1. Змінний електричний струм

Змінний електричний струм – це струм, який змінюється за величиною і напрямом. Наприклад, ця зміна може відбуватись за гармонічним законом

I = I_o sin(t+₀), (54.1)

де І_o - максимальне (амплітудне) значення сили струму ω –циклічна (або кругова) частота, яка зв’язана з періодом коливань Т, або частотою коливань ν співвідношенням (54.2) _о – початкова фаза коливань.

=2/T=2v (54.2)

Якщо визначити енергоздатність змінного струму, то можна встановити величину, яка отримала назву ефективного (або діючого) значення сили струму, а саме

ефективне значення сили змінного струму І_еф – сила такого постійного струму, який за своєю енергоздатністю (наприклад, виділення теплоти за той же час) еквівалентний даному змінному струму.

Для синусоїдальних струмів їх ефективне значення І_еф менше максимального І_mах в разів (формула (54.3)). Аналогічний вираз маємо для ефективного значення напруги змінного струму (формула (54.4)).

(54.3)

(54.4)

2. Активний опір в колі змінного струму

А ктивний опір - та частина опору електричного кола змінного струму, на якій відбувається виділення джоулевого тепла Q (54.5).

(54.5)

Для характеристики кіл змінного струму зручно користуватись методом векторних діаграм, де максимальні значення сили струму I_o і напруги U_o зображаються відповідними векторами. Так, на активному опорі коливання сили струму і напруги відбуваються в однаковій фазі, тому векторна діаграма змінного струму з активним опором буде мати вигляд, зображений на рис. 54.2.

П ри малих частотах струму активний опір кола наближається до його опору при постійному струмі. При високих частотах виникають особливі ефекти, які приводять до збільшення опору кола з активним опором R. В цьому колі коливання змінного струму І співпадають по фазі з коливаннями напруги U. При високих частотах струму можливий поверхневий ефект, коли струм у провіднику тече тільки по його поверхні. Крім того, відбуваються втрати на перемагнічування провідника.

3. Ємність у колі змінного струму

К онденсатор являє собою систему двох провідників, які розділені діелектриком. Наприклад, плоский конденсатор – дві близько розташовані паралельні пластини (обкладинки). Ємність конденсатора, фізична величина, рівна відношенню заряду на пластинах q до різниці потенціалів ₁-₂=U між ними.

, (54.6)

Для кола постійного струму конденсатор є розривом такого кола, струм відсутній, так як між обкладинками конденсатора відсутні вільні заряди (знаходиться вакуум або діелектрик). Якщо ж конденсатор С ввімкнути в коло змінного струму (рис.54.3), то його обкладинки будуть перезаряджатись і в колі виникне електричний струм. Але коливання струму не співпадають за фазою з коливаннями напруги. Дійсно, якщо напруга на обкладинках конденсатора збільшується від нуля до максимального значення, то саме на початку цього збільшення почнеться найбільш інтенсивна зарядка конденсатора. Коли ж напруга досягне максимального значення, зарядка конденсатора припиниться і струм стане рівним нулю.

Кількісні співвідношення між коливаннями сили струму і напруги в колі змінного струму з конденсатором встановлюються наступним чином.

Зміна заряду конденсатора на dq призводить до зміни напруги між обкладинками на dU, так, що

, (54.7)

тоді миттєве значення сили струму i буде дорівнювати

. (54.8)

Якщо напруга між обкладинками конденсатора змінюється за законом

, (54.9)

де U_o – максимальне значення напруги, то згідно 54.8 (взявши похідну), отримаємо

. (54.10)

Таким чином, коливання сили струму в колі змінного струму з конденсатором випереджають коливання напруги за фазою на /2 і векторна діаграма такого кола матиме наступний вигляд (рис. 54.4).

Максимальне значення сили струму в колі змінного струму з конденсатором, як випливає з (54.10) буде дорівнювати

. (54.11)

Якщо порівняти це значення із законом Ома , то легко помітити, що роль опору в колі змінного струму з ємністю грає величина

, (54.12)

яка називається реактивним ємнісним опором (реактивний – від латинського слова – протидія).