Активные и пассивные элементы электрической цепи
Элементы, входящие в состав электрических цепей, могут быть активными и пассивными. Основным признаком активных составляющих, считается их способность отдавать электроэнергию. Типичными представителями являются генераторы и другие источники электроэнергии, усилители электрических сигналов и другие. Пассивными элементами считаются различные виды потребителей и накопителей электрической энергии. К ним относятся конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности и другие двухполюсные устройства. Существует многополюсная аппаратура, функционирующая на базе двухполюсных элементов.
Все активные элементы электрической цепи могут быть независимыми и зависимыми. В первую категорию входят источники напряжения и тока. В свою очередь, источник напряжения считается идеализированным элементом цепи, у которого напряжение на зажимах не зависит от протекающего через него электрического тока, а внутреннее сопротивление имеет нулевое значение. Источник тока также является безупречным элементом, у которого ток не зависит от напряжения на зажимах, а значение внутреннего сопротивления стремится к бесконечности.
Зависимые источники напряжения и тока именуются таковыми, когда эти величины зависят от параметров напряжения и тока на другом участке цепи. Типичными представителями являются электролампы, транзисторы, усилители, функционирующие в линейном режиме. Основные пассивные элементы электрической цепи представлены резисторами, индуктивными катушками и конденсаторами, с помощью которых регулируются параметры тока и напряжения на отдельных участках.
Роль активных радиодеталей в цепи
Основными представителями этой группы являются транзисторы, диоды и микросхемы. Первые пришли на смену электронным лампам, переставшим удовлетворять активно развивающийся рынок радиотехники еще в середине прошлого века. Их преимуществами признаны компактные габариты и небольшие объемы потребляемой энергии. Современные микропроцессоры с миллионами транзисторов имеют гораздо меньшие размеры чем одна электронная лампа. Они необходимы для управления током в электроцепи. Благодаря им осуществляется увеличение, генерация, преобразование электрических сигналов. Диоды обеспечивают преобразование переменного тока в постоянный, предотвращают переполюсовку, выступают в качестве управляемой емкости, обрабатывают высокочастотные сигналы. Они выпускаются в виде отдельны компонентов или столбов, мостов и сборок. Микросхемы служат для объединения различных компонентов:
- транзисторы;
- резисторы;
- конденсаторы;
- диоды;
- другие элементы.
Последние размещаются на пленке либо на полупроводниковом кристалле. Для их производства применяются инновационные технологии – напыление, травление, легирование, эпитаксия и прочие. Микросхемы отвечают и за обработку, и за преобразование сигналов.
Как найти активную, реактивную и полную мощность
Активная мощность относится к энергии, которая необратимо расходуется источником за единицу времени для выполнения потребителем какой-либо полезной работы. В процессе потребления, как уже было отмечено, она преобразуется в другие виды энергии.
В цепи переменного тока значение активной мощности определяется, как средний показатель мгновенной мощности за установленный период времени. Следовательно, среднее значение за этот период будет зависеть от угла сдвига фаз между током и напряжением и не будет равной нулю, при условии присутствия на данном участке цепи активного сопротивления. Последний фактор и определяет название активной мощности. Именно через активное сопротивление электроэнергия необратимо преобразуется в другие виды энергии.
При выполнении расчетов электрических цепей широко используется понятие реактивной мощности. С ее участием происходят такие процессы, как обмен энергией между источниками и реактивными элементами цепи. Данный параметр численно будет равен амплитуде, которой обладает переменная составляющая мгновенной мощности цепи.
Существует определенная зависимость реактивной мощности от знака угла ф, отображенного на рисунке. В связи с этим, она будет иметь положительное или отрицательное значение. В отличие от активной мощности, измеряемой в ваттах, реактивная мощность измеряется в вар – вольт-амперах реактивных. Итоговое значение реактивной мощности в разветвленных электрических цепях представляет собой алгебраическую сумму таких же мощностей у каждого элемента цепи с учетом их индивидуальных характеристик.
