Угол сдвига фаз в цепи синусоидального тока при последовательном соединении элементов формула

Угол сдвига фаз между током и напряжением

Начальные фазы электромагнитных синусоидальных колебаний первичного и вторичного напряжения, с частотой одинаковой величины, могут существенно различаться на некоторый угол сдвига фаз (угол φ). Переменные величины могут неоднократно в течение определенного периода некоторого времени изменяются с определенной частотой. Если электрические процессы имеют неизменный характер, а сдвиг фаз равен нулю, это свидетельствует о синхронизме источников величин переменного напряжения, например, трансформаторов. Сдвиг фазы служит определяющим фактором коэффициента мощности в электрических сетях переменного тока.

Угол сдвига фаз находится при необходимости, тогда, если один из сигналов является опорным, а второй сигнал с фазой в самом начале совпадает с углом сдвига фаз.

Измерение угла сдвига фаз производится прибором, в котором присутствует нормированная погрешность.

Фазометр может производить измерение угла сдвига в границах от 0 о до 360 о в некоторых случаях от -180 о С до +180 о С, а диапазон измеряемых частот сигналов может колебаться от 20Гц до 20 ГГц. Измерение гарантируется в том случае если напряжение входного сигнала равно от 1 мВ до 100 В, если же напряжение входного сигнала превышает эти границы точность измерения не гарантируется.

Мощность при переменном токе

Предположим, что имеется потребитель электрической энергии (рис. 1.9.), напряжение и ток которого известны

u= Um sin(ωt+ψu), i= Im sin ωt

Рис. 1.9. Схема и векторная диаграмма потребителя

На рис. 1.9,б

приведена векторная диаграмма потребителя. В зависимости от характера нагрузки, т.е. характера сопротивлений потребителя, угол сдвига фаз между напряжением и током

φ = ψu – ψi

может лежать в пределах от π/2 до –π/2. В рассматриваемом случае φ=ψu так как ψi=0.

При переменном токе различают следующие мощности: мгновенную, активную, реактивную и полную (кажущуюся).

Под мгновенной понимается мощность, равная произведению мгновенных значений напряжения и тока:

P=u·i

С течением времени мгновенная мощность изменяется как по величине, так и по знаку.

При активной нагрузке (рис. 1.10,а, φ=0) в течение всего периода изменения тока мгновенная мощность положительна. В этом случае электрическая энергия забирается из сети и обратно в сеть не возвращается. Она преобразуется в тепло, в механическую энергию и т.д.

При индуктивной нагрузке (рис. 1.10,а, φ=π/2) в одну четверть периода изменения тока мгновенная мощность положительна, в другую – отрицательна. Соответственно, в одну четверть периода электрическая энергия забирается из сети и преобразуется в энергию магнитного поля, в другую – такое же количество энергии преобразуется из энергии магнитного поля, в электрическую энергию и возвращается в сеть.

В случае емкостной нагрузки (рис. 1.10,в, φ= — π/2) в одну четверть периода электрическая энергия забирается из сети и преобразуется в энергию электрического поля, в другую – энергия электрического поля преобразуется в электрическую энергию и возвращается в сеть.

В случае смешанной активно-индуктивной (0<�φ<�π/2) или активно-емкостной нагрузки (0<�φ< — π/2) забираемая из сети электрическая энергия больше энергии, возвращаемой в сеть. В сеть возвращается только та часть энергии, которая была преобразована в энергию магнитного или электрического поля.

Рис. 1.10. Графики тока, напряжения и мощности при различных нагрузках

Под активной понимается мощность, равная среднему значению мгновенной мощности за период

Если разложить ток потребителя на составляющие (рис. 1.9, б), то получим

где — активная составляющая тока

где — реактивная составляющая тока

Активную мощность можно выразить следующим образом

Активная мощность обусловлена совпадающими по фазе напряжением и током. Входящий в выражение мощности cosφ получил название коэффициент мощности. Чем больше cosφ потребителя, тем больше будет при неизменных токе и напряжении активная составляющая тока и активная мощность. Когда φ = π/2 или φ = — π/2 (рис. 1.10,б,в) cosφ и активная мощность равна нулю.

