Активное сопротивление в цепи переменного тока

Активное сопротивление в цепи переменного тока

Электрические лампы накаливания, печи сопротивления, бытовые нагревательные приборы, реостаты и другие приемники, где электрическая энергия преобразуется в тепловую, на схемах замещения обычно представлены только сопротивлением R.
Для схемы, изображенной на рис. 13.1, а, заданы сопротивление R и напряжение, изменяющееся по закону

u = U_msinωt

Найдём ток и мощность в цепи.

Реактивное сопротивление

При прохождении переменного тока через реактивные элементы возникает реактивное сопротивление. Оно обусловлено в первую очередь ёмкостями и индуктивностями.

Индуктивностью в цепи переменного тока обладает катушка индуктивности, причём в идеальном случае, активным сопротивлением её обмотки пренебрегают. Реактивное сопротивление катушки переменному току создаётся благодаря её ЭДС самоиндукции. Причем с ростом частоты тока, сопротивление также растёт.

Реактивное сопротивление катушки зависит от частоты тока и индуктивности катушки

Конденсатор обладает реактивным сопротивлением благодаря своей ёмкости. Его сопротивление с увеличением частоты тока уменьшается, что позволяет его активно использовать в электронике в качестве шунта переменной составляющей тока.

Сопротивление конденсатора можно рассчитать по формуле

Осциллограмма силы тока на активном сопротивлении

В данном опыте нам не обязательно знать номинал силы тока в цепи. Мы будем просто смотреть, от чего зависит сила тока и изменяется ли вообще?

Поэтому, наша схема примет вот такой вид:

В этом случае шунтом будет являться резистор сопротивлением в 0,5 Ом. Почему именно 0,5 Ом? Да потому что он не будет сильно греться, так как обладает маленьким сопротивлением, а также его номинал вполне достаточен, чтобы снять с него напряжение.

Осталось снять напряжение с генератора, а также со шунта с помощью осциллографа. Если вы не забыли, со шунта мы снимаем осциллограмму силы тока в цепи. Красная осциллограмма – это напряжение с генератора U_ген , а желтая осциллограмма – это напряжение с шунта U_ш , в нашем случае – сила тока. Смотрим, что у нас получилось:

Частота 28 Герц:

Частота 285 Герц:

Частота 30 Килогерц:

Как вы видите, с ростом частоты сила тока у нас осталась такой же.

Давайте побалуемся формой сигнала:

Как мы видим, сила тока полностью повторяет форму сигнала напряжения.

Итак, какие можно сделать выводы?

1) Сила тока через активное (омическое) сопротивление имеет такую же форму, как и форма напряжения.

2) Сила тока и напряжение на активном сопротивлении совпадают по фазе, то есть куда напряжение, туда и ток. Они двигаются синфазно, то есть одновременно.

3) С ростом частоты ничего не меняется (если только на очень высоких частотах).

Удельное сопротивление

Как узнать сопротивление материала, если по нему не течет ток и у нас нет омметра? Для это существует специальная величина —удельное электрическое сопротивление материало в

(это табличные значения, которые определены опытным путем для большинства металлов). С помощью этого значения и физических величин материала, мы можем вычислить сопротивление по формуле:

где,p— удельное сопротивление (единицы измерения ом*м/мм 2 );

Реактивное сопротивление конденсатора.

Электрический ток в конденсаторе представляет собой часть или совокупность процессов его заряда и разряда – накопления и отдачи энергии электрическим полем между его обкладками.

В цепи переменного тока, конденсатор будет заряжаться до определённого максимального значения, пока ток не сменит направление на противоположное. Следовательно, в моменты амплитудного значения напряжения на конденсаторе, ток в нём будет равен нулю. Таким образом, напряжение на конденсаторе и ток всегда будут иметь расхождение во времени в четверть периода.

В результате ток в цепи будет ограничен падением напряжения на конденсаторе, что создаёт реактивное сопротивление переменному току, обратно-пропорциональное скорости изменения тока (частоте) и ёмкости конденсатора.

Если приложить к конденсатору напряжение U, мгновенно начнётся ток от максимального значения, далее уменьшаясь до нуля. В это время напряжение на его выводах будет расти от нуля до максимума. Следовательно, напряжение на обкладках конденсатора по фазе отстаёт от тока на угол 90 °. Такой сдвиг фаз называют отрицательным.

Ток в конденсаторе является производной функцией его заряда i = dQ/dt = C(du/dt).
Производной от sin(t) будет cos(t) либо равная ей функция sin(t+π/2).
Тогда для синусоидального напряжения u = U ampsin(ωt) запишем выражение мгновенного значения тока следующим образом:

i = U ampωCsin(ωt+π/2).

Отсюда выразим соотношение среднеквадратичных значений .