Основной составляющей полной мощности является максимально возможная активная мощность при заранее известных токе и напряжении. При этом, cosф равен 1, когда отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. В состав полной мощности входит и реактивная составляющая, что хорошо видно из формулы, представленной выше. Единицей измерения данного параметра служит вольт-ампер (ВА).
Пусть приемник электроэнергии присоединен к источнику синусоидального напряжения u(t) = Usin(ωt) и потребляет синусоидальный ток i(t) = I sin (ωt -φ), сдвинутый по фазе относительно напряжения на угол φ. U и I – действующие значения. Значение мгновенной мощности на зажимах приемника определяется выражением
| p(t) = u(t) ?i(t) = 2UI sin(ωt) sin (ωt -φ) = UI cos φ — UI cos (2ωt -φ) | (5.1) |
и является суммой двух величин, одна из которых постоянна во времени, а другая пульсирует с двойной частотой.
Среднее значение p(t) за период Т называется активной мощностью и полностью определяется первым слагаемым уравнения (5.1):
Активная мощность характеризует энергию, расходуемую необратимо источником в единицу времени на производство полезной работы потребителем. Активная энергия, потребляемая электроприёмниками, преобразуется в другие виды энергии: механическую, тепловую, энергию сжатого воздуха и газа и т. п.
Виды электрический цепи
Существует 3 основных вида соединения потребителей энергии:
Последовательное соединение
Общий показатель сопротивления замкнутой ЭЦ неизменно повышается при увеличении количества потребителей. Исходя из этого правила можно сделать вывод, что показатель полного сопротивления будет являться суммой индивидуальных значений каждого включённого в цепь прибора. Любой прибор, включенный в сеть, получает лишь долю напряжения, так как суммарный показатель энергетической цепи распадается на количество потребителей.
Соединение элементов ЭЦ – основные виды
Параллельное соединение
Подобная схема даёт полное представление о принципе работы электрической цепи. Если этот процесс происходит непосредственно у места разветвления, то ток проходит дальше по двум нагруженным участкам, что порождает определённое сопротивление. В результате этого его значение приравнивается сумме токов, расходящихся от данной точки. Что касается сопротивления, то оно значительно снижается по мере возрастания общей проходимости ЭЦ. Параллельное соединение позволяет всем устройствам функционировать независимо друг от друга.
Переменный ток
Как известно, сила тока в любой момент времени пропорциональна ЭДС источника тока (закон Ома для полной цепи). Если ЭДС источника не изменяется со временем и остаются неизменными параметры цепи, то через некоторое время после замыкания цепи изменения силы тока прекращаются, в цепи течет постоянный ток.
Однако в современной технике широко применяются не только источники постоянного тока, но и различные генераторы электрического тока, в которых ЭДС периодически изменяется. При подключении в электрическую цепь генератора переменной ЭДС в цепи возникают вынужденные электромагнитные колебания или переменный ток.
Переменный ток – это периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника
или
Переменный ток – это электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону.
Мы в дальнейшем будем изучать вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, гармонически меняющегося с частотой ω по синусоидальному или косинусоидальному закону:
где u – мгновенное значение напряжения, Um – амплитуда напряжения, ω – циклическая частота колебаний. Если напряжение меняется с частотой ω, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой, но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае
где φc – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения.
Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п.
Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.
Индуктивность в цепи при переменном напряжении
Следующий элемент, который я рассмотрю, будет индуктивный элемент, характеризующийся тем, что в нём возникает ЭДС самоиндукции.
Переменное синусоидальное напряжение и ток в индуктивности.
При подаче переменного напряжения u на индуктивность L, в ней возникнет ЭДС самоиндукции
Тогда при условии, что сопротивление отсутствует R = 0, а разность потенциалов будет равна мгновенному значению напряжения u, получим
где (β1 – β2) – разность потенциалов,
Е – ЭДС самоиндукции,
Um – амплитудное значение переменного напряжения,
L – величина индуктивности,
ω – угловая частота,
t – время,
φ – начальная фаза
Тогда проинтегрировав получившееся выражение, получим значение мгновенного тока
где Im – амплитудное значение переменного тока,
ω – угловая частота,
L – величина индуктивности,
f – частота переменного напряжения (тока),
XL – индуктивное сопротивление или реактивное сопротивление индуктивности.
