Особенности индуктивного сопротивления

Когда в цепи нарастает или уменьшается ток, электромагнитное поле создает противодействующую электродвижущую силу. Это явление порождается индуктивностью катушки. Индуктивное сопротивление воздействует только на переменный ток, быстрые изменения которого порождают противодействующую силу. В статье будет более подробно рассказано о природе этого явления.

Что зовется индуктивным сопротивлением

Когда на катушку подают переменное напряжение, ток, проходящий по ней, меняется согласно поданному напряжению. Это служит причиной изменения магнитного поля, создающего электродвижущую силу, препятствующую происходящему.

Схема для измерения

В такой цепи имеется зависимость электрических параметров от двух видов: обычного и индуктивного. Они обозначаются, соответственно, как R и XL.

На обычном происходит выделение мощности. Однако на реактивных элементах она является нулевой. Это связано с постоянным изменением направления переменного тока.

В течение одного периода колебаний энергия дважды закачивается в катушку и столько же раз возвращается в источник.

Определение индуктивности

От каких факторов зависит сопротивление

Изменение силы тока создает электромагнитное поле переменной интенсивности. Результатом его воздействия на проводник является противодействие происходящему изменению тока.

Это противодействие называется реактивным сопротивлением. Существуют две его разновидности: индуктивная и емкостная. Первая создается при наличии в схеме индуктивного элемента, вторая — конденсатора.

В ситуации, когда в цепи присутствует катушка, ее реакция усиливается по мере увеличения частоты.

Цепь, в которой возникает индукция

В случае, когда ее индуктивность уменьшается, то противодействующая сила также становится меньше. При увеличении она возрастает.

Индуктивное сопротивление существенно связано с тем, какую форму принимает проводник. Оно имеется также и у отдельного провода, лежащего прямо. Однако если рядом будет еще один, то он будет оказывать воздействие дополнительно, что повлияет на рассматриваемую величину.

Рассматриваемую характеристику отдельного провода можно определять в зависимости от его толщины, но оно никак не связано с его сечением.

Принцип действия электродвижущей силы

Катушка индуктивности

Он представляет собой изолированный провод, многократно намотанный вокруг сердечника.

Обычно каркас имеет цилиндрическую или тороидальную форму.

Индуктивность рассматривается в качестве основной характеристики катушки. Это качество выражает способность элемента осуществлять преобразование переменного тока в магнитное поле.

Важно! Магнитные свойства существуют даже у одиночного провода, при условии, что изменяется проходящий через него ток. Воздействие поля направлено так, чтобы противодействовать его изменению. Если он будет увеличиться, поле будет его тормозить, а если ослабевать — усиливать.

Определение направления силовых линий подчиняется «правилу большого пальца»: если у сжатой в кулак руки большой палец указывает в направлении изменения силы тока, то сомкнутые пальцы подсказывают направление силовых линий поля.

Таким образом в том случае, если провод многократно намотан на цилиндрическое основание, то силовые линии от разных витков складываются и проходят через ось.

Для того, чтобы многократно увеличить индуктивность, в центр цилиндра помещают сердечник из ферромагнитного материала.

Индуктивное сопротивление – единицы измерения

Измерение этой величины производится в омах. Здесь используются такая же единица измерения, как и для резистора, несмотря на то, что у них различная природа. Рассматриваемая величина порождается электродвижущей силой, противодействующей происходящему изменению. Обычное возникает в связи с рассеиванием энергии при прохождении электронов по проводнику.

Магнитное поле индуктивного элемента

Индуктивное сопротивление – как его найти

Реальная катушка имеет не только реактивное, но и обычное сопротивление. Индуктивное сопротивление определяется по формуле:

Здесь употреблены следующие обозначения:

Надо отметить, что величина (2*П*v) представляют собой круговую частоту, которую обозначают греческим символом «омега».

Катушки с различными сердечниками

Рассматриваемая величина подчиняется закону Ома. Формула выглядит так:

I, U представляют собой ток и напряжение, XL – это индуктивное сопротивление.

Конфигурация магнитного поля катушки

Для определения искомой величины можно воспользоваться приведенными формулами. При этом можно воспользоваться амперметром и вольтметром. Первый из них надо включить последовательно, второй — параллельно.

При этом необходимо учитывать следующее. На самом деле, в цепи, в которую включена индуктивность, действует два вида сопротивления: активное и реактивное. Измерив ток и напряжение, можно определить их результирующую величину. Нужно помнить, что она не является их простой суммой.

Дело в том, что в переменной цепи, где имеется только катушка и нет конденсатора, напряжение находится впереди тока на четверть периода колебания. Эта величина равна 90 градусам.

Полное сопротивление определяется следующим образом. Для этого необходимо нарисовать соответствующую диаграмму. Если по горизонтали отложить величину обычного, а по вертикали — реактивного, а затем по этим векторам построить прямоугольник, то длина его диагонали будет равна полному значению.

