Uc, и, всмотревшись в графики Uc и Iс, можно заметить, что ток опережает напряжение по фазе на 90 градусов. Об этом же говорит векторная диаграмма векторов Uс и Iс, которая как всегда вращается против часовой стрелки, — наблюдатель сначала видит вектор тока, а через четверть периода вектор напряжения. Аналогичную, но, правда, более сложную картину можно наблюдать в цепи с катушкой индуктивности L. При изменении тока IL меняется её магнитное поле и в самой катушке наводится э.д.с. самоиндукции EL (синяя пунктирная линия на графике), которая опережает ток на 90 градусов. Её может подавить поступающее от генератора напряжение UL, которое противодействует электродвижущей силе EL, то есть сдвиг фаз между UL и EL составляет 180 градусов. Естественно, что при этом напряжение UL отстаёт по фазе от тока IL на 90 градусов.
От катушки индуктивности никаких неожиданностей вроде бы не ждёшь — шёл через неё постоянный ток от гальванического элемента, пойдёт и переменный, ну пусть с какими-нибудь своими особенностями. Вместе с тем, катушка в цепи переменного тока ведёт себя, на первый взгляд, ещё более странно, чем конденсатор.
Как это было в цепи с конденсатором С, то, что происходит в катушке L, когда по ней течёт переменный ток, объясняют два знакомых нам графика на рисунке Р-60 и сделанный из них очень важный вывод: «График скорости изменения синусоиды это тоже синусоида, но сдвинутая по фазе на четверть периода (на 90 градусов)». Правда, в случае с катушкой объяснение усложняется тем, что здесь три главных действующих лица, а в цепи с конденсатором их было только два — переменное напряжение и переменный ток.
Предположим, что в катушке L течёт переменный ток IL, и посмотрим, каким при этом будет напряжение UL на катушке. Вспомните, что если в катушке меняется ток, то в ней наводится э.д.с. самоиндукции, обозначим её EL. Поскольку ток IL меняется непрерывно, то и э.д.с. EL существует всё время, её величина, как всегда, зависит от индуктивности катушки и от скорости изменения тока IL. Исходя из этого, можно построить два сдвинутых на 90 градусов графика — тока IL и э.д.с. самоиндукции EL (Р-61.4).
А где же переменное напряжение UL которое подводится к катушке L от генератора? Где эта первопричина всего происходящего — переменное напряжение, которое и создало переменный ток в катушке? Чему оно равно? Как меняется? Какое место занимает на общем графике?
Известно, что э.д.с. самоиндукции всегда препятствует изменениям тока — таков закон природы. И если хоть на мгновение оставить её один на один с этим током, то э.д.с. самоиндукции задавит породивший её ток (Т-8) и при этом, конечно, тут же погибнет сама — нет переменного тока в катушке, нет и самоиндукции.
Существует только одна сила, которая может поддерживать ток в цепи, противодействуя мешающей э.д.с. EL. Эта сила — внешнее напряжение UL, которое действует на катушке и представляет собой часть электродвижущей силы генератора. Чтобы скомпенсировать э.д.с. самоиндукции EL внешнее напряжение UL должно бить по ней (Т-8) в противофазе, то есть со сдвигом фазы на 180 градусов, на полпериода. Именно это и показано на объединённом графике Р-61.4, который рассказывает о действиях всех трёх героев сражения: UL, IL и EL. Напряжение UL на катушке всегда равно по величине и противофазно электродвижущей силе самоиндукции EL, то есть всегда действует в противоположную сторону. При этом ток IL как бы отстаёт от напряжения UL на 90 градусов — амплитуда тока появляется на четверть периода позже, чем амплитуда напряжения. Или, скажем иначе, напряжение на катушке индуктивности опережает по фазе ток в ней на 90 градусов.
Выбранная схема рассуждений не должна создавать представление, что UL и EL друг друга уничтожают, и ток IL течёт сам по себе. Нам пришлось очень упростить картину, на самом деле процесс сложный, динамичный, и только ещё одно упрощение помогает рассказать об этой динамике. Сначала появляется напряжение UL, за ним ток IL, и в результате его изменений наводится э.д.с. самоиндукции EL. Но помешать току она уже не может, её полностью подавляет напряжение UL. Это упрощённое описание подкреплено показаниями измерительных приборов: амперметр, включённый в цепь катушки, показывает ток IL, а подключённый к ней вольтметр — напряжение UL.
