От чего зависит индуктивное сопротивление кратко

Обновлено: 05.07.2024

В предыдущих статьях рассмотрены цепи переменного тока, содержащие только активное сопротивление и содержащие только емкостное сопротивление.

Сейчас рассмотрим случай, когда в цепи переменного тока находится только катушка индуктивности (индуктивное сопротивление), а активным и емкостным сопротивлениями цепи можно пренебреч ь.

Начнём с опыта , позволяющего понять, когда появляется и от чего зависит индуктивное сопротивление в цепи переменного тока.

Две маленькие одинаковые электрические лампочки подключались к источникам одинакового напряжения. Но одна (правая) подключалась к источнику постоянного тока (аккумуляторной батарее), а другая (левая) - к источнику переменного тока.

Лампочки светили одинаково, так как количество выделяющегося тепла не зависит от того, какой ток протекает по нитям лампочек (постоянный или переменный).

Затем к лампочкам последовательно подключили катушки индуктивности , сделанные из толстой медной проволоки, содержащей большое число витков. Внутри катушек находятся железные сердечники .

Катушками индуктивности называются катушки, имеющие большую индуктивность и малое активное сопротивление (изготовлены из толстой проволоки). Часто активным сопротивлением такой катушки можно пренебречь.

Опыт показал, что в случае постоянного тока лампочка горит ярко , а в случае переменного тока она светит тускло . Как это объяснить?

В случае постоянного тока лампочка горит ярко, потому что сопротивление катушки мало.

Но почему катушка индуктивности очень сильно ослабляет переменный ток? Продолжаем рассматривать опыт.

Если из катушки (рис. б ) постепенно вытягивать железный сердечник, то нить лампочки будет накаляться всё сильнее. При полном вытягивании сердечника лампочка будет светить довольно ярко. Убрав железный сердечник, во много раз уменьшили индуктивность катушки, значит дело в индуктивности.

Так как сила переменного тока быстро меняется, то в катушке возникает ЭДС самоиндукции.

В цепи только с индуктивным сопротивлением приложенное к цепи напряжение в каждый момент времени равно и противоположно ЭДС самоиндукции.

ЭДС самоиндукции по правилу Ленца направлена так, что стремится препятствовать изменению тока, то есть оказывает току сопротивление. Чем больше индуктивность катушки, тем большая ЭДС самоиндукции в ней возникает, тем больше индуктивное сопротивление. Индуктивное сопротивление зависит ещё от частоты тока, чем больше частота, тем больше это сопротивление.

При нарастании тока ЭДС самоиндукции препятствует этому нарастанию, поэтому ток позже достигает максимума , чем в отсутствие самоиндукции.

При убывании тока ЭДС самоиндукции стремится поддерживать ток. Поэтому нулевые значения тока достигаются в более поздний момент, чем в отсутствие самоиндукции.

Таким образом, при наличие индуктивности ток отстаёт по фазе от тока в отсутствие индуктивности, а следовательно, отстаёт по фазе от своего напряжения.

Можно сказать так: из-за явления самоиндукции ток в катушке индуктивности не может меняться скачком и отстаёт от напряжения.

Чем больше частота тока, тем больше будет ЭДС самоиндукции, стремящейся противодействовать изменению тока и тем больше будет сопротивление переменному току.

Индуктивное сопротивление находится по формуле, которая получена теоретически и подтверждена опытом:

В электрических цепях существует три вида сопротивления. Это активное, которое действует как при постоянном, так и при переменном токе, а также два вида реактивного — индуктивное и емкостное сопротивление. Умея их определять, можно посчитать полное сопротивление, которое также называют импедансом. От чего зависит индуктивное сопротивление и по какой формуле рассчитывается, будет рассмотрено в статье.