Магнитное поле провода

К примеру, если подобрать элементы цепи таким образом, чтобы по абсолютной величине обе этих величины были равны, то искомая часть определится как их полное значение, умноженное на квадратный корень из двух.

Для того, чтобы получить информацию о зависимости индуктивного сопротивления от частоты, возможно воспользоваться осциллографом.

При использовании переменного тока необходимо учитывать не только обычное, но и индуктивное сопротивление. Оно возникает в том случае, если в электрической цепи присутствует катушка.

Источник

Емкостное и индуктивное сопротивление в цепи

Разность потенциалов между точками электрической цепи порождает ток, который представляет собой упорядоченное движение электронов под действием электрополя. В том случае, когда напряжение постоянное, в цепи будет только активное сопротивление. Если же напряжение переменное, то появляется еще реактивное сопротивление, которое определяется индуктивностью и емкостью компонентов используемой схемы.

Виды сопротивления и их особенности

Если в цепи постоянное напряжение, то, зная её сопротивление, можно узнать силу тока при помощи закона Ома. Он говорит о том, что сила тока пропорциональна напряжению, которое является его причиной. Коэффициент пропорциональности представляет обычное сопротивление. Его принято называть активным.

Если напряжение является постоянным, то сопротивление будет только активным. Его значение определяет, сколько энергии электрического поля преобразовано в тепло, то есть, безвозвратно утрачено. Поэтому при работе с кабелями СИП-3 1×50, СИП-2 3×70 и другими нужно помнить, что потери энергии из-за активного сопротивления могут быть значительными.

Более распространено использование переменного тока. Он возникает под воздействием напряжения, циклически изменяющегося по синусоидальному закону. Такой ток порождает реактивное сопротивление, которое дополняет действие активного. Существует две разновидности реактивного сопротивления различной природы — на основе индуктивности или емкости. Их отличительной особенностью является то, что они способствуют не трате электроэнергии, а преобразованию её в другую форму.

Нужно учитывать, что применение различных видов кабелей связано не только с наличием активного сопротивления, но и реактивного. Например, кабели СИП-3 1×50, СИП-2 3×70, АС-95 могут использоваться в электросетях и с активным, и индуктивным, и емкостным сопротивлениями.

Чтобы понять, что собой представляет индуктивное сопротивление, можно представить цепь, в которой имеется катушка, подключённая к источнику переменного тока. Как известно, напряжение меняется по синусоидальному закону. При этих изменениях катушка будет создавать магнитное поле, которое будет, в частности, влиять на текущий через него ток. Согласно природе магнитного поля, при уменьшении тока магнитное поле способствует его увеличению, а при усилении наблюдается противоположный эффект. Кроме того, цепь переменного тока с активным сопротивлением тратит энергию на выделение тепла.

На практике речь идёт о действии индуктивного сопротивления, обеспечивающего сдвиг фазы между током и напряжением. Движение зарядов создаёт поле, которое в свою очередь препятствует изменению тока. Такое сопротивление присутствует не только в катушках, но и, например, при использовании кабеля СИП-2 3×70.

Емкостное сопротивление имеет другую природу. Для объяснения следует рассмотреть цепь, состоящую из источника переменного тока и конденсатора. Последний представляет собой деталь, в которой две поверхности параллельны друг другу и не имеют непосредственного электрического контакта.

При использовании постоянного тока на обкладках конденсатора накапливаются заряды: на одной — положительный, а на второй — отрицательный. Электрополе за счет накопленного заряда представляет собой источник, противодействующий току. Поэтому конденсатор в цепи постоянного тока является бесконечно большим сопротивлением. Ток не проходит сквозь диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора.

В цепи переменного тока конденсатор циклически заряжается и разряжается, обеспечивая движение электрозарядов. Данный процесс в цепи переменного тока с активным и реактивным сопротивлением будет происходить с опозданием относительно синусоидального изменения напряжения. Таким образом, конденсатор представляет собой конечное сопротивление, получившее название емкостного.

Разница между емкостным и индуктивным сопротивлением заключается в том, что через индуктивную катушку постоянный ток протекает, а при использовании конденсатора пройти не может. Однако переменный ток в обеих цепях может течь без каких-либо проблем.

Полное сопротивление

На практике необходимо учитывать как активное, так и индуктивное и емкостное сопротивления. Это особенно важно при выборе компонентов для электрических сетей. Например, активное, емкостное и индуктивное сопротивления кабелей СИП-3 зависят от их номинального сечения. Поэтому при создании электролинии следует выбрать правильный диаметр проводника, чтобы в будущем не возникало аварийных ситуаций.

