Что такое активное сопротивление
Содержание
- 1 Что такое сопротивление
- 2 Виды сопротивления
- 3 Активное сопротивление
- 4 Реактивное сопротивление
- 5 Индуктивное сопротивление
- 6 Емкостное сопротивление
- 7 Полное сопротивление
- 8 Заключение
- 9 Видео по теме
При прохождении тока в электрической цепи он подвергается противодействию ее отдельных частей, которое в электротехнике называется сопротивлением. Это приводит к потере части мощности. Чтобы правильно рассчитать параметры электрической цепи, нужно учитывать природу сопротивления и знать, в чем заключается действие различных его видов.
Что такое сопротивление
Ток, протекая через провода и различные радиодетали, тратит свою энергию. Это явление количественно выражается величиной сопротивления. В электротехнике его разделяют на активное и реактивное сопротивление. В первом случае при прохождении тока часть его энергии превращается в тепловой вид, а иногда и в другие (например, проявляется в химических реакциях). Величина активного сопротивления зависит от частоты переменного электротока и возрастает с ее увеличением.
Второй тип сопротивления имеет более сложную природу и возникает в момент включения или выключения потребителя электроэнергии в сеть переменного или постоянного тока. В цепи с реактивным сопротивлением энергия электрического тока частично превращается в другую форму, а затем переходит обратно, то есть, наблюдается периодический колебательный процесс. Полное сопротивление цепи включает в себя активный и реактивный типы, которые учитываются по особым правилам.
Виды сопротивления
В электротехнике рассматривается активное электрическое сопротивление, а также две разновидности реактивного: индуктивное и ёмкостное.
Активное сопротивление
Можно представить себе электрическую цепь, в которой к клеммам батарейки через провод последовательно присоединены резистор и электрическая лампочка. Если замкнуть провода, лампочка загорится. Можно использовать вольтметр или мультиметр в соответствующем режиме работы, с помощью которых измеряется разность потенциалов между двумя точками цепи.
Измерив напряжение между клеммами и сравнив его с тем, которое имеется на проводах подсоединённых к лампочке, можно увидеть, что последнее меньше. Это связано с падением напряжения на впаянной в цепь радиодетали. Последняя оказывает противодействие электрическому току, затрудняя его прохождение.
Активным сопротивлением обладает каждая деталь, через которую проходит ток. У металлических проводов оно очень маленькое. Чтобы узнать величину сопротивления радиодетали, нужно изучить обозначение на ее корпусе. Если из рассматриваемой электроцепи убрать резистор, то сила тока, проходящего через лампочку, увеличится.
Формула для расчета активного сопротивления соответствует закону Ома:
R = U / I, где
- R — величина активного сопротивления между двумя точками в цепи;
- U — напряжение или разность потенциалов между ними;
- I — сила тока на рассматриваемом участке цепи.
Для расчета активного сопротивления проводника формула будет другая:
где K-коэффициент поверхностного эффекта, который равен 1,
- l — длина проводника,
- s — площадь поперечного сечения,
- p — “ро” удельное сопротивление.
Сопротивление принято измерять в Омах. Оно существенно зависит от формы и размеров объекта, через который протекает ток: сечения, длины, материала, а также от температуры. Действие активного сопротивления уменьшает энергию электрического тока, превращая её в другие формы (преимущественно в тепловую).
Реактивное сопротивление
Этот вид возникает тогда, когда переменный ток проходит сквозь элемент, который обладает индуктивностью или емкостью. Основной особенностью реактивного сопротивления является преобразование электрической энергии в другую форму в прямом и обратном направлениях. Часто это происходит циклически. Реактивное сопротивление проявляется только при изменениях силы тока и напряжения. Существует два его вида: индуктивное и емкостное.
Индуктивное сопротивление
При увеличении силы тока порождается магнитное поле, обладающее различными характеристиками. Наиболее важной из них является индуктивность. Магнитное поле, в свою очередь, воздействует на проводник, по которому протекает ток. Влияние является противоположным направлению изменения тока. То есть, если сила тока увеличилась, то магнитное поле будет уменьшать его, и наоборот, если снизилась, то поле усилит его. Когда ток не меняется, реактивное сопротивление катушки индуктивности будет равно нулю.
Индуктивное сопротивление зависит от частоты тока. Чем она выше, тем выше скорость изменения данного параметра. Это значит, что будет образовано более сильное магнитное поле. Возникающая при этом ЭДС препятствует изменению электрического тока.
Расчет реактивного индуктивного сопротивления осуществляется по такой формуле:
XL = L×w = L×2π×f, где буквами обозначаются:
- L — индуктивность магнитного поля, которое порождается изменением силы тока;
- W — круговая частота изменения, которая используется в описании синусоидального изменения силы тока;
- Π — число «пи»;
- f — частота тока в обычном смысле.
При синусоидальном изменении напряжения сила тока будет меняться, отставая от него по фазе. Поэтому реактивное сопротивление трансформатора существенно зависит от его индуктивности.
Емкостное сопротивление
Оно имеет иную природу, чем индуктивное. Это понятие удобно проиллюстрировать на примере электрической цепи, состоящей из источника питания, клеммы которого соединены с обкладками конденсатора. Сразу после подключения на них будет постепенно накапливаться заряд, создавая ток в цепи.
После достижения предельной величины, которая определяется ёмкостью детали, ток не будет проходить по цепи. Если после этого отключить провода от клемм, а затем последние соединить, то между ними начнётся перемещение зарядов до тех пор, пока разность потенциалов станет равной нулю.
