§ 19. Індуктивність у колі змінного струму

Досліди показують, що індуктивність також впливає на силу змінного струму, тобто чинить певний опір цьому струмові. Складемо коло з котушки індуктивності а малим активним опором і амперметра, приєднаємо його

45

до джерела постійного струму. Ампер­метр покаже, що колом йде струм ве­ликої сили. Якщо тепер це саме коло приєднати до джерела змінної напруги (мал. 29), діюче значення якої дорів­нює напрузі джерела постійного струму, то амперметр покаже дуже слабкий струм. Це свідчить про те, що котушка індуктивності чинить змінному струмові великий опір. Пояснюється це явищем самоіндукції. Змінний струм створює навколо котушки змінне магнітне поле, тобто котушка перебуває у власному змінному магнітному полі. А ми знаємо, що при всякій зміні магнітного поля виникає вихрове електричне поле, яке протидіє причині, що його викликала (правило Ленца). У першій чверті періоду вих­рове електричне поле гальмує рух електронів і тим самим протидіє зростанню сили струму в колі; в другій — змен­шенню сили струму; в третій — зростанню сили струму, але вже в протилежному напрямі, і, нарешті, в четвертій чверті індуковане вихрове поле протидіє зменшенню сили струму в колі.

Таким чином, при проходженні змінного струму через котушку індуктивності внаслідок самоіндукції виникає вихрове електричне поле, яке протидіє дії поля генератора. Вихрове електричне поле і є причиною опору котушки індуктивності змінному струмові.

Припустимо, що ми приєднали до генератора змінного струму котушку індуктивності. Активним опором генера­тора і котушки поки що нехтуємо. Оскільки в колі змінюється сила струму, то в котушці індукується ЕРС самоіндукції:

При зміні сили струму за гармонічним законом ЕРС самоіндукції буде дорівнювати:

. (19.1)

У будь-який момент часу миттєве значення напруги генератора дорівнює ЕРС самоіндукції, взятій із зворотним знаком,тобтоабо

(19.2)

— амплітуда на-

де пруги.

Побудуємо графіки коли­вань сили струму і напруги (мал. ЗО). З рівняння (19.2) і графіків випливає, що коли­вання напруги на котушці ви­переджають коливання сшш струму на, або, що те ж саме, коливання сили струму

відстають від коливань напруги на. В момент, коли напруга на котушці досягає максимуму, сила струму дорівнює нулю, і, навпаки, коли напруга дорівнює нулю, сила струму досягає максимуму.

Зверніть увагу на те, що під час проходження змінного струму в колі з ємністю коливання сили струму випере­джають коливання напруги за фазою на, а при про­ходженні в колі з індуктивністю, навпаки, коливання сили струму відстають за фазою навід коливань напруги на котушці індуктивності. Це дуже важлива обставина. З нею зв'язане цікаве і важливе явище резонансу в елек­тричних колах, з яким ми ознайомимося трохи пізніше.

Перепишемо вираз для амплітуди напруги у вигляді, аналогічному до закону Ома:

(19.3)

Якщо ввести позначенняі замість амплітуди

сили струму і напруги скористатися їх діючими значен­нями, то дістанемо:

(19.4)

Величину X_L, що дорівнює добуткові циклічної частоти на індуктивність, називають індуктивним опором. Якщо індуктивність L вимірюється в генрі, а циклічна частота в с~', то X_L виражається в омах.

При збільшенні сили струму в котушці індуктивності енергія генератора перетворюється в енергію магнітного поля. При зменшенні сили струму енергія магнітного поля

зменшується і повертається назад в генератор. І так двічі за період. В середньому за період генератор струму не витрачає енергію, подібно до того, як у колі з ємністю. Індуктивний опір також є реактивним. Відмінність поля­гає лише в тому, що коли в колі з індуктивністю сила струму максимальна, то енергія магнітного поля котушки індуктивності теж максимальна. І навпаки, вона дорівнює нулю, якщо сила струму в котушці дорівнює нулю. В колі з ємністю при максимальній силі струму енергія електрич­ного поля конденсатора дорівнює нулю (конденсатор роз­ряджений) і вона максимальна, якщо сила струму в колі дорівнює нулю (конденсатор заряджений до максималь­ної напруги).

? 1. Чому котушка індуктивності чинить більший опір змінному стру­мові, ніж постійному? 2. Від чого залежить індуктивний опір? 3. Чи збігаються фази коливань сили струму і напруги в колі з котушкою індуктивності? 4. Чи витрачається енергія генератора в колі з котуш­кою індуктивності?