Что такое полное сопротивление цепи и как его правильно найти
Содержание
Для начала нужно понять, что такое электрическое сопротивление. Это физическая величина, которая отражает противодействие движению электротока по схеме или же внутри проводника. Данная величина взаимосвязана с электронапряжением и силой электротока, что отражено в законе Ома, названном так по имени немецкого физика.
Виды электрических сопротивлений
Известно о двух видах электронапряжения — постоянном и переменном. В электроцепи постоянного тока присутствует исключительно активное электросопротивление. Таким является любое электросопротивление, поглощающее энергию. В этом случае найти полное сопротивление поможет формулировка закона Ома.
В электроцепях с переменным напряжением есть реактивное электросопротивление, то есть такое, которое энергию не поглощает. Оно делится на емкостное и индуктивное. В реальности не существует электроцепей только с каким-либо одним видом электросопротивления. Наряду с резисторами в них используются емкости и катушки индуктивности. Поэтому в электротехнике вводится такое понятие, как полное сопротивление цепи, представляющееся в виде векторной суммы всех электросопротивлений, присутствующих в данной цепи.
Величина реактивного электросопротивления зависит от частоты параметров используемой электросети. Формула, с помощью которой можно определить емкостное электросопротивление, выглядит так:
Здесь ω — угловая частота. Она связана с частотой электросети f и определяется по формуле:
Индуктивное электросопротивление находим с помощью такого выражения:
В формулах для определения емкостного и индуктивного электросопротивления используются определенные физические величины. Их обозначение и единицы измерения приводятся в таблице ниже. Само электросопротивление измеряется в омах.
Чтобы вычислить полное сопротивление цепи Z, учитывающее все имеющиеся активные и реактивные составляющие, следует воспользоваться формулой:
Определение эквивалентного сопротивления
В электросхеме может быть использовано несколько нагрузок одного вида, соединенных между собой последовательно или параллельно. В первом случае их электросопротивления складываются. Поэтому эквивалентное сопротивление будет тем больше, чем больше элементов соединено последовательно.
Если используется параллельное соединение проводников, расчет полного сопротивления цепи выполняется несколько иначе:
В данном случае эквивалентное сопротивление с увеличением количества используемых нагрузок будет уменьшаться. Такое явление можно наблюдать в повседневной жизни: чем больше к электросети подключено потребителей, тем меньшим будет значение эквивалентного электросопротивления и большим электроток нагрузки.
Как определяется ПС при последовательном соединении емкостей и индуктивностей
При наличии реактивной нагрузки в электроцепи будет наблюдаться опережение или отставание электротока от электронапряжения. При подключении индуктивной нагрузки электроток отстает от электронапряжения, а емкостной, наоборот, опережает. То есть, при подключении конденсатора к источнику переменного электротока он будет постоянно перезаряжаться с частотой, соответствующей частоте электросети. Электроток при этом будет увеличиваться раньше, чем электронапряжение. При подключении индуктивного контура наблюдается обратный результат.
Рассмотрим схему с использованием последовательно соединенных резистора и индуктивности.
Для этого участка цепи результирующее электронапряжение в точках А и В можно определить достаточно простым способом — геометрическим сложением векторов UL и UR. Как видно из рисунка, результирующий вектор UАВ — это гипотенуза треугольника. Следовательно, чтобы рассчитать ее, можно применить теорему Пифагора:
Если исходить из формулировки закона Ома, то электронапряжение — это произведение электросопротивления и силы электротока. Поскольку последний параметр во всех точках электроцепи имеет одинаковое значение, то квадрат ПС — это сумма квадратов электросопротивлений, называемых активными и реактивным:
Следовательно, полное сопротивление приведенной цепи Z определяется выражением:
Кроме расчетов для определения ПС в цепи можно использовать еще и геометрический способ, являющийся построением треугольника, представленного на рисунке 11д. Его катеты — это активное и реактивное электросопротивление для участка цепи. Понятно, что стороны треугольника следует откладывать в одном масштабе.