Реактивная мощность (индуктивная или емкостная) выражается следующим образом

Q=U·I·sin φ

Реактивная мощность обусловлена током и напряжением, сдвинутым по фазе на угол φ=±π/2.

Реактивная мощность соответствует энергии, которая в одну четверть периода забирается из сети и преобразуется потребителем в энергию магнитного или электрического поля, а в другую – вновь преобразуется в электрическую энергию и возвращается в сеть.

Полная (кажущаяся) мощность включает в себя активную и реактивную мощности и равна

S=U·I

Между активной, реактивной и полной мощностями существуют соотношения

Все перечисленные мощности имеют одну и ту же размерность:

вольт х ампер (В·А). Однако, для того, чтобы различать эти мощности, единицы их измерения называют по-разному:

ед. P = 1 Вт – ватт;

ед. Q = 1 ВАр – вольтампер реактивный;

ед. S = 1 ВА – вольтампер.

Нужны ли устройства компенсации в быту?

На первый взгляд в домашней сети не должно быть больших реактивных токов. В стандартном наборе бытовых потребителей преобладают электрическая техника с резистивными нагрузками:

• электрочайник (Pf = 1);
• лампы накаливания (Pf = 1);
• электроплита (Pf = 1) и другие нагревательные приборы;

Коэффициенты мощности современной бытовой техники, такой как телевизор, компьютер и т.п. близки к 1. Ими можно пренебречь.

Но если речь идёт о холодильнике (Pf = 0,65), стиральной машине и микроволновой печи, то уже стоит задуматься об установке синхронных компенсаторов. Если вы часто пользуетесь электроинструментом, сварочным аппаратом или у вас дома работает электронасос, тогда установка устройства компенсации более чем желательна.

Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока

X_L = ωL     

Чтобы сделать сосредоточенную индуктивность, кусок проволоки сматывают в катушку

Если к цепи с индуктивностью подключить переменное синусоидальное напряжение, то в ней должен протекать переменный синусоидальный ток.

Что же происходит в цепи с индуктивностью при протекании переменного тока.

Оказывается, ток и напряжение действуют не одновременно,

то есть, сдвинуты по фазе

На активном сопротивлении R, появление напряжения, и сразу – в тот же момент,  оно вызывает появление тока, и они действуют в одной фазе.

На индуктивности так не получается.

Если напряжение от источника начинает нарастать, то ток за ним не успевает.

Почему? В индуктивности изменение тока, приводит к появлению ЭДС самоиндукции, а эта ЭДС направлена на встречу изменения тока. Напряжение растет, и ток хочет расти, но ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию тока. Это примерно также, как сила инерции мешает разогнать тележку, когда мы сдвигаем ее с места.

Ток преодолевает сопротивление направленной навстречу ему ЭДС самоиндукции, и начинает нарастать, но это происходит, когда напряжение уже достигло максимального значения. Ток, наконец, достигает максимального значения, но напряжение в этот момент уже снизилось до нуля. Так и повторяется – ток все время отстает от напряжения на 90то есть на π/2. Значит, фаза тока отрицательна и составляет  – π/2 

Откуда берется эта ЭДС самоиндукции, и почему она не мешает в цепи с сопротивлением  R. Это связано с тем, что катушка индуктивности, в отличие от сопротивления R, создает сильное магнитное поле, благодаря большому количеству витков. Магнитное поле не может мгновенно изменяться, оно и рождает внутри провода ЭДС, которая препятствует изменению тока.

Более подробно об ЭДС самоиндукции смотри в статье  Начальные представления об электромагнетизме

Красная синусоида напряжения пресекает ноль каждый раз раньше зеленой синусоиды тока на π/2 

Вывод: В цепи с индуктивностью напряжение впереди тока на 90°.

Любое сопротивление ограничивает ток, но бывает активное сопротивление, бывает реактивное..