Как видно из получившегося выражения ток i в индуктивности опаздывает от напряжения на угол π/2 или 90°. То есть фазовый сдвиг составит
Оценим мгновенную мощность Pm в индуктивности при переменном напряжении
где Um – амплитудное значение переменного напряжения,
Im – амплитудное значение переменного тока,
U – действующее значение переменного напряжения,
I – действующее значение переменного тока.
Таким образом, мгновенная мощность колеблется с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока) и амплитудой UI.
Рассчитаем активную (среднее значение) мощность Р за период. Для этого необходимо проинтегрировать значение мгновенной мощности за весь период, а затем разделить на длительность периода
Как видно активная мощность на индуктивности не выделяется, то есть она затрачивается, но за счёт ЭДС самоиндукции происходит её компенсация.
Существенным параметром индуктивности при прохождении через неё переменного тока является энергия магнитного поля индуктивности WL, которая вычисляется по формуле
где Im – амплитудное значение переменного тока,
I – действующее значение переменного тока,
L – индуктивность.
Как видно из получившегося выражения, периодические изменения энергия магнитного поля происходят с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока) через катушку и значением от 0 до LI2.
Емкостное сопротивление в цепи переменного тока
При включении конденсатора в цепь постоянного тока, на протяжении короткого периода времени будет наблюдаться течение по цепи зарядного тока. По окончании зарядки, когда напряжение конденсатора будет соответствовать напряжению источника тока, кратковременное течение тока в цепи прекратится. Таким образом, полностью заряженный конденсатор при постоянном токе будет своеобразным разрывом цепи или сопротивлением с бесконечно большим значением. При переменном токе конденсатор будет вести себя совершенно иначе. Его зарядка в такой цепи будет осуществляться поочередно в разных направлениях. Течение переменного тока в цепи в это время не прерывается.
Более подробное рассмотрение этого процесса указывает на нулевое значение напряжения в конденсаторе в момент его включения. После поступления к нему переменного напряжения сети начнется зарядка. В это время сетевое напряжение будет возрастать на протяжении первой четверти периода. По мере того как на обкладках накапливаются заряды, происходит увеличение напряжения самого конденсатора. После того как сетевое напряжение в конце первой четверти периода станет максимальным, зарядка прекращается и значение тока в цепи станет равным нулю.
Существует формула для определения тока в цепи конденсатора: I = ∆q/∆t, где q является количеством электричества, протекающим по цепи в течение промежутка времени t. В соответствии с законами электростатики, количество электричества в устройстве составит: q = C x Uc = C x U. В этой формуле С будет емкостью конденсатора, U – напряжением сети, Uc – напряжением на обкладках элемента. В окончательном виде формула тока в цепи будет выглядеть следующим образом: i = C x (∆Uc/∆t) = C x (∆U/∆t).
При наступлении второй четверти периода произойдет уменьшение сетевого напряжения и начнется разрядка конденсатора. Ток в цепи изменит свое направление и будет течь в обратную сторону. В следующей половине периода направление сетевого напряжения изменится, наступит перезарядка элемента, а потом он вновь начнет разряжаться. Ток, присутствующий в цепи с конденсаторной емкостью, будет опережать по фазе напряжение на обкладках на 90 градусов.
Установлено что изменения тока конденсатора происходят со скоростью, находящейся в пропорциональной зависимости с угловой частотой ω. Поэтому в соответствии с уже известной формулой тока в цепи i = C x (∆U/∆t), аналогично получается, что действующее значение тока также будет представлять собой пропорцию между скоростью изменения напряжения и угловой частотой ω: I = 2π x f x C x U.
Далее уже совсем несложно установить значение емкостного сопротивления или реактивного сопротивления емкости: xc = 1/2π x f x C = 1/ ω x C. Данный параметр вычисляется, когда конденсаторная емкость включается в цепь переменного тока. Поэтому в соответствии с законом Ома в цепи переменного тока с включенным конденсатором, значение силы тока будет следующим: I = U/xc, а напряжение на обкладках составит: Uc = Ic x xc.