Если к конденсатору подключить источник переменного тока, то будет происходить следующее. С увеличением разности потенциалов заряд на обкладках конденсатора будет расти. Когда напряжение перейдёт в фазу уменьшения, накопленный заряд начнёт стекать с них, образуя ток противоположного направления. Затем разность потенциалов станет отрицательной, но по абсолютной величине будет расти до максимального значения. При этом конденсатор начнет вновь заряжаться, но при этом знак поступающих зарядов будет не такой, который был раньше.
Когда напряжение начнёт увеличиваться (уменьшаясь по абсолютной величине), заряд с обкладок конденсатора будет стекать. Когда разность потенциалов у источника достигнет нуля и продолжит увеличиваться, начнётся новый цикл изменений.
На каждом этапе описанной ситуации ток с обкладок конденсатора будет иметь направление противоположное тому, которое порождается переменной разностью потенциалов источника питания.
Происходящее таким образом уменьшение силы тока представляет собой физический смысл ёмкостного сопротивления. Оно обозначается буквами ХС и рассчитывается по формуле:
XС = 1/(w×C) = 1/(2π×f×C), где
- C — ёмкость используемого конденсатора;
- w — круговая частота переменного тока;
- π — число «пи»;
- f — частота переменного тока.
В рассматриваемом случае изменения тока отстают от напряжения.
Полное сопротивление
При использовании нескольких разновидностей важно знать, как они сочетаются между собой. Активное сопротивление присутствует в любых схемах. Оно способствует превращению части электрической энергии в нагрев. Реактивное сопротивление возникает лишь в цепи переменного тока. Чтобы определить его величину, необходимо из индуктивного вычесть ёмкостное. Эта характеристика показывает энергию, которая пульсирует в цепи, переходя из одной формы в другую.
Полное сопротивление представляет собой сумму активного и реактивного сопротивления в цепи переменного тока, но такое сложение необходимо выполнять особым образом. Для этого нужно начертить прямоугольный треугольник, катеты в котором должны иметь длину, равную величине активного и реактивного сопротивлений соответственно.
Длина гипотенузы будет численно выражать полное сопротивление электрической цепи. Для его определения используется правило, говорящее о том, что сумма квадратов катетов равна квадрату гипотенузы. Это правило называют теоремой Пифагора. Следовательно, формула, с помощью которой можно найти полное сопротивление, выглядит так:
Z = √(R^2+〖(XL-XC)〗^2 ), где
- Z — полное сопротивление;
- R — величина активной составляющей;
- XL и XC — значение индуктивного и емкостного параметра соответственно.
Следовательно, при расчёте полного сопротивления или импеданса нужно учитывать, что такое ёмкость и индуктивность и как они могут проявляться в электрических схемах. Эти величины называются еще паразитными, так как они могут отрицательно влиять на работу электроприбора. Их возникновение относят к непредсказуемым факторам. При этом емкостным или индуктивным сопротивлением, имеющим небольшое значение, при выполнении расчетов можно пренебречь.
Заключение
Как видим, при расчете электрической цепи необходимо учитывать и активное, и реактивное, и полное сопротивление. Они отличаются друг от друга не только названием. Физика этих сопротивлений также разная. Если под воздействием активного сопротивления электроэнергия превращается в другой вид и поступает в окружающую среду, то реактивное возвращает ее обратно в сеть. Без понятия о сопротивлении и знания формул расчета невозможно конструировать электросхемы.
Видео по теме
Что такое сопротивление
Ток, протекая через провода и различные радиодетали, тратит свою энергию. Это явление количественно выражается величиной сопротивления. В электротехнике его разделяют на активное и реактивное сопротивление. В первом случае при прохождении тока часть его энергии превращается в тепловой вид, а иногда и в другие (например, проявляется в химических реакциях). Величина активного сопротивления зависит от частоты переменного электротока и возрастает с ее увеличением.
Второй тип сопротивления имеет более сложную природу и возникает в момент включения или выключения потребителя электроэнергии в сеть переменного или постоянного тока. В цепи с реактивным сопротивлением энергия электрического тока частично превращается в другую форму, а затем переходит обратно, то есть, наблюдается периодический колебательный процесс. Полное сопротивление цепи включает в себя активный и реактивный типы, которые учитываются по особым правилам.
Виды сопротивления
В электротехнике рассматривается активное электрическое сопротивление, а также две разновидности реактивного: индуктивное и ёмкостное.
Какое сопротивление называется реактивным, какое активным
Активное электросопротивление — это важный параметр электрической сети, который обуславливает превращение электрической энергии, поступающей в участок электроцепи или в отдельный элетроэлемент в любой другой тип энергии: химическую, механическую, тепловую, электромагнитную. Процесс превращения при этом считаю необратимым.
Типы рассматриваемой величины и формулы ее расчета
Реактивное сопротивление по-другому называется реактансом и представляет собой сопротивляемость элементов электроцепи, которые вызывается измерением силы электротока или напряжения из-за имеющейся емкости или индуктивности этого элемента. При реактансе происходит обменный процесс между отдельным компонентом сети и источником энергии. Часто это понятие относят к простому электрическому сопротивлению, однако оно отличается некоторыми моментами.
Течение переменного электротока не зависит от типа сопротивляемости элементов и всей сети
Какие отличия
Отличия этих типов электросопротивления в том, что «внутри» активностного типа энергия не накапливается, так как она попадает в активностый элемент и отдается окружающей среде в виде другого ее типа. Это может быть тепло или механическое поднятие груза, свечение, химическая реакция, задание чему-либо скорости.
Индуктивная величина и ее формулы
Важно! Преданная электроэлементу с активностным электросопротивлением энергия преображается и конвертируется, но не возвращается в сеть.
Сопротивляемость же реактивная, наоборот, копит энергию внутри себя за ¼ всего периода синусоидального электротока, а за следующую четверть возвращает ее обратно в сеть. То есть, в окружающую среду полученная энергия не передается.
