Котушка індуктивності в колі змінного струму

Розглянемо ланцюг, що містить в собі котушку індуктивності, і уявімо, що активний опір ланцюга, включаючи дріт котушки, так мало, що ним можна знехтувати. В даному випадку підключення котушки до джерела постійного струму викликало б його короткий замикання, при якому, як відомо, сила струму в ланцюзі виявилася б дуже великий.

Інакше йде справа, коли котушка приєднана до джерела змінного струму. Короткого замикання в даному випадку не відбувається. Це свідчить про те. що котушка індуктивності чинить опір проходить по ній змінному струмі.

Який характер цього опору і чим воно обумовлюється?

Щоб відповісти мул це питання, згадаємо явище самоіндукції. Будь-яке зміна струму в котушці викликає виникнення в ній ЕРС самоіндукції, що перешкоджає зміні струму. Величина ЕРС самоіндукції прямо пропорційна величині індуктивності котушки і швидкості зміни струму в ній. Але тому що змінний струм безперервно змінюється, то безперервно виникає в котушці ЕРС самоіндукції робить опір змінному струмі.

Для з`ясування процесів, що відбуваються в колі змінного струму з котушкою індуктивності, звернемося до графіку. На малюнку 1 побудовані криві смуги, що характеризують відповідно тик в ланцюзі, напруга на котушці і виникає в ній ЕРС самоіндукції. Переконаємося в коректності зроблених па малюнку побудов.

Ланцюг змінного струму з котушкою індуктивності

З моменту t = 0, т. Е. З вихідного моменту спостереження за струмом, він почав стрімко зростати, але в міру наближення до власного найбільшим значенням швидкість наростання струму зменшувалася. У момент, коли струм досяг найбільшої величини, швидкість його конфігурації на мить стала рівною нулю, т. Е. Закінчилося зміна струму. Потім струм почав спочатку повільно, а потім швидко спадати і після закінчення 2-ий чверті періоду зменшився до нуля. Швидкість же конфігурації струму за цю чверть періоду, зростаючи від куля, досягла більшої величини тоді, коли струм стане рівним нулю.

Малюнок 2. Характер змін струму в часі залежно від величини струму

З побудов на малюнку 2 видно, що при переході кривої струму через вісь часу підвищення струму за маленький відрізок часу t більше, ніж за той же відрізок часу, коли крива струму сягає своєї верхівки.

Отже, швидкість зміни струму зменшується в міру зростання струму і зростає в міру його зменшення, незалежно від напрямку струму в ланцюзі.

Зрозуміло, і ЕРС самоіндукції в котушці повинна бути більшою тоді, коли швидкість зміни струму велика, і зменшуватися до нуля, коли він припиняє здійснювати зміну. Дійсно, на графіку крива ЕРС самоіндукції eL за першу чверть періоду, починаючи від найбільшого значення, звалилася до нуля (див. Рис. 1).

Протягом наступної чверті періоду струм від найбільшого значення зменшувався до нуля, але швидкість його конфігурації рівномірно росла і була більшою в момент, коли струм став рівним нулю. Відповідно і ЕРС самоіндукції за час цієї чверті періоду, з`явившись знову в котушці, рівномірно росла і виявилася найбільшою до моменту, коли струм став рівним нулю.

Але напрямок своє ЕРС самоіндукції змінила на оборотне, тому що зростання струму в першій чверті періоду змінилося в 2-ій чверті його спадання.

Продовживши далі побудова кривої ЕРС самоіндукції, ми переконуємося в тому, що за період конфігурації струму в котушці і ЕРС самоіндукції зробить в ній повний період власного конфігурації. Напрямок її визначається законом Ленца: при зростанні струму ЕРС самоіндукції буде спрямована проти струму (1-а і 3-тя чверть періоду), а при убуванні струму, навпаки, збігатися з ним у напрямку (2-а і 4-а чверті періоду) .

Таким чином, ЕРС самоіндукції, що викликається самим змінним струмом, перешкоджає його зростанню і, навпаки, підтримує його при убуванні.

Звернемося тепер до графіка напруги на котушці (див. Рис. 1). На цьому графіку синусоїда напруги на затискачах котушки зображена рівній і зворотного синусоїді ЕРС самоіндукції. Отже, напруга на затискачах котушки в будь-який момент часу дорівнює і назад ЕРС самоіндукції, що виникає в ній. Напруга це створюється генератором змінного струму і йде на те, щоб погасити дію в ланцюзі ЕРС самоіндукції.

