RC или RL векторная диаграмма строится на основе общего напряжения, а не общего тока. При параллельном соединении элементов цепи RC или RL токи в отдельных ветвях могут различаться, но на параллельных элементах цепи обязательно действует одно и то же напряжение. Его и удобно взять за основу при построении векторной диаграммы, которая в итоге должна показать общий ток IRC или IRL.
ВК-165.Появившийся в нашем рассказе аккумулятор — хороший повод напомнить об этом накопителе электрической энергии. В автомобиле, как правило, используется батарея из шести кислотных (свинцовых) аккумуляторов с общим напряжением около 12 вольт. При зарядке в химическом составе электродов и электролита накапливаются вещества, которые при разряде будут поддерживать (+) и (-) на электродах. Гидравлическая аналогия поясняет, как накапливается и расходуется энергия в аккумуляторе.
Р-63. СОПРОТИВЛЕНИЕ АКТИВНОЕ И PEAKТИВНОЕ. Просто было иметь дело с цепями постоянного тока, особенно с активными сопротивлениями в них, вроде электрической лампочки или кофеварки. Активными такие сопротивления назвали потому, что они активно забирают электрическую энергию у генератора, превращают её в тепло, в свет, в механическую работу. Об этой забранной энергии можно судить по току, который пойдёт в цепи при включении в неё какого-либо активного сопротивления — чем больше этот ток, тем больше забранная энергия.
Конденсатор и катушка, включённые в цепь генератора переменного напряжения, тоже меняют ток цепи — они тоже создают для тока определённое сопротивление. Но только никакой энергии у генератора эти сопротивления не отбирают — поэтому в отличие от активных их называют реактивными сопротивлениями. Зная эти сопротивления, можно и в цепях переменного тока пользоваться законом Ома, не забывая при этом, что при расчётах значения всех токов и напряжений должны быть одного вида, например, только эффективные или только амплитудные. Для напоминания возле каждого из сопротивлений приведена векторная диаграмма, показывающая сдвиг по фазе между током и напряжением. Как и следовало ожидать, в активном сопротивлении R никакого сдвига фаз нет — ток и напряжение растут или падают одновременно.
Т-141. На векторной диаграмме нетрудно учесть появление третьего элемента и образование последовательной или параллельной LCR-цепи. Если в последовательную цепь из конденсатора С и сопротивления R включить ещё и катушку L, то на векторной диаграмме сначала появится всего один новый вектор UL, отображающий напряжение на катушке. Он направлен строго против вектора Uc, поскольку напряжение на конденсаторе отстаёт от тока на 90°, а напряжение на катушке опережает ток на 90°, то есть суммарный сдвиг фаз между Uc и UL составляет 180° (Р-66). В итоге общее реактивное напряжение ULC будет равно разности двух этих напряжений — кто из них окажется больше, тот и определит направление результирующего вектора ULC. Все дальнейшие построения векторной диаграммы ведутся так же, как и для последовательной цепи с двумя участниками — Rc или RL.
Из тех же соображений строится векторная диаграмма для параллельного соединения LCR, но в этом случае за основу берётся вектор общего напряжения ULCR, а вектор результирующего реактивного тока ILCR определяется как разность противофазных, то есть действующих один против другого, векторов тока IL и Ic. Чаще, правда, встречается иная схема параллельной LCR-цепи, где активное сопротивление R включено последовательно с катушкой L. Построить векторную диаграмму для этого случая несколько сложнее, но тоже не спеша это вполне может быть сделано.
Три последних примера показали, что построение векторных диаграмм дело не такое уж сложное. При этом они действительно очень наглядно рассказывают о многом, что трудновато представить себе без этих диаграмм. Кроме того, они в большом количестве присутствуют в серьёзных учебниках электротехники, и, таким образом, мы сделали ещё один вклад в непростое дело подготовки к работе с ними. Наконец, всматриваясь в векторные диаграммы, можно сделать немало полезных выводов. Например, о поведении некоторых цепей переменного тока при изменении его частоты.
Т-142. Реактивные сопротивления XL и Хс сильно зависят от частоты, и при её изменении в цепях с L или С меняются напряжения, токи и фазовые сдвиги. Индуктивное сопротивление катушки растёт с увеличением частоты f подводимого к ней напряжения, а ёмкостное сопротивление конденсатора падает с увеличением частоты f. Поэтому в полном соответствии с законом Ома при изменении частоты должны меняться токи и напряжения, которые зависят от реактивных сопротивлений. В качестве примера для начала посмотрим, как это всё получается в простейшей последовательной RС-цепочке (Р-65) на двух разных частотах f1 и f2, притом что f1<f2.