Комплексная сопротивляемость отдельного элетроэлемента сети R
В активностном типе фазы электрических токов и напряжения совпадают, следовательно, выделяется некоторое количество электроэнергии. В реактивном виде фазы электротока и напряжения расходятся, поэтому энергия передается обратно. Это во многом объясняет то, что активностные электроэлементы нагреваются, а реактивные — нет.
Активная сопротивляемость в цепи переменного синусоидального тока
Области проявления
Реактанс электросопротивления проявляется в емкости и индукции. Первое обуславливается наличием емкости проводниках и обмотках или включением в электрическую цепь переменного тока различных конденсаторов. Чем выше емкость потребителя и угловой частоты сигнала электротока, тем меньше емкостная характеристика.
Вам это будет интересно Особенности активно-емкостной нагрузки
Сопротивляемость, которую оказывает проводник переменному току и электродвижущей силе самоиндукции, называется индуктивным. Оно зависит от индуктивности потребителя. Чем выше его индуктивность и выше частота переменного электротока, тем выше индуктивное электросопротивление. Выражается оно формулой: xl = ωL, где xl — это электросопротивление индукции, L — индуктивность, а ω — угловая частота тока.
Емкостный реактанс электросопротивление проявляется, например, в конденсаторе, который накапливает электроэнергию в виде электромагнитного поля между своими обкладками. Индуктивное электросопротивление можно наблюдать в дросселе, который накапливает энергию в виде магнитного поля внутри своей обмотки.
Активностным же электросопротивлением может обладать любой резистор, линии электропередач, обмотки трансформатора или электрического двигателя.
Индукция ЭДС может наблюдаться в дросселе
Таким образом, активный резист и реактанс во многом отличаются друг от друга не только разницей по названию, но и по физическим свойствам. Первый вид превращает электроэнергию в другой вид и отдает ее в окружающую среду. Второй же — возвращает ее обратно в электросеть.
Переменный ток
Для того чтобы понять, что такое активное сопротивление, необходимо разобраться в самом явлении переменного тока. Переменным является такой тип тока, который непрерывно изменяет направление своего протекания. Во время протекания потенциалы переменного тока постоянно изменяются. Это происходит благодаря работе генератора, а точнее за счет взаимодействия магнитного поля с медной обмоткой. Движение хорошо прослеживается при помощи осциллографа. Своей формой оно напоминает синусоиду.
Роль переменного тока сложно переоценить. Главное его достоинство заключается в простоте передачи от источника к потребителю, возможность занижать или увеличивать напряжение при помощи трансформаторов. Также, переменные электрические токи можно доставлять потребителю с гораздо меньшими затратами.
Активное сопротивление
Переменный ток доставляется потребителю с целью его преобразования в иные виды энергии, например, тепло и свет. В бытовых сетях преобладает использование однофазного переменного тока. При подключении потребителя создается активное сопротивление.
Простые цепи переменного тока с активным сопротивлением включает в себя генератор тока и идеальный резистор. При этом должны соблюдаться необходимые условия для идеальной цепи:
- Активное сопротивление не должно равняться нулю, обязательное условие.
- Емкость и индуктивность цепи должны быть равны нулю.
Также, для идеального активного сопротивления должны соблюдаться следующие условия:
- Соблюдаются закон Ома для мгновенных, среднеквадратичных и амплитудных параметров цепи.
- Значение полностью независимо от амплитудных колебаний.
- Между током и напряжением отсутствует сдвиг фаз.
- Элемент, находящийся под напряжением, выделяет долю тепловой энергии, то есть нагревается.
Все эти условия позволяют электрическим приборам работать в пределах точно установленных параметров с максимальным КПД. Любое изменение может быть причиной отсутствия надежного контактного соединения или неисправностью самого потребителя.
Для того чтобы рассчитать величину активного сопротивления в цепи, необходимо знать величину напряжения и силы тока. Для расчета используется формула: R=U/I. Формула состоит из следующих значений:
- «R» — сопротивление, Ом;
- «U» — величина напряжения, вольт;
- «I» — величина силы тока, ампер.
Далее можно сделать простой расчет. В качестве потребителя выступает электрическая печь, включенная в цепь однофазного переменного тока:
- Напряжение цепи 240 вольт.
- При замере силы тока получено значение 4 ампера.
- R= 240/4=60 Ом.
Расчетная величина активного сопротивления — это не окончательное значение. На нее влияет прежде всего сечение проводов включенных в цепь, схема взаимодействия между цепями емкостных и полупроводниковых элементов.
Активное значение цепи также вызывает безвозвратную потерю первоначальной электрической энергии, а так же приводит к снижению мощности.
Зависимость
Величина активного сопротивления во многом зависит от диаметра проводников. При подаче высокочастотных токов, сопротивление проводника может быть снижено, только если его поверхностный слой намного тоньше основного. Для того чтобы добиться идеального сечения, этот слой должен состоять из материала с очень высокой проводимостью, например, золота или серебра. Данный эффект возникает по причине взаимодействия напряжения и магнитного поля, образованного им. Поле сильно влияет на ток, протекающий по проводнику и выталкивает его на поверхностный слой. Таким образом ближе к поверхности проводника проводимость снижается и становится критично малой в его верхнем слое.
Так же присутствуют следующие эффекты: потери утечки и диэлектрические потери. Оба эффекта связаны с наличием конденсатора в цепи. Диэлектрические потери возникают за счет увеличения температуры диэлектрика внутри конденсатора. Потеря утечки возникает в следствии доли пробоя изолятор конденсатора.
