Реактивное сопротивление конденсатора: цепь переменного тока

Переменный ток

Чтобы понять, что такое активное сопротивление, необходимо разобраться в самом явлении переменного тока. Переменный ток — это тип тока, который постоянно меняет направление своего потока. Во время протекания потенциалы переменного тока постоянно меняются. Это связано с работой генератора, а точнее с взаимодействием магнитного поля с медной обмоткой. Движение хорошо отслеживается с помощью осциллографа. Его форма напоминает синусоиду.

Роль переменного тока сложно переоценить. Его главное преимущество заключается в простоте передачи от источника к потребителю, возможности понижать или повышать напряжение с помощью трансформаторов. Кроме того, переменные электрические токи могут быть предоставлены потребителю по гораздо более низкой цене.

Сопротивление

Сопротивление — это способность проводника замедлять прохождение заряженных частиц через его структуру. На эту емкость влияют материал проводника, его толщина и длина. Единица измерения электрического сопротивления — 1 Ом.

Расчет производится путем пропускания через проводник напряжения в один вольт и тока в один ампер. В электрических схемах этот параметр обозначается буквой «R».

Мгновенная мощность в цепи переменного тока с активным сопротивлением.

При изменении значений напряжения и тока скорость преобразования электрической энергии в приемнике, то есть его мощность, также изменяется. Мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений напряжения и тока: p = Umsinωt * Imsinωt = UmImsin2ωt

Из тригонометрии находим

Более наглядное представление о характере изменения мощности в цепи дает график в прямоугольной системе координат, который строится после перемножения ординат кривых напряжения и тока, соответствующих ряду значений их общего аргумента. — время t. Мощность в зависимости от времени — Периодическая кривая (рис. 13.2). Если ось времени t поднять согласно чертежу значения p = Pm√2 = UmIm√2, то относительно новой оси t ‘график мощности представляет собой синусоиду с удвоенной частотой и начальной фазой 90°:

Следовательно, в исходной системе координат мгновенная мощность равна сумме постоянного значения P = UmIm√2 и переменной p’:

р = р + р’

Анализируя график мгновенной мощности, легко увидеть, что мощность остается положительной в течение периода, хотя ток и напряжение меняют знак. Это связано с согласованием фаз напряжения и тока.

Постоянство знака мощности указывает на то, что направление потока электрической энергии остается неизменным в течение периода, в данном случае от сети (от источника энергии) к приемнику с сопротивлением R, где электрическая энергия необратимо преобразуется в другую вид энергии. В этом случае электрическая энергия называется активной.

Если R — сопротивление проводника, то согласно закону Ленца-Джоуля содержащаяся в нем электрическая энергия преобразуется в тепло.

Как смотреть силу тока в цепи через осциллограф

Чем резистор отличается от катушки индуктивности и конденсатора? Понятно, что функции выполнены, но это еще не все. Итак, давайте посмотрим на простейшую схему во всей электронике:

На схеме мы видим генератор частоты и резистор.

Давайте наглядно посмотрим, что происходит на этой диаграмме. Для этого, как я уже сказал, нам понадобится генератор частоты

А также цифровой осциллограф:

С его помощью мы будем наблюдать за напряжением и током  .

Какие?

Сила тока?

Но разве осциллограф не предназначен для наблюдения за формой волны напряжения? Как мы увидим текущую форму волны? И все оказывается просто). Для этого достаточно запомнить правило шунтирования.

Кто не помнит — напомню. У нас есть обычный резистор:

Что произойдет, если через него протечет электрический ток?

На концах резистора у нас будет падение напряжения. То есть, если измерить мультиметром напряжение на его концах, мультиметр покажет значение в вольтах

А теперь главный вопрос: от чего зависит падение напряжения на резисторе? Закон Ома снова вступает в силу для участка цепи: I = U / R. Итак, U = IR. Мы видим зависимость от номинала самого резистора и от тока, протекающего в этот момент в цепи. Ты слышишь? ОТ СИЛЫ ТОКА! Так почему бы не воспользоваться таким замечательным свойством и не понаблюдать за силой тока при падении напряжения на самом резисторе? Ведь номинал резистора постоянный и почти не меняется при изменении тока 😉

Активное сопротивление

Переменный ток подается к потребителю с целью преобразования его в другие формы энергии, такие как тепло и свет. В бытовых сетях преобладает использование однофазного переменного тока. При подключении потребителя создается активное сопротивление.