Часть сетевого напряжения, приходящаяся на конденсатор, получила название емкостного падения напряжения. Она известна также, как реактивная слагающая напряжения, обозначаемая символом Uc. Величина емкостного сопротивления хс, так же, как и значение индуктивного сопротивления xi напрямую связана с частотой переменного тока.
Формула индуктивного сопротивления
Расчет емкостного тока сети
Реактивное сопротивление конденсатора
Формула удельного сопротивления
формулы для конденсаторов
Расчет реактивного сопротивления
Основные параметры синусоидального сигнала.
На этом рисунке изображено два сигнала (красный и синий ). Отличаются они только одним параметром – а именно начальной фазой. Начальная фаза – это фаза сигнала в начальный момент времени, то есть при t = 0. При обсуждении генератора мы приняли величину \alpha_0 равной нулю, так вот это и есть начальная фаза. Для данных графиков уравнения выглядят следующим образом:
Синий: i(t) = I_msin(wt)
Красный: i(t) = I_msin(wt + \beta)
Для второй формулы (wt + \beta) это фаза переменного тока, а \beta – это начальная фаза. Часто для упрощения расчетов принимают начальную фазу равной нулю.
Значение i(t) в любой момент времени называют мгновенным значением переменного тока. Вообще все эти термины справедливы для любых гармонических сигналов, но раз уж мы обсуждаем переменный ток, то будем придерживаться этой терминологии. Максимальное значение функции sin(x) равно 1, соответственно, максимальная величина тока в нашем случае будет равна I_m – амплитудному значению.
Следующий параметр сигнала – циклическая частота переменного тока w – она, в свою очередь, определяется следующим образом:
w = 2\pi f
Где f – частота переменного тока. Для привычных нам сетей 220 В частота равна 50 Гц (это значит, что 50 периодов сигнала укладываются в 1 секунду). А период сигнала равен:
T = \frac{1}{f}Среднее значение тока за период можно вычислить следующим образом:
I_{cp} = \frac{1}{T}\int_0^Ti(t)\,\mathrm{d}tЭта формула представляет собой не что иное, как суммирование всех мгновенных значений переменного тока. А среднее значение синуса за период равно 0, соответственно:
I_{cp} = 0На этом мы на сегодня и заканчиваем, надеюсь, что статья получилась понятной. В скором времени мы продолжим познавательную деятельность в рамках нашего нового курса, так что следите за обновлениями
Пассивные элементы ВОЛС
К данной категории относится, в первую очередь, оптический кабель. Он состоит из нескольких волокон, по которым, собственно, и осуществляется передача данных. Исходя из числа волокон, входящих в состав кабеля, определяется его емкость.
Очень часто можно встретить такое название, какpatch-cord(патч-корд). Оно используется для обозначения кабеля (шнура), при помощи которого выполняется соединение оборудования между собой или его подключение к передающей сети
Патч-корд может быть любого типа, но есть одно очень важное условие – его длина не должна превышать 5 метров (исключением является вариант для открытых офисов согласно стандарту TSB-75)
Мощность в цепи с реактивными радиоэлементами
При подключении таких элементов в цепь в четных четвертях периода мощность будет иметь отрицательное значение (в это время компонент направляет накопленную энергию в источник напряжения). В итоге использование энергии элементом за весь цикл оказывается равным нулю. Это означает, что на нем не происходит выделения энергии, так что на электросхемах такие детали изображаются холодными. На деле положение вещей может быть немного иным (это зависит от параметров конкретного элемента), бывает, что небольшие тепловые потери на конденсаторе или соленоиде все-таки имеют место. Но они не будут значительными, измеряющимися в кв.