R – активное сопротивление – на нем выделяется тепло

X – реактивное сопротивление на нем  не выделятся тепло

Угол сдвига фаз между током и напряжением

Начальные фазы электромагнитных синусоидальных колебаний первичного и вторичного напряжения, с частотой одинаковой величины, могут существенно различаться на некоторый угол сдвига фаз (угол φ). Переменные величины могут неоднократно в течение определенного периода некоторого времени изменяются с определенной частотой. Если электрические процессы имеют неизменный характер, а сдвиг фаз равен нулю, это свидетельствует о синхронизме источников величин переменного напряжения, например, трансформаторов. Сдвиг фазы служит определяющим фактором коэффициента мощности в электрических сетях переменного тока.

Угол сдвига фаз находится при необходимости, тогда, если один из сигналов является опорным, а второй сигнал с фазой в самом начале совпадает с углом сдвига фаз.

Измерение угла сдвига фаз производится прибором, в котором присутствует нормированная погрешность.

Фазометр может производить измерение угла сдвига в границах от 0 о до 360 о в некоторых случаях от -180 о С до +180 о С, а диапазон измеряемых частот сигналов может колебаться от 20Гц до 20 ГГц. Измерение гарантируется в том случае если напряжение входного сигнала равно от 1 мВ до 100 В, если же напряжение входного сигнала превышает эти границы точность измерения не гарантируется.

Что надо знать про электрические процессы

Если говорить простым языком, то под сопротивлением принято понимать свойство среды, по которой протекает электрический ток, снижающее его величину.

Так работают провода и изоляторы высоковольтной линии электропередач, показанные на верхней картинке, да и любое вещество.

Изоляторы обладают очень высокими диэлектрическими свойствами, изолируют высоковольтное напряжение, присутствующее на токоведущих шинах от контура земли. Это их основное назначение.

Провода же должны максимально эффективно передавать транслируемые по ним мощности. Их создают так, чтобы они обладали минимальным электрическим сопротивлением, работали с наименьшими потерями энергии на нагрев.

В этом случае передача электричества от источника напряжения к потребителю на любое расстояние будет проходить эффективно.

Приведу для примера картинку из предыдущей моей статьи.

Ее, как и верхнюю, можно представить таким обобщенным видом.

На внешнем участке цепи токоведущие жилы отделены друг от друга воздушной средой и слоем изоляции с высокими диэлектрическими свойствами.

Хорошей проводимостью обладают токоведущие жилы. Подключенный к ним электрический прибор функционирует оптимально.

Как работает резистор

Ток в металлах проходит под действием приложенного напряжения за счет направленного движения электронов. При этом они соударяются, встречаются с положительно и отрицательно заряженными ионами.

Такие столкновения повышают температуру среды, уменьшают силу тока.

За направление электрического тока в электротехнике принято движение заряженных частиц от плюса к минусу. Электроны же движутся от катода к аноду.

Электрическое сопротивление металла зависит от его структуры и геометрических размеров.

Аналогичные процессы протекают в любой другой токопроводящей среде, включая газы или жидкости.

Какие существуют виды сопротивлений

В домашних электрических приборах используется большое разнообразие резисторов с постоянной или регулируемой величиной.

Они ограничивают величину тока всех бытовых устройств, а в наиболее сложных модулях их количество может достигать тысячи или более. Резисторы работают практически во всех схемах.

При использовании в цепях переменного тока они обладают активным сопротивлением, а конденсаторы и дроссели — реактивным.

Причем, на конденсаторах создается емкостное сопротивление, а у дросселей — индуктивное.

Реактивная составляющая на конденсаторах и дросселях сильно зависит от частоты электромагнитного колебания.

2 Шутки электриков о токах через конденсатор и дроссель

Их я привожу потому, что они позволяют запомнить характер прохождения тока через реактивные элементы.

Шутка №1 о емкости

В домашней сети и внутри многих приборов работают переменный и постоянный токи. Они по-разному ведут себя, если встречают на своем пути конденсатор.

Поскольку он состоит из двух токопроводящих пластин, разделенных слоем диэлектрика, то его обозначают на схемах двумя жирными черточками, расположенными параллельно. К их серединам подключены провода, нарисованные перпендикулярными линиями.

Переменный ток имеет форму гармоничной синусоиды, состоящей из двух симметричных половинок.