Виды сопротивления в электрической цепи

Если используется постоянный ток, то рассматривается только обычное сопротивление, которое также называется активным или омическим. При переменном существует не только активное, но и реактивное сопротивление. Последнее бывает индуктивным и емкостным. Его величина определяется по соответствующим формулам. Сопротивление называется реактивным потому что не вызывает безвозвратных потерь энергии.

В цепях переменного тока полное сопротивление представляет собой сумму омического, индуктивного и емкостного сопротивлений. Определить его можно по правилам векторного сложения слагаемых. Если рассматривать цепь, которая не содержит конденсаторов, то основную роль будет играть реактивное сопротивление катушки индуктивности.

Что такое индуктивное сопротивление

Когда по цепи течёт ток, то движущиеся заряды создают магнитное поле. При постоянном токе оно не будет меняться во времени. Если же происходит уменьшение или увеличение тока, то возникает явление самоиндукции. Она тормозит изменение электротока, тем самым уменьшая его. При этом сопротивление выражается через индуктивность.

Если имеется катушка, то индуктивное сопротивление в цепи создает она. Его значение зависит от частоты тока. Чем она больше, тем выше индуктивное сопротивление катушки.

Ещё одной особенностью является сдвиг фазы. Активное сопротивление не имеет смещения по отношению к питающему напряжению, емкостное запаздывает на 90 градусов, а индуктивное опережает напряжение на эту же величину.

Катушка индуктивности

Эта деталь обычно имеет сердечник цилиндрической или тороидальной формы, на который многократно намотан провод. Основной характеристикой катушки является индуктивность.

Как известно, магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами. Даже если постоянный ток идёт по проводу, вокруг него создаётся магнитное поле. Оно создаёт препятствия для изменения тока в те моменты, когда меняется само, чему можно не удивляться, зная о существовании индуктивного сопротивления. Для постоянного тока это происходит в моменты включения и выключения.

Если питающее напряжение переменное, то изменения происходят непрерывно. Основная задача катушки индуктивности — увеличивать напряженность магнитного поля. Она имеет не только индуктивное, но и обычное сопротивление. Однако при расчётах его считают пренебрежимо малым.

Формула индуктивного сопротивления

Рассматриваемое сопротивление тем больше, чем выше частота тока и индуктивность. Эту зависимость легко объяснить. Большая частота подразумевает высокую скорость изменения магнитного поля, которая усиливает эффект самоиндукции. Увеличение индуктивности соответствует более сильному магнитному полю.

Индуктивное сопротивление обозначается как X_L. Обозначение буквой Х используется для любого реактивного сопротивления. То, что оно индуктивное подтверждает буква L. Его единица измерения — Ом. Чтобы рассчитать значение, понадобится формула индуктивного сопротивления:

В этой формуле буквами F и L обозначаются частота переменного тока и индуктивность катушки соответственно. Индуктивность измеряется в Генри, сокращенно Гн.

Чтобы найти полное сопротивление в контуре, состоящем из резисторов и катушки, необходимо сложить активную и реактивную составляющую, воспользовавшись правилом прямоугольного треугольника. Один катет такого треугольника соответствует активному сопротивлению, а второй — реактивному. Гипотенуза — это полное сопротивление или импеданс. Его значение рассчитывается по теореме Пифагора.

X_L — это индуктивное сопротивление, которое определяется формулой, приведённой выше.
R — активное сопротивление. Для его вычисления следует воспользоваться законом Ома.

Произведение 2πF в формуле сопротивления называют также круговой частотой. Ее обозначают буквой ω. С учетом этого формулу для определения индуктивного сопротивления можно записать так: X_L = ω×L.

Практическое использование

Одним из распространённых применений индуктивного сопротивления катушки является создание фильтров. В сложных системах могут возникать шумы на высоких частотах, которые снижают качество передачи сигнала. Это может быть актуально, например, для акустических систем, зависящих от качества воспроизведения звуковых сигналов. В этом случае выручает то, что индуктивное сопротивление определяется частотой тока.

