Электрическая цепь с индуктивностью
Индуктивностью L теоретически обладают все проводники с током. Но в некоторых случаях эта индуктивность так мала, что ею вполне можно пренебречь. Значительна индуктивность у обмоток или катушек, состоящих из большого числа витков провода.
Рассмотрим идеальную катушку с постоянной индуктивностью L, то есть такую катушку, активное сопротивление которой равно нулю.
Пусть к цепи с индуктивностью L приложено синусоидальное напряжение . Под действием этого напряжения в цепи индуктивной катушки возникает ток i. Этот ток создает магнитный поток Ф, который согласно закону электромагнитной индукции индуцирует в катушке ЭДС самоиндукции
где w – число витков катушки.
Условное положительное направление ЭДС eL выбирают из условия, что её действительное направление в любой момент времени противоположно направлению uL ().
По второму закону Кирхгофа имеем , а с учетом того, что , получаем
.
Чтобы получить это уравнение на основании , условное положительное направление eL следует всегда принимать совпадающим с положительным направлением тока.
или
Решая это уравнение, получим выражение для тока в цепи:
Так как амплитуда тока
то окончательное выражение для тока имеет вид
.
Видно, что в цепи с индуктивностью ток также изменяется по синусоидальному закону и отстает по фазе от напряжения на угол π/2.
В формуле знаменатель в правой части имеет размерность сопротивления. Это индуктивное сопротивление
.
Индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте и индуктивности. С учетом этой формулы получаем
.
Для действующих значений напряжения и тока
.
Так как согласно ЭДС самоиндукции численно равна напряжению на элементе с индуктивностью, то, используя , имеем
.
Видно, что индуктивное сопротивление является коэффициентом пропорциональности между током и ЭДС самоиндукции.
В соответствии с принимая во внимание, что , комплексное напряжения , а в соответствии с и комплексный ток
.
На векторной диаграмме вектор напряжения, имеющий начальную фазу, равную нулю, отложен по мнимой оси, а вектор тока, имеющий начальную фазу , - в положительном направлении вещественной оси. Угол сдвига фаз между напряжением и током в цепи с индуктивностью .
Если модули напряжения и тока связаны соотношением , то их комплексные значения связаны соотношением
.
В цепи с индуктивностью L угол и формула принимает вид
,
то есть мгновенное значение мощности имеет только переменную составляющую.
Первую четверть периода ток совпадает по направлению с ЭДС самоиндукции eL индуктивной катушки, мощность отрицательна и энергия передается от катушки к источнику питания. Вторую четверть периода ток совпадает по направлению с напряжением источника питания, мощность положительна, а энергия поступает от источника к приемнику (индуктивной катушке) и запасается в его магнитном поле. В течение третьей четверти периода ток опять совпадает по направлению с eL и запасенная в магнитном поле катушки энергия передается источнику питания (мощность отрицательна).
Таким образом, в течение одного периода электроэнергия дважды поступает от источника в катушку и обратно. При этом вся передаваемая энергия запасается в магнитном поле катушки и затем вся возвращается источнику. Такая энергия обмена между источником и приемником, которая не преобразуется в другие виды энергии, называется реактивной. Интенсивность обмена электроэнергией характеризуется реактивной мощностью QL, равной амплитуде мгновенного значения мощности, то есть
Реактивную мощность выражают в вольт-амперах реактивных (вар), киловольт-амперах реактивных (квар) и т.д.
Напряжение на элементе с индуктивностью , поэтому реактивная мощность можно также определить по формулам
,
где - индуктивная проводимость.