При наличии нескольких разновидностей сопротивления возникает понятие полного сопротивления. Графически его представляют в виде прямоугольного треугольника. Длина одного его катета представляет величину активного сопротивления, а другого — разницу между значениями индуктивного и емкостного сопротивлений. Полное сопротивление в этом случае будет измеряться гипотенузой. В соответствии с теоремой Пифагора она определяется по следующей формуле:

Пример использования

Если в сети необходимо регулировать силу тока, удобно использовать реостат (переменное сопротивление). При использовании этой детали, действие которой основано на омическом сопротивлении, можно видеть, как расходуется энергия на нагрев. Таким образом, его можно включать в цепь с активным сопротивлением и индуктивностью с целью регулировки обоих видов сопротивления.

Если вместо реостата используется катушка с изменяемыми параметрами, она позволяет легко произвести регулировку и при этом избежать нагрева. Такое решение особенно удобно, если используется электрическая цепь со значительным напряжением. Когда присутствует активное, емкостное и индуктивное сопротивление, регулировать можно любое из них.

При использовании проводов или обычных радиодеталей в электрической цепи на самом деле измеряется и индуктивное, и ёмкостное сопротивления. Каждое из них зависит от частоты тока, а также от физических и геометрических особенностей используемых схем. Например, провод АС 50 или АС 70 может иметь индуктивное сопротивление в пределах 0.392–0.435 Ом/км. У А 50 аналогичная величина составляет от 0.297 до 0.468 Ом/км. Изолированный кабель АВБбШв 4х240 характеризируется величиной сопротивления всего 0.077 Ом/км.

При выборе проводов необходимо учитывать особенности соответствующих марок. Например, в наименованиях АС 95, АС 120 и других цифра указывает толщину проводов, от которой зависят их электрические свойства. При работе с изолированными самонесущими кабелями СИП-2 3×70, СИП-3 1×50, СИП-3 1×70, СИП-3 1×95, СИП-3 1×120 нужно помнить, что их характеристики зависят не только от физических показателей, но и от номинального напряжения.

Видео по теме

Источник

Емкостное и индуктивное сопротивление в цепи переменного тока

Если мы включим конденсатор в цепь постоянного тока, то обнаружим, что он оказывает бесконечно большое сопротивление, поскольку постоянный ток просто не может пройти через диэлектрик между обкладками, так как диэлектрик по определению не проводит постоянный электрический ток.

Конденсатор разрывает цепь постоянного тока. Но если тот же конденсатор включить теперь в цепь переменного тока, то окажется, что ее конденсатор будто бы и не разрывает полностью, он просто попеременно заряжается и разряжается, то есть электрический заряд движется, и ток во внешней цепи поддерживается.

Практика давно показала, что величина переменного тока, текущего через провод, зависит от формы этого провода и от магнитных свойств среды вокруг него. При прямом проводе ток будет наибольшим, а если этот же провод свернуть в катушку с большим количеством витков, то величина тока окажется меньше.

А если в ту же катушку еще и ввести ферромагнитный сердечник, то ток еще сильнее уменьшится. Следовательно проводник оказывает переменному току не только омическое (активное) сопротивление, но еще и некое дополнительное сопротивление, зависящее от индуктивности проводника. Данное сопротивление называется индуктивным.

Его физический смысл состоит в том, что изменяющийся ток в проводнике, обладающем некой индуктивностью, инициирует в этом проводнике ЭДС самоиндукции, стремящуюся препятствовать изменениям тока, то есть стремящуюся уменьшить ток. Это равносильно увеличению сопротивления проводника.

Емкостное сопротивление в цепи переменного тока

Для начала поговорим более подробно о емкостном сопротивлении. Допустим, что конденсатор емкостью С подключен к источнику синусоидального переменного тока, тогда ЭДС этого источника будет описываться следующей формулой:

Падением напряжения на соединительных проводах пренебрежем, так как оно обычно очень мало, а при необходимости его можно будет рассмотреть отдельно. Примем сейчас, что напряжение на обкладках конденсатора равно напряжению источника переменного тока. Тогда:

В любой момент времени заряд на конденсаторе зависит от его емкости и от напряжения между его обкладками. Тогда для данного известного источника, о котором говорилось выше, получим выражение для нахождения заряда на обкладках конденсатора через напряжение источника:

Пусть за бесконечно малое время dt заряд на конденсаторе изменяется на величину dq, тогда по проводам от источника к конденсатору потечет ток I, равный:

Амплитудное значение тока окажется равно:

Тогда окончательное выражение для тока будет иметь вид:

Перепишем формулу для амплитуды тока в следующем виде:

Данное соотношение есть закон Ома, где величина обратная произведению угловой частоты на емкость играет роль сопротивления, и по сути являет собой выражение для нахождения емкостного сопротивления конденсатора в цепи синусоидального переменного тока:

Значит емкостное сопротивление обратно пропорционально угловой частоте тока и емкости конденсатора. Легко понять и физический смысл данной зависимости.

