Co je aktivní odpor ve střídavém obvodu?

Střídavý proud je hlavním zdrojem domácího a průmyslového napájení. Když je na spotřebiče přivedeno napětí, vzniká odpor. Článek poskytne podrobné vysvětlení toho, co je aktivní odpor ve střídavém obvodu.

Dále bude uveden vzorec pro výpočet této hodnoty, popsány odrůdy, podmínky pro ideální řetězec a hlavní faktory ovlivňující zvýšení těchto hodnot.

Střídavý proud

Abychom pochopili, co je aktivní odpor, je nutné pochopit samotný fenomén střídavého proudu. Střídavý proud je druh proudu, který plynule mění směr svého toku. Během proudění se potenciály střídavého proudu neustále mění. K tomu dochází v důsledku provozu generátoru, nebo přesněji v důsledku interakce magnetického pole s měděným vinutím. Pohyb lze jasně vidět pomocí osciloskopu. Svým tvarem připomíná sinusoidu.

Úlohu střídavého proudu je těžké přeceňovat. Jeho hlavní výhodou je snadný přenos od zdroje ke spotřebiteli, možnost snížit nebo zvýšit napětí pomocí transformátorů. Také střídavé elektrické proudy mohou být dodávány spotřebiteli za mnohem nižší náklady.

Odpor

Odpor je schopnost vodiče zpomalit průchod nabitých částic jeho strukturou. Tato schopnost je ovlivněna materiálem vodiče, jeho tloušťkou a délkou. Jednotkou elektrického odporu je 1 ohm.

Výpočet se provádí tak, že vodičem projde napětí o velikosti jednoho voltu a proud rovný jednomu ampéru. V elektrických schématech je tento parametr označen písmenem „R“.

Aktivní odpor

Střídavý proud je dodáván spotřebiteli za účelem jeho přeměny na jiné druhy energie, například teplo a světlo. V domácích sítích převažuje použití jednofázového střídavého proudu. Při připojení spotřebiče vzniká aktivní odpor.

Jednoduchý střídavý obvod s aktivním odporem obsahuje generátor proudu a ideální rezistor. V tomto případě musí být splněny nezbytné podmínky pro ideální obvod:

1. Aktivní odpor by neměl být roven nule, což je předpoklad.
2. Kapacita a indukčnost obvodu musí být nulové.

Pro ideální aktivní odpor musí být také splněny následující podmínky:

1. Ohmův zákon je dodržen pro okamžité, efektivní a amplitudové parametry obvodu.
2. Hodnota je zcela nezávislá na kolísání amplitudy.
3. Mezi proudem a napětím není žádný fázový posun.
4. Prvek pod napětím uvolňuje část tepelné energie, to znamená, že se zahřívá.

Všechny tyto podmínky umožňují provoz elektrických zařízení v přesně definovaných parametrech s maximální účinností. Jakákoli změna může být způsobena nedostatkem spolehlivého kontaktního spojení nebo poruchou samotného spotřebitele.

Aby bylo možné vypočítat hodnotu aktivního odporu v obvodu, je nutné znát hodnotu napětí a proudu. Vzorec použitý pro výpočet je: R=U/I. Vzorec se skládá z následujících hodnot:

1. “R” – odpor, Ohm;
2. „U“ – hodnota napětí, volty;
3. „I“ je aktuální hodnota, ampér.

Poté můžete provést jednoduchý výpočet. Spotřebitelem je elektrická trouba připojená k obvodu jednofázového střídavého proudu:

1. Napětí obvodu je 240 voltů.
2. Při měření proudu byla získána hodnota 4 ampéry.
3. R= 240/4=60 Ohm.

Vypočtená hodnota odporu není konečnou hodnotou. Je ovlivněn především průřezem vodičů obsažených v obvodu a interakčním vzorem mezi obvody kapacitních a polovodičových prvků.

Aktivní hodnota obvodu také způsobuje trvalou ztrátu původní elektrické energie a vede také k poklesu výkonu.

Aktivní kapacita

V jednoduchém zapojení závisí velikost činné hodnoty také na činné kapacitě. Pro ideální kapacitu musí být v obvodu kondenzátor pod střídavým napětím. Ideální kondenzátor je označen písmenem “C”.