Таким чином, в котушці індуктивності, включеної в ланцюг змінного струму, створюється опір проходженню струму. Але тому що такий опір викликається в кінцевому рахунку індуктивністю котушки, то і називається воно індуктивним опором.

Індуктивний опір позначається через XL і вимірюється, як і активний опір, в Омасі.

Індуктивний опір ланцюга тим більше, чим більше частота джерела струму, що живить ланцюг, і чим більше індуктивність ланцюга. Отже, індуктивний опір ланцюга прямо пропорційно частоті струму й індуктивності ланцюги-визначається воно по формулі XL = ωL, де ω - радіальна частота, яка визначається твором 2πf. - індуктивність ланцюга в гн.

Закон Ома для кола змінного струму, що містить індуктивний опір, звучить так: величина струму прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна індуктивному опору ланцюга, т. Е. I = U / XL, де I і U - діючі значення струму і напруги, а XL- індуктивний опір ланцюга.

Розглядаючи графіки конфігурації струму в котушці. ЕРС самоіндукції і напруги на її затискачах, ми звернули увагу на те, що зміна цих величин не збігається за часом. Інакше кажучи, синусоїди струму, напруги і ЕРС самоіндукції виявилися для розглянутої нами ланцюга зсунутими за часом одна щодо іншої. У техніці змінних струмів таке явище прийнято називати зрушенням фаз.

Якщо ж дві змінні величини змінюються по одному і тому ж закону (в нашому випадку за синусоїдальним) з подібними періодами, відразу досягають свого максимального значення як в прямому, так і в зворотному напрямку, також відразу зменшуються до нуля, то такі змінні величини мають однакові фази або, як кажуть, збігаються по фазі.

Як приклад на малюнку 3 наведені збігаються по фазі криві конфігурації струму і напруги. Такий збіг фаз ми завжди дивимося в колі змінного струму, що складається тільки з активного опору.

У цьому випадку, коли ланцюг містить індуктивний опір, фази струму і напруги, як це видно з рис. 1 не збігаються, т. Е. Є зрушення фаз між цими змінними величинами. Крива струму в даному випадку начебто відстає від кривої напруги на чверть періоду.

Отже, при включенні котушки індуктивності в ланцюг змінного струму в ланцюзі виникає зрушення фаз між струмом і напругою, при цьому струм відстає по фазі від напруги на чверть періоду. Це означає, що максимум струму настає через чверть періоду після того, як настав максимум напруги.

ЕРС ж самоіндукції знаходиться в протифазі з напругою на котушці, відстаючи, в свою чергу, від струму на чверть періоду. При цьому період конфігурації струму, напруги, також і ЕРС самоіндукції не змінюється і залишається рівним періоду конфігурації напруги генератора, що живить ланцюг. Зберігається також і синусоїдальний характер зміни цих величин.

Малюнок 3. Збіг по фазі струму і напруги в колі з активним опором

З`ясуємо тепер, яке відміну навантаження генератора змінного струму активним опором від навантаження його індуктивним опором.

Коли ланцюг змінного струму містить в собі тільки одне активний опір, то енергія джерела струму поглинається в активному опорі, нагріваючи провідник.

Коли ж ланцюг не містить активного опору (ми умовно вважаємо його рівним нулю), а складається тільки з індуктивного опору котушки, енергія джерела струму витрачається не на нагрів проводів, а лише на створення ЕРС самоіндукції, т. Е. Вона перетворюється в енергію магнітного поля . Але змінний струм безперервно змінюється як за величиною, так і за напрямком, а як слід, і магнітне поле котушки безперервно змінюється в такт зі зміною струму. В першу чверть періоду, коли струм зростає, ланцюг отримує енергію від джерела струму і припасає її в магнітному полі котушки. Але як струм, досягнувши свого максимуму, починає спадати, він підтримується за рахунок енергії, запасеної в магнітному полі котушки засобом ЕРС самоіндукції.

Таким чином, Інакше кажучи, ланцюг змінного струму, що містить тільки індуктивний опір, не споживає енергії: в цьому випадку відбувається коливання енергії між джерелом і ланцюгом. Активне ж опір, навпаки, поглинає в собі всю енергію, повідомлену йому джерелом струму.

Кажуть, що котушка індуктивності, на противагу омічному опору, не активна по відношенню до джерела змінного струму, т. Е. Реактивна. Тому індуктивний опір котушки називають також реактивним опором.