Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

И обычное сопротивление (R), и индуктивное сопротивление (XL) влияют на силу тока, создающуюся в цепи переменного тока при заданной разности потенциалов; вместе они создают полное сопротивление (импеданс) — Z Однако оно вычисляется не простым прибавлением индуктивного сопротивления к обычному, а по следующей формуле:

Z = √(R2 + XL2). (Уравнение 13.4)

В цепи с переменным током именно импеданс играет ту же роль, что и обычное сопротивление в цепи с постоянным током. Другими словами, эквивалентом закона Ома для цепи с переменным током будет IZ = E, или I I = EZ, или Z = I/E.

Конденсаторы производят сопротивление несколько по-другому. Конденсатор в цепи постоянного тока играет роль воздушной пробки и при нормальных разностях потенциалов не дает току протекать. В цепи же с переменным током, однако, конденсатор не препятствует течению тока. Точнее, через воздушную пробку ток не движется, но он поочередно скапливает электроны сначала в одной пластине конденсатора, затем — в другой. Перемещаясь туда-обратно из одной пластины в другую, ток проходит через прибор, скажем электрическую лам» почку, — и та начинает светиться. Нить накала реагирует на прохождение по ней тока, а вовсе не на то, что где-то, может быть, есть другой участок цепи, по которой ток не движется.

Чем больше емкость конденсатора, тем сильнее мечущийся туда-сюда ток, потому что тем больше накапливающийся то в одной, то в другой пластине заряд. Можно объяснить это и по-другому: чем больше емкость конденсатора, тем меньше противодействие току, поскольку для электронов имеется больше места в пластине, и, следовательно, меньшим является взаимное отталкивание отрицательных зарядов, противодействующее току.

Это противодействие непрерывному току называется емкостным сопротивлением (XC), и оно обратно пропорционально емкости (C) конденсатора. Емкостное сопротивление также обратно пропорционально частоте тока (f), поскольку чем быстрее ток меняет направление, тем менее вероятно, что та или иная пластина конденсатора переполнится электронами в течение половины цикла, и тем меньше взаимное отталкивание отрицательных зарядов, противодействующее току. (Другими словами, повышение частоты уменьшает емкостное сопротивление, хотя и повышает сопротивление индуктивное.) Обратное отношение можно выразить следующим образом:

XC = 1/2πfC. (Уравнение 13.5)

Емкость (C) измеряется в фарадах, то есть в кулонах на вольт, или в ампер-секундах на вольт. Поскольку размерность частоты (f) — обратные секунды, то размерность 2πfC — ампер-секунды на вольты на секунды, то есть амперы на вольты. Размерность емкостного сопротивления (ХC) обратна этой, то есть вольты на амперы, или омы. Таким образом, ясно, что емкостное сопротивление, как и индуктивное, является формой общего сопротивления в цепи.

И емкостное сопротивление, и индуктивное сопротивление уменьшают силу тока в цепи с переменным током при заданной разности потенциалов, если присутствуют в ней поодиночке. Однако делают они это противоположным образом.

В простейшем случае сила тока и разность потенциалов переменного тока обе увеличиваются и уменьшаются по синусоиде. Нулю они равняются одновременно; одновременно же одна из них достигает максимума, а вторая — минимума. Индуктивное же сопротивление, однако, приводит к тому, что сила тока начинает «запаздывать», достигая своего максимума (или минимума, или нуля) только через какое-то время после того, как его достигла разность потенциалов. С другой стороны, емкостное сопротивление приводит к тому, что сила тока начинает «спешить», увеличиваясь и падая на какое-то время раньше, чем разность потенциалов. В любом случае сила тока и разность потенциалов теряют синхронность, и энергия теряется.

Поэтому, если в цепи присутствуют и емкостное, и индуктивное сопротивления, действие одного оказывается противоположным действию другого. «Ускорение» емкостного сопротивления накладывается на «запаздывание» сопротивления индуктивного. Общее сопротивление в этом случае будет выражаться так:

Z = √(R2 + (XL – XC)2). (Уравнение 13.6)

Если цепь составлена таким образом, что емкостное сопротивление равно индуктивному сопротивлению, XL – XC = 0 и Z = √R2 = R. Общее сопротивление цепи с переменным током в этом случае не больше, чем обычное сопротивление аналогичной цепи с постоянным током. Такая цепь носит название «резонансный контур». Обратите внимание, что импеданс никогда не может быть меньше сопротивления. Если емкостное сопротивление больше, чем индуктивное, то XL – Хс является отрицательной величиной, но его квадрат — величина положительная, и если взять квадратный корень от суммы, то окончательное значение Z будет больше, чем R.

Это только самое начало усложнений, которые привносит в электрические цепи переменный ток. Большую часть полного знания о цепях переменного тока получил в начале XX века немецко-американский инженер-электрик Чарльз Протеус Штайнмец (1865–1923), и только после этого стало возможным широкое использование переменного тока.

Трансформаторы

Еще до того как Штайнмец рационализировал использование переменного тока, и несмотря на огромные трудности, которые стояли на пути электриков в отсутствие этих знаний, а также несмотря на огромное сопротивление таких людей, как, например, Эдисон и Кельвин, борьба за применение переменного тока была выиграна. Причиной тому стало соображение, что переменный ток намного превосходил постоянный в отношении передачи его на большие расстояния.

Мощность электрического тока измеряется в ваттах и равняется разности потенциалов (в вольтах), умноженной на амперы силы тока. (Строго говоря, это так только в отсутствие сопротивления. Если присутствует индуктивное сопротивление, то мощность уменьшается на специальный фактор мощности. Однако это уменьшение можно сократить или вообще устранить путем введения соответствующего емкостного сопротивления, поэтому нас этот вопрос беспокоить не должен.)

Это означает, что ток одной и той же мощности может порождаться различными сочетаниями вольтов и амперов. Например, через некое устройство может пропускаться I ампер при 120 вольтах, или 2 ампера при 60 вольтах, или 5 ампер при 24 вольтах, или 12 ампер при 10 вольтах. Мощность во всех случаях будет одной и той же — 120 ватт.

В некоторых случаях выгоднее, чтобы ток заданной мощности появлялся при большом количестве вольт и малом — ампер, в других — наоборот. В последнем случае низкая разность потенциалов уменьшает риск пробоя изоляции или получения короткого замыкания.

И остается уже упомянутая проблема передачи электроэнергии на большие расстояния. Большая часть преимуществ использования электроэнергии была бы потеряна, если бы ее можно было использовать только поблизости от генератора.

Поскольку если ток посылать по проводам на далекие расстояния, то на нагрев проводов уйдет столько энергии, что либо до адресата дойдет ее слишком мало, либо потери придется сокращать за счет утолщения проводов до такой степени, что они станут слишком дорогими.