Pro získání ideálního obvodu s aktivní kapacitou musí být splněny následující podmínky:

1. Aktivní indukčnost a odpor musí být 0.
2. Kapacita samotného kondenzátoru v obvodu musí být větší než 0.

Za těchto podmínek získá elektrický obvod následující vlastnosti:

1. Ohmův zákon je dodržen bez sebemenší odchylky.
2. Pro střídavý proud je zde kapacita “X”.
3. S rostoucí frekvencí oscilací je pozorován nelineární pokles kapacity.
4. Mezi napětím a proudem je fázový posun až o 90 stupňů.
5. Kapacita obvodu není konstantní. Důvod spočívá v periodickém hromadění a uvolňování energie.

Obvod střídavého proudu s aktivní kapacitou může být doplněn indukčností. Pro vytvoření indukčnosti je k obvodu připojen induktor. Cívka také přidává svůj podíl odporu k celkovému obvodu. Při tomto zapojení se v obvodu objeví indukční reaktance. Oba prvky: cívka i kondenzátor nejsou konečnými spotřebiteli energie. Tyto prvky nejsou pod konstantním napětím, jejich práce je založena na akumulaci a uvolňování proudu do obvodu.

V přítomnosti aktivního odporu je výkon tohoto obvodu výrazně snížen. Tato hodnota závisí na rychlosti snižování napětí a přeměně elektrické energie. V elektrickém schématu je výkon označen písmenem „P“.

Aby bylo dosaženo minimálního snížení průměrných a okamžitých výkonů, které se tvoří v okamžiku výskytu aktivního odporu, snížení napětí a přeměny energie, je nutné, aby nejjednodušší obvody sestávaly z ideálních prvků s vysokou elektrickou vodivostí.

Závislost

Velikost aktivního odporu do značné míry závisí na průměru vodičů. Při použití vysokofrekvenčních proudů lze odpor vodiče snížit pouze tehdy, je-li jeho povrchová vrstva mnohem tenčí než hlavní. Aby bylo dosaženo ideálního průřezu, musí se tato vrstva skládat z materiálu s velmi vysokou vodivostí, jako je zlato nebo stříbro. K tomuto efektu dochází v důsledku interakce napětí a jím vytvořeného magnetického pole. Pole silně ovlivňuje proud protékající vodičem a vytlačuje jej do povrchové vrstvy. Tedy blíže k povrchu vodiče se vodivost snižuje a stává se kriticky malou v jeho horní vrstvě.

Dále jsou přítomny následující vlivy: ztráty svodem a dielektrické ztráty. Oba efekty jsou spojeny s přítomností kondenzátoru v obvodu. Dielektrické ztráty vznikají v důsledku zvýšení teploty dielektrika uvnitř kondenzátoru. Ztráta svodem nastává v důsledku zlomu izolátoru kondenzátoru.

Hystereze. Toto je také typ ztráty střídavého proudu. K této ztrátě dochází, když se kolem kovových předmětů vytvoří magnetické pole. Elektromagnetický vliv vede k zahřívání kovu, což znamená přeměnu energie.

Posledním faktorem úniku je radiová emise. Rádiové vlny se objevují v důsledku silného magnetického pole a jeho interakce s kovy obvodu. Pro potlačení, zejména v rádiových zařízeních, se používají clony, které část pole absorbují a zbytek odpuzují.

Měření

Měření odporu se provádí následujícími způsoby:

1. Voltmetr a ampérmetr. Pomocí těchto zařízení se měří hodnoty proudu a napětí a poté se provede výpočet pomocí výše popsaného vzorce.
2. Logometr. Jedná se o zařízení pro měření odporu pod vysokým napětím a vysokou frekvencí. Jeho hlavní výhodou je silná eliminace závislostí a chyb.
3. Ohmmetr. Zařízení se používá pouze pro měření typu zesilovače signálu. Při použití ohmmetru se počítá s vysokou chybou, která může dosáhnout 5 %. Běžné elektronické ohmmetry nejsou pro měření aktivního odporu vhodné.

Závěr

Aktivní odpor střídavého proudu je důležitou hodnotou. Umožňuje přesně vypočítat, kolik elektřiny je spotřebováno a jaké možné úniky jsou možné. V průmyslových sítích se tato hodnota používá pro výpočet podílu spotřeby v různých oblastech se spotřebiči různého výkonu.

Uvažujme nejprve speciální případ, kdy je generátor střídavého proudu uzavřen do vnějšího obvodu s odporem R a indukčností a kapacitou tak malou, že je lze zanedbat. Odpor rezistoru se nazývá aktivní, protože způsobuje nevratný přechod elektrické energie na vnitřní energii vodiče, který se zahřívá. Předpokládejme, že v obvodu je střídavý proud

a zjistěte, podle jakého zákona se mění napětí mezi konci vnějšího obvodu (obrázek 6.1).