Такая гармоника движется от начала координат, встречает на своем пути обкладки, переваливается через них и, скатившись, начинает обгонять приложенное напряжение.

Постоянный ток таким свойством не обладает. Его тупой конец просто упирается в обкладку и останавливается. Пройти через конденсатор он не может. Это для него непреодолимое препятствие.

Шутка №2 о дросселе

Индуктивность выполнена витками изолированного провода. Любой ток проходит по нему. Но синусоида своими волнами путается в витках катушки, начинает отставать от напряжения.

Постоянка же спокойно перемещается внутри провода дросселя без ощущения какого-либо значительного противодействия. Поэтому постоянное напряжение может своим током спалить дроссель, созданный для работы на переменке.

Что же это за зверь: сверхпроводимость

Сто лет назад выявлена способность определенных металлов полностью терять свое сопротивление электрическому току при сверхнизких температурах. Выглядит этот процесс следующим образом.

Со сверхпроводниками домашний мастер не работает

Но на верхнюю часть приведенного графика рекомендую обратить внимание: нагрев металла повышает его электрическое сопротивление

При электротехнических расчетах, требующих получения точного результата, необходимо учитывать температурный коэффициент, взятый из справочников.

Резюме

• Сдвиг фазы – это когда два или более сигналов не синхронизированы друг с другом.
• Величина сдвига фазы между двумя волнами может быть выражена в градусах, и это значение в градусах может быть определено по горизонтальной оси графика формы волны, используемого при построении тригонометрической функции синуса.
• Опережающий сигнал определяется как один сигнал, опережающий другой по нарастанию. Отстающий сигнал – тот, который позади другого. Пример:

  Рисунок 7 – Сдвиг фазы = 90°. «A» опережает «B», «B» отстает от «A»

• Расчеты для анализа цепей переменного тока, чтобы быть полностью точными, должны учитывать как амплитуду, так и сдвиг фазы сигналов напряжения и тока. Это требует использования математической системы, называемой комплексными числами.

Источник

Как измеряется угол сдвига фаз осциллографом

Осциллографический способ можно отнести к самому простейшему с погрешностью в районе 5 о . Определение сдвига осуществляется при помощи осциллограмм. Существует четыре осциллографических метода:

1. Применение линейной развертки.
2. Метод эллипса.
3. Метод круговой развертки.
4. Использование яркостных меток.

Определение угла сдвига фаз зависит от характера нагрузки. При определении фазного сдвига в первичной и вторичной цепях трансформатора, углы могут считаться равными и практически не отличаются друг от друга.

Угол сдвига фаз напряжений, измеряемый по эталонному источнику частоты и при использовании измерительного органа лает возможность обеспечить точность всех последующих измерений. Фазные напряжения и угол сдвига фаз зависят от нагрузки, так симметричная нагрузка обуславливает равенство фазного напряжения , токов нагрузки и угол фазного сдвига, также будет равна нагрузка по потребляемой мощности на всех фазах электроустановки.

Угол сдвига фаз между током и напряжением в несимметричных трехфазных цепях не равны друг другу. Для того чтобы вычислить угол сдвига фаз (угол φ) в цепь включают последовательно присоединенные сопротивления (резисторы), индуктивности и конденсаторы (емкости).

Рис. №1. Последовательное соединение сопротивления, индуктивности и емкости для вычисления угла сдвига фаз. В этом контуре протекает переменный ток, который способствует возникновению ЭДС.

Рис. №2. Схема проведения опыта по определению сдвига фаз между током и напряжением. Слева показаны схемы подключения конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов, справа показаны результаты опыта.

Как вывод, можно сказать, что:

1. Составляющие элементы комплексного сопротивления, такие как резистор и емкость, а также проводимость не будут взаимообратными величинами.
2. Отсутствие одного из элементов делает резистивные и реактивные значения, которые входят в состав комплексного сопротивления и проводимости и делают их величинами взаимообратными.
3. Реактивные величины в комплексном сопротивлении и проводимости используются с противоположным знаком.

Угол сдвига фаз между напряжением и током всегда выражается, как главный аргументированный фактор комплексного сопротивления φ.