Гистерезис. Это тоже тип потери энергии переменного тока. Такая потеря возникает при формировании магнитного поля вокруг предметов из металла. Электромагнитное воздействие приводит к нагреванию металла, а значит преобразованию энергии.
Последним фактором утечки является радиоизлучение. Радиоволны появляются по причине сильного магнитного поля и его взаимодействия с металлами цепи. Для подавления, особенно в радиоаппаратуре, используются экраны, которые впитывают часть поля и отталкивают остальную долю.
Мгновенная мощность в цепи переменного тока с активным сопротивлением.
При переменных величинах напряжения и тока скорость преобразования электрической энергии в приемнике, т. е. его мощность, тоже изменяется. Мгновенная мощность равна произведению мгновенных величин напряжения и тока: p = Umsinωt * Imsinωt = UmImsin2ωt
Из тригонометрии найдём 
Более наглядное представление о характере изменения мощности в цепи дает график в прямоугольной системе координат, который строится после умножения ординат кривых напряжения и тока, соответствующих ряду значений их общего аргумента — времени t. Зависимость мощности от времени — периодическая кривая (рис. 13.2). Если ось времени t поднять по чертежу на величину р = Pm√2 = UmIm√2,то относительно новой оси t’ график мощности является синусоидой с двойной частотой и начальной фазой 90°: 
Таким образом, в первоначальной системе координат мгновенная, мощность равна сумме постоянной величины Р= UmIm√2 и перемен- ной р’:
р = Р + р’
Анализируя график мгновенной мощности, нетрудно заметить, что мощность в течение периода остается положительной, хотя ток и напряжение меняют свой знак. Это получается благодаря совпадению по фазе напряжения и тока.
Постоянство знака мощности говорит о том, что направление потока электрической энергии остается в течение периода неизменным, в данном случае от сети (от источника энергии) в приемник с сопротивлением R, где электрическая энергия необратимо преобразуется в другой вид энергии. В этом случае электрическая энергия называется активной.
Если R — сопротивление проводника, то в соответствии с законом Ленца — Джоуля электрическая энергия в нем преобразуется в тепло.
Активная мощность для цепи переменного тока с активным сопротивлением
Скорость преобразования электрической энергии в другой вид энергии за конечный промежуток времени, значительно больший периода изменения тока, характеризуется средней мощностью. Она равна средней мощности за период, которую называют активной.
Активная мощность — среднее арифметическое мгновенной мощности за период.
Для рассматриваемой цепи активную мощность Р нетрудно определить из графика рис. 13.2. Средняя величина мощности равна высоте прямоугольника с основанием Т, равновеликого площади, ограниченной кривой р(t) и осью абсцисс (на рисунке заштриховано).
Равенство площадей РТ = Sp выполняется, если высоту прямоугольника взять равной половине наибольшей мгновенной мощности Pm.
В этом случае часть площади Sp , находящаяся выше прямоугольника, точно укладывается в оставшуюся незаштрихованной его часть:
P = UI
Активная мощность для данной цепи равна произведению действующих величин тока и напряжения:
P = UI = I2R
С математической точки зрения активная мощность является постоянной составляющей в уравнении мгновенной мощности p(t) [см. выражение (13.2)].
Среднюю мощность за период можно найти интегрированием уравнения (13.2) в пределах периода: 
Сопротивление R, определяемое из формулы (13.3) отношением активной мощности цепи к квадрату действующего тока, называется активным электрическим сопротивлением.
В чем измеряется реактивное сопротивление
Само по себе, явление реактанса характерно только для цепей с электрическим током переменного типа. Обозначается оно латинской буквой «X» и измеряется в Омах. В отличие от активностного варианта, реактанс может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Знак «+» или «-» соответствует знаку, по которому сдвигается фаза электротока и напряжения. Знак положительный, когда ток отстает от напряжения и отрицателен, когда кот опережает напряжение.
Важно! Абсолютно чистое реактивное электросопротивление имеет сдвиг фазы на ± 180/2. То есть, фаза «двигается» на π/2.
Как правильно измерять сопротивление
При работе с радиоаппаратурой иногда требуется измерять не только активностное, но и реактивное электросопротивление (индуктивность и емкость). Для измерений применяют косвенный метод использования мультиметра, а более точные значения получают при мостовом методе.
Косвенный метод наиболее прост в своей реализации, так как не требует дополнительных схем включения. Одна требуется наличие трех отдельных приборов: амперметра, вольтметра и ваттметра. Если измерить напряжение и силу электротока в цепи, то можно получить полное электросопротивление: Z=U*I После измерения активностной мощности P, можно получить величину активного сопротивления отдельного элемента: R= P/I².
Катушка
Катушка индуктивности представляет собой металлический или ферритный сердечник, на который намотано несколько витков медного провода. Элемент обладает следующими свойствами:
- За счет индуктивности ограничивается скорость изменения токов.
- С увеличением частоты тока катушка способна увеличить свое сопротивление (скин-эффект).
- Создает магнитное поле.
- Увеличивает и накапливает напряжение.
- Создает сдвиг фаз переменного тока.
- Пропорционально скорости движения тока создает ЭДС самоиндукции.
Все эти свойства находят применение при разработке радиоприемных устройств, генераторов частоты, тестеров, магнитометров и других видов сложного оборудования.
Конструкция и разновидности
Все типы катушек индуктивности имеют одинаковую конструкцию, независимо от области их использования. Особенности, внесенные для получения индивидуальных параметров, влияют на тип детали.
- Соленоид. Компонент с увеличенной общей длиной обмоточного провода. Обмотка больше диаметра детали.
- Тороидальная. В такой катушке соленоид выполнен в форме «тора».
- Многослойный тип, имеет несколько рядов обмотки.
