Реактивные элементы электрической цепи
Содержание
Элементы электрических схем делятся на активные и пассивные. К активным относят источники питания, а пассивные являются потребителями электроэнергии и в свою очередь делятся на активные и реактивные. Первые преобразуют электричество в другие виды энергии, например, тепло, свет звук и т. п. Вторые способны хранить энергию и возвращать ее обратно в цепь. Параметры реактивных элементов сильно зависят от частоты переменного тока, а активных остаются неизменными на любой частоте.
Особенности реактивных элементов
Реактивными элементами являются индуктивности и емкости. Катушки преобразуют электроэнергию в электромагнитное поле (ЭМП), а емкости — в электростатическое (ЭСП). Поэтому катушки запасают энергию в виде электромагнитного поля, а конденсаторы — электростатического.
После отключения от источника питания заряд на конденсаторе может сохраняться достаточно долго, практически бесконечно, но в цепь он отдается по первому требованию. ЭМП внутри катушки присутствует до тех пор, пока через нее течет ток. Как только этот процесс прекращается, поле трансформируется в энергию.
ЭМП довольно инерционно. Оно появляется и исчезает не сразу после подключения или отключения источника питания, а на протяжении некоторого времени. Поскольку магнитная индукция зависит от количества витков катушки, то поле нарастает тем дольше, чем больше этих витков. Емкость конденсатора зависит от толщины диэлектрика и площади обкладок. Чем меньше первый показатель и больше второй, тем выше емкость.
Реактивные и диссипативные цепи
По типу применяемых в электрической цепи компонентов, их принято условно разделять на две группы:
- Реактивные цепи состоят только из индуктивных и емкостных элементов, которые считают идеальными, то есть такими, что не рассеивают мощность. Увы, такие цепи существуют только в теории. Какой бы материал для создания компонента не был использован, при протекании через него тока неизбежно будет затрачена энергия.
- Диссипативные цепи — это схемы хотя бы с одним элементом, на котором происходит падение мощности, расход энергии на нагрев или другое ее преобразование. На самом деле все цепи диссипативные, так как не существует идеальных конденсаторов и катушек.
Изменение переменного тока на различных элементах цепи
Далее рассмотрим, как именно меняется вид входного сигнала при прохождении через активные и реактивные элементы.
Резистивное сопротивление
Резистор обычно никак не влияет на смещение фазы тока и напряжения. В цепи, состоящей только из идеальных резистивных элементов, напряжение и ток совпадают по фазе с входным сигналом. Их значения связаны законом Ома, в котором учитывают только амплитудные характеристики:
Мощность на таком элементе рассеивается и превращается в тепловую энергию. Ее можно легко вычислить:
Индуктивное реактивное сопротивление
В цепях постоянного тока такой реактивный элемент, как индуктивность влияет только на коммутацию. Во время значительного изменения величины входящего тока внутри катушки возникают такие же процессы, как и в цепи переменного тока. В остальное время индуктивность в этих условиях ведет себя как обычный проводник с активным сопротивлением.
В цепи переменного тока влияние индуктивного сопротивления значительно сказывается на входящем сигнале. При прохождении тока через катушку, создается магнитное поле. Так как ток постоянно меняется, то и появляющееся магнитное поле тоже начинает постоянно меняться по гармоническому закону. Это в свою очередь провоцирует появление собственного тока в катушке, который направлен в противоположную сторону от основного. Такое явление связывают с возникновением в катушке противо-ЭДС. Так и создается реактивное сопротивление, которое препятствует основному течению тока. На напряжение воздействие при этом отсутствует. Таким образом, после прохождения через идеальную индуктивность фаза тока отстает от фазы напряжения на 90 градусов, то есть, на четверть цикла.
Единица измерения индуктивного реактанса — Ом. Его можно вычислить, зная частоту входящего тока и индуктивность катушки, выраженную в Гн.
Емкостное реактивное сопротивление
В цепи постоянного тока движение зарядов через конденсатор возможно лишь на этапе включения и до полного насыщения его обкладок. После того как заряд накоплен, разряжения не происходит. Положительный и отрицательный полюса конденсатора остаются разделенными диэлектриком, ток течь перестает, цепь в этом месте размыкается.
В цепи с переменным источником тока емкостное реактивное сопротивление препятствует изменению напряжения. Эффект достигается за счет происходящих в конденсаторе циклических процессов заряда и разряда. В момент, когда устройство заряжается, напряжение растет, а на этапе уменьшения заряда начинает падать. Результирующий ток идеального элемента, который не выделяет тепло, в итоге опережает напряжение на все те же четверть периода, то есть, на 90 градусов.
Формула вычисления емкостного реактанса выглядит так:
Единица измерения — Ом. При увеличении частоты входного сигнала сопротивление конденсатора неизбежно уменьшается. Если на вход подается низкочастотный сигнал, реактивные емкостные элементы начинают себя вести так же, как и при постоянном токе: после накопления заряда ток практически перестает проходить.
Эквивалентная схема реального элемента
В реальной жизни ни один линейный элемент не является только лишь индуктивностью, емкостью или резистором. Все катушки и конденсаторы так или иначе теряют энергию, греются. При производстве резисторов неизбежно появляются паразитные емкости. Любой простой провод несет в себе некоторую индуктивность. Примеры можно приводить и далее.
Для расчетов, приближенных к реальным, принято использовать понятие импеданса, то есть, полного сопротивления. Активную составляющую в общем случае записывают в реальную часть выражения, а реактивную — в мнимую. Формула выглядит так:
Знак минус возле емкостной составляющей указывает на измененное направление вектора данной величины.
Для наглядности иногда используют эквивалентные схемы, на которых изображены все расчетные реактивные и активные элементы в цепи.
Применение реактивного сопротивления
Реактивные элементы играют важную роль в проектировании электрических схем. Понятие реактивности полезно учитывать при обслуживании протяженных линий связи и высоковольтных систем переменного тока.
Прямая линейная зависимость между частотой подаваемого на катушку индуктивности сигнала и уровнем результирующего импеданса позволяет собирать разнообразные фильтры частот и устройства защиты от помех. Индуктивности и емкостные элементы часто используют в цепи для стабилизации напряжения и сглаживания биений.
Комбинация обоих типов реактивных элементов позволяет сформировать простейший колебательный контур. Из получившихся LC-цепей можно собрать различные по своим частотным и качественным характеристикам фильтры.
Загрузка...