Источник

Усилитель с общим эмиттером

Имея в распоряжении эту информацию, мы можем применить RC-модель к любой цепи, к какой захотим. Например, этот усилитель с общим эмиттером.

Рисунок 5 – Усилитель с общим эмиттером с сопротивлением обратной связи в цепи эмиттера (смещение не показано)

Частотные характеристики данного усилителя будут плоскими примерно до 10 МГц.

Рисунок 6 – Логарифмические амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя с общим эмиттером

Только после примерно 10 МГц мы видим изменения сдвига фазы – ниже 180°, что мы и ожидаем, поскольку схема с общим эмиттером представляет собой инвертирующий усилитель. Выходной импеданс усилителя, пренебрегая эффектом Эрли, равен R2 = 3 кОм, что довольно высоко.

Теперь мы поставили на выходе шунтирующий конденсатор. Что мы можем ожидать от фазы?

Рисунок 7 – Усилитель с общим эмиттером с шунтирующим конденсатором на выходе

Исходя из нашего опыта, мы ожидаем, что частота среза будет составлять 53 Гц, ниже которой сдвиг фазы должен быть 180° (без влияния конденсатора), и выше которой сдвиг фазы будет равен 180° — 90° = 90° (а также большие потери). Моделирование подтверждает наши подозрения:

Рисунок 8 – Графики АЧХ и ФЧХ для усилителя с общим эмиттером с емкостной нагрузкой

Обратите внимание, что это эквивалентно тому, если бы фаза изменялась от -180° до -270°. Теперь мы начинаем понимать, что питание емкостной нагрузки может привести к неожиданным изменениям фазы, что может нанести ущерб усилителю с неожиданной обратной связью. В более распространенном сценарии на выходе используется последовательно включенный конденсатор связи, как показано на следующей схеме

В более распространенном сценарии на выходе используется последовательно включенный конденсатор связи, как показано на следующей схеме.

Рисунок 9 – Усилитель с общим эмиттером с последовательно включенным на выходе конденсатором

Я изменил номиналы элементов схемы и добавил резистивную нагрузку 100 кОм. Теперь мы имеем фильтр верхних частот, состоящий из C1 и R3, с частотой среза всего 1,6 Гц. Мы ожидаем, что сдвиг фазы будет равен -90° на частотах ниже 1,6 Гц и -180° на частотах выше частоты среза, что подтверждается моделированием.

Рисунок 10 – Графики АЧХ и ФЧХ для усилителя с общим эмиттером с конденсатором связи по переменному току

Конденсатор связи с таким номиналом подошел бы для сигналов звуковой частоты, поскольку область сдвига фазы -90° (и, следовательно, затухания) значительно ниже 10 Гц.

Конечно, такого рода эффекты не ограничиваются конденсаторами. Индуктивности будут оказывать противоположное влияние: шунтирующие катушки индуктивности вызывают сдвиг фазы от 0° (ниже fср) до +90° (значительно выше fср), в то время как последовательно включенные катушки индуктивности вызывают сдвиг фазы от 0° (выше fср) до -90° (ниже fср) , Однако в этом случае необходимо быть осторожным, чтобы не создавать проблемных замыканий на землю, поскольку катушки индуктивности для постоянного тока будут представлять собой короткое замыкание.

Рисунок 11 – Усилитель с общим эмиттером с катушкой индуктивности на выходе. Эта последовательно включенная индуктивность будет оказывать очень малое влияние на схему на низких частотах. На высоких частотах всё будет по-другому.

Обозначение угла

Обозначение угла может легко описать опережающий и запаздывающий ток:

В этом уравнении значение тета является важным фактором для опережающего и запаздывающего тока. Как упоминалось во введении выше, опережающий или запаздывающий ток представляет собой временной сдвиг между синусоидальными кривыми тока и напряжения, который представлен углом, на который кривая опережает или отстает от того места, где она была бы изначально. Например, если θ равно нулю, кривая будет иметь нулевую амплитуду в нулевой момент времени. Использование комплексных чисел — это способ упростить анализ определенных компонентов в цепях RLC . Например, их очень легко преобразовать между полярными и прямоугольными координатами. Начиная с полярной записи, может представлять либо векторную, либо прямоугольную запись, оба из которых имеют величину 1. ∠ θ

Измерение фазового сдвига

Фазовый сдвиг

Фазовым сдвигом называется модуль разности начальных фаз двух гармонических сигналов одной частоты и . Таким образом фазовый сдвиг равен . Он является постоянной величиной и не зависит от момента отсчёта.

