3.Активні й реактивні навантаження в колах змінного струму

На відміну від кіл постійного струму, в колах змінного струму існують два принципово різні види навантажень — активні й реактивні. Щоб упевнитись у цьому, можна поставити такий дослід. Складемо за схемою (мал. 3.8) електричне коло, до якого входять ватметр W, вольтметр V, амперметр А і, наприклад, електрична лампа. Якщо коло живити постійним струмом, наприклад від акумулятора чи випрямляча, то потужність Р, яку показує ватметр, дорівнюватиме потужності Р = UI, яку знаходимо за показниками амперметра і вольтметра. Візьмемо тепер вимірювальні прилади для змінного струму і подамо до досліджуваного кола змінний струм промислової частоти. У цьому разі значення потужностей, визначені за показниками ватметра, а також амперметра і вольтметра, як і за постійного струму, збігаються. Електрична енергія в такому колі безповоротно перетворюється на теплову.

Навантаження, в якому вся підведена електрична енергія перетворюється на інший вид енергії, називають активним, опір цього навантаження також дістав назву активного опору.

Проте в колах змінного струму так буває не завжди. Якщо замість лампи в коло включити котушку значної індуктивності або конденсатор, то навіть за значних сил струму і напруг у колі ватметр майже не покаже наявності споживаної енергії. У таких електричних колах відбуваються зворотні перетворення енергії: в один півперіод енергія струму, наприклад, перетворюється на енергію електричного поля, конденсатора (в колі з конденсатором), а в наступний півперіод енергія повертається назад в електричне коло. Таке навантаження, в якому електромагнітна енергія не перетворюється на інші види, називають реактивним. У колах змінного струму розрізняють індуктивні і ємнісні реактивні навантаження, опори яких, відповідно, називають індуктивними і ємнісними.

У колі лише з активним навантаженням справджується закон Ома для миттєвих значень сили струму і напруги, сила струму і напруга мають однакові фази коливань:

У колі змінного струму з активним і індуктивним навантаженням (мал. 3.9) максимальне значення сили струму визначають за формулою:

Ця формула нагадує формулу закону Ома. Величину  називають повним опором (імпедансом) кола змінного струму, а величину  — індуктивним опором кола. За допомогою експериментальних досліджень цю формулу легко підтвердити. У реактивних навантаженнях енергія електричного струму в певні інтервали часу переходить в енергію електричного поля конденсатора чи магнітного поля котушки, а в інші — енергія повертається в електричне коло. Реактивні навантаження бувають індуктивними і ємнісними. Опір індуктивного навантаження , а опір ємнісного — .

Рівняння можна використати для графічного   зображення   величин,   що характеризують змінний струм. Значення ImaxRsinдає коливання спаду напруги на активному опорі, а значення ImaxLcos — коливання спаду напруги на індуктивному опорі:

Отже, коливання напруги на індуктивному  опорі  випереджають   коливання   напруги на активному опорі на  і на векторній діаграмі ці напруги будуть взаємно перпендикулярні (мал. 3.10).

Вся система векторів обертається проти годинникової стрілки з кутовою швидкістю w і проекція вектора  на вісь X у будь-який момент часу дає миттєве значення електрорушійної сили , а проекції векторів  — миттєві значення спадів напруг, відповідно, на активному й індуктивному опорах. Очевидно, що tgφ не залежить від значення сили струму. Тому для знаходження повного опору можна скористатися так званим прямокутним трикутником опорів (мал. 3.11). У колі змінного струму з ємністю сила струму випереджає напругу в ідеальному випадку (R = 0) на . Для миттєвих значень сили струму і напруги в колі з ємністю маємо:

Ємнісний опір у колі змінного струму визначається ємністю кола і частотою змінного струму. Як теоретично, так і експериментально можна легко встановити формулу для знаходження ємнісного опору: , де Rc — ємнісний опір, Oм; С — ємність кола, Ф. Векторна діаграма для кола з ємністю зображена на мал. 3.12. Трикутник опорів (мал.3.13).

і для цього випадку дає змогу досить легко знаходити повний опір кола: . Зрозуміло, що індуктивний і ємнісний опори можна визначити не лише через колові частоти w, а й через звичайні частоти f та періоди Т змінного струму.

Перш ніж перейти до розгляду спільної дії індуктивності і ємності в колі змінного струму, розглянемо питання про потужність змінного струму.