Электротоки разной частоты, проходящие через катушку, вызывают в ней разное индуктивное сопротивление. Оно тем больше, чем выше частота переменного тока. При нулевой частоте, то есть, установившемся постоянном ток, индуктивное сопротивление также равно нулю.

Сигналы пропускают через фильтр с индуктивным сопротивлением, препятствующим прохождению сигналов нежелательной частоты. Чтобы преградить путь низкочастотным звуковым сигналам, используют катушки со стальными сердечниками, высокочастотным — без сердечников. Такие катушки называются дросселями, соответственно, низкой и высокой частоты.

В рассматриваемой ситуации удобно одновременно использовать еще и ёмкостное сопротивление, зависящее также от частоты тока. Но оно с ее увеличением уменьшается. Таким образом, с помощью фильтров можно избавляться от нежелательных шумовых сигналов.

Ещё одно важное применение рассматриваемого явления — трансформатор. Та самая самоиндукция, которая тормозит прохождение тока, благодаря создаваемому сопротивлению в этом устройстве играет положительную роль.

В трансформаторе используется сердечник и две обмотки. На первичную обмотку поступает переменное напряжение питания, а на вторичной генерируется индукционный ток. Наличие индукционных токов определенной величины необходимо для работы многих электроприборов.

С помощью трансформатора можно, например, преобразовать 220 В сетевого питания в 12 В, которые необходимы для электропитания стереосистемы. Такая подстройка определяется соотношением количества витков на первичной и вторичной обмотках.

Катушка представляет собой источник ЭДС. Эту ее особенность используют в индукционных плитах. Электромагнитные волны, создаваемые катушкой, нагревают кухонную посуду и их содержимое. По такому же принципу работают и печи на сталелитейных заводах.

Зная, что собой представляет такое явление, как индуктивное сопротивление, его можно использовать для расчета параметров различного электротехнического и энергетического оборудования.

Емкостное и индуктивное сопротивление в цепи переменного тока

Если мы включим конденсатор в цепь постоянного тока, то обнаружим, что он оказывает бесконечно большое сопротивление, поскольку постоянный ток просто не может пройти через диэлектрик между обкладками, так как диэлектрик по определению не проводит постоянный электрический ток.

Конденсатор разрывает цепь постоянного тока. Но если тот же конденсатор включить теперь в цепь переменного тока, то окажется, что ее конденсатор будто бы и не разрывает полностью, он просто попеременно заряжается и разряжается, то есть электрический заряд движется, и ток во внешней цепи поддерживается.

Опираясь на теорию Максвелла, в этом случае можно сказать, что переменный ток проводимости внутри конденсатора все же замыкается, только в данном случае - током смещения. Значит конденсатор в цепи переменного тока выступает неким сопротивлением конечной величины. Такое сопротивление называется емкостным.

Практика давно показала, что величина переменного тока, текущего через провод, зависит от формы этого провода и от магнитных свойств среды вокруг него. При прямом проводе ток будет наибольшим, а если этот же провод свернуть в катушку с большим количеством витков, то величина тока окажется меньше.

А если в ту же катушку еще и ввести ферромагнитный сердечник, то ток еще сильнее уменьшится. Следовательно проводник оказывает переменному току не только омическое (активное) сопротивление, но еще и некое дополнительное сопротивление, зависящее от индуктивности проводника. Данное сопротивление называется индуктивным.

Его физический смысл состоит в том, что изменяющийся ток в проводнике, обладающем некой индуктивностью, инициирует в этом проводнике ЭДС самоиндукции, стремящуюся препятствовать изменениям тока, то есть стремящуюся уменьшить ток. Это равносильно увеличению сопротивления проводника.

