Змінний струм

Вимушені електромагнітні коливання, які виникають в колі, що містить резистор, котушку індуктивності і конденсатор, можна розглядати як змінний струм. В той же час змінний струм вважають квазістаціонарним, оскільки миттєві значення сили струму в усіх перетинах кола практично однакові. У порівнянні із швидкістю світла будь-які зміни в колі відбуваються досить повільно. Для миттєвих значень квазістаціонарних струмів виконуються закон Ома і правила Кирхгофа.

Розглянемо послідовно процеси, які відбуваються в колі, яке містить резистор, котушку індуктивності і конденсатор при вмиканні його до джерела змінної напруги

(19)

де ^–амплітуда напруги.

1. Розглянемо коло, в яке ввімкнули лише резистор R, а індуктивність L і ємність С – відсутні (рис.5,а).

Рис.5, а,б

При виконанні умови квазістаціонарності струм через резистор R визначається законом Ома:

де амплітуда сили струму дорівнює

На векторній діаграмі (рис. 5,б) показано, що зсув фаз між напругою і струмом в колі, в якому є лише резистор R, дорівнює нулю.

2. Розглянемо випадок, коли змінний струм тече через котушку індуктивності L, в цьому випадку резистор R і ємність С в колі відсутні (рис. 6, а).

Якщо до кола прикладена змінна напруга (19), то через котушку потече змінний струм, в результаті чого в ній виникне е.р.с. самоіндукції E = .

Тоді закон Ома для даного замкнутого кола буде мати вигляд

звідки

(20)

Рис. 6, а,б

Оскільки зовнішня напруга прикладена до котушки індуктивності, то

(21)

визначає спад напруги на котушці. З рівняння (20) випливає, що

або після інтегрування, з урахуванням того, що постійна інтегрування дорівнює нулю, одержимо

(22)

де

Величина

(23)

називається реактивним індуктивним опором (або індуктивним опором).

З виразу (22) випливає, що для постійного струму, коли , котушка індуктивності опору не чинить. Підстановка значення у вираз (20) з врахуванням (21) приводить до наступного значення спаду напруги на котушці індуктивності:

(24)

Порівнюючи вирази (22) і (24) приходимо до висновку, що спад напруги U_L випереджає за фазою струм I, який тече через котушку, на π/2, що й показано на векторній діаграмі (рис. 6, б).

3. Нехай змінний струм у колі тече через конденсатор ємністю С, в цьому випадку активний опір R і котушка індуктивності L відсутні, (рис. 7, а).

Рис.7, а,б

Якщо змінна напруга (19) прикладена до конденсатора то, в результаті постійного його перезарядження, у колі потече змінний струм. Оскільки вся зовнішня напруга прикладена до конденсатора, а опором підвідних проводів можна знехтувати, то

Сила струму в цьому випадку буде дорівнювати

(25)

де

Величина називається реактивним або ємнісним опором. Для постійного струму (ω = 0) R_c = , тобто постійний струм через конденсатор текти не може. Спад напруги на конденсаторі у нашому випадку буде дорівнювати

(26)

Порівнюючи вирази (25) і (26) приходимо до висновку, що спад напруги U_с відстає за фазою від струму, який тече через конденсатор, на π/2. Це показано на векторній діаграмі (рис. 7, б).

4. Розглянемо коло змінного струму, що містить послідовно ввімкнуті резистор, котушку індуктивності і конденсатор. На рис. 8, а показане коло, що містить резистор опором R, котушку індуктивністю L і конденсатор ємністю С, на кінці якого подається зміннанапруга (19).

У колі виникне змінний струм, який викличе на всіх елементах кола відповідні спади напруг U_R, U_L і U_c. На рис. 8,б показана векторна діаграма амплітуд спадів напруг на резисторі U_R, котушці і конденсаторі U_c.

Рис. 8, а,б

Результуюча амплітуда U_m прикладеної напруги повинна бути рівною геометричній сумі амплітуд всіх спадів напруг. Як видно з рис. 8, б, кут φ визначає різницю або зсув фаз між напругою і силою струму. З рисунка випливає, що

(27)

З прямокутного трикутника, скориставшись теоремою Піфагора, одержуємо, що

,

звідки амплітуда сили струму буде дорівнювати

(28)

Отже, якщо напруга в колі змінюється за законом

то в колі тече струм

(29)

де φ і I_m визначаються відповідно формулами (27) і (28). Величина

(30)

називається повним опором кола змінного струму, а величина

називається реактивним опором.

Розглянемо окремий випадок, коли в колі відсутній конденсатор. У цьому випадку спад напруг U_R і U_L в сумі дорівнює прикладеній напрузі U. Векторна діаграма для даного випадку показана на рис. 9, з якої видно, що

(31)

Отже, відсутність конденсатора в колі означає, що , а не С =0.

Рис. 9, а,б

Даний висновок можна трактувати так: зближаючи обкладки конденсатора до їх повного зіткнення, прийдемо до кола, у якому конденсатор відсутній (відстань між обкладками прямує до нуля, а ємність – до нескінченності.