Струм зміщення.Четверте рівняння максвелла
фіз. величина, що характеризує магнітну дію змінного електричного поля. Ця дія полягає в тому, що електр. поле зумовлює виникнення відповідного йому вихрового магнітного поля (див. Максвелла рівняння). Повний С. з. складається з двох фізично відмінних частин:
а) вакуумного С. з., що пов'язаний з швидкістю зміни напруженості поля електричного у вакуумі і не зумовлений рухом електричних зарядів (цей С. з. не супроводиться виділенням джоулевої теплоти);
б) поляризаційного С. з. в діелектриках, що зумовлений зміщенням пов'язаних електр. зарядів у речовині (він супроводиться виділенням джоулевої теплоти). Поняття "струм зміщення" запровадив Дж. К. Максвелл.
Резонанс в колах змінного струму
У колах змінного струму спостерігається резонанс. Резонанс спостерігається в тому разі, коли частота власних коливань системи збігається з частотою зовнішньої сили.
Під'єднаємо до джерела змінного струму резистор з активним опором R, конденсатор з ємнісним опором ХС та котушку індуктивності з індуктивним опором ХL (рис.5.2.9). Таке коло можна розглядати як своєрідний коливальний контур, який має власну частоту коливань. Якщо частота прикладеної змінної напруги збігається із власною частотою контуру, то в колі виникає резонанс - явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань струму у разі збігу частоти зовнішньої змінної напруги із власною частотою коливального контуру. При цьому контур протягом всього періоду буде використовувати енергію від джерела, нічого не повертаючи йому. Це призведе до різкого збільшення струму і напруги.
Умову резонансу легко отримати із закону Ома для змінного струму (5.2.6). Очевидно, що струм досягне свого найбільшого значення (рис.5.2.10) тоді, коли знаменник у виразі (5.2.6) буде найменшим, тобто за такої умови (умова резонансу):
.
Як видно з рівняння (5.2.6), якщо R Ю 0, резонансне значення струму може зростати без обмежень і, навпаки, зі збільшенням активного опору Imax зменшується, тому явище резонансу в цьому разі немає сенсу (R1 < R2 < R3, див.рис.5.2.10).
.
Явище електричного резонансу широко застосовують для здійснення радіозв'язку. За допомогою явища резонансу можна виділити окрему радіостанцію чи телецентр. Але якщо коло не розраховане на роботу в умовах резонансу, то великий струм і напруга можуть призвести до аварії.
Для створення коливань високої частоти, потрібних для радіозв'язку, стали необхідними системи, в яких генеруються незагасальні коливання за рахунок надходження енергії від джерела всередині системи; таку систему називають автоколивальною. А незагасальні коливання, які існують в системі без впливу на неї зовнішніх періодичних сил, називають автоколиваннями.
Прикладом автоколивальної системи є генератор на транзисторі. До її складу входять (рис.5.2.11):
1) - контур, який задає коливання, від індуктивності і ємності якого і буде залежати частота змінного струму генератора;
2) - джерело струму;
3) - транзистор із котушкою зворотного зв'язку.
.
Після замикання ключа К конденсатор ємністю С швидко заряджається від джерела струму і в коливальному контурі виникають вільні електромагнітні коливання. У змінному магнітному полі коливального контуру знаходиться котушка зворотного зв'язку Lзв, в якій також виникає ЕРС індукції, прикладена між емітером і базою транзистора. За такого з'єднання більшу частину періоду транзистор закритий, батарея відімкнена від контуру, в якому відбуваються вільні електромагнітні коливання. І лише двічі за період транзистор на дуже короткий час відкривається і підключає контур до батареї. За цей короткий час і відбувається накопичення енергії, втраченої контуром, і тому коливання не загасають.
Автоколивання відбуваються не лише в електричних системах, але і в механічних (наприклад, годинники з маятниками, органні труби, серце і легені людини).
За допомогою електромагнітних автоколивальних систем можна отримувати змінні струми із значеннями частот n0 до 1011 Гц, а у разі використання спеціальних конструкцій - ще з вищою частотою.