Емкостное сопротивление в цепи переменного тока

Для начала поговорим более подробно о емкостном сопротивлении. Допустим, что конденсатор емкостью С подключен к источнику синусоидального переменного тока, тогда ЭДС этого источника будет описываться следующей формулой:

Падением напряжения на соединительных проводах пренебрежем, так как оно обычно очень мало, а при необходимости его можно будет рассмотреть отдельно. Примем сейчас, что напряжение на обкладках конденсатора равно напряжению источника переменного тока. Тогда:

В любой момент времени заряд на конденсаторе зависит от его емкости и от напряжения между его обкладками. Тогда для данного известного источника, о котором говорилось выше, получим выражение для нахождения заряда на обкладках конденсатора через напряжение источника:

Пусть за бесконечно малое время dt заряд на конденсаторе изменяется на величину dq, тогда по проводам от источника к конденсатору потечет ток I, равный:

Амплитудное значение тока окажется равно:

Тогда окончательное выражение для тока будет иметь вид:

Перепишем формулу для амплитуды тока в следующем виде:

Данное соотношение есть закон Ома, где величина обратная произведению угловой частоты на емкость играет роль сопротивления, и по сути являет собой выражение для нахождения емкостного сопротивления конденсатора в цепи синусоидального переменного тока:

Значит емкостное сопротивление обратно пропорционально угловой частоте тока и емкости конденсатора. Легко понять и физический смысл данной зависимости.

Чем больше емкость конденсатора в цепи переменного тока и чем чаще изменяется направление тока в этой цепи, тем в конце концов больший суммарный заряд проходит за единицу времени через поперечное сечение проводов, соединяющих конденсатор с источником переменного тока. Значит ток пропорционален произведению емкости и угловой частоты.

Для примера выполним расчет емкостного сопротивления конденсатора электроемкостью 10 мкф для цепи синусоидального переменного тока с частотой 50 Гц:

Если бы частота была 5000 Гц, то тот же самый конденсатор представлял бы собой сопротивление около 3 Ом.

Из приведенных выше формул ясно, что ток и напряжение в цепи переменного тока с конденсатором всегда изменяются в разных фазах. Фаза тока опережает фазу напряжения на пи/2 (90 градусов). А значит максимум тока во времени существует всегда на четверть периода раньше, чем максимум напряжения. Таким образом на емкостном сопротивлении ток опережает напряжение на четверть периода по времени или на 90 градусов по фазе.

Давайте поясним физический смысл данного явления. В самый первый момент времени конденсатор полностью разряжен, поэтому самое малое приложенное к нему напряжение уже перемещает заряды на пластинах конденсатора, создавая ток.

По мере того как конденсатор заряжается, напряжение на его обкладках увеличивается, оно препятствует дальнейшему притоку заряда, поэтому ток в цепи уменьшается невзирая на дальнейший рост прикладываемого к обкладкам напряжения.

Значит, если в начальный момент времени ток был максимальным, то когда напряжение достигнет своего максимума через четверть периода, ток прекратится вовсе.

В начале периода ток максимален а напряжение минимально и начинает нарастать, но через четверть периода напряжение достигает максимума, но ток к этому моменту уже упал до нуля. Вот и получается опережение током напряжения на четверть периода.

Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока

Теперь вернемся к индуктивному сопротивлению. Допустим, что через катушку, обладающую индуктивностью, течет переменный синусоидальный ток. Его можно выразить так:

Ток обусловлен приложенным к катушке переменным напряжением. Значит на катушке возникнет ЭДС самоиндукции, которая выражается следующим образом:

Снова пренебрежем падением напряжения на проводах, соединяющих источник ЭДС с катушкой. Их омическое сопротивление очень мало.

Пусть приложенное к катушке переменное напряжение в каждый момент времени полностью уравновешивается возникающей ЭДС самоиндукции, равной ему по величине, но противоположной по направлению:

Тогда имеем право записать:

Поскольку амплитуда приложенного к катушке напряжения равна:

Выразим максимальный ток следующим образом:

Это выражение по сути является законом Ома. Величина равная произведению индуктивности на угловую частоту играет здесь роль сопротивления, и представляет собой ни что иное, как индуктивное сопротивление катушки индуктивности:

Так, индуктивное сопротивление пропорционально индуктивности катушки и угловой частоте переменного тока, через данную катушку пропускаемого.