Закон Ома подсказывает, что 1/ωC есть не что иное, как реактивное сопротивление для синусоидального тока:

Реактивное сопротивление конденсатора в технической литературе часто называют ёмкостным. Может применяться, например, в организации ёмкостных делителей в цепях переменного тока.

Онлайн-калькулятор расчёта реактивного сопротивления

Необходимо вписать значения и кликнуть мышкой в таблице.
При переключении множителей автоматически происходит пересчёт результата.

Физический смысл реактивного сопротивления

В катушках и конденсаторах при подаче напряжения происходит накопление энергии в виде магнитных и электрических полей, что требует некоторого времени.

Магнитные поля в сетях переменного тока изменяются вслед за меняющимся направлением движения зарядов, при этом оказывая дополнительное сопротивление.

Кроме того, возникает устойчивый сдвиг фаз напряжения и силы тока, а это приводит к дополнительным потерям электроэнергии.

1.2. СОПРОТИВЛЕНИЯ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Электрический ток в проводниках непрерывно связан с магнитным и электрическими полями.
Элементы, характеризующие преобразование электромагнитной энергии в тепло, называются активными сопротивлениями (обозначаются R).
Элементы, связанные с наличием только магнитного поля, называются индуктивностями.
Элементы, связанные с наличием электрического поля, называются емкостями.
Типичными представителями активных сопротивлений являются резисторы, лампы накаливания, электрические печи и т.д.
Индуктивностью обладают катушки реле, обмотки электродвигателей и транс-форматоров. Индуктивное сопротивление подчитывается по формуле:

где L — индуктивность.
Емкостью обладают конденсаторы, длинные линии электропередачи и т.д.
Емкостное сопротивление подсчитывается по формуле:

где С — емкость.
Реальные потребители электрической энергии могут иметь и комплексное значение сопротивлений. При наличии R и L значение суммарного сопротивления Z подсчитывается по формуле:

Аналогично ведется подсчет Z и для цепи R и С:

Потребители с R, L, C имеют суммарное сопротивление:

Основные сведения об электропроводимости

Каждое вещество проводит ток по-разному. Все зависит от электронной конфигурации, которую можно получить из таблицы Д. И. Менделеева. Электронная конфигурация показывает основной параметр, от которого зависит величина сопротивления R, — количество свободных электронов (Nсэ). Вещество состоит из атомов, которые образуют кристаллическую решетку (КР). Не все электроны прочно удерживаются ядром.

Классификация веществ

В веществах присутствует несколько электронов (Э), которые имеют очень слабую силу взаимодействия с ядром. Кроме того, в металлах, кроме обыкновенных Э, есть определенное Nсэ. При приложении незначительной сторонней энергии происходит отрыв электронов от ядер атомов, и это приводит к образованию ионов. Металл остается незаряженным, так как отрицательный заряд всех Э равен положительному заряду элементарных частиц (ЭЧ), входящих в состав ядер. Ядро состоит из нуклонов, а именно:

• протонов — положительно заряженных ЭЧ;
• нейтронов — нейтральные ЭЦ.

Свободные Э движутся хаотично, однако среди них есть такие, которые летят близко к поверхности металла, и они не могут вылететь из вещества, так как их удерживает сила притяжения ионов и ядер. Исходя из Nсэ, можно разделить любое вещество на 3 группы по проводимости:

1. Проводники.
2. Полупроводники.
3. Диэлектрики.

К проводникам (П) относятся вещества, обладающие большим Nсэ. К ним относятся металлы, электролитические растворы и ионизированные газы. В металлах свободными носителями заряда (СНЗ) являются свободные Э, в электролитах и ионизированных газах — ионы, под действием электрического поля движение СНЗ становится упорядоченным, в результате которого образуется электрический ток (ЭТ).

В полупроводниках Nсэ зависит от различных внешних факторов, при действии которых происходит освобождение некоторых Э от действия силы притяжения ядра — силы Кулона при взаимодействии 2 и более частиц. Место, которое покинул Э, называется дыркой. Движение дырок и Э является противоположным, и при этом возникает ЭТ. К веществам полупроводникового типа относятся следующие: кремний (Si), германий (Ge), селен (Se) и т. д.

К группе диэлектриков или изоляторов относятся вещества, которые вообще не обладают СНЗ, а следовательно, они не проводят электрический ток вообще. При некоторых условиях диэлектрик может стать отличным от П тока, например, если будет покрыт каплями электропроводящей жидкости. Этот момент является очень важным для избежания выхода аппаратуры из строя или поражения ЭТ. При протекании по П ЭТ оказывает тепловое действие на него. Это свойство обусловлено тем, что Э взаимодействуют с узлами КР, и кинетическая энергия Э превращается в тепловую.

