердечника, намотану з тонкого дроту (дросель високої частоти).

В даному випадку зрушення фаз між струмом і напругою складе вже не чверть періоду (як це було в ланцюзі тільки з індуктивним опором), а суттєво менше-при цьому чим більше буде активний опір, тим найменший вийде зрушення фаз.

Малюнок 2. Струм і напруга в ланцюзі, що містить R і L

Зараз і сама ЕРС самоіндукції не перебуває у протифазі з напругою джерела струму, тому що зрушена щодо напруги вже не на одну другу періоду, а менше. Крім того, напруга, створюване джерелом струму на затискачах котушки, не дорівнює ЕРС самоіндукції, а більше неї на величину падіння напруги в активному опорі проводу котушки. Інакше кажучи, напруга на котушці складається начебто з 2-ух складають:

• uL- реактивної слагающей напруги, врівноважує дію ЕРС самоіндукції,

• uR- активної слагающей напруги, що йде на подолання активного опору ланцюга.

Якщо б ми включили в ланцюг по черзі з котушкою величезна активний опір, то зрушення фаз так би зменшився, що синусоїда струму практично наздогнала б синусоїду напруги і різниця фаз між ними була б трохи видно. В даному випадку амплітуда слагающей і, була б більше амплітуди слагающей.

Точно так само можна зменшити зрушення фаз і навіть зовсім звести його до нуля, якщо зменшити будь-яким методом частоті генератора. Зменшення частоти призведе до зменшення ЕРС самоіндукції, а як слід, і до зменшення викликається нею зсуву фаз між струмом і напругою в ланцюзі.

Потужність кола змінного струму, що містить котушку індуктивності

Ланцюг змінного струму, що містить котушку, не споживає енергії джерела струму і що в ланцюзі відбувається процес обміну енергією між генератором і ланцюгом.

Розберемо зараз, як закінчиться справа з потужністю, споживаної такий ланцюгом.

Потужність, споживана в ланцюзі змінного струму, дорівнює добутку струму на напругу, але тому що струм і напруга є змінні величини, то і потужність буде також змінної. При цьому значення потужності для кожного моменту часу ми зможемо знайти, якщо помножимо величину струму на величину напруги, відповідну даному моменту часу.

Щоб отримати графік потужності, ми повинні перемножити величини відрізків прямих ліній, що визначають струм і напруга в різні моменти часу. Така побудова і приведено на рис. 3, а. Пунктирна хвилеподібна крива р вказує нам, як змінюється потужність в колі змінного струму, що містить тільки індуктивний опір.

При побудові цієї кривої використовувалося наступне правило алгебраїчного множення: при множенні позитивної величини на негативну виходить негативна величина, а при перемножуванні 2-ух негативних або 2-ух позитивних - позитивна величина.

Малюнок 3. Графіки потужності: а - в ланцюзі містить індуктивний опір, б - теж, активний опір

Малюнок 4. Графік потужності для ланцюга, що містить R і L

Крива потужності в даному випадку розміщена вище осі часу. Це означає, що обміну енергією між генератором і ланцюгом не відбувається, а як слід, потужність, що віддається генератором в ланцюг, стовідсотково споживається ланцюгом.

На рис. 4 зображено графік потужності для ланцюга, що містить в собі відразу індуктивне і активну опору. В даному випадку також відбувається оборотний перехід енергії з ланцюга до джерела струму, але в значно меншій мірі, ніж в ланцюзі з одним індуктивним опором.

Розглянувши наведені вище графіки потужності, ми приходимо до висновку, що тільки зрушення фаз між струмом і напругою в ланцюзі робить «негативну» потужність. При цьому, чим більше буде зрушення фаз між струмом і напругою в ланцюзі тим споживана ланцюгом потужність буде менше, і, навпаки, чим менше зрушення фаз, тим споживана ланцюгом потужність буде більше.