1.3.2 Индуктивная катушка
Если по какой-либо катушке (контуру) протекает ток, то он создает магнитное поле, магнитный поток которого, сцепляясь с витками катушки, образует потокосцепление самоиндукции Ψ. Потокосцепление катушки будет пропорционально току i
Коэффициент пропорциональности L между Ψ и i называют индуктивностью
Индуктивность L измеряется в Генри (Гн) и зависит от геометрических размеров катушки, числа ее витков и от магнитных свойств сердечника, на который она намотана. На электрических схемах индуктивную катушку обозначают, как показано на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5
– Индуктивная катушка
Если ток i будет изменяться во времени, то по закону электромагнитной индукции в катушке наведется ЭДС еL, которую называют ЭДС самоиндукции:
Взаимная индуктивность:
Рисунок 1.6
– Взаимная индуктивность
На рисунке 1.6 изображены два контура. По первому течет ток i1, по второму – i2.
Магнитный поток, создаваемый первым контуром Ф1, частично замыкается, пронизывая только первый контур Ф11, минуя второй, частично пронизывая и второй контур Ф12.
Таким образом,
Аналогично поток, создаваемый вторым контуром
Если первый контур имеет w1 витков, то потокосцепление первого контура
Потокосцепление второго контура (число витков w2)
Знаки «+» соответствуют согласному направлению потока от своего тока и потока, создаваемого током в соседнем контуре. Знаки «–» соответствуют встречному направлению потоков. Потокосцепление Ψ21 пропорционально току i2, а Ψ12 – току i1
Коэффициент пропорциональности М (Гн) называют взаимной индуктивностью
Она зависит от взаимного расположения, числа витков, геометрических размеров контуров (катушек) и от магнитной проницаемости сердечников, на которых они намотаны.
Катушка в цепи переменного тока
Индуктивность влияет на силу переменного тока в цепи. Это можно обнаружить с помощью простого опыта. Составим цепь из катушки большой индуктивности и лампы накаливания (рис. 3). С помощью переключателя можно присоединять эту цепь либо к источнику постоянного напряжения, либо к источнику переменного напряжения. При этом постоянное напряжение и действующее значение переменного напряжения должны быть одинаковы. Опыт показывает, что лампа светится ярче при постоянном напряжении. Следовательно, действующее значение силы тока в рассматриваемой цепи меньше силы постоянного тока.
Объясняется это самоиндукцией. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при нарастании силы тока вихревое электрическое поле тормозит движение электронов. Лишь по прошествии некоторого времени сила тока достигает наибольшего (установившегося) значения, соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет успевать достигать тех установившихся значений, которые она приобрела бы с течением времени при постоянном напряжении, равном максимальному значению переменного напряжения. Следовательно, максимальное значение силы переменного тока (его амплитуда) ограничивается индуктивностью L цепи и будет тем меньше, чем больше индуктивность и чем больше частота приложенного напряжения.
Докажем это математически. Пусть в цепь переменного тока включена идеальная катушка с электрическим сопротивлением провода, равным нулю (рис. 4). При изменениях силы тока по гармоническому закону
в катушке возникает ЭДС самоиндукции
где L – индуктивность катушки, ω – циклическая частота переменного тока.
Так как электрическое сопротивление катушки равно нулю, то ЭДС самоиндукции в ней в любой момент времени равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки, созданному внешним генератором:
Следовательно, при изменении силы тока в катушке по гармоническому закону напряжение на ее концах изменяется тоже по гармоническому закону, но со сдвигом фазы:
Следовательно, колебания напряжения на катушке индуктивности опережают колебания силы тока на π/2, или, что то же самое, колебания силы тока отстают по фазе от колебаний напряжения на π/2.
В момент, когда напряжение на катушке достигает максимума, сила тока равна нулю (рис. 5). В момент, когда напряжение становится равным нулю, сила тока максимальна по модулю.
Произведение \(I_m \cdot L \cdot \omega\) является амплитудой колебаний напряжения на катушке:
Отношение амплитуды колебаний напряжения на катушке к амплитуде колебаний силы тока в ней называется индуктивным сопротивлением (обозначается XL):
Связь амплитуды колебаний напряжения на концах катушки с амплитудой колебаний силы тока в ней совпадает по форме с выражением закона Ома для участка цепи постоянного тока:
В отличие от электрического сопротивления проводника в цепи посто-янного тока, индуктивное сопротивление не является постоянной величиной, характеризующей данную катушку. Оно прямо пропорционально частоте переменного тока. Поэтому амплитуда колебаний силы тока в катушке при постоянном значении амплитуды колебаний напряжения должна убывать обратно пропорционально частоте. Постоянный ток вообще «не замечает» индуктивности катушки. При ω = 0 индуктивное сопротивление равно нулю (XL = 0).