- Секционированная. Обмотка имеет несколько разделенных секций, иногда из провода разного сечения. Наиболее известной катушкой этого типа является трансформатор или дроссель.
- Универсальная, может совмещать сразу несколько вариантов обмотки.
Независимо от конструкции, все катушки работают по одному и тому же принципу.
Замер сопротивления и формула расчета
Замерить активное сопротивление катушки индуктивности можно только в обесточенном виде. Делается это при помощи мультиметра.
- Мультиметр надо перевести в режим омметра.
- Красный измерительный щуп соединить с первым выходом катушки.
- Черный измерительный щуп соединить со вторым выходом.
- Прибор покажет только активное сопротивление обмотки.
При помощи тестера можно определить только целостность витков. Если элемент включен в цепь под напряжением, то величину сопротивления находят за счет простого вычисления по формуле: Z=U/I.
Для расчета по этой формуле, при помощи тестера определяют сначала величину тока (I) и напряжения (U). Активное сопротивление измеряется в Омах.
Зная формулу расчета активного и индуктивного сопротивления, полное сопротивление элемента может быть найдено с помощью формулы:
Z= 2×(R×R+XL×XL)
В этом выражении R является активным сопротивлением, а XL — индуктивным.
Активное сопротивление катушки
Активное сопротивление обуславливается омической характеристикой проводов обмотки. При работе на низких частотах, омическое сопротивление не зависит от частоты. В мощных устройствах необходимо учитывать эффект близости, который заключается в том, что токи и образуемое ими магнитное поле вызывают вытеснение тока в проводах соседних витков. В результате, снижается эффективное используемое сечение провода и растет его омическое сопротивление.
Обратите внимание! На высоких частотах проявляется скин-эффект, который заключается в том, что ток вытесняется в поверхностные слои провода. В результате этого снижается используемое сечение кабеля. Для снижения скин-эффекта вместо одного проводника используют жгут из нескольких более тонких – литцендрат, либо поверхность провода покрывают слоем серебра, поскольку оно обладает наименьшим удельным сопротивлением.
Скин-эффект
В мощных электромагнитных системах (ускорители частиц) для снижения активного сопротивления, используется свойство сверхпроводимости – полное исчезновение сопротивления при охлаждении некоторых материалов ниже критической температуры.
Провод литцендрат
Во многих случаях применения катушек индуктивности следует учитывать влияние активного сопротивления обмоток. Данный параметр может отрицательно влиять не только путем снижения добротности, но и вызывать повышенный нагрев проводников обмоток в том случае, когда устройство работает с большими токами.
Определение активного сопротивления проводов
Активное сопротивлении проводов проще всего определять по справочным данным, составленным на основании ГОСТ 839-80 – «Провода неизолированные для воздушных линий электропередач» таблицы 1 – 4. Данные таблицы вы сможете найти непосредственно в самом ГОСТ, приведу лишь не которые.
Пользоваться всеми известными формулами по определению активного сопротивления — не рекомендуется [Л1. с.18],связано это с тем, что действительное сечение отличается от номинального сечения, провода выпускались в разное время, по разным ГОСТ и ТУ и величины удельной проводимости (ρ) и удельного сопротивления (γ) у них разные:
где:
- γ – значение удельной проводимости для медных и алюминиевых проводов при температуре 20 °С принимается: для медных проводов – 53 м/Ом*мм2; для алюминиевых проводов – 31,7 м/Ом*мм2;
- s – номинальное сечение провода(кабеля),мм2;
- l – длина линии, м;
- ρ – значение удельного сопротивления принимается: для медных проводов — 0,017-0,018 Ом*мм2/м; для алюминиевых проводов – 0,026 — 0,028 Ом*мм2/м, см. таблицу 1.14 [Л2. с.30].
Активные сопротивления стальных проводов математическому расчету не поддаются. Поэтому рекомендую для определения активного сопротивления использовать приложения П23 – П25 [Л1. с.80,81].
Формулы, зависимости и виды индуктивности
Электрическая индуктивность L – это величина, равная коэффициенту пропорциональности между током I, протекающим в замкнутом контуре, и создаваемым им магнитным потоком, иначе называемым потокосцеплением Y:
Y = LI.
Если к выводам катушки на некоторое время приложить напряжение, то в ней начнёт протекать ток I и формироваться магнитное поле. Чем меньше индуктивность L, тем быстрее протекает данный процесс. В итоге рассматриваемый двухполюсник накопит некоторое количество потенциальной энергии. При отключении питания он будет стремиться её вернуть. В результате на выводах катушки образуется ЭДС самоиндукции E, которая многократно превышает изначально приложенное напряжение. Подобная технология ранее использовалась в магнето систем зажигания ДВС, а сейчас широко встречается в повышающих DC-DC преобразователях.
Формула ЭДС самоиндукции, здесь t – это время, в течение которого ток I уменьшится до нуляПростой DC-DC повышающий преобразователь
Катушка (она же – дроссель) – это радиодеталь с ярко выраженной индуктивностью, ведь именно для этого её и создавали. Однако подобным свойством обладают в принципе все элементы. Например, конденсатор, резистор, кабель, просто кусок провода и даже тело человек также имеют некоторую индуктивность. В расчетах ВЧ схем это обязательно принимается во внимание.
Важно! Проводя измерение индуктивности специализированным прибором, стоит помнить, что нельзя держаться руками за оба его вывода. В противном случае показания могут измениться и будут неверными. Вызвано это включением в измеряемую цепь тела человека с его собственной индуктивностью.
Предыдущая
РазноеЧто такое фазное и линейное напряжение?
Следующая
РазноеБлуждающие токи и способы борьбы с ними
Сопротивлением в электротехнике называют физическую величину, характеризующую свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равную отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.
