Электричество шаг за шагом

Р-61. ОБЪЯСНИМЫЕ СТРАННОСТИ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. Большой специальный раздел математики работает с векторами. Это короткие отрезки прямых линий в виде стрелки — они в определённом масштабе могут отображать самые разные силы и направление их действия. В качестве примера можно назвать силы, двигающие самолёт (1) или несколько разных напряжений, в том числе со сдвигом фазы (2). Особо интересны цепи переменного тока с катушкой (3) и конденсатором (4), где появляется сдвиг фаз между током и напряжением. Если конденсатор С включить в цепь, где действует переменное напряжение U_c, то оно будет непрерывно заряжать и разряжать конденсатор и в его цепи будет непрерывный переменный ток I_с. Его величина зависит от скорости изменения напряжения U_c, и, всмотревшись в графики U_c и I_с, можно заметить, что ток опережает напряжение по фазе на 90 градусов. Об этом же говорит векторная диаграмма векторов U_с и I_с, 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 I_L меняется её магнитное поле и в самой катушке наводится э.д.с. самоиндукции E_L (синяя пунктирная линия на графике), которая опережает ток на 90 градусов. Её может подавить поступающее от генератора напряжение U_L, которое противодействует электродвижущей силе E_L, то есть сдвиг фаз между U_L и E_L составляет 180 градусов. Естественно, что при этом напряжение U_L отстаёт по фазе от тока I_L 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 I_L, и посмотрим, каким при этом будет напряжение U_L на катушке. Вспомните, что если в катушке меняется ток, то в ней наводится э.д.с. самоиндукции, обозначим её E_L. Поскольку ток I_L меняется непрерывно, то и э.д.с. E_L существует всё время, её величина, как всегда, зависит от индуктивности катушки и от скорости изменения тока I_L. Исходя из этого, можно построить два сдвинутых на 90 градусов графика — тока I_L и э.д.с. самоиндукции E_L (Р-61.4).

А где же переменное напряжение U_L 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.