Зависимость амплитуды колебаний силы тока в катушке от частоты приложенного напряжения можно наблюдать в опыте с генератором пере-менного напряжения, частоту которого можно изменять. Опыт показывает, что увеличение в два раза частоты переменного напряжения приводит к уменьшению в два раза амплитуды колебаний силы тока через катушку.
Из каких элементов состоит электрическая цепь
Новички нередко задаются вопросом, из каких важных элементов состоит электрическая цепь. Такими составляющими являются:
- Источник тока,
- Нагрузка,
- Проводник.
В состав могут в том числе входить такие элементы, как устройства коммутации, а также приборы защиты.
Условные обозначения электроустройств
Для возникновения тока, необходимо соединить две точки, одна из которых имеет избыток электронов по сравнению с другой. Другими словами, необходимо создать разность потенциалов между этими двумя точками. Как раз для получения разности потенциалов в цепи применяется источник тока.
Важно! Нагрузкой считается любой потребитель электрической энергии. Этот фактор оказывает сопротивление электрическому току и от величины сопротивления нагрузки зависит величина тока
Ток от источника энергии к нагрузке течёт по проводникам. В качестве кабеля можно использовать материалы с наименьшим сопротивлением (медь, серебро, золото).
Мощность в цепи с реактивными радиоэлементами
При подключении таких элементов в цепь в четных четвертях периода мощность будет иметь отрицательное значение (в это время компонент направляет накопленную энергию в источник напряжения). В итоге использование энергии элементом за весь цикл оказывается равным нулю. Это означает, что на нем не происходит выделения энергии, так что на электросхемах такие детали изображаются холодными. На деле положение вещей может быть немного иным (это зависит от параметров конкретного элемента), бывает, что небольшие тепловые потери на конденсаторе или соленоиде все-таки имеют место. Но они не будут значительными, измеряющимися в кв.
Условные обозначения источников электрической энергии и элементов цепей
| Условное обозначение | Элемент |
| Идеальный источник ЭДС Е – электродвижущая сила, Е = const Ro = 0 – внутреннее сопротивление | |
| Идеальный источник тока I = const Rвн- внутреннее сопротивление источника тока, Rвн>>Rнаг | |
| Активное сопротивление R = const | |
| Индуктивность L = const | |
| Емкость С = const |
К химическим источникам тока относят гальванические элементы и аккумуляторы. В них заряды переносятся в результате химических реакций. При этом в гальваническом элементе реагенты расходуются необратимо, а в аккумуляторе они могут восстанавливаться путем пропускания через аккумулятор электрического тока противоположного направления от других источников.
Источники электрической энергии относятся к группе активных элементов электротехнических устройств. Если Rо=0 и электродвижущая сила (ЭДС) Е=const, то источник называется идеальным. Аккумуляторная батарея по своим параметрам близка к идеальному источнику ЭДС.
К группе пассивных элементов относятся: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С.
В электротехнических устройствах одновременно протекают три энергетических процесса:
1 В активном сопротивлении в соответствии с законом Джоуля – Ленца происходит преобразование электрической энергии в тепло.
Мощность, по определению равна отношению работы к промежутку времени, за который эта работа совершается. Следовательно, мощность тока для участка цепи
p = A/t = ui
Полная мощность, вырабатываемая генератором, равна
где R- полное сопротивление замкнутой цепи, называемое омическим или активным;
Р, I – мощность и ток в цепи постоянного тока.
р, i, и – мгновенные значения активной мощности, тока и напряжения в цепи переменного тока,
g – активная проводимость или величина, обратная сопротивлению g=1/R измеряется в сименсах (См).
