При резонансе напряжений мощность источника тока будет затрачиваться только на преодоление активного сопротивления цепи, т. е. на нагрев проводников.

Действительно, в цепи с одной катушкой индуктивности происходит колебание энергии, т. е. периодический переход энергии из генератора в магнитное поле катушки. В цепи с конденсатором происходит то же самое, но за счет энергии электрического поля конденсатора. В цепи же с конденсатором и катушкой индуктивности при резонансе напряжений (X_L = Х_С) энергия, раз запасенная цепью, периодически переходит из катушки в конденсатор и обратно и на долю источника тока выпадает только расход энергии, необходимый для преодоления активного сопротивления цепи. Таким образом, обмен энергии происходит между конденсатором и катушкой почти без участия генератора.

Стоит только нарушить резонанс напряжений, как энергия магнитного поля катушки станет не равной энергии электрического поля конденсатора, и в процессе обмена энергии между этими полями появится избыток энергии, который периодически будет то поступать из источника в цепь, то возвращаться ему обратно цепью.

Из равенства X_L = Х_С можно определить значения частоты генератора, при которой наступает явление резонанса напряжений:

Значение емкости и индуктивности цепи, при которых наступает резонанс напряжений:

L_рез = 1 / ω²С, С_рез = 1 / ω²L

Таким образом, изменяя любую из этих трех величин (f_рез, L и С), можно вызвать в цепи резонанс напряжений, т. е. превратить цепь в колебательный контур.

Пример полезного применения резонанса напряжений: входной контур приемника настраивается конденсатором переменной емкости таким образом, что в нем возникает резонанс напряжений. Этим достигается необходимое для нормальной работы приемника большое повышение напряжения на катушке по сравнению с напряжением в цепи, созданным антенной.

Наряду с полезным использованием явления резонанса напряжений в электротехнике технике часто бывают случаи, когда резонанс напряжений вреден. Большое повышение напряжения на отдельных участках цепи (на катушке или на конденсаторе) по сравнению с напряжением генератора может привести к порче отдельных деталей и измерительных приборов.

Резонанс токов.

Рассмотрим явления в цепи переменного тока, содержащей генератор, конденсатор и катушку индуктивности, соединенные параллельно.

В такой цепи напряжение на катушке, и на конденсаторе в любой момент времени равно напряжению, развиваемому генератором.

Общий ток складывается из токов в ветвях. Ток в индуктивной ветви отстает по фазе от напряжения на четверть периода, а ток в емкостной ветви опережает его на те же четверть периода. Поэтому токи в ветвях оказываются сдвинутыми по фазе один относительно другого на полупериода, т. е. находятся в противофазе.

Рассмотрим случай, когда у параллельно соединенных конденсатора и катушки оказались равными их реактивные сопротивления, т. е. X_L = X_C.

Если мы будем считать, что катушка и конденсатор не обладают активным сопротивлением, то общий ток в неразветвленной части цепи окажется равным нулю, тогда как в ветвях будут протекать равные токи наибольшей величины. В цепи в этом случае наступает явление резонанса токов.

При резонансе токов действующие значения токов в каждом разветвлении I_L = U / X_L и I_C = U / X_C будут равны между собой, так X_L = Х_C.

Генератор нагружен двумя сопротивлениями, а тока в неразветвленной части цепи нет, тогда как в самих сопротивлениях протекают равные и притом наибольшие по величине токи. Генератор, сообщив однажды энергию цепи, оказывается как бы изолированным. Его можно было бы совсем отключить, и ток в разветвленной части цепи поддерживался бы без генератора энергией, которую в самом начале запасла цепь. Напряжение на зажимах цепи оставалось бы точно таким, какое развивал генератор, но существуют потери.

Значения L, С и f, при которых наступает резонанс токов, определяются, как и при резонансе напряжений (если пренебречь активным сопротивлением контура), из равенства:

ωL = 1 / ωC

Следовательно:

fрез = 1 / 2π√LC

Lрез = 1 / ω²С

Срез = 1 / ω²L

Изменяя любую из этих трех величин, можно добиться равенства X_l = X_c, т. е. превратить цепь в колебательный контур.

Итак, мы получили замкнутый колебательный контур, в котором можно вызвать электрические колебания, т. е. переменный ток. И если бы не активное сопротивление, которым обладает всякий колебательный контур, в нем непрерывно мог бы существовать переменный ток. Наличие же активного сопротивления приводит к тому, что колебания в контуре постепенно затухают и, чтобы поддержать их, необходим источник энергии - генератор переменного тока.

Трехфазный ток.

Вырабатывается генератором трехфазного переменного тока. Он состоит из трех однофазных обмоток, которые называются фазами генератора, уложенных под 120° внутри полого барабана – статора. Ротор представляет собой электромагнит. Вращаясь при помощи какой-то сторонней силы, он пересекает своим магнитным полем витки статорных катушек и наводит в них ЭДС, сдвинутые на 120°. Так как ЭДС одинаковы по частоте и значению, то это система симметричная. В любой момент времени сумма всех ЭДС равна нулю.

Фазное напряжение – это напряжение между началом и концом фазы, или между нулевым и линейным проводом.

Линейное напряжение – это напряжение между линейными проводами.

Каждая фаза является однофазным источником питания. Для такого электроснабжения нужно 6 проводов.

Поэтому для передачи электроэнергии применяют следующие соединения обмоток статора: звезда с нулевым проводом, звезда и треугольник.

1. Соединение «Звезда с нулевым проводом».

При таком соединении концы обмоток XYZ соединяют в одну точку и из нее выводят нулевой провод. Это четырехпроводная система электроснабжения. Она применяется при несимметричной нагрузке. Потребители подключаются и на фазное и на линейное напряжение.

Между амплитудами или действующими значениями фазных и линейных напряжений существует соотношение

Uл = √3Uф ≈ 1,73Uф

Если фазное напряжение генератора Uф = 220 В, то линейное напряжение Uл=380 В.

Токи фазный и линейный равны.

2. Соединение «Звезда».

В случае равномерной нагрузки всех трех фаз генератора, т. е. при приблизительно одинаковых токах в каждой из них, ток в нулевом проводе равен нулю. Поэтому в этом случае можно нулевой провод упразднить и перейти к еще более экономной трехпроводной системе. Все нагрузки включаются при этом между соответствующими парами линейных проводов.

Параметры такие же как в предыдущем соединении.

1. Соединение «Треугольник».

Конец одной фазы соединяется с началом другой.

Фазные и линейные напряжения равны, ток линейный больше фазного в раз.

Соединение треугольником применяют только при одинаковой нагрузке фаз. Иначе ток в замкнутом контуре обмоток будет большим, что опасно для генератора.

Переключение обмоток генератора со звезды на треугольник приводит к снижению линейного напряжения в √3 ≈ 1,73 раза и повышению тока во столько же.