МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ. Под переменным током обычно подразумевают такой ток в установившемся режиме, величина и направление которого изменяются по периодическому закону

Под переменным током обычно подразумевают такой ток в установившемся режиме, величина и направление которого изменяются по периодическому закону. Значения тока повторяются через равные промежутки времени, называемые периодом Т. В течение одного полупериода ток имеет одно направление, в течение следующего - обратное.

Всякая цепь переменного тока характеризуется следующими основными параметрами: активным сопротивлением R; индуктивным сопротивлением X_L;емкостным сопротивлением X_C.

Индуктивное сопротивление

где ω - угловая скорость (вектора), рад/с, 𝜔=2𝜋f (f - частота, равная
50 Гц); L - коэффициент самоиндукции (индуктивность).

Емкостное сопротивление

,

где - емкость, Ф.

Активные сопротивления существуют в лампах накаливания, электрических цепях, резисторах, нагревательных приборах, реостатах и т.п. При переменном токе возникает переменное магнитное поле, которое непрерывно индуцирует ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции направлена навстречу приложенному напряжению и уменьшает действующее значение переменного тока. Ее влияние на ток электрической цепи учитывается так называемым индуктивным сопротивлением X_L. Катушки (без стального сердечника и с ним), обмотки электрических машин и трансформаторов являются значительными индуктивными сопротивлениями. При переменном токе на режим работы цепи оказывает влияние также емкость. Влияние емкости учитывается емкостным сопротивлением X_C. Все виды электрических конденсаторов представляют емкостные сопротивления. Параллельно расположенные провода, разделенные диэлектриком, надо рассматривать как конденсаторы (ёмкость).

Если максимальные и нулевые значения токов и напряжений не совпадают во времени, то говорят, что они сдвинуты по фазе. В цепях переменного тока с одним лишь резистором ток совпадает по фазе (или во времени) с приложенным к цепи напряжением. В цепях переменного тока с идеальной индуктивностью (при и ):

- ток отстает по фазе от приложенного напряжения на угол или на четверть периода во времени;

- в течение первой и третьей четвертей периода при возрастании тока от нуля до максимума генератор посылает энергию в цепь (мощность положительна), где она накапливается в индуктивности как энергия магнитного поля; при этом ЭДС самоиндукции направлена против тока;

- при убывании тока в течение второй и четвертой четвертей периода накопленная в индуктивности энергия магнитного поля возвращается генератору, при этом ЭДС самоиндукции совпадает по направлению с током.

Так происходит колебательный процесс с непрерывным обменом энергией между источником питания и индуктивностью цепи. ЭДС самоиндукции играет роль как бы промежуточного механизма в этом обмене. Поскольку R = 0, полная энергия источника за период равна нулю;

В цепях переменного тока с чистой емкостью ( и ):

- ток опережает по фазе приложенное напряжение на угол или на четверть периода во времени;

- в течение первой и третьей четвертей периода при возрастании напряжения от нуля до максимума генератор посылает энергию в цепь (мощность положительная), где она накапливается в конденсаторе в виде энергии электрического поля;

- при убывании напряжения в течение второй и четвертой четвертей периода накопленная в конденсаторе энергия электрического поля возвращается к генератору, при этом ЭДС емкости совпадает по направлению с током.

Таким образом, в цепи с емкостью, так же как и в цепи с ин­дуктивностью, происходит непрерывный обмен энергией между источником питания и емкостью (конденсатором). Поскольку R = 0, полная энергия источника питания за период равна нулю.

При последовательном соединении активного, индуктивного, емкостного сопротивлений (рис.1.1) полное сопротивление цепи может быть определено по следующей формуле:

.

Рис.1.1 Электрическая цепь с последовательным соединением
резистора, идеальной индуктивной катушки и конденсатора

Тогда действующее значение тока в цепи с последовательным соединением сопротивлений определится по закону Ома из формулы

.

Если в цепях постоянного тока напряжение на зажимах равнялось алгебраической сумме напряжений на отдельных участках цепи, то в цепях переменного тока действующее значение напряжения на зажимах будет равно геометрической (комплексной) сумме действующих значений напряжений на отдельных участках цепи, т.е. .

Это указывает на то, что протекающий во всех участках цепи один и тот же ток I на участке “R” совпадает по фазе с напряжением U_R , на участке “X_L”- отстает от напряжения U_L, и на участке
“X_L”- опережает напряжение U_C (здесь ; ; ) по фазе на угол .

Векторная диаграмма тока и напряжений на участках цепи может быть представлена следующим образом (рис. 1.2).