Фазовый сдвиг можно выразить через разность моментов времени , в которых эти колебания имеют одинаковые фазы (рис. 11.1 а) рис. 11.1

( 11.1)

Это определение распространяется на два периодических сигнала несинусоидальной формы (рис.11.1 б), если в момент перехода через ноль их напряжения изменяются в одну сторону (например, от положительных значений к отрицательным).

Рис. 11.1. Необходимость измерения фазового сдвига возникает при исследованиях фазочастотных характеристик радиотехнических устройств, измерениях реактивной мощности, оценке свойств веществ.

Приборы для измерения разности фаз называют фазометрами или измерителями фазового сдвига и согласно ГОСТ15094 подразделяются на:

• Ф1 – установки и приборы для поверки измерителей фаз;
• Ф2 – измерители фаз;
• Ф3 – фазовращатели измерительные;
• Ф4 – измерители группового времени запаздывания.

Методы измерения фазового сдвига весьма разнообразны и зависят от диапазона частот, требуемой точности и от формы исследуемых сигналов. На практике нашли применение следующие методы:

• осциллографический;
• компенсационный;
• дискретного счета.

Метод линейной развертки

Для этого используется двухлучевой или двухканальный осциллограф. На входы Y1 и Y2 подаются исследуемые сигналы. Частота развертки подбирается так, чтобы на экране наблюдалось 1-2 периода сигналов (рис.11.1 а). Измерив Т и по формуле определяют фазовый сдвиг, где ab и ac – измеренные на экране ЭЛТ длины отрезков.

Метод синусоидальной развертки

Метод может быть реализован с помощью однолучевого осциллографа. Один сигнал подается в канал Y, а второй – на канал Х (генератор развертки отключен). На экране осциллографа получается эллипс (рис. 11.2 рис. 11.2.), уравнение которого

( 11.2)

где a, b – максимальные отклонения по горизонтали и вертикали соответственно.Рис. 11.2. Существует ряд методов определения фазового сдвига по полученной фигуре.

Метод 1.

Положив x=0 получим вертикальный отрезок . Если y=0, то горизонтальный отрезок . Следовательно , откуда можно определить

( 11.13)

Метод неточен из-за трудности определения центра эллипса, но зато полученные формулы не зависят от соотношений Ux и Uy.

Метод 2.

Реализуется при условии a=b. В этом случае , где l1 — малая ось эллипса, l2 — его большая ось.

Метод 3.

При любых значениях a и b , где определяются по экрану ЭЛТ осциллографа.

Осциллографический метод прост, не требует дополнительных приборов, но не даёт однозначности (знак угла) и обладает большой субъективной погрешностью. Погрешность определения фазового сдвига составляет 5-10% из-за неточностей определения длин отрезков, искажений эллипса.

Метод круговой развертки

При использовании этого метода опорное напряжение с помощью фазовращателя ФВ расщепляется по фазе и в виде двух сдвинутых на 90o напряжений подается на вход усилителей У1 и У2 каналов X и Y (рис.11.3). Регулировкой коэффициентов усиления и установлением фазовой симметрии в обоих каналах добиваются получения круговой развертки.

Рис. 11.3. Метод круговой развертки

Напряжение исследуемого сигнала подается на модулирующий электрод ЭЛТ (канал Z). На время отрицательного полупериода ЭЛТ запирается и на экране становится видимой только половина окружности. Для обеспечения необходимой точности измерений необходимо, чтобы трубка запиралась в моменты перехода сигнала через ноль, что обеспечивается применением усилителя-ограничителя УО.

