В статьях «Конденсатор, резистор, осциллограф» и «Индуктивность, резистор, осциллограф» были рассмотрены изменения токов и напряжений при подключения перечисленных устройств к источникам постоянного напряжения. Эти процессы носят обобщенное название «переходные электромагнитные процессы». В разделе «теоретические основы электротехники» этим явлениям уделяется большое внимание и рассматриваются они очень подробно. В этой статье предлагается определить, как и когда электрическая энергия перетекает от источника в конденсатор и в индуктивность, а также куда расходуется при отключении схемы от источника питания.
Вернемся к первой схеме подключения конденсатора через резистор к источнику напряжения.
График тока через резистор представляет падающую экспоненту. От источника в схему поступает мощность, определяемая по формуле
На резисторе выделяется тепловая энергия с мощностью
Отсюда можно сделать вывод, что до тех пор, пока напряжение на конденсаторе меньше E и ток в цепи не равен нулю, мощность, рассеиваемая на резисторе меньше мощности, отдаваемой источником. Разность этих мощностей даст величину энергии, накапливаемой в конденсаторе в каждый момент времени. Как видим, энергия в конденсаторе получена от источника, причем на ее получение потребовалось некоторое время.
Здесь проявляются основные законы физики:
1. Энергия не появляется из ничего и не исчезает бесследно.
2. Никакая работа или преобразование энергии не может быть выполнена мгновенно.
Интегрируя по времени произведение тока цепи на напряжение на конденсаторе можно получить полную энергию, накопленную в конденсаторе
Если конденсатор с малыми токами утечки и вся схема собрана без паразитных проводимостей, энергия в конденсаторе может храниться довольно долго. Радиолюбители, которые собирали свои первые схемы на электронных лампах, помнят, как бьют не разряженные электролитические конденсаторы. А знатоки релейной защиты знают, что конденсаторы используются для работы аппаратуры при пропадании напряжения на шинах основного питания РЗА.
Теперь рассмотрим, как распределяется энергия при подключении индуктивности.
Индуктивность накапливает энергию в магнитном поле, напряженность которого пропорциональна силе тока, протекающего через индуктивность.
Мощность, отдаваемая источником
Напряжение источника делится между напряжением на резисторе и напряжением на индуктивности
В этой же пропорции делится и мощность, то есть до тех пор, пока напряжение на индуктивности больше нуля, часть энергии источника накапливается в магнитном поле катушки. Это еще раз доказывает, что энергия магнитного поля не появляется из ничего, а является частью энергии, отданной источником.
Здесь уместно вспомнить простейший эксперимент. Возьмем пустотелую катушку и включим ее в приведенную выше схему. Через некоторое время ток и магнитное поле катушки достигнут максимума. Если в это время вводить в катушку ферромагнитный стержень и контролировать ток, то мы заметим, что во время ввода стержня ток уменьшается, а затем восстанавливается до прежнего значения. Происходит это потому, что индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником намного больше, чем катушки с воздухом, следовательно необходимо собрать большее количество энергии для создания более мощного поля, поэтому индуктивность «отбирает» часть напряжения на себя, а резистор ограничивает ток, что и наблюдается на амперметре. Энергия в катушке с сердечником также не появляется из ничего, а накапливается из источника питания.
При извлечении сердечника, то есть уменьшении индуктивности катушки, «лишняя» энергия освобождается и напряжение на катушке становиться отрицательным, то есть «помогает» источнику проталкивать ток через резистор. И это логично, ведь при вводе сердечника, происходил отбор энергии источника, зато при выводе эта энергия складывается с энергией источника.
Магнитное поле без тока существовать не может, поэтому, как только происходит уменьшение тока, возникает ЭДС, способная пробить межвитковую изоляцию в катушке и энергия очень быстро выделится, сжигая часть катушки. Но чаще энергия выделятся в виде искры на разрывающем цепь контакте.
В заключении повторю третий раз:
Энергия не появляется из ничего и не исчезает бесследно.
Этот закон не нуждается в костылях Умова и подпорках Пойнтинга. Он сам является краеугольным камнем, на котором строится здание знаний об окружающей природе.
Спасибо, что дочитали статью до конца.