Чем больше емкость конденсатора в цепи переменного тока и чем чаще изменяется направление тока в этой цепи, тем в конце концов больший суммарный заряд проходит за единицу времени через поперечное сечение проводов, соединяющих конденсатор с источником переменного тока. Значит ток пропорционален произведению емкости и угловой частоты.

Для примера выполним расчет емкостного сопротивления конденсатора электроемкостью 10 мкф для цепи синусоидального переменного тока с частотой 50 Гц:

Если бы частота была 5000 Гц, то тот же самый конденсатор представлял бы собой сопротивление около 3 Ом.

Из приведенных выше формул ясно, что ток и напряжение в цепи переменного тока с конденсатором всегда изменяются в разных фазах. Фаза тока опережает фазу напряжения на пи/2 (90 градусов). А значит максимум тока во времени существует всегда на четверть периода раньше, чем максимум напряжения. Таким образом на емкостном сопротивлении ток опережает напряжение на четверть периода по времени или на 90 градусов по фазе.

Давайте поясним физический смысл данного явления. В самый первый момент времени конденсатор полностью разряжен, поэтому самое малое приложенное к нему напряжение уже перемещает заряды на пластинах конденсатора, создавая ток.

По мере того как конденсатор заряжается, напряжение на его обкладках увеличивается, оно препятствует дальнейшему притоку заряда, поэтому ток в цепи уменьшается невзирая на дальнейший рост прикладываемого к обкладкам напряжения.

Значит, если в начальный момент времени ток был максимальным, то когда напряжение достигнет своего максимума через четверть периода, ток прекратится вовсе.

В начале периода ток максимален а напряжение минимально и начинает нарастать, но через четверть периода напряжение достигает максимума, но ток к этому моменту уже упал до нуля. Вот и получается опережение током напряжения на четверть периода.

Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока

Теперь вернемся к индуктивному сопротивлению. Допустим, что через катушку, обладающую индуктивностью, течет переменный синусоидальный ток. Его можно выразить так:

Ток обусловлен приложенным к катушке переменным напряжением. Значит на катушке возникнет ЭДС самоиндукции, которая выражается следующим образом:

Снова пренебрежем падением напряжения на проводах, соединяющих источник ЭДС с катушкой. Их омическое сопротивление очень мало.

Пусть приложенное к катушке переменное напряжение в каждый момент времени полностью уравновешивается возникающей ЭДС самоиндукции, равной ему по величине, но противоположной по направлению:

Тогда имеем право записать:

Поскольку амплитуда приложенного к катушке напряжения равна:

Выразим максимальный ток следующим образом:

Это выражение по сути является законом Ома. Величина равная произведению индуктивности на угловую частоту играет здесь роль сопротивления, и представляет собой ни что иное, как индуктивное сопротивление катушки индуктивности:

Так, индуктивное сопротивление пропорционально индуктивности катушки и угловой частоте переменного тока, через данную катушку пропускаемого.

Для примера рассчитаем индуктивное сопротивление катушки с индуктивностью 1 Гн, которая включена в цепь с частотой тока 50 Гц:

Если бы частота бала 5000 Гц, то сопротивление этой же катушки оказалось бы равно приблизительно 31400 Ом. Напомним, что омическое сопротивление провода катушки составляет обычно единицы Ом.

Из приведенных выше формул очевидно, что изменения тока через катушку и напряжения на ней, происходят в разных фазах, причем фаза тока всегда меньше чем фаза напряжения на пи/2. Следовательно максимум тока наступает на четверть периода позже наступления максимума напряжения.

На индуктивном сопротивлении ток отстает от напряжения на 90 градусов из-за тормозящего действия ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока (и нарастанию, и убыванию), вот почему максимум тока наблюдается в цепи с катушкой позднее максимума напряжения.

Совместное действие катушки и конденсатора

Если включить в цепь переменного тока последовательно катушку с конденсатором, то напряжение на катушке будет опережать напряжение на конденсаторе по времени на половину периода, то есть на 180 градусов по фазе.

Емкостное и индуктивное сопротивление называются реактивными сопротивлениями. На реактивном сопротивлении энергия не расходуется как на активном. Энергия накапливаемая в конденсаторе периодически возвращается обратно к источнику, когда электрическое поле в конденсаторе исчезает.

Так же и с катушкой: пока магнитное поле катушки создается током, энергия в ней на протяжении четверти периода накапливается, а в следующую четверть периода возвращается к источнику. В данной статье речь шла о синусоидальном переменном токе, для которого данные положения выполняются строго.

В цепях синусоидального переменного тока катушки индуктивности с сердечниками, называемые дросселями, традиционно используются для ограничения тока. Их преимущество перед реостатами в том, что энергия не рассеивается в огромном количестве в форме тепла.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник