8. Мощность Р, потребляемая каким-либо участком электрической цепи (8, а), в равной степени зависит и от тока I и от напряжения U на этом участке (8, б). Чем больше напряжение, тем большую работу выполняет каждый движущийся заряд; чем больше ток, тем более массовый характер носит движение зарядов, большее число «работников» проходит по проводнику в единицу времени. Все это говорит о том, что одну и ту же мощность можно получить при большом токе и малом напряжении или, наоборот, при большом напряжении и малом токе (8, д). Подставляя в формулу мощности выражения для I или U, взятые из закона Ома для участка цепи (5, д, е), получаем удобные расчетные формулы (8, в, г).

Табл. 8, е аналогично табл. 4, д дает комплекты единиц для расчетов мощности.

9. Взглянув на графики 9, б и в, вы, очевидно, сразу поняли, что мы начинаем новую главу воспоминаний. Ее можно было бы назвать: «Что нужно постоянно помнить о переменном токе». На графиках показан синусоидальный переменный ток и такое же напряжение. Практически мы будем почти всегда иметь дело с переменными токами сложной формы.

Эффективным называют такое значение тока или напряжения, которое говорит о его способности выполнять работу в среднем за весь период. Ясно, что эффективное значение меньше амплитудного: ведь амплитуда — это довольно редкое явление, своего рода трудовой рекорд. Когда приводят данные генератора или потребителя электроэнергии, одним словом, почти всегда, когда говорят о переменном напряжении, токе или мощности, имеют в виду только их эффективные значения U_эф, P_эф и I_эф, которые для синусоидального тока легко перевести в амплитудные (9, г, д, е, ж, з). Монополия эффективных значений настолько укрепилась, что индекс «эф» теперь почти никогда не ставят. И если возле букв U, I, Р нет индекса «эф», значит речь идет об эффективном значении.

Для переменного тока действительны те же соотношения между э.д.с., сопротивлением, напряжением, током и мощностью, которые были приведены для постоянного тока (рис. 30, 4, 5, 6, 7, 8). Однако эти соотношения действительны только для цепей, которые состоят из активных сопротивлений. Как только в цепи появляется так называемый реактивный элемент, например конденсатор или катушка, все электротехнические законы и правила приобретают уже совсем другой вид.

10. Постоянного тока конденсатор не пропускает — между его обкладками находится слой изолятора. Но когда конденсатор заряжается (10, а) и разряжается (10, в), в его цепи все-таки возникает кратковременный ток — заряды двигаются на обкладки или уходят с них. Под действием переменного напряжения циклы заряд-разряд происходят непрерывно, и в цепи конденсатора протекает переменный ток (10, г). Естественно, что величина тока зависит от напряжения: чем больше U_с, тем больше I_с. Кроме того, ток возрастает с увеличением частоты: чем больше f, тем чаще двигаются заряды «туда-обратно» и тем опять-таки больше I_с. Наконец, есть еще один способ увеличить ток: нужно взять конденсатор большей емкости. Чем больше емкость С, тем большее число зарядов накапливается на обкладках, тем интенсивнее их движение во время заряда и разряда. Учитывая все это, конденсатор представляют в виде некоторого условного сопротивления — емкостного сопротивление хс, от которого зависит величина тока.

Само же х_с зависит от частоты и емкости конденсатора (10, д, е, ж, з; формулы действительны только для синусоидального тока); с увеличением f или С величина х_с падает (ток возрастает). Сопротивление х_с называют реактивным. Оно не потребляет энергии, а лишь влияет на величину тока. Вместо примеров приводим таблицу значений х_с для некоторых частот и некоторых емкостей конденсатора (табл. 10).

11. Совсем иначе ведет себя в цепи катушка индуктивности. Ее общее сопротивление складывается из двух частей: активного сопротивления проводов и индуктивного сопротивления х_L. Индуктивное сопротивление х_L пришлось ввести потому, что катушка особым, «хитрым» способом влияет на величину тока — с помощью собственного магнитного поля катушка сама в себе наводит э.д.с. («противо э.д.с. самоиндукции»), которая действует против напряжения генератора. Чем выше частота f и больше индуктивность катушки L, тем сильнее эта противодействующая э. д. с., тем, следовательно, больше x_L (табл. 10) и меньше ток.

Величина индуктивности зависит от данных самой катушки. С увеличением числа витков и размеров сердечника индуктивность растет.

12. Катушка наводит э.д.с. не только сама в себе, но и в соседней катушке, если, конечно, та находится в сфере влияния магнитного поля. Весь процесс выглядит примерно так.

К первой катушке (ее называют первичной обмоткой) подводится переменное напряжение, создающее переменный ток, под действием которого возникает переменное магнитное поле. Оно охватывает витки второй катушки (ее называют вторичной обмоткой) и наводит в ней переменное напряжение (если не учитывать потери, можно говорить о наведенной э.д.с.), под действием которого в цепи появляется переменный ток. Обратите внимание, как часто повторяется здесь слово «переменный», — напряжение во вторичной обмотке наводится только при изменении магнитного поля. Иногда об этом говорят так: «Постоянный ток не трансформируется».

Система из двух или нескольких связанных магнитным полем катушек— это и есть трансформатор. В дальнейшем мы будем говорить о трансформаторах, где все катушки связаны очень сильно — они находятся на общем стальном сердечнике. Соотношение токов и напряжений в обмотках определяется коэффициентом трансформации n. Трансформатор повышает напряжение, если n > 1, и понижает, если n < 1.

Все это, разумеется, условно: трансформатор — машина обратимая, он может быть и понижающим и повышающим в зависимости от того, к каким обмоткам вы подключите генератор и нагрузку. Очень распространены трансформаторы с несколькими обмотками, дающие несколько различных напряжений (12, з). Диаметр провода для обмоток выбирают с учетом проходящего по ним тока (табл. 11).

Мощность Р₁, потребляемая трансформатором, а значит, и ток I₁ в первичной обмотке зависят от той мощности Р₂, которую потребляет нагрузка R_н. Если, например, уменьшить R_н, то есть увеличить I₂ , то одновременно возрастет общая потребляемая мощность Р₁ и ток I₁. Эту последнюю зависимость удобно выражать с помощью условного сопротивления R'_н (12, а, е), которое как бы вносится в первичную цепь из вторичной. Если трансформатор повышающий, то R'_н < R_н, а если понижающий, то к R'_н > R_н. Любой короткозамкнутый виток или группа витков представляют собой недопустимо большую нагрузку и могут вывести из строя весь трансформатор. При разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход) трансформатор практически ничего не потребляет.