Простые цепи переменного тока с активным сопротивлением включают в себя источник тока и идеальный резистор. В этом случае должны быть выполнены необходимые условия для идеальной цепи:

1. Активное сопротивление не должно быть нулевым, это обязательное условие.
2. Емкость и индуктивность цепи должны быть нулевыми.

Кроме того, для идеального активного сопротивления должны быть соблюдены следующие условия:

1. Закон Ома соблюдается для мгновенных, эффективных и амплитудных параметров цепи.
2. Значение полностью не зависит от колебаний амплитуды.
3. Нет сдвига фаз между током и напряжением.
4. Живой элемент излучает часть тепловой энергии, то есть нагревается.

Все эти условия позволяют электроприборам работать с точно заданными параметрами с максимальной эффективностью. Любые изменения могут быть причиной отсутствия надежного контактного соединения или неисправности самого потребителя.

Чтобы рассчитать значение активного сопротивления в цепи, необходимо знать величину напряжения и тока. Для расчета используется формула: R = U / I. Формула состоит из следующих значений:

1. «R» — сопротивление, Ом;
2. «U» — значение напряжения, вольт;
3. «I» — сила тока, ампер.

Далее вы можете провести несложный расчет. Потребитель — электрическая духовка, включенная в цепь однофазного переменного тока:

1. Напряжение в цепи — 240 вольт.
2. При замере силы тока было получено значение 4 ампера.
3. R = 240/4 = 60 Ом.

Расчетное значение сопротивления не является окончательным. На него в основном влияет сечение проводов, входящих в цепь, схема взаимодействия между цепями емкостных и полупроводниковых элементов.

Активное значение схемы также вызывает необратимую потерю исходной электрической энергии, а также вызывает снижение мощности.

Читайте также: Самые дорогие транзисторы: где принимают в лом за деньги и как найти зеленые конденсаторы из золота

Реактивное сопротивление конденсатора

Как мы видели из прошлого опыта, ток увеличивается с увеличением частоты! Кстати резистор не вырос. То есть в данном случае из закона Ома следует, что сопротивление конденсатора зависит от частоты! Да, это. Но оно называется не просто сопротивлением, а реактивным сопротивлением и рассчитывается по формуле:

где это находится

Xc — реактивное сопротивление конденсатора, Ом

P — постоянный и примерно равный 3,14

F — частота, Гц

— емкость конденсатора, Фарад

Активная емкость

В простой схеме активное значение также зависит от активной емкости. Для идеальной емкости в цепи должен быть конденсатор, находящийся под переменным напряжением. Идеальный конденсатор обозначается буквой «С».

Чтобы получить идеальную схему с активной емкостью, должны быть выполнены следующие условия:

1. Активная индуктивность и сопротивление должны быть равны 0.
2. Емкость самого конденсатора в цепи должна быть больше 0.

В этих условиях электрическая цепь приобретает следующие характеристики:

1. Закон Ома соблюдается без малейших отклонений.
2. Емкостное сопротивление «X» приложено к переменному току».
3. Наблюдается нелинейное уменьшение емкости с увеличением частоты колебаний.
4. Между напряжением и током имеется фазовый сдвиг до 90 градусов.
5. Емкость цепи непостоянна. Причина кроется в периодическом накоплении и выделении энергии.

Цепь переменного тока с активным емкостным сопротивлением может быть объединена с индуктивностью. Для создания индуктивности в цепь включается индуктор. Катушка также добавляет свою долю сопротивления в общую цепь. При таком подключении в цепи появляется индуктивное сопротивление. Оба элемента, катушка и конденсатор, не являются конечными потребителями энергии. Эти элементы не находятся под постоянным напряжением, их работа основана на накоплении и возврате тока в цепи.