В результате происходит снижение скорости Э, а затем ее полное восстановление при воздействии электромагнитного поля. Этот процесс повторяется большое количество раз и называется электрическим сопротивлением, которое обозначается для цепей постоянного тока R, а для цепей переменного тока (ПТ) существует полное сопротивление — Z. Измеряется R и Z в Ом.

Зависимость от различных параметров

R является величиной, зависящей от многих факторов. Эти факторы можно разделить на группы:

1. Физические свойства: длина, площадь поперечного сечения (S) и деформация.
2. Внешняя среда: температура.
3. Электрические: I, U, e (электродвижущая сила — ЭДС).

R рассчитывается по закону Ома: I = U / R. Формулировка этого закона следующая: I, протекающий на участке цепи, прямо пропорционален U и обратно пропорционален R выбранного участка.

Формулировка для всей цепи: I, протекающий по всей цепи, прямо пропорционален ЭДС и обратно пропорционален R всего участка с учетом внутреннего сопротивления источника питания (ИП). Формула имеет вид: I = e / (R + Rип). Из соотношений для полной и участка цепи можно получить R:

1. R = U / I.
2. R = (e / I) — Rип.

Тип вещества определяется коэффициентом удельного сопротивления p, который берется из справочника. Однако следует учесть, что в справочнике приведено его значение при температуре +20 градусов. Кроме того, существует и удельная проводимость, которая обратно пропорциональна p. Она обозначается σ и равна: p = 1 / σ.

При меньшей величине S Э протекают через П и взаимодействия с КР учащаются, что иллюстрирует зависимость R от S. Для вычисления S необходимо воспользоваться справочной литературой или интернетом. Если учесть, что проводник является плоскостью, то необходимо разрезать его при помощи другой плоскости (стереометрия).

При разрезе получается плоская фигура в виде квадрата, окружности, эллипса, прямоугольника или треугольника. Затем необходимо вычислить S этой фигуры. Если П состоит из определенного количества жил, то нужно измерить S одной жилы, а затем умножить на количество жил.

R зависит прямо пропорционально от длины П (L): чем больше длина, тем больше взаимодействий совершает Э при движении. Исходя из всех зависимостей можно выразить R формулами:

1. R = p * L / S.
2. R = L / (σ * S).

Эти соотношения справедливы при температуре +20 градусов, но для проведения точных расчетов этого недостаточно. Некоторые сверхчувствительные элементы могут работать некорректно из-за низких значений I.

Значение p зависит от t и выражается следующим соотношением: p = p20 * [1 + a * (t — 20)]. В этом соотношении присутствуют следующие величины:

1. p — удельное сопротивление, полученное при вычислении.
2. p20 — величина удельного сопротивления, взятого из справочной литературы при температуре (температура +20 градусов по Цельсию).
3. Температурный коэффициент a, который берется из справочной литературы. Для металлов он всегда больше 1, а для электролитических растворов — меньше.
4. Температура П при конкретных условиях эксплуатации, температурная шкала по Цельсию — t.

Кроме того, p зависит еще и от уровня деформации КР. Деформация бывает упругой и пластической. При упругой происходит увеличение p, а при пластической — уменьшение. Это связано с условиями деформаций, а также со степенью затрудненности движения Э. Конечная формула при учете основных факторов примет следующий вид: R = p20 * [1 + a * (t — 20)] * L / S.

Области проявления

Реактанс электросопротивления проявляется в емкости и индукции. Первое обуславливается наличием емкости проводниках и обмотках или включением в электрическую цепь переменного тока различных конденсаторов. Чем выше емкость потребителя и угловой частоты сигнала электротока, тем меньше емкостная характеристика.

Сопротивляемость, которую оказывает проводник переменному току и электродвижущей силе самоиндукции, называется индуктивным. Оно зависит от индуктивности потребителя. Чем выше его индуктивность и выше частота переменного электротока, тем выше индуктивное электросопротивление. Выражается оно формулой: xl = ωL, где xl — это электросопротивление индукции, L — индуктивность, а ω — угловая частота тока.

Емкостный реактанс электросопротивление проявляется, например, в конденсаторе, который накапливает электроэнергию в виде электромагнитного поля между своими обкладками. Индуктивное электросопротивление можно наблюдать в дросселе, который накапливает энергию в виде магнитного поля внутри своей обмотки.

Активностным же электросопротивлением может обладать любой резистор, линии электропередач, обмотки трансформатора или электрического двигателя.

Индукция ЭДС может наблюдаться в дросселе

Таким образом, активный резист и реактанс во многом отличаются друг от друга не только разницей по названию, но и по физическим свойствам. Первый вид превращает электроэнергию в другой вид и отдает ее в окружающую среду. Второй же — возвращает ее обратно в электросеть.