Obrázek 6.1 Obrázek 6.2

Aplikujeme Ohmův zákon, máme

Napětí na koncích části obvodu se tedy také mění podle harmonického zákona a fázový rozdíl mezi kolísáním proudu a napětí je nulový. To znamená, že napětí a proud současně dosahují maximálních hodnot, současně se obrací k nule atd. (obrázek 6.2). Maximální hodnota napětí je rovna součinu amplitudy proudu a činného odporu části obvodu.

Harmonicky se měnící veličiny lze vizualizovat pomocí vektorových diagramů.

Osu diagramu zvolíme tak, aby vektor představující kolísání proudu směřoval podél této osy. V následujícím budeme tomu říkat aktuální osa. Vektor představující kolísání napětí bude směřovat podél osy proudu (obrázek 6.3). Protože fázový rozdíl mezi proudem a napětím je nulový, je délka tohoto vektoru rovna amplitudě napětí.

6.3 Kapacita ve střídavém obvodu

Předpokládejme nyní, že část obvodu obsahuje kondenzátor a odpor a indukčnost lze zanedbat. Pojďme zjistit, podle jakého zákona se v tomto případě změní napětí na koncích části obvodu. Domníváme se, že aktuální síla se mění podle zákona.

Napětí na kondenzátoru je

Proud lze zapsat množstvím náboje, který protéká průřezem vodiče a zvyšuje náboj kondenzátoru za určitou dobu

Poté lze integrací zjistit náboj kondenzátoru

Protože proud v obvodu se mění podle zákona

Integrační konstanta zde označuje libovolný konstantní náboj kondenzátoru, který není spojen s kolísáním proudu, a proto budeme klást. Proto, vezmeme-li v úvahu vzorec (6.4), můžeme psát pro napětí

Obrázek 6.4 Obrázek 6.5

Porovnání výrazů (6.7) a (6.9) ukazuje, že při harmonických kmitání proudu v obvodu se mění i napětí na kondenzátoru podle harmonického zákona, nicméně kmity napětí na kondenzátoru se fázově opožďují od kmitů proudu. podle

Změna proudu a napětí v čase je graficky znázorněna na obrázku 6.5.

Získaný výsledek má jednoduchý fyzikální význam. Napětí na kondenzátoru v libovolném okamžiku je určeno stávajícím nábojem na kondenzátoru. Ale tento náboj byl tvořen proudem, který předtím tekl v dřívější fázi oscilace. Proto kolísání napětí, stejně jako kolísání náboje, zaostává za kolísáním proudu. Takže například, když je v určitém okamžiku síla proudu nulová (obrázek 6.5), pak na deskách kondenzátoru je stále náboj přenesený proudem v předchozím časovém období a napětí není nulové. Pro otočení tohoto náboje na nulu je nutné, aby po dobu, která se mu rovná, prošel proud kladného směru. Když se však nabití kondenzátoru (a tedy i napětí) stane nulovým, proud již nebude nulový (obrázek 6.5) – nabude své maximální hodnoty.

Vzorec (6.9) ukazuje, že amplituda napětí na kondenzátoru je rovna

Porovnáním tohoto výrazu s Ohmovým zákonem pro úsek stejnosměrného obvodu vidíme, že množství

v závislosti na kapacitě kondenzátoru hraje roli odporu části obvodu. Proto dostal názevzdánlivý kapacitní odpor nebo kapacita. Kapacitní reaktance se rovná poměru amplitudy napětí přes kapacitu k amplitudě proudu v obvodu. V mezinárodní soustavě jednotek (SI) je kapacita vyjádřena v ohmech. . Kapacitní reaktance je rovna převrácené hodnotě součinu elektrické kapacity (v) a cyklické frekvence střídavého proudu (v).

Získané výsledky lze prezentovat ve formě vektorového diagramu (obrázek 6.6). Zde se vektor představující kolísání napětí již nekryje s osou proudu. Otočí se v záporném směru (ve směru hodinových ručiček) o úhel. Velikost tohoto vektoru je rovna amplitudě napětí.

Ze vzorce (6.11) je zřejmé, že odpor kapacity závisí také na frekvenci. Proto při velmi vysokých frekvencích mohou i malé kapacity klást velmi malý odpor střídavému proudu.