Осциллограмма силы тока на активном сопротивлении

В этом эксперименте нам не нужно знать номинальный ток в цепи. Мы увидим только то, от чего зависит сила тока и изменится ли она полностью?

Поэтому наша схема будет выглядеть так:

В этом случае шунт будет резистором 0,5 Ом. Почему именно 0,5 Ом? Да потому что он не сильно нагревается, так как имеет небольшое сопротивление, да и его номинала тоже вполне хватает для снятия с него напряжения.

Осталось снять напряжение с генератора и шунтировать при помощи осциллографа. Если не забыли, снимем осциллограмму тока в цепи с шунта. Красная осциллограмма — это напряжение от генератора Ugen, а желтая осциллограмма — напряжение от шунта Ush, в нашем случае ток. Посмотрим, что у нас получилось:

Частота 28 Герц:

Частота 285 Герц:

Частота 30 килогерц:

Как видите, с увеличением частоты сила тока остается прежней.

Побалуйте себя осциллограммой:

Как видим, сила тока полностью повторяет форму сигнала напряжения.

Итак, какие выводы можно сделать?

1. Ток через активное (омическое) сопротивление имеет ту же форму, что и форма напряжения.
2. Сила тока и напряжение на активном резисторе совпадают по фазе, т.е там, где идет напряжение, там и ток. Они движутся синхронно, то есть одновременно.
3. По мере увеличения частоты ничего не меняется (если только на очень высоких частотах).

Мощность

При наличии активного сопротивления мощность этой цепи сильно снижается. Это значение зависит от падения напряжения и скорости преобразования электрической энергии. На схеме подключения мощность обозначена буквой «П».

Для получения минимального уменьшения средней и мгновенной мощности, которые образуются в момент появления активного сопротивления, снижения напряжения и преобразования энергии, необходимо, чтобы простейшие схемы состояли из идеальных элементов с высокой электропроводностью.

Реактивное сопротивление катушки индуктивности

Из приведенного выше опыта можно сделать вывод, что сопротивление катушки зависит от частоты и рассчитывается по формуле

где это находится

XL — сопротивление катушки, Ом

P — постоянный и равный примерно 3,14

F — частота, Гц

L — индуктивность

где это находится

XL — сопротивление катушки, Ом

P — постоянный и равный примерно 3,14

F — частота, Гц

L — индуктивность

где это находится

XL — сопротивление катушки, Ом

P — постоянный и равный примерно 3,14

F — частота, Гц

L — индуктивность

где это находится

XL — реактивное сопротивление катушки, Ом

P — постоянный и равный примерно 3,14

P — постоянный и примерно равный 3,14

F — частота, Гц

L — индуктивность, Генри

Зависимость

Величина активного сопротивления во многом зависит от диаметра проводников. При наложении токов высокой частоты сопротивление проводника можно уменьшить только в том случае, если его поверхностный слой будет намного тоньше основного. Чтобы получить идеальное поперечное сечение, этот слой должен состоять из материала с очень высокой проводимостью, такого как золото или серебро. Этот эффект возникает из-за взаимодействия напряжения и создаваемого им магнитного поля. Поле сильно влияет на ток, протекающий по проводнику, и толкает его к поверхностному слою. Поэтому ближе к поверхности проводника проводимость уменьшается и становится критически малой в его верхнем слое.

Также присутствуют следующие эффекты: дисперсионные потери и диэлектрические потери. Оба эффекта связаны с наличием в цепи конденсатора. Диэлектрические потери вызваны повышением температуры диэлектрика внутри конденсатора. Потеря утечки происходит в результате пробоя изолятора конденсатора.

Гистерезис. Это тоже тип потери мощности переменного тока. Эта потеря происходит, когда вокруг металлических предметов формируется магнитное поле. Электромагнитный эффект приводит к нагреванию металла, что означает преобразование энергии.

Последний фактор рассеивания — это радиочастотное излучение. Радиоволны возникают из-за сильного магнитного поля и его взаимодействия с металлами в цепи. Для подавления, особенно в радиоаппаратуре, используются экраны, поглощающие часть поля и отбрасывающие остальное.