Полное сопротивление цепи в рассматриваемом случае не будет исключительно активным или реактивным. В него входят обе составляющие. По этой причине угол сдвига по фазе между электротоком и электронапряжением может меняться от 0 до 90 градусов. К какому из этих предельных значений будет приближена величина φ, зависит от вида преобладающего электросопротивления. Если индуктивная составляющая превышает активную, φ стремится к 90 градусам, а преобладающая активная составляющая уменьшает его до нуля.
Теперь рассмотрим электроцепь с присутствующими в ней резистором и конденсатором, соединенными последовательно. Полное сопротивление цепи и в данном случае можно определить, используя построение треугольника.
Как можно увидеть из рисунка, треугольник сопротивлений, построенный для активно-емкостного участка цепи, развернут в другую сторону. Это связано с тем, что электроток в емкости опережает электронапряжение (в активно-индуктивной ветви электроток отстает от электронапряжения). Полное электрическое сопротивление цепи Z в данном случае будет равно:
Если же в электроцепи присутствуют все виды электросопротивлений, то сначала следует найти реактивную составляющую, а потом уже и значение ПС или импеданса.
Общее реактивное электросопротивление для данного участка цепи — это разница между индуктивной и емкостной составляющими, поскольку они по своему характеру являются противоположными друг другу.
Полное сопротивление электрической цепи при наличии индуктивной и емкостной составляющей определяется по формуле:
Треугольник электросопротивлений при наличии индуктивной и емкостной составляющей показан на рисунке.
Немаловажно понимать, что если одно из электросопротивлений (емкостное или индуктивное) больше другого более, чем в десять раз, то составляющую с наименьшим значением можно оставить без внимания.
Определение ПС при использовании параллельного соединения элементов
На рисунке ниже изображены графики электронапряжений и электротоков, присутствующих на нагрузках при параллельном соединении.
Чтобы определить полное электрическое сопротивление цепи, включающей резистор и индуктивность или резистор и емкость, соединенные параллельно, необходимо в первую очередь найти проводимость каждой параллельной линии, затем общую проводимость этой цепи между точками А и В. На последнем этапе вычисляется ПС между А и В.
Вычисляемое значение проводимости активного участка цепи равняется 1/R, индуктивного — 1/ ωL. Формула для определения полной проводимости выглядит так:
Приводя к общему знаменателю выражение под знаком корня, получаем следующее выражение:
Отсюда находим формулу для определения ПС для участка цепи с параллельно соединенными резистором и индуктивностью:
Формула для вычисления ПС при использовании параллельного соединения резистора и емкости имеет такой вид:
В радиотехнике чаще всего используется параллельное соединение конденсатора и катушки индуктивности, например, в колебательном контуре. Поскольку катушка имеет и индуктивное, и активное сопротивление, то в индуктивную ветвь включается еще резистор.
Для определения ПС следует воспользоваться формулой:
Учитывая то, что активное электросопротивление катушки значительно меньше индуктивного, формулу можно представить так:
Значение индуктивности и емкости для колебательного контура принято выбирать так, чтобы соблюдалось условие:
В данном случае для определения ПС колебательного контура получаем очень простую формулу:
С целью облегчения расчетов импеданса используют комплексные числа. Действительную часть такого числа представляет активное электросопротивление, а мнимую — реактивное.
Для последовательно соединенных радиоэлементов ПС в комплексном виде можно представить так:
В тригонометрической интерпретации модулем комплексного числа является ПС, а аргументом — угол φ.
Следовательно, активную и реактивную составляющие ПС можно найти по формулам:
При вычислении ПС или импеданса для параллельно соединенных элементов используют сумму проводимостей — величин, обратных электросопротивлениям.
Комплексная проводимость является величиной, обратной комплексному электросопротивлению. Алгебраически она выражается так:
Вычисление импеданса является достаточно сложной задачей, поскольку используется большое количество формул, тригонометрических функций. Поэтому с целью облегчения расчетов можно воспользоваться онлайн калькулятором. Чтобы получить результат, понадобится лишь ввести значение частоты электротока, емкость конденсатора, индуктивность катушки, сопротивление резистора.
Загрузка...