Но сопротивление бывает активным и реактивным. В чем разница и где используется каждое из понятий и пойдет речь в этой статье.
Активное сопротивление
Активное сопротивление – это сопротивление элемента или участка цепи электрическому току, обусловленное необратимыми превращениями электрической энергии в другие формы, например, механическую в электродвигателях или тепловую, когда речь идёт о нагреве чего-либо или просто потерях или другие виды энергии. Выражается в Омах и в формулах обозначается буквой R.
Активное сопротивление характерно для проводников, а его величина зависит от свойств этих самых проводников:
- Материал — обычно проводники выполняются из металла (или из графита, как щетки электрических машин) и у каждого проводника есть удельное сопротивление, оно измеряется в Ом·мм²/м.
- Длина и площадь поперечного сечения. Следует из предыдущего. Чем больше площадь поперечного сечения (мм²) – тем меньше сопротивление, или чем длиннее проводник – тем оно больше.
- Температура. Чем больше температура – тем больше сопротивление проводника.
Согласно закону Ома, сопротивление участка электрической цепи можно рассчитать, если известны ток и напряжение по формуле: R=U/I.
Сопротивление проводника, определенной длины и сечения определяется по формуле: R=p*l/S,
где p (ро) – удельное сопротивление, l – длина, S – площадь поперечного сечения.
При протекании тока через активное сопротивление в любом случае происходят потери в виде тепла. По этой причине греются провода и кабельные линии под нагрузкой, трансформаторы, электродвигатели и так далее… Величина этих потерь определяется по формуле: P=U²/R. Кроме потерь в виде тепла на линии, а вернее сказать, на активном сопротивлении линии происходит падение напряжения (просадки), величина которых также рассчитывается по закону Ома: Uпад=I*Rл,
где Uпад – падение напряжение на линии, Rл – сопротивление линии.
Напряжение и ток в активном сопротивлении совпадают по фазе, соответственно коэффициент мощности у активной нагрузки в идеальном случае равен 1. Это можно пронаблюдать на иллюстрации выше, как и то, что векторы U и I также совпадают по направлению, и между ними нет угла.
Под «идеальным случаем» понимается используемое в физике понятие «идеальный», то есть, когда объекту характерен какой-то единый набор свойств. Например, когда говорят «идеальный резистор» — это значит, такой резистор в котором есть только активное сопротивление, а реактивные составляющие отсутствуют. А «идеальная индуктивность» — это такая индуктивность, у которой нет активного сопротивления проводника, которым она намотана, а также паразитной ёмкости. То есть идеальная катушка, обладает только индуктивностью.
Подведем итоги — активное сопротивление характерно для нагрузки ток и напряжение в которой совпадают по фазе, это могут быть: провода, резисторы, ТЭНы и другие нагревательные элементы, лампы накаливания…
Реактивное сопротивление
Согласно энциклопедическому определению, реактивное сопротивление — это сопротивление элемента схемы, вызванное изменением тока или напряжения из-за индуктивности или ёмкости этого элемента. Отсюда следует, что реактивное сопротивление присуще только индуктивной или емкостной нагрузке. Измеряется оно также в Омах, но обозначается буквой X.
Также следует вспомнить законы коммутации:
- Ток на индуктивности не может изменяться скачком.
- Напряжение на ёмкости не может измениться мгновенно.
Другими словами, в индуктивности ток отстаёт от напряжения по фазе, а в ёмкости наоборот — ток опережает напряжение.
Реактивное сопротивление индуктивности
В цепи постоянного тока это вносит влияние в работу системы преимущественно при её коммутации (включении или отключении), а также при резком изменении режима работы и потребления тока и такого понятия как реактивное сопротивление для постоянного тока нет.
Но в цепи переменного тока реактивное сопротивление оказывает значительное влияние. При протекании переменного тока I в катушке, возникает магнитное поле. Оно создаёт в витках катушки ЭДС, которое в свою очередь препятствует изменению тока.
При увеличении тока, ЭДС отрицательна и препятствует нарастанию тока, при уменьшении – положительна и препятствует его убыванию, оказывая таким образом сопротивление изменению тока на протяжении всего периода.
Выше мы рассматривали график тока и напряжения в активном сопротивлении, и они совпадали по фазе, ниже приведен график тока и напряжения для катушки индуктивности.
На рисунке 2.б видно, что ток и напряжение в индуктивности не совпадают по фазе. В идеальной индуктивности ток отстаёт от напряжения на 90 градусов, что более наглядно иллюстрирует векторная диаграмма на рисунке 2.в.
Сопротивление, которое индуктивность оказывает переменному току вычисляется по формуле: XL=ω*L=2*pi*f*L,
где ω — угловая частота (рад/с), L — индуктивность (Гн), pi – число пи (3.14), f — частота (Гц).
То есть чем больше частота переменного тока, тем большее сопротивление ему оказывает индуктивность.
Реактивное сопротивление ёмкости
В ёмкостной нагрузке дело обстоит также, но наоборот. На рисунке 3.б видно, что ток опережает напряжение, а на 3.в видно, что опережает на угол в 90˚.
При протекании переменного тока в конденсаторе циклически происходят процессы заряда и разряда, или накопления и отдачи энергии электрическим полем между его обкладками. Конденсатор будет заряжаться до определённого максимального значения, пока ток не сменит направление на противоположное.
В момент когда напряжение достигнет амплитудного значения, ток будет равен нулю. Таким образом, напряжение на идеальном конденсаторе и ток всегда будут иметь расхождение во времени в четверть периода.