Рис.1.2.Треугольник напряжений

При X_L=X_C или ток в цепи достигает наибольшего значения , а полное сопротивление z уменьшается до активного R.

Тогда напряжение на индуктивности будет равно и противоположно напряжению на емкости . Приложенное к зажимам цепи напряжение U будет уравновешивать лишь одно активное падение напряжения и, следовательно, совпадать по фазе с током. Это явление носит название резонанса напряжений.

Напряжения на участках цепи U_L и U_C могут быть при резонансе значительно больше напряжения, приложенного к зажимам цепи.

Легко доказать, что

,

,

т.е. напряжения на зажимах индуктивности и на обкладках
конденсаторов при резонансе напряжений во столько раз больше приложенного к цепи напряжения, во сколько раз сопротивления X_L=X_C больше активного сопротивления R. Вследствие повышенных напряжений на отдельных участках цепи могут быть повреждены приборы, находящиеся на этих участках, а также пробита изоляция проводов или диэлектрика конденсатора. Однако работа электрической цепи в режиме резонанса напряжений находит широкое применение в радиотехнике, электронике, автоматике и других слаботочных цепях. Такую цепь часто называют последовательным (колебательным) контуром.

Отношение напряжения на индуктивности или на емкости к напряжению, приложенному к цепи, при резонансе, т.е.
U_L/U=U_C/U=Q называется коэффициентом резонанса или добротностью контура. Коэффициент резонанса показывает, во сколько раз напряжение на индуктивности или емкости больше, чем приложенное к цепи напряжение.

При резонансе напряжений энергия электрического и магнитного полей будет переходить одна в другую таким образом, что обмен реактивной энергией между L и C будет происходить помимо внешнего источника, доставляющего в цепь в этом случае только активную энергию.

Разделив стороны треугольника UOU_R (см.рис.1.2) на I,получим треугольник сопротивлений (рис. 1.3).

Рис.1.3. Треугольник сопротивлений

Сдвиг фаз между током в цепи и напряжением на ее зажимах может быть определен из формулы:

;

или

.

Мощность, потребляемая цепью, которая содержит сопротивление R, индуктивность L и емкость C, расходуется на нагрев резистора, создание магнитного поля в индуктивности и создание электрического поля в емкости (конденсаторе).

При возрастании энергии магнитного поля убывает энергия электрического поля. Энергия, преобразуемая в тепло или меха­ническую работу, называется активной.

Энергия, запасенная в магнитном и электрическом поле и затем отдаваемая обратно генератору, называется реактивной.

Активная мощность, Вт, переменного тока выражается формулой: ; реактивная мощность, вар, - формулой: .

Полная (кажущаяся) мощность, ВА: .

Если каждую сторону треугольника UOU_R (см. рис.1.2) умножить на ,то можно получить треугольник мощностей (рис.1.4).

;

;

.

Из треугольника следует, что и .

Рис.1.4. Треугольник мощностей

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для выполнения работы. Записать их технические данные в табл.1.1.

Таблица 1.1

Техническая характеристика приборов и аппаратов

Наименование прибора	Система прибора	Класс точности	Пределы измерений	Цена деления

2. Собрать электрическую цепь, указанную на схеме (рис.1.5), и дать ее проверить преподавателю или лаборанту.

Рис.1.5. Неразветвленная электрическая цепь однофазного
синусоидального тока

3. При постоянных значениях индуктивности , сопротивления резистора R, частоты и напряжения U на зажимах цепи изменением емкости получить резонанс напряжений. Необходимо сделать не менее девяти измерений, т.е. четыре точки до резонанса, одну точку при резонансе, четыре точки после резонанса.

Результаты опытов внести в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

Экспериментальные и расчётные данные

№

f

C

Измерено

Вычислено

U

UR

UL

UC

XL

XC

R

z

L

U

P

Q

S

cosφ

Гц

мкФ

В

B

B

B

Ом

Ом

Ом

Ом

Гн

B

Вт

вар

В∙А

1.

2.

3.

4.

5.

4. Показать руководителю результаты опытов.

5. Разобрать электрическую цепь, привести в порядок рабочее место.

6. По данным опытов и подсчета (согласно табл.1.2) построить экспериментальные и расчетные кривые:

;

;

;

;

7. Построить векторные диаграммы для случаев:

;

;

.

8. Составить отчет о работе, содержащий:

- наименование и цель работы;

- схему опытной установки;

- техническую характеристику приборов и аппаратов;

- таблицу измерений и расчетных данных;

- расчетные формулы;

- векторные диаграммы и графики.