В процессе измерения фазового сдвига на вход УО сначала подается опорное напряжение (положение 1) и по полуокружности на экране ЭЛТ отмечается положение диаметра mn, являющегося началом отсчета. Затем на УО подается измеряемый сигнал (положение 2) и отмечается положение pq. Измеряемый фазовый угол равен углу между прямыми mn и pq.

Источниками погрешности являются: непостоянство частоты круговой развертки, погрешность измерения угла между диаметрами, погрешность УО.

Определяем знак с помощью правил Ленца

Когда магнитное поле пронизывает контур, в нем генерируется э.д.с. электромагнитной индукции, т.е. тратится определенная энергия на создание электрического поля. А после его создания вся эта система противится любым изменениям.

Если создать громадное магнитное поле, пронизывающее проволочный контур, а потом внезапно выключить источник магнитного поля, то можно заметить, что проходящее через контур магнитное поле исчезает не сразу, а постепенно. Почему это происходит? Дело в том, что появившаяся э.д.с. электромагнитной индукции заставляет ток течь таким образом, чтобы он сохранял достигнутое стабильное состояние, т.е. сохранял магнитное поле неизменным.

В этом и состоит суть правила Ленца: э.д.с. электромагнитной индукции будет действовать так, чтобы полученный в результате ток создавал индуцированное магнитное поле, противодействующее изменению потока.

Пусть пронизывающее контур магнитное поле меняется с течением времени, как показано на рис. 19.5. Тогда э.д.с. электромагнитной индукции будет действовать так, чтобы сохранить существующее положение, т.е. будет создавать индуцированное магнитное поле, которое, как показано на рис. 19.5, противодействует увеличению уже имевшегося магнитного поля.

Обратите внимание на направление индукционного тока в контуре. Если направить пальцы правой руки (кроме большого, отставленного в сторону) вдоль витков катушки по ходу движения тока, то большой палец этой руки будет указывать в направлении индуцированного магнитного поля (подробнее о правиле правой и левой руки можно узнать в главе 18)

Именно это поле будет противодействовать увеличению магнитного поля, уже приложенного к катушке.

Попробуйте проверить только что полученные знания с помощью рис. 19.5. Куда направлен ток, если внешний магнитный поток, пронизывающий контур, увеличивается с течением времени?

Закон Гука

Основным соотношением, объединяющим физические параметры для описания протекающих процессов, является закона Гука для деформации сдвига. Этот закон позволят решить задачу нахождения угла отклонения грани объекта от исходного положения.

Небольшие напряжения вызывают углы отклонения, которые имеют небольшие величины. На итоговое значение влияют следующие параметры:

• сила упругости (её вектор направлен вдоль поверхности);
• модуль упругости второго рода;
• площадь поверхности.

Различные материалы обладают своим значением модуля упругости. Он является величиной постоянной и определяет способность материала оказывать сопротивление возникающему сдвигу.

Вычисляют касательное напряжение на гранях с помощью закона Гука. Он справедлив для малых углов и представляет произведение модуля сдвига на величину угла. Согласно теории упругости он позволяет установить связь с модулем Юнга и коэффициентом Пуассона.

Графически действие закона Гука представлено прямой линией. В качестве уравнения этой линии может использоваться уравнение прямой с угловым коэффициентом подробно описанном в аналитической геометрии. Она проходит начало координат, выбранной системы отсчёта.

Угол сдвига фаз между током и напряжением

Начальные фазы электромагнитных синусоидальных колебаний первичного и вторичного напряжения, с частотой одинаковой величины, могут существенно различаться на некоторый угол сдвига фаз (угол φ). Переменные величины могут неоднократно в течение определенного периода некоторого времени изменяются с определенной частотой. Если электрические процессы имеют неизменный характер, а сдвиг фаз равен нулю, это свидетельствует о синхронизме источников величин переменного напряжения, например, трансформаторов. Сдвиг фазы служит определяющим фактором коэффициента мощности в электрических сетях переменного тока.

Угол сдвига фаз находится при необходимости, тогда, если один из сигналов является опорным, а второй сигнал с фазой в самом начале совпадает с углом сдвига фаз.

Измерение угла сдвига фаз производится прибором, в котором присутствует нормированная погрешность.

Фазометр может производить измерение угла сдвига в границах от 0 о до 360 о в некоторых случаях от -180 о С до +180 о С, а диапазон измеряемых частот сигналов может колебаться от 20Гц до 20 ГГц. Измерение гарантируется в том случае если напряжение входного сигнала равно от 1 мВ до 100 В, если же напряжение входного сигнала превышает эти границы точность измерения не гарантируется.

1.1. ПОНЯТИЕ О ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Oпределение: Переменными называют токи и напряжения, изменяющиеся
во времени, по величине и направлению. Их величина в любой момент
времени называется мгновенным значением. Обозначаются мгновенные значения
малыми буквами: i, u, e, p.

Токи, значения которых повторяются через равные промежутки времени,
называются периодическими. Наименьший промежуток времени, через который
наблюдаются их повторения, называется периодом и обозначается буквой
Т. Величина, обратная периоду, называется частотой, т.е. и
измеряется в герцах (Гц). Величина
называется угловой частотой переменного тока, она показывает изменение
фазы тока в единицу времени и измеряется в радианах, деленных на секунду

Максимальное значение переменного тока или напряжения называется амплитудой.
Оно обозначается большими буквам с индексом ”m” (например, I_m). Существует
также понятие, действующего значения переменного тока (I). Количественно
оно равно:

что для синусоидального характера изменения тока соответствует

Переменный ток можно математически записать в виде:

Здесь индекс выражает начальную фазу. Если синусоида начинается в точке
пересечения осей координат, то = 0, тогда

Начальное значение тока может быть слева или справа от оси ординат.
Тогда начальная фаза будет опережающей или отстающей.

Боремся с тройным сопротивлением: колебательный контур

На рис. 19.12 показана типичная схема колебательного контура с “тройной угрозой” в одной электрической цепи: резистором, катушкой индуктивности и конденсатором.

Как оценить общее сопротивление подобной цепи? Теперь в ней нужно учесть сопротивление резистора (см. главу 17), а также емкостное и индуктивное сопротивления (см. предыдущие разделы в этой главе). Верна ли в таком случае формула:

Нет, к сожалению, не верна, так как с течением времени напряжение в резисторе, конденсаторе и катушке индуктивности меняются по-разному и их отдельные напряжения суммировать нельзя. Вместо этого придется ввести новую величину — импеданс ​\( Z \)​ (ее часто называют комплексным сопротивлением цепи):

Чему равен импеданс \( Z \)? Он вычисляется с помощью следующей формулы:

Пусть ​\( R_L \)​ = 16 Ом, \( R_C \) = 12 Ом, \( R \) = 3 Ом, а \( U_{эфф} \) = 10 В. Чему равно эффективное значение тока? Сначала находим импеданс \( Z \) по формуле:

Затем, используя равенство ​\( U_{действ}=I_{действ}Z \)​, получаем:

Действующее значение тока равно 2 А.

Кроме того, разность фаз тока и напряжения (т.е. отстает сила тока от напряжения или опережает его) можно определить по следующей формуле тангенса сдвига фазы ​\( \delta \)​ между силой тока и напряжением:

Глава 20. Немного света на зеркала и линзы →

← Глава 18. Намагничиваемся: притягиваемся и отталкиваемся

Глава 19. Усмиряем колебания тока и напряжения

Оценка

Емкость в цепи переменного тока

X_C =1/ ωc  

При включении емкости под переменное напряжение во время t=0, конденсатор полностью разряжен, напряжение на конденсаторе равно 0, и он начинает заряжаться. Поэтому мгновенно появляется ток зарядки. По мере зарядки конденсатора на нем начинает расти напряжение, которое тормозит процесс зарядки, а значит, ток зарядки начинает уменьшаться.

Когда U на конденсаторе достигает максимума, это значит, что оно достигло максимума напряжения источника, зарядка продолжаться не может, поэтому ток становится равным 0.

Синусоида тока (синяя) каждый раз пресекает ноль на π/2 раньше, чем (красная) синусоида напряжения.

То есть, максимальному напряжению на емкости соответствует ток, равный 0, а это значит, что ток на емкости С впереди напряжения на 90° или π/2