Реактивні опори

Реактивними називають індуктивний опір котушки і ємкісний опір конденсатора.
З індуктивним опором ми знайомі. Щоб зрозуміти, що таке ємкісне опір, виконаємо досвід. Встановимо на генераторі змінну напругу u = 40 В і приєднаємо до нього конденсатор ємністю С = 250 мкф. Після включення генератора амперметр покаже, що в ланцюзі з’явився струм: i = 0.5 А. Значить, конденсатор проводить змінний струм, надаючи йому певний опір. Позначимо його XC. За законом Ома i = u / XC, звідки: XC = u / i ((44.1). Підставляючи дані вимірювання в (44.1), отримаємо: XC = 40 / 0.5 = 80 Ом. Величину XC називають ємнісним опором.
Результат може здатися дивним, адже конденсатор не повинен пропускати струм. Правда, раніше йшлося про постійному струмі. Значить, змінний струм створює в конденсаторі щось таке, що сприймається як опір XC. Досліди показують, що ємнісний опір обернено пропорційно ємності і частоті: XC = 1 / ωC (44.2). Щоб зрозуміти природу ємнісного опору, спробуємо з’ясувати, що відбувається, коли конденсатор включають в ланцюг змінного струму.
У першу чверть періоду генератор направляє електрони в конденсатор і в ланцюзі спостерігається прямий струм. Це ток зарядки. У другій чверті напруга генератора починає зменшуватися (падати). Так як напруга на зарядженому конденсаторі тепер більше падаючого напруги генератора, в ланцюзі відразу виникає зворотний струм. Зауважимо, якщо в ланцюзі було б тільки активний опір, зворотний струм з’явився тільки б у третій чверті. Значить, в ланцюзі з конденсатором струм випереджає напругу на чверть періоду. Нагадаємо, в ланцюзі з індуктивним опором струм відставав від напруги.
Що буде, якщо до генератора підключити включити котушку, конденсатор, а потім плавно змінювати частоту? В даному випадку опір навантаження дорівнює сумі трьох опорів: Z = R + XL-Xc. На певній частоті опору XL і Xc повинні зрівнятися і компенсувати один одного. Досвід показує, що це дійсно так. Можна підібрати частоту резонансу ω = ωR таку, що ωRL = 1 / ωRC (44.3). Звідси випливає, що ωR2 = 1 / LC (44.4). На частоті ω = ωR струм досягає максимуму: i = u / R. Формула (44.4) відіграє важливу роль в радіотехніці.
З дослідів випливає, що реактивний опір не є опором в прямому сенсі, адже активні опори при складанні не знищують один одного. Згадаймо, активний опір виникає тому, що електрони налітають на кристалічну решітку провідника і віддають їй свою енергію, яка перетворюється на теплові коливання. Це безповоротні втрати енергії. Реактивний опір створюється швидкозмінних полем зовнішнього генератора. У котушці індуктивності поле генератора зміщує електрони до поверхні обмотки, створюючи напругу самоіндукції, що зменшує струм. У конденсаторі поле генератора деформує структуру діелектрика між обкладинками конденсатора.
Зауважимо, заряджений конденсатор сам стає джерелом напруги, коли повертає енергію в ланцюг генератора. Це означає, з конденсатора не зробити кип’ятильник, так як в конденсаторі енергія поля не перетворюється на тепло. Фактично, реактивний опір є реакція зв’язків усередині речовини, яка призводить до підвищення внутрішньої потенційної енергії. При цьому надлишкова енергія, запасена в зв’язках, як в пружинах, повертається в генератор після зняття зовнішнього поля. Нас не повинно бентежити, що деформація речовини характеризується в Омасі. Наприклад, якщо одиницю ємності фараду перевести в природні величини, вийде, що ємність вимірюється в метрах: розмірність [С] = [L]. Все залежить від вибору системи вимірювань, а це справа смаку.
Можливо існування реактивних опорів в інших структурах, наприклад, реактивний опір електроліту змінному струму протонів. Зважаючи великої маси протона цей ефект повинен бути слабо виражений і практичне значення мати навряд чи зможе, навіть якщо буде виявлений.

Посилання на основну публікацію