Векторное представление синусоидальных токов и напряжений

Как известно из математики, синусоидальная функция аргумента определя­ется как проекция радиуса единичной длины на ось ординат, если этот ра­диус поворачивается против часовой стрелки на радиан. Синусоидальному току соответствует непрерывное вращение радиуса длиной с угловой скоростью против часовой стрелки. Синусоида в координатной плоскости ( ) изображается (рис. 2.4) вращающимся вектором в декартовой системе ( ). Под углом , отсчитываемым от положительного направления оси абсцисс , строится вектор . Положительные начальные фазы при построении откладывают от оси против вращения часовой стрелки, отрицательные – по часовой стрелке. Проекция вектора на ось у в момент вре­мени = 0 равна мгновенному значению тока . Пусть, начиная с момента = 0, вектор вращается вокруг начала координат 0 с постоянной угловой скоростью в положительном направлении (про­тив движения часовой стрелки). К моменту времени вектор повернется относи­тельно оси на угол , и его проекция на ось будет равна мгно­венному значению функции . Таким образом, проекция вращающегося с угловой скоростью вектора на ось ординат в любой момент времени равна мгновен­ному значению синусоидальной функции в этот момент вре­мени.

Рис. 2.4

При представлении синусоидальной функции вращающимся вектором доста­точно изобразить его в координатах только в начальный момент вре­мени (рис. 2.5). Этот вектор представляет или отображает синусоиду, т.е. дает информацию о двух ее параметрах – амплитуде и начальной фазе . Векторы, изображающие синусоидальные функции, лишены физи­ческого содержания и имеют совсем другой смысл, чем векторы, определяющие модуль и направление физических величин в точке. Задача суммирования (вычитания) синусоид упрощается, если изобразить их векторами на плоскости, и сводится к операции сложения (вычита­ния) векторов, изображающих эти функции. В качестве примера рассмотрим сложение двух токов:

и .

На рис.2.5 токи и изображены в виде векто­ров на плоскости. Вектор, модуль которого равен , расположенный под углом к оси , является суммой этих векторов и изображает суммарную синусоиду

.

При расчетах электрических цепей синусоидального тока обычно оперируют не мгновенными, а дейст­вующими значениями токов и ЭДС. Поэтому складывают не векторы амплитуд, а век­торы действующих значений.

2.2. Резистор, индуктивная катушка и конденсатор в цепи
синусоидального тока

Составными элементами цепей синусоидального тока являются резистор, индуктивная катушка и конденсатор. Для упрощения исследования процессов в реальной электрической цепи переменного тока эту цепь, как и цепь постоянного тока, представляют схемой замещения, составленной из этих элементов. Эле­менты цепи переменного тока, в которых энергия выделяется в виде теплоты, на­зываютсяактивными. Элементы цепи, в которых периодически запасается энер­гия в электрическом или магнитном поле, называются реактивными, а сопротив­ления, оказываемые ими переменному току – реактивными сопротивлениями. Реактивные сопротивления имеют катушки и конденсаторы.

Рассмотрим соотношения между токами и напряжениями в простейших цепях.