Будем считать, что генератор поддерживает неизменной амплитуду своей электродвижущей силы, что она не меняется при всех наших экспериментах и, в частности, не изменяется при перемене частоты генератора. Исходя из этого, построим две векторные диаграммы — для низкой частоты f1 и для высокой f2. Сравнение двух векторных диаграмм показывает, что в последовательной RC-цепи с увеличением частоты роль конденсатора снижается — его ёмкостное сопротивление Хс падает, напряжение на нём становится меньше, обусловленный присутствием конденсатора сдвиг фаз между общим током и общим напряжением тоже уменьшается, вся последовательная цепь в большей мере ведёт себя как чисто активное сопротивление.
ВК-166.Вещества, создающие электрические заряды в электродах гальванического элемента, формируются при его изготовлении. Разряжаясь, гальванический элемент расходует их для создания тока в нагрузке. Для такого элемента выбраны дешёвые химические вещества и процессы, которые, в отличие от аккумулятора, не предусматривают возможность восстановить первоначальное состояние, то есть возможность зарядки. Поэтому полностью разрядившийся гальванический элемент считают более непригодным и просто выбрасывают.
Построив аналогичные две векторные диаграммы для последовательной RL-цепи, мы обнаружим обратную картину. С ростом частоты индуктивное сопротивление катушки XL растёт, роль индуктивности L возрастает, напряжение на ней увеличивается, растёт обусловленный индуктивностью сдвиг фаз между общим током и общим напряжением, всё в меньшей мере чувствуется присутствие активного сопротивления R, вся цепь в большей степени ведёт себя как чистая индуктивность.
То, что показали приведённые несложные построения, долго и трудно пришлось бы выяснять каким-нибудь другим способом. Так что язык векторных диаграмм позволяет быстро оценить поведение сложных цепей переменного тока. В данном случае простейшие векторные диаграммы позволили сделать очень важный общий вывод: то, что происходит в электрических цепях с индуктивностью и ёмкостью, в сильной степени зависит от частоты переменного тока. Или иначе: одна и та же цепь с индуктивностью и ёмкостью может совершенно по-разному вести себя на разных частотах. Мы ещё вернёмся к этой теме, когда познакомимся со свободными электромагнитными колебаниями в LCR-цепи и явлением по имени «резонанс».
Т-143. В электрической цепи может одновременно протекать множество переменных токов разных частот, чтобы выделить или подавить какие-либо из них, используют фильтры. До сих пор мы считали, что в цепи действует один генератор переменной э.д.с., который создаёт один-единственный переменный ток. Но очень часто бывает, что одновременно с этим основным генератором в цепи появились и другие источники переменных токов, причём самых разных частот. Эти токи могут быть источником серьёзных неприятностей — проводник, где протекает переменный ток, излучает электромагнитные волны, а они, проникая в радиоприёмники или телевизоры, создают помехи, искажают основной сигнал. Это относится и к некоторым генераторам постоянного тока, в их цепи тоже могут появляться переменные токи и тоже с неприятными последствиями.
В какой-то мере с такими ненужными токами можно бороться с помощью электрических фильтров. Это такие цепи, которые, например, легко пропускают к нагрузке постоянный ток и не пропускают переменный. Или выполняют более тонкую операцию — пропускают к нагрузке токи только одной частоты или определённой группы частот. Есть фильтры, которым достаётся совсем уже ювелирная работа — им нужно распознать и разделить токи с очень близкими частотами.
Источники мешающих переменных токов и сами противодействующие этим токам фильтры, подобно участникам маскарада, скрыты за общими словами и размышлениями. Чтобы, как говорится, сбросить маски и познакомиться с конкретными электрическими цепями и процессами, порождающими токи посторонних частот, придётся сделать некоторое отступление и хотя бы затронуть очень важную тему, которая иногда почему-то остаётся в стороне от учебных дорог в электрический мир.
ВК-167.Существует несколько видов так называемых гальванических комплектов — определённых веществ для электродов и электролита, которые могли бы стать основой для изготовления аккумулятора или гальванического элемента. Главные характеристики каждого такого комплекта — это его э.д.с., удельная ёмкость (количество накапливаемых зарядов на единицу массы) и допустимый разрядный ток (тоже на единицу массы), величина которого в некоторых случаях очень важна.