РЕЗОНАНС НАПРУГ
Резонанс напруг можливий у нерозгалуженій ділянці ланцюга, схема якого містить індуктивний L, ємнісний С и резистивный R елементи, тобто в послідовному коливальному контурі. Назва "резонанс напруг" відбиває рівність діючих значень напруг на ємнісному й індуктивному елементах при протилежних фазах, на якій обрана початкова фаза напруги. Величина має розмірність Ом і називається характеристичним опором коливального контуру. Відношення напруги на індуктивному або ємнісному елементах при резонансі до напруги U між висновками контуру, рівна відношенню характеристичного опору до опору резистивного елемента, визначає резонансні властивості коливального контуру й називається добротністю контуру Якщо при резонансі збільшити в однакове число раз індуктивний і ємнісний опори, то струм у ланцюзі не зміниться, а напруги на індуктивному і ємнісному елементах збільшаться в таке ж число раз. Можна необмежено збільшувати напруги на індуктивному і ємнісному елементах при незмінному струмі джерела. Фізичною причиною цього є коливання значної енергії, що запасається поперемінно в електричному полі ємнісного й у магнітному полі індуктивного елементів. При резонансі напруг малі кількості енергії, що надходить від джерела й втрати, що компенсує, енергії в активному опорі, достатні для підтримки незатухаючих коливань у ланцюзі щодо більших кількостей енергії магнітного й електричного полів. В електроенергетичних установках резонанс напруг - явище небажане, тому що при цьому напруги установок можуть у кілька разів перевищувати їхні робочі напруги. Але, наприклад, у радіотехніку, телефонії, автоматиці резонанс напруг застосовується для настроювання ланцюгів на задану частоту
Електричне коло з паралельною сполукою галузей. Розглянемо ланцюг синусоїдального струму із двома паралельно включеними котушками. Кожну котушку представимо схемою заміщення у вигляді послідовно з'єднаних резистивного й індуктивного елементів. Побудуємо векторну діаграму ланцюга. Відкладемо вектор напруги, загальний для обох галузей, в обраному масштабі уздовж осі дійсних чисел. Оскільки обидві галузі мають індуктивний характер, вектори струмів в обох галузях відстають від напруги по фазі на кути відповідно. Склавши вектори, одержимо вектор загального струму ланцюга. Назва "резонанс струмів" відбиває рівність діючих значень струмів в індуктивному і ємнісному елементах: при протилежних фазах, на якій обрана початкова фаза напруги. Якщо при резонансі струмів в однакове число раз зменшувати індуктивний і ємнісний опори, то струми збільшаться в таке ж число раз. Можна необмежено збільшувати ці струми при незмінному струмі джерела. Резонанс струмів на відміну від резонансу напруг - явище безпечне для електроенергетичних установок. Резонанс струмів, як і резонанс напруг, використовується в радіотехнічні пристроях Енергетичні процеси в резистивном, індуктивному і ємнісному елементах. Резистивный елемент. Миттєва потужність позитивна при наростанні за абсолютним значенням струму в індуктивному елементі (незалежно від напрямку струму); у цей час енергія накопичується в магнітному полі індуктивного елемента. Протягом наступної чверті періоду миттєва потужність pL негативна, тобто індуктивний елемент не одержує енергію від джерела, а, навпаки, джерело одержує енергію від індуктивного елемента. Середнє за період значення потужності індуктивного елемента дорівнює нулю. Синусоїдальний струм в індуктивному елементі не робить роботи. Тому на відміну від резистивного елемента енергетичний режим індуктивного елемента прийнято визначати не активної, а реактивною індуктивною потужністю, рівної максимальному позитивному значенню миттєвої потужності. У ємнісному елементі, так само як і в індуктивному, миттєва потужність - синусоїдальна величина, частота якої вдвічі більше частоти струму. У ємнісному елементі миттєва потужність позитивна (негативна) в інтервали часу, протягом яких напруга зростає (убуває) за абсолютним значенням.