Разглядим цепь, содержащую внутри себя катушку индуктивности, и представим, что активное сопротивление цепи, включая провод катушки, так не достаточно, что им можно пренебречь. В данном случае подключение катушки к источнику неизменного тока вызвало бы его куцее замыкание, при котором, как понятно, сила тока в цепи оказалась бы очень большой.

По другому обстоит дело, когда катушка присоединена к источнику переменного тока. Недлинного замыкания в данном случае не происходит. Это гласит о том. что катушка индуктивности оказывает сопротивление проходящему по ней переменному току.

Каковой нрав этого сопротивления и чем оно обусловливается?

Чтоб ответить ил этот вопрос, вспомним явление самоиндукции. Всякое изменение тока в катушке вызывает возникновение в ней ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению тока. Величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна величине индуктивности катушки и скорости конфигурации тока в ней. Но потому что переменный ток безпрерывно меняется, то безпрерывно возникающая в катушке ЭДС самоиндукции делает сопротивление переменному току.

Для уяснения процессов, происходящих в цепи переменного тока с катушкой индуктивности, обратимся к графику. На рисунке 1 построены кривые полосы, характеризующие соответственно тик в цепи, напряжение на катушке и возникающую в ней ЭДС самоиндукции. Убедимся в корректности сделанных па рисунке построений.

Цепь переменного тока с катушкой индуктивности

С момента t = 0, т. е. с исходного момента наблюдения за током, он начал стремительно возрастать, но по мере приближения к собственному наибольшему значению скорость нарастания тока уменьшалась. В момент, когда ток достигнул наибольшей величины, скорость его конфигурации на мгновение стала равной нулю, т. е. закончилось изменение тока. Потом ток начал поначалу медлительно, а позже стремительно убывать и по истечении 2-ой четверти периода уменьшился до нуля. Скорость же конфигурации тока за эту четверть периода, возрастая от пуля, достигнула большей величины тогда, когда ток станет равным нулю.

Набросок 2. Нрав конфигураций тока во времени зависимо от величины тока

Из построений на рисунке 2 видно, что при переходе кривой тока через ось времени повышение тока за маленький отрезок времени t больше, чем за тот же отрезок времени, когда кривая тока добивается собственной верхушки.

Как следует, скорость конфигурации тока миниатюризируется по мере роста тока и возрастает по мере его уменьшения, независимо от направления тока в цепи.

Разумеется, и ЭДС самоиндукции в катушке должна быть большей тогда, когда скорость конфигурации тока большая, и уменьшаться до нуля, когда прекращается его изменение. Вправду, на графике кривая ЭДС самоиндукции e_L за первую четверть периода, начиная от наибольшего значения, свалилась до нуля (см. рис. 1).

В протяжении последующей четверти периода ток от наибольшего значения уменьшался до нуля, но скорость его конфигурации равномерно росла и была большей в момент, когда ток стал равным нулю. Соответственно и ЭДС самоиндукции за время этой четверти периода, появившись вновь в катушке, равномерно росла и оказалась наибольшей к моменту, когда ток стал равным нулю.

Но направление свое ЭДС самоиндукции изменила на оборотное, потому что возрастание тока в первой четверти периода сменилось во 2-ой четверти его убыванием.

Продолжив далее построение кривой ЭДС самоиндукции, мы убеждаемся в том, что за период конфигурации тока в катушке и ЭДС самоиндукции совершит в ней полный период собственного конфигурации. Направление ее определяется законом Ленца: при возрастании тока ЭДС самоиндукции будет ориентирована против тока (1-ая и 3-я четверти периода), а при убывании тока, напротив, совпадать с ним по направлению (2-ая и 4-ая четверти периода).

Таким макаром, ЭДС самоиндукции, вызываемая самим переменным током, препятствует его возрастанию и, напротив, поддерживает его при убывании.

Обратимся сейчас к графику напряжения на катушке (см. рис. 1). На этом графике синусоида напряжения на зажимах катушки изображена равной и обратной синусоиде ЭДС самоиндукции. Как следует, напряжение на зажимах катушки в хоть какой момент времени равно и обратно ЭДС самоиндукции, возникающей в ней. Напряжение это создается генератором переменного тока и идет на то, чтоб погасить действие в цепи ЭДС самоиндукции.

Таким макаром, в катушке индуктивности, включенной в цепь переменного тока, создается сопротивление прохождению тока. Но потому что такое сопротивление вызывается в конечном счете индуктивностью катушки, то и именуется оно индуктивным сопротивлением.