В соответствии с законом сохранения энергии работа есть мера изменения различных видов энергии. Так, в электродвигателе за счет работы тока возникает механическая энергия, протекают химические реакции и т. д. На резисторах происходит необратимое преобразование энергии электрического тока во внутреннюю энергию проводника.
Если в проводнике под действием тока не происходит химических реакций, то температура проводника должна измениться. Изменение внутренней энергии проводника (количество теплоты) Q равно работе А, которую совершает суммарное поле при перемещении зарядов:
Q = А = uit
Воспользовавшись законом Ома, получим два эквивалентных выражения:
Это и есть закон Джоуля – Ленца.
Если нужно сравнить два резистора по характеру тепловых процессов, происходящих в них, то нужно предварительно выяснить: протекает ли по ним одинаковый ток или они находятся под одинаковым напряжением?
Если по двум резисторам протекают одинаковые токи, то согласно формуле за одно и то же время больше возрастает внутренняя энергия резистора с большим сопротивлением. С таким случаем мы встречаемся, например, в цепи с последовательным соединением резисторов. Последнее обстоятельство следует учитывать при включении в сеть нагрузки (электроплиток, утюгов, электродвигателей и т. д.). Сопротивление подводящих проводов при этом должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки. При несоблюдении этого условия в проводах выделится большое количество теплоты, что может привести к их загоранию.
Если же оба резистора находятся под одинаковым напряжением, то согласно формуле быстрее будет нагреваться резистор с меньшим сопротивлением. Такой эффект, в частности, наблюдают при параллельном соединении резисторов.
Термин “сопротивление” применяется для условного обозначения элемента электрической цепи и для количественной оценки величины R.
Сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом – это сопротивление проводника, сила тока в котором равна 1 А, если на концах его поддерживается разность потенциалов 1 В:
1 Ом = 1 В/1 А
Электрическое сопротивление R материалов с изменением температуры меняется. Сопротивление металлических проводников линейно возрастает с температурой. У полупроводников и электролитов с увеличением температуры удельное сопротивление уменьшается, причем нелинейно.
Для сравнения проводников по степени зависимости их сопротивления от температуры t вводится величина a, называемая температурным коэффициентом сопротивления. Отсюда
Для практических расчетов в электрических цепях величину R можно принимать постоянной. В этом случае зависимость напряжения на сопротивлении R от силы тока (вольт-амперная характеристика) будет называться линейной. Электрические цепи, в которые включены постоянные по величине сопротивления, также будут линейными.
Различия между активным и реактивным сопротивлением
Разница между активным и реактивным сопротивлением состоит в том, что при прохождении электротока по компонентам цепи, несущим активную нагрузку, имеют место мощностные потери в виде выделения тепла, которое не может быть снова превращено в электрическую энергию. В качестве наглядного примера можно привести конфорку электроплиты, выделяющую тепловую энергию. Такими свойствами обладают и осветительные устройства, электрические двигатели, различные кабели. Фазы проходящих через такие компоненты напряжения и электротока будут совпадать.
От чего зависит сопротивление проводника
Реактивные нагрузки отличаются наличием емкостных свойств либо способностью к индукции. В первом случае величина рассматриваемого сопротивления зависит от емкости, во втором – от электродвижущей силы самоиндукции.
Важно! Величина, в противоположность активной, может иметь плюсовой и минусовой знаки. Это зависит от того, в какую сторону идет фазовый сдвиг
При опережении электрическим током напряжения будет иметь место отрицательный показатель, в обратном случае – положительный.
Генератор переменного тока.
Итак, генератор – это электротехническое устройство, задачей которого является преобразование механической энергии в энергию переменного тока. Давайте рассмотрим пример:
На рисунке мы видим классический пример генератора переменного тока. Давайте разбираться, как же он работает и откуда тут появляется ток!
Но для начала пару слов об основных узлах. В состав генератора входит постоянный магнит (индуктор), создающий магнитное поле. Также может использоваться электромагнит. Вращающаяся рамка носит название якоря. В данном случае якорь генератора имеет только одну обмотку/рамку. Именно эта обмотка и является цепью переменного тока, то есть с нее и снимается переменный ток.
