R, L, C.

Уравнение напряжений для цепи (рис. 17а) имеет вид: Ū = Ū_r + Ū_l+ Ū_c

Рис. 17. Электрическая цепь, содержащая последовательно включенные r, L и С (а), ее векторная диаграмма (б), треугольники сопротивлений и мощностей (в и г) цепи при x_L > x_C, векторная диаграмма (д), треугольники сопротивлений и мощностей (е и ж) цепи при x_C > x_L.

Векторные диаграммы для цепи (рис. 17а) изображены на рисунках 17б и 17в. Вектор напряжения на активном сопротивлении совпадает с вектором тока, вектор напряжения на индуктивности Ū_l опережает вектор тока на 90°, вектор напряжения на емкости Ū_c отстает от вектора тока на 90°. Следовательно, между векторами напряжения на индуктивности и емкости образуется угол в 180°.

Если x_L > x_C, то и UL > Ū_c и векторная диаграмма будет такой (см. рис. 17б), а треугольник сопротивлений – на рисунке 17в, где x = x_L – x_C. Если x_C > x_L, то U_C > U_L и векторная диаграмма будет иметь вид, изображенный на рисунке 17е, где x = x_C – x_L.

Значение напряжения, приложенного к цепи:

Выразив напряжение через ток и сопротивления, получим

Последнее выражение представляет собой закон Ома для последовательной цепи r, L, C:

где z – полное сопротивление цепи;

x – реактивное сопротивление цепи.

На основании проведенного анализа цепи, состоящей из последовательно соединенных r, L, C, можно сделать следующие выводы.

Если x_L > x_C, то напряжение сети опережает по фазе ток на угол φ: υ = U_m sin (ωt + φ).

Цепь имеет активно(индуктивный характер.

Если x_C > x_L, то напряжение сети отстает по фазе от тока на угол φ: υ = U_m sin (ωt + φ).

Цепь имеет активно-емкостный характер.

Известно, что в механической системе резонанс наступает при равенстве собственной частоты колебаний системы и частоты колебаний возмущающей силы, действующей на систему. Колебания механической системы, например колебания маятника, сопровождаются периодическим переходом кинетической энергии в потенциальную и наоборот. При резонансе механической системы малые возмущающие силы могут вызывать большие колебания системы, например большую амплитуду колебаний маятника.

В цепях переменного тока, где есть индуктивность и емкость, могут возникнуть явления резонанса, которые аналогичны явлению резонанса в механической системе. Полная аналогия – равенство собственной частоты колебаний электрического контура частоте возмущающей силы (частоте напряжения сети) – возможна не во всех случаях.

В общем случае под резонансом электрической цепи понимают такое состояние цепи, когда ток и напряжение совпадают по фазе, и, следовательно, эквивалентная схема цепи имеет место при определенном соотношении ее параметров r, L, C, когда резонансная частота цепи равна частоте приложенного к ней напряжения.

Резонанс в электрической цепи сопровождается периодическим переходом энергии электрического поля емкости в энергию магнитного поля и наоборот.

При резонансе в электрической цепи малые напряжения, приложенные к цепи, могут вызвать значительные токи и напряжения на отдельных участках. В цепи, где r, L, C соединены последовательно, может возникнуть резонанс напряжений, а в цепи, где r, L, C соединены параллельно, – резонанс токов.

Рассмотрим явление резонанса напряжений на примере цепи (рис. 19).

Как отмечалось, при резонансе ток и напряжение совпадают по фазе, т. е. угол φ = 0, и полное сопротивление цепи равно ее активному сопротивлению:

Рис. 19. Явление резонанса напряжений

Это равенство будет иметь место, если x_L = x_C, т. е. реактивное сопротивление цепи равно нулю: x = x_L – x_C.

Выразив x_L и x_C соответственно через L, C и f,

получим:

где f – частота напряжения, подведенного к контуру;

f_рез – резонансная частота.

Таким образом, при x_L = x_C в цепи возникает резонанс напряжений, так как резонансная частота равна частоте напряжения, подведенного к цепи.

Из выражения закона Ома для последовательной цепи:

При резонансе:

Ix_L = Ix_C = U_L = U_C; U_r = I_r = U;

Q = Q_L – Q_C = U_LI – U_CI = 0.