Индуктивное сопротивление обозначается через X_L и измеряется, как и активное сопротивление, в омах.

Индуктивное сопротивление цепи тем больше, чем больше частота источника тока, питающего цепь, и чем больше индуктивность цепи. Как следует, индуктивное сопротивление цепи прямо пропорционально частоте тока и индуктивности цепи; определяется оно по формуле XL = ωL, где ω — радиальная частота, определяемая произведением 2πf. — индуктивность цепи в гн.

Закон Ома для цепи переменного тока, содержащей индуктивное сопротивление, звучит так: величина тока прямо пропорциональна напряжению и назад пропорциональна индуктивному сопротивлению цепи, т. е. I = U / X_L, где I и U — действующие значения тока и напряжения, а X_L— индуктивное сопротивление цепи.

Рассматривая графики конфигурации тока в катушке. ЭДС самоиндукции и напряжения на ее зажимах, мы направили внимание на то, что изменение этих величин не совпадает по времени. По другому говоря, синусоиды тока, напряжения и ЭДС самоиндукции оказались для рассматриваемой нами цепи сдвинутыми по времени одна относительно другой. В технике переменных токов такое явление принято именовать сдвигом фаз.

Если же две переменные величины меняются по одному и тому же закону (в нашем случае по синусоидальному) с схожими периодами, сразу добиваются собственного наибольшего значения как в прямом, так и в оборотном направлении, также сразу уменьшаются до нуля, то такие переменные величины имеют однообразные фазы либо, как молвят, совпадают по фазе.

В качестве примера на рисунке 3 приведены совпадающие по фазе кривые конфигурации тока и напряжения. Такое совпадение фаз мы всегда смотрим в цепи переменного тока, состоящей только из активного сопротивления.

В этом случае, когда цепь содержит индуктивное сопротивление, фазы тока и напряжения, как это видно из рис. 1 не совпадают, т. е. имеется сдвиг фаз меж этими переменными величинами. Кривая тока в данном случае вроде бы отстает от кривой напряжения на четверть периода.

Как следует, при включении катушки индуктивности в цепь переменного тока в цепи возникает сдвиг фаз меж током и напряжением, при этом ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода. Это означает, что максимум тока наступает через четверть периода после того, как наступил максимум напряжения.

ЭДС же самоиндукции находится в противофазе с напряжением на катушке, отставая, в свою очередь, от тока на четверть периода. При всем этом период конфигурации тока, напряжения, также и ЭДС самоиндукции не изменяется и остается равным периоду конфигурации напряжения генератора, питающего цепь. Сохраняется также и синусоидальный нрав конфигурации этих величин.

Набросок 3. Совпадение по фазе тока и напряжения в цепи с активным сопротивлением

Выясним сейчас, каково отличие нагрузки генератора переменного тока активным сопротивлением от нагрузки его индуктивным сопротивлением.

Когда цепь переменного тока содержит внутри себя только одно активное сопротивление, то энергия источника тока поглощается в активном сопротивлении, нагревая проводник.

Когда же цепь не содержит активного сопротивления (мы условно считаем его равным нулю), а состоит только из индуктивного сопротивления катушки, энергия источника тока расходуется не на нагрев проводов, а лишь на создание ЭДС самоиндукции, т. е. она преобразуется в энергию магнитного поля. Но переменный ток безпрерывно меняется как по величине, так и по направлению, а как следует, и магнитное поле катушки безпрерывно меняется в такт с конфигурацией тока. В первую четверть периода, когда ток растет, цепь получает энергию от источника тока и припасает ее в магнитном поле катушки. Но как ток, достигнув собственного максимума, начинает убывать, он поддерживается за счет энергии, запасенной в магнитном поле катушки средством ЭДС самоиндукции.

Таким макаром, источник тока, отдав в течение первой четверти периода часть собственной энергии в цепь, в течение 2-ой четверти получает ее назад от катушки, выполняющей приэтом роль типичного источника тока. По другому говоря, цепь переменного тока, содержащая только индуктивное сопротивление, не потребляет энергии: в этом случае происходит колебание энергии меж источником и цепью. Активное же сопротивление, напротив, поглощает внутри себя всю энергию, сообщенную ему источником тока.

Молвят, что катушка индуктивности, в противоположность омическому сопротивлению, не активна по отношению к источнику переменного тока, т. е. реактивна. Потому индуктивное сопротивление катушки именуют также реактивным сопротивлением.