Это объясняется тем, что индуктивное сопротивление обусловлено влиянием ЭДС самоиндукции на напряжение источника, - ЭДС самоиндукции стремится уменьшить ток, а значит сносит в цепь сопротивление. Величина ЭДС самоиндукции, как известно, пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения тока через нее.

Для примера рассчитаем индуктивное сопротивление катушки с индуктивностью 1 Гн, которая включена в цепь с частотой тока 50 Гц:

Если бы частота бала 5000 Гц, то сопротивление этой же катушки оказалось бы равно приблизительно 31400 Ом. Напомним, что омическое сопротивление провода катушки составляет обычно единицы Ом.

Из приведенных выше формул очевидно, что изменения тока через катушку и напряжения на ней, происходят в разных фазах, причем фаза тока всегда меньше чем фаза напряжения на пи/2. Следовательно максимум тока наступает на четверть периода позже наступления максимума напряжения.

На индуктивном сопротивлении ток отстает от напряжения на 90 градусов из-за тормозящего действия ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока (и нарастанию, и убыванию), вот почему максимум тока наблюдается в цепи с катушкой позднее максимума напряжения.

Совместное действие катушки и конденсатора

Если включить в цепь переменного тока последовательно катушку с конденсатором, то напряжение на катушке будет опережать напряжение на конденсаторе по времени на половину периода, то есть на 180 градусов по фазе.

Емкостное и индуктивное сопротивление называются реактивными сопротивлениями. На реактивном сопротивлении энергия не расходуется как на активном. Энергия накапливаемая в конденсаторе периодически возвращается обратно к источнику, когда электрическое поле в конденсаторе исчезает.

Так же и с катушкой: пока магнитное поле катушки создается током, энергия в ней на протяжении четверти периода накапливается, а в следующую четверть периода возвращается к источнику. В данной статье речь шла о синусоидальном переменном токе, для которого данные положения выполняются строго.

В цепях синусоидального переменного тока катушки индуктивности с сердечниками, называемые дросселями, традиционно используются для ограничения тока. Их преимущество перед реостатами в том, что энергия не рассеивается в огромном количестве в форме тепла.

Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока — это реактивная часть сопротивления, определяемая индуктивностью элементов цепи .

Считается, что элементы цепи, для которых средняя мощность переменного тока равна нулю, обладают реактивным сопротивлением (в отличие от обычного активного сопротивления R, на котором происходит выделение энергии).

Катушка индуктивности (соленоид) при отсутствии сопротивления R ее провода обладает только индуктивным сопротивлением.

Для определения формулы индуктивного сопротивления найдем ЭДС самоиндукции такой катушки в цепи переменного тока, меняющегося по гармоническому синусоидальному закону I = I_msinωt.

ЭДС самоиндукции катушки е_i равна по величине и противоположна по направлению напряжению u на ее концах, взятому с обратным знаком:

Учитывая, что u = - е_i, из данного равенства получим:

Следовательно, колебания напряжения на катушке опережают колебания силы тока на π/2.

Вследствие этого в среднем за период не происходит ни накопления, ни диссипации энергии в катушке. Дважды за период энергия накачивается внутрь катушки (это энергия магнитного поля) и дважды возвращается обратно источнику. Амплитуда силы тока равна:

Величина ωL = Х_L и есть индуктивное сопротивление. Как и в случае с емкостным сопротивлением, индуктивное сопротивление X_L, действующее значение силы тока и действующее значение напряжения связаны соотношением, подобным закону Ома для цепи постоянного тока:

Индуктивное сопротивление зависит от частоты. Чем больше частота, тем больше индуктивное сопротивление, тем меньше ток.

Читайте также: