Положим по-прежнему, что ток в цепи изменяется по закону

и вычислим напряжение между концами цепи u . Так как при последовательном соединении проводников складываются напряжения, то искомое напряжение u есть сумма трех напряжений: на сопротивлении , на емкости и на индуктивности , причем каждое из этих напряжений, как мы видели, изменяется со временем по закону косинуса:

, (5)

, (6)

Для сложения этих трех колебаний воспользуемся векторной диаграммой напряжений. Колебания напряжения на сопротивлении изображаются на ней вектором , направленным вдоль оси токов и имеющим длину , колебания же напряжений на емкости и индуктивности - векторами и , перпендикулярными к оси токов, с длинами (I m /wC ) и (I m wL ) (рис.9.). Представим себе, что эти векторы вращаются против часовой стрелки вокруг общего начала с угловой скоростью w. Тогда проекции на ось токов векторов , и , будут описываться соответственно формулами (5)-(7). Очевидно, что проекция на ось токов суммарного вектора

равна сумме , то есть равна общему напряжению на участке цепи. Максимальное значение этого напряжения равно модулю вектора . Эта величина легко определяется геометрически. Сначала целесообразно найти модуль вектора :

,

а затем по теореме Пифагора:

. (8)

Из рисунка также видно, что

. (9)

Для напряжения на участке цепи можно записать

где амплитуда напряжения и фазовый сдвиг между током и напряжением определяются формулами (8), (9). Если , то напряжение по фазе опережает ток, в противном случае - напряжение отстает по фазе.

Формула (8) имеет сходство с законом Ома в том смысле, что амплитуда напряжения пропорциональна амплитуде тока. Поэтому ее иногда называют законом Ома для переменного тока. Однако нужно помнить, что эта формула относится только к амплитудам, но не к мгновенным значениям и . Величину

называют сопротивлением цепи для переменного тока, величину

называют реактивным сопротивлением цепи, а величину R - активным сопротивлением.

Полученные формулы справедливы и для замкнутой цепи, включающей в себя генератор переменного напряжения, если под R , C и L понимать их значения для всей цепи (например R представляет собой суммарное активное сопротивление цепи, включая и внутреннее сопротивление генератора). В этом случае во всех формулах следует заменить u на ЭДС генератора. Действительно, для всех наших рассуждений было безразлично, в каком именно месте сосредоточены емкость, индуктивность и сопротивление, поэтому в замкнутой цепи (рис.8) мы можем считать, что представляет собой суммарное активное сопротивление цепи, включая и внутреннее сопротивление генератора, а и - емкость и индуктивность цепи, и заменить реальный генератор воображаемым, у которого внутреннее сопротивление равно нулю. При этом напряжение u между точками a и b будет равно ЭДС генератора . Отсюда следует, что формулы (8), (9) справедливы и для замкнутой цепи переменного тока, если под , , и понимать их значения для всей цепи и заменить во всех формулах u на ЭДС генератора .

Последовательное соединение резисторов

Последовательное соединение резисторов это такое соединение когда резисторы подключаются последовательно друг за другом. При этом через все резисторы будет протекать одинаковый ток.

Для расчета общего сопротивления всех последовательно соединенных резисторов используется формула:

Rобщ = R1 + R2 + R3 + … + Rn.

Параллельное соединение резисторов

Параллельное соединение резисторов это когда один из контактов всех резисторов соединен в одну общую точку, а другой контакт всех резисторов соединен в другую общую точку. При этом в каждом отдельном резисторе течет свой определенный ток.

Если необходимо определить сопротивление двух параллельно соединенных резисторов, то можно воспользоваться следующей формулой:

Rобщ= (R1*R2)/(R1+R2)

Если два параллельно соединенных резистора имеют одинаковое сопротивление, то их общее сопротивление будет равно половине сопротивления одного из них:

Rобщ=(R1)/2 если R1=R2

Конденсаторы

Параллельное соединение конденсаторов

Параллельное соединение конденсаторов, это когда один из контактов всех конденсаторов соединен в одну общую точку, а другой контакт всех конденсаторов соединен в другую общую точку. При этом между пластинами каждого конденсатора будет одна и та же разность потенциала, так как все они заряжаются от общего источника.

Для последовательно соединенных двух конденсаторах общая емкость определяется следующей формулой:

Собщ= (С1*С2)/(С1+С2)

Катушки индуктивности

Последовательное соединение катушек индуктивности

При соединении катушек индуктивности последовательно суммарная индуктивность равна сумме индуктивности всех катушек, но при условии что, при последовательном соединении катушек индуктивности магнитные поля их не влияют друг на друга.