То есть емкостное сопротивление — это сопротивление изменению напряжения. Оно определяется по формуле: Xс=1/(ω*C)=1/(2*pi*f*c),
где ω — угловая частота (рад/с), C — ёмкость (Ф), pi – число пи (3.14), f — частота (Гц).
То есть чем меньше частота переменного тока, тем большее сопротивление оказывает ему ёмкость.
Но отклонение напряжения от тока по фазе на 90 градусов только в цепях с идеальной индуктивностью, на практике же такого нет.
Полное сопротивление
Так как и активное сопротивление, и индуктивность, и ёмкость влияют на токи и напряжения в электрической цепи по-своему, то при их соединении их сопротивления также складываются. Так, например полное реактивное сопротивление равно: X=XL-Xс
Таким образом реактивные сопротивления ёмкости и индуктивности приводятся к общему значению, то есть какое из них больше, такой характер и будет у цепи (индуктивный или емкостной).
В любой реальной цепи присутствуют все три составляющие: активная, емкостная и индуктивная. Тогда говорят о полном сопротивление цепи. Оно обозначается буквой Z и вычисляется по формуле:
где Z – полное сопротивление, r – активное, XL – индуктивное, Xc – емкостное.
Эта формула должна была вам напомнить теорему Пифагора, где квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов. И это неспроста. Дело в том, что если на векторной диаграмме изобразить активное и полное реактивное сопротивление, то мы получим т.н. треугольник сопротивлений, где гипотенузой будет полное сопротивление цепи.
Угол Фи — это и есть угол, на который ток отстаёт от напряжения, а косинус этого угла (cosФ) называют коэффициентом мощности. Это опережение или отставание тока и напряжение приводит к тому, что этот ток возвращается обратно к источнику питания, а не выполняет какую-то работу в потребителе. Это приводит к излишней нагрузке на электросеть, то есть ток протекает полный, а работу выполняет только активная его часть.
Большая часть электрооборудования (электродвигатели, электромагниты и прочее) носит индуктивный характер, что приводит к значительному повышению нагрузки на электросеть и потребления реактивной мощности.
Чтобы бороться с этим явлением используются компенсаторы реактивной мощности — конденсаторные установки, синхронные двигатели, синхронные компенсаторы. То есть подключают какую-то нагрузку с емкостным характером, она нужна, чтобы уменьшить угол между током и напряжением и в итоге повысить коэффициент мощности.
Ну и напоследок ознакомьтесь с подборкой советских плакатов, которые иллюстрируют параметры электрических цепей со смешанной нагрузкой, а также их векторные диаграммы (треугольники сопротивлений, напряжения и мощности).
Активное сопротивление
Активное
сопротивление зависит от материала,
сечения и температуры. Активное
сопротивление обусловливает тепловые
потери проводов и кабелей. Определяется
материалом токоведущих проводников и
площадью их сечения.
Различают
сопротивление проводника постоянному
току (омическое) и переменному току
(активное). Активное сопротивление
больше активного (Rа>Rом)
из-за поверхностного эффекта. Переменное
магнитное поле внутри проводника
вызывает противоэлектродвижущую силу,
благодаря которой происходит
перераспределение тока по сечению
проводника. Ток из центральной его части
вытесняется к поверхности. Таким образом,
ток в центральной части провода меньше,
чем у поверхности, то есть сопротивление
провода возрастает по сравнению с
омическим. Поверхностный эффект резко
проявляется при токах высокой частоты,
а также в стальных проводах (из-за высокой
магнитной проницаемости стали).
Для ЛЭП, выполненных
из цветного металла, поверхностный
эффект на промышленных частотах
незначителен. Следовательно, Rа≈Rом.
Обычно влиянием
колебания температуры на Rапроводника в расчётах пренебрегают.
Исключение составляют тепловые расчеты
проводников. Пересчет величины
сопротивления выполняют по формуле:
где R20
– активное сопротивление при
температуре 20о;
текущее
значение температуры.
Активное сопротивление
зависит от материала проводника и
сечения:
где ρ–удельное
сопротивление, Ом мм2/км;
l– длина
проводника, км;
F– сечение
проводника, мм2.
Сопротивление
одного километра проводника называют
погонным сопротивлением:
где
удельная
проводимость материала проводника, км
См/мм2.
Для меди γCu=5310-3км См/мм2, для алюминия γAl=31.710-3км См/мм2.
На практике значение
r0определяют по соответствующим
таблицам, где они указаны для t0=200С.
Величина активного
сопротивления участка сети рассчитывается:
R
= r0l.
Активное сопротивление
стальных проводов намного больше
омического из-за поверхностного эффекта
и наличия дополнительных потерь на
гистерезис (перемагничивание) и от
вихревых токов в стали:
r0=r0пост+r0доп,
где r0пост– омическое сопротивление одного
километра провода;
r0доп–
активное сопротивление, которое
определяется переменным магнитным
полем внутри проводника,r0доп=r0поверх.эф+r0гистер.+r0вихр.
Изменение активного
сопротивления стальных проводников
показано на рисунке 4.1.
При малых величинах
тока индукция прямо пропорциональна
току. Следовательно, r0увеличивается. Затем наступает магнитное
насыщение: индукция иr0практически не изменяются. При дальнейшем
увеличении токаr0уменьшается
из-за снижения магнитной проницаемости
стали ().
Зависимость r0
=f(F) имеет вид (см. рис. 4.2):
И
з
рис. 4.2 видно, что при малых значениях
сеченияr0имеет большое
значение. При увеличении сечения величинаr0уменьшается.
Индуктивное сопротивление
Переменный ток,
проходя по проводу, образует вокруг
него переменное магнитное поле, которое
наводит в проводнике ЭДС обратного
направления (ЭДС самоиндукции).