ВК-162. В последние годы много говорят про, как их называют, альтернативные источники энергии: ветер, солнечное излучение, морские приливы и другие. Уже есть заметные успехи: например, во многих районах появились большие серийного производства ветрогенераторы, работают приливные электростанции и зреют проекты значительно более мощных станций, реализуются смелые идеи использования тепла Земли. Можно надеяться, что альтернативные системы реально помогут мощной энергетике.
Р-62. Э.д.с., КОТОРАЯ ВСЕГДА ПРОТИВ. Есть огромное количество схем с катушками и конденсаторами, у каждой из них свои возможности и особенности. Но есть при этом немало особенностей, общих для целой группы схем. Так, например, в схемах с катушками при изменении тока наводится электродвижущая сила (э.д.с. самоиндукции), которую часто называют «противоэ.д.с.». Потому что эта наведённая э.д.с. всегда препятствует изменениям тока. Вы подключили катушку к генератору, в ней мгновенно, казалось бы, появился ток, который определяется напряжением генератора и сопротивлением катушки. Однако стабильная величина тока появится не сразу — в катушке будет наведена э.д.с., которая замедлит нарастание тока. А при выключении катушки ток в ней сразу не прекратится — противоэ.д.с. будет мешать его резкому уменьшению.
Т-135. Индуктивное сопротивление XL, как и обычное активное сопротивление R, говорит о том, какой будет ток при данном напряжении, однако, в отличие от R, мощности XL не потребляет. Теперь о соотношении между током и напряжением. Это соотношение автоматически устанавливается таким образом, чтобы мешающая току э.д.с. самоиндукции EL в точности уравновешивалась бы напряжением UL на катушке. С подобной автоматикой мы уже встречались: постоянное напряжение на последовательно соединённых резисторах автоматически распределялось так, чтобы ток во всей цепи был одинаковым. Вот пример работы автоматики в катушке, по которой идёт переменный ток. Допустим, что в какой-то момент напряжение UL увеличилось в два раза, и вместе с ним в соответствии с законом Ома в два раза увеличился ток. При этом, конечно, увеличилась и скорость его возрастания: если, например, раньше за 1 с ток нарастал до амплитуды 1 А, то теперь он будет за ту же секунду нарастать до 2 А, то есть скорость нарастания тока будет в два раза больше. А значит, возрастёт э.д.с. самоиндукции EL противодействующая изменениям тока, но рост её автоматически остановится, когда EL уравняется с напряжением UL.
ВК-163.Наряду с электростанциями нас окружает множество машин-помощников, имеющих собственные источники электричества. Взять, к примеру, велосипедный электрогенератор или карманный фонарик, где вместо батарей лампочку кормит электричеством маленький генератор, который приводится в действие рукой. А с другой стороны, пассажирский самолёт, его моторы между делом вращают роторы генераторов, снабжающих электричеством множество двигателей, насосов, навигационных приборов.
Ток в катушке уменьшится и в том случае, если увеличить её индуктивность L, при этом должна возрасти э.д.с. самоиндукции EL, и чтобы она не превысила подводимое к катушке напряжение UL автоматически уменьшится ток, компенсируя рост L. Напомним: э.д.с. самоиндукции в равной мере зависит и от индуктивности катушки, и от скорости изменения тока, а значит, от частоты f.
Итак, увеличение частоты f и увеличение индуктивности L влечёт за собой уменьшение тока в катушке. Это позволяет объединить частоту/и индуктивность L в единой характеристике с названием «индуктивное сопротивление» XL и с его помощью получить простые формулы закона Ома.
Индуктивное сопротивление XL похоже на ёмкостное Хс тем, что меняется с частотой. Но если с увеличением частоты f сопротивление Хс падает, то XL с ростом частоты тоже растёт. Катушка, если пренебречь сопротивлением её проводов, так же, как и конденсатор, оказывается не активным, а реактивным элементом цепи, и индуктивное сопротивление XL, так же, как ёмкостное Хс, влияет на величину тока, но мощности от генератора не потребляет. Всё, что в какие-то моменты катушка отбирает у генератора на создание магнитного поля, она отдаёт в цепь обратно, когда это поле исчезает. И происходит такое «беру-отдаю» много и очень много раз в течение каждой секунды.
Т-136. Индуктивное сопротивление XL катушки и её активное сопротивление R нельзя просто сложить, чтобы подсчитать их общее сопротивление