Lобщ=L1+L2+L3+…+Ln

Параллельное соединение катушек индуктивности

При параллельном соединении катушек индуктивности общая индуктивность (при условии что магнитные поля катушек индуктивности не влияют друг на друга) определяется по формуле:

Lобщ=1/(1/L1+1/L2+1/L3+1/Ln)

Индуктивность двух катушек, соединенных параллельно, определяется по следующей формуле:

Lобщ= (L1*L2)/(L1+L2)

• Похожие статьи

Согласно уравнениям элементов

. (15.1)

Мы нашли комплекс тока. Попутно в знаменателе мы получили комплексное сопротивление двухполюсника , активное сопротивление двухполюсника и реактивное сопротивления двухполюсника .

Фазовым резонансом двухполюсника называется такой режим, при котором ток и напряжение двухполюсника совпадают по фазе: . При этом реактивное сопротивление и реактивная проводимость двухполюсника равны нулю.

Резонансом напряжений двухполюсника называется режим, при котором максимально компенсируются напряжения элементов цепи. Полное сопротивление двухполюсника при этом минимально.

Резонансом токов двухполюсника называется режим, при котором максимально компенсируются токи элементов цепи. Полное сопротивление двухполюсника при этом максимально.

Для последовательного соединения резистора, катушки индуктивности и конденсатора фазовый резонанс совпадает с резонансом напряжений. Резонансная частота определяется по формуле

которая выводится из равенства нулю реактивного сопротивления: .

Зависимость действующих значений напряжений от частоты для последовательного соединения R , L , C показана на рис. 15.3. Выражения для вычисления этих напряжений получаются умножением действующего значения тока (формула 15.2) на полные сопротивления элементов: , , (см. п. 12).

Построим векторную диаграмму тока и напряжений (рис. 15.4, здесь показан случай U L > U C ). Проще всего это сделать, если начальная фаза тока равна нулю: . Тогда вектор, изображающий комплекс тока, будет направлен под углом к действительной оси комплексной плоскости. Напряжение на резисторе совпадает по фазе с током, поэтому вектор, изображающий комплекс напряжения на резисторе, будет направлен в ту же сторону, что и вектор, изображающий комплекс тока.

Рис. 15.3.

Рис. 15.4.

Рис. 15.5.

Напряжение на катушке индуктивности опережает по фазе ток на угол , поэтому вектор, изображающий комплекс напряжения на катушке индуктивности, будет направлен под углом к вектору, изображающему комплекс тока. Напряжение на конденсаторе отстает по фазе от тока на угол , поэтому вектор, изображающий комплекс напряжения на конденсаторе, будет направлен под углом –к вектору, изображающему комплекс тока. Вектор, изображающий комплекс приложенного напряжения, будет равен сумме векторов, изображающих комплексы напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке. Длины всех векторов пропорциональны действующим значениям соответствующих величин. То есть, для того чтобы нарисовать векторы, нужно задать масштабы, например: в 1 сантиметре 20 вольт, в 1 сантиметре 5 ампер.

Векторная диаграмма для режима резонанса показана на рис. 15.5.

Вычислим отношение действующих значений напряжений на катушке индуктивности и на конденсаторе к действующему значению напряжения источника в режиме резонанса.

Учтем, что при резонансе напряжения на катушке и на конденсаторе полностью компенсируют друг друга (резонанс напряжений), и поэтому напряжение источника равно напряжению на резисторе: (рис. 15.5). Используем связь действующих значений тока и напряжения для резистора, катушки и конденсатора, а также формулу для резонансной частоты. Получим:

откуда .

Величину называют волновым сопротивлением колебательного контура и обозначают буквой r. Отношение обозначают буквой Q и называют добротностью колебательного контура. Она определяет усилительные свойства контура на резонансной частоте. У хороших контуров добротность может быть порядка нескольких сотен, то есть в режиме резонанса напряжение на катушке и конденсаторе может быть в сотни раз больше приложенного к двухполюснику.

Резонанс часто применяется в электротехнике и электронике для усиления синусоидальных напряжений и токов, а также для выделения колебаний определенных частот из сложных колебаний. Однако, нежелательный резонанс в информационных электрических цепях приводит к возникновению и усилению помех, а в силовых цепях может привести к появлению опасно больших напряжений и токов.