Сопротивление току, обусловленное
противодействием ЭДС самоиндукции,
называетсяреактивным индуктивным
сопротивлением.
Величина реактивного
индуктивного сопротивления зависит
как от значения тока в собственном
проводе, так и от величины токов в
соседних проводах. Чем дальше расположены
фазные провода линии, тем меньше влияние
соседних проводов – поток рассеяния и
индуктивное сопротивление увеличиваются.
На величину
индуктивного сопротивления оказывает
влияние диаметр провода, магнитная
проницаемость ()
и частота переменного тока. Величина
погонного индуктивного сопротивления
рассчитывается по формуле:
(4.1)
где – угловая частота;
– магнитная
проницаемость;
среднегеометрическое
расстояние между фазами ЛЭП;
радиус
провода.
Погонное индуктивное
сопротивление состоит из двух составляющих
и
.
Величина
называется внешним индуктивным
сопротивлением. Обусловлено внешним
магнитным полем и зависит только от
геометрических размеров ЛЭП. Величина
называется внутренним индуктивным
сопротивлением. Обусловлено внутренним
магнитным полем и зависит только от,
то есть от тока проходящего по проводнику.
Среднегеометрическое
расстояние между фазными проводами
рассчитывается по формуле:
.
На рис. 1.3 показано
возможное расположение проводов на
опоре.
При расположении
проводов в одной плоскости (рис. 4.3 а, б)
формула для расчета Dсрупрощается:
Если же провода
расположены в вершинах равностороннего
треугольника, то Dср=D.
Для ВЛЭП напряжением
6-10 кВ расстояние между проводами
составляет 1-1,5 м; напряжением 35 кВ – 2-4
м; напряжением 110 кВ – 4-7 м; напряжением
220 кВ – 7-9м.
При f= 50Гц
значение=2f= 3,14 1/с. Тогда формула (4.1) записывается
следующим образом:
Для проводников
выполненных из цветного металла (медь,
алюминий) = 1.
На ЛЭП высокого
напряжения (330 кВ и выше) применяют
расщепление фазы на несколько проводов.
На напряжении 330 кВ обычно используют
2 провода в фазе (индуктивное сопротивление
снижается приблизительно на 19%). На
напряжении 500 кВ обычно используют 3
провода в фазе (индуктивное сопротивление
снижается приблизительно на 28%). На
напряжении 750 кВ используют 4-6 проводов
в фазе (индуктивное сопротивление
снижается приблизительно на 33%).
Величина погонного
индуктивного сопротивления при
расщепленной конструкции фазы
рассчитывается как:
где n– количество
проводов в фазе;
Rпр
экв– эквивалентный радиус провода.
При n= 2, 3
где а– шаг
расщепления (среднегеометрическое
расстояние между проводами в фазе);
Rпр–
радиус провода.
При большем
количестве проводов в фазе их располагают
по окружности ( см. рис. 4.4). В этом случае
величина эквивалентного радиуса провода
равна:
где p– радиус расщепления.
Величина погонного
индуктивного сопротивления зависит от
радиуса провода, и практически не зависит
от сечения (рис. 4.5).
В
еличинаx0уменьшается при увеличении
радиуса провода. Чем меньше средний
диаметр провода, тем большеx0,
так как в меньшей степени влияют соседние
провода, уменьшается ЭДС самоиндукции.
Влияние второй цепи для двухцепных ЛЭП
проявляется мало, поэтому им пренебрегают.
Индуктивное
сопротивление кабеля намного меньше
чем у воздушных ЛЭП из-за меньших
расстояний между фазами. В ряде случаев
им можно пренебречь. Сравним погонное
индуктивное кабельных и воздушных линий
разных напряжений:
|
Номинальное |
КЛЭП |
ВЛЭП |
|
6 |
0,06 |
0,31 |
|
35 |
0,125 |
0,4 |
Величина реактивного
сопротивления участка сети рассчитывается:
Х =
х0l.
Соседние файлы в папке 2102172
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 27 мая 2022 года; проверки требует 1 правка.
Векторное изображение полного сопротивления (импеданса)
* 
— активное сопротивление;
* 
— полное сопротивление;
* 
— реактивное сопротивление;
* 
— аргумент полного сопротивления.
Акти́вное сопротивле́ние определяет действительную часть импеданса:
- где
— полное сопротивление или импеданс, - — величина активного сопротивления,
- — величина реактивного сопротивления,
- — мнимая единица.
Или:
- где – фазовый сдвиг между током и напряжением электрической цепи.
В цепях синусоидального тока 
ГОСТ Р 52002-2003 определяет активное электрическое сопротивление как параметр электрической цепи или ее схемы, равный отношению активной мощности пассивной электрической цепи к квадрату действующего тока на входе этой цепи[1].
Активное сопротивление — сопротивление электрической цепи или её участка, обусловливающее превращение электрической энергии в другие виды энергии, например, в механическую энергию (в электродвигателях), в химическую энергию (при электролизе, заряде аккумуляторов), в тепловую энергию (нагрев проводников, диэлектриков), в электромагнитное излучение.
Литература[править | править код]
- Добротворский И. Н. Теория электрических цепей. Учебник. — М.: Радио и связь, 1989.
- Герасимов В. Г. , Кузнецов Э. В. , Николаева О. В. Электротехника и электроника. Кн. 1. Электрические и магнитные цепи. — М.: Энергоатомиздат, 1996. — 288 с. — ISBN 5-283-05005-X.
См. также[править | править код]
- Реактивное сопротивление
- Импеданс
- Адмиттанс
Ссылки[править | править код]
- ↑ ГОСТ Р 52002-2003 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. Дата обращения: 11 июня 2017. Архивировано 14 мая 2016 года.
