к оглавлению

Переходные процессы в R-L-C цепи

В тех случаях, когда требуется учесть процессы в электрическом и магнитном поле электрическая цепь содержит реактивные элементы обоих типов. Простейшим вариантом такой цепи является последовательное соединение R-L-C (рис. 1).

Уравнение Кирхгофа для этой цепи после замыкания ключа S

(1)

Возьмем производную по времени от обеих частей уравнения

.

(2)

Характеристическое уравнение для дифференциального уравнения (2) можно получить заменой производных по времени на pk

,

(3)

где - величина, названная при рассмотрении явления резонанса в этой цепи затуханием; - волновое сопротивление цепи, а - угловая частота, на которой в цепи рис. 1 возникает резонанс.

Корнями этого характеристического уравнения являются

.

(4)

Таким образом, корни характеристического уравнения являются функцией затухания d и резонансной частоты w 0, значения которых, в свою очередь, определяются параметрами цепи R, L и C. Резистивное сопротивление R входит только в выражение для затухания и при вариации R резонансная частота будет сохраняться постоянной. Поэтому при анализе корней затухание можно считать независимой переменной, а резонансную частоту константой, т.к. эти условия можно реализовать изменением R.

Из выражения (4) следует, что корни могут быть вещественными отрицательными, если d і 2, или комплексно-сопряженными, если d < 2. Для первого случая их можно представить в виде

(5)

где , а для второго в виде

,

(6)

где s = - d /2 и . Безразмерные величины s и v можно назвать относительным затуханием и относительной частотой, т.к. они связаны с абсолютными значениями этих величин через резонансную частоту w 0.

Если затухание цепи d і 2, то оба корня отрицательные вещественные различные (кроме предельного случая d =2) и свободные составляющие всех величин в переходном процессе будут суммой двух экспонент с различными показателями. Значения тока и напряжений со временем не будут регулярно повторяться, поэтому такой переходный процесс называется апериодическим. Так как p1,2 < 0, то обе экспоненты будут со временем уменьшаться до нуля со скоростью, определяемой постоянной времени каждой из них t 1,2 = 1/| p1,2 | = 1/(w 0|h 1,2|). Таким образом, чем больше абсолютное значение h , тем быстрее закончится переходный процесс. Для двух экспонент длительность процесса будет определяться меньшим абсолютным значением h . Из рис. 2 следует, что при увеличении затухания d значения h 1 и h 2 расходятся, причем при d (r) µ h 1 (r) 0 и длительность переходного процесса становится бесконечной. Одновременно h 1 и h 2 достигают наибольших возможных абсолютных значений в предельном режиме, когда d =2. Следовательно, этот режим будет соответствовать минимальной длительности переходного процесса в цепи.

При затухании 0 < d < 2 корни характеристического уравнения комплексно-сопряженные с отрицательной вещественной частью. В этом случае свободная составляющая решения дифференциального уравнения также будет суммой двух экспонент, но эти экспоненты могут быть объединены и решение получено в виде

a(t) = Aestsin(v t+n )

Эта функция представляет собой синусоиду с изменяющейся во времени амплитудой. Всякая синусоидальная функция соответствует колебаниям величины относительно среднего значения, поэтому переходный процесс в цепи называется колебательным. Вещественная часть корней характеристического уравнения s определяет скорость изменения амплитуды, а мнимая v , частоту колебаний. Следовательно, длительность переходного процесса будет зависеть только от s = - d /2. Так как s < 0, то со временем амплитуда колебаний свободной составляющей будет уменьшаться. При уменьшении затухания d абсолютное значение s также уменьшается, что соответствует увеличению длительности переходного процесса. Максимального абсолютного значения равного s = h 1 = h 2 = - 1 (рис. 2) s достигает в предельном режиме при d (r) 2, подтверждая сделанное ранее утверждение, что в этом режиме длительность переходного процесса минимальна.

Для оценки скорости изменения свободных составляющих в колебательном переходном процессе можно сравнить между собой два значения, отстоящих друг от друга на время равное периоду колебаний

.

Величина D называется декрементом колебаний. На практике чаще применяют натуральный логарифм D называемый логарифмическим декрементом колебаний

.

Как и следовало ожидать, скорость изменения свободных составляющих в колебательном переходном процессе зависит только от затухания электрической цепи.

Частота колебаний свободных составляющих тока и напряжений при изменении затухания также изменяется. При увеличении затухания она стремится к нулю (рис. 2), а при уменьшении к резонансной частоте цепи. При отсутствии затухания в цепи будет протекать переменный синусоидальный ток с частотой w0.


 

Рассмотрим теперь процесс подключения цепи рис. 1 к источнику постоянной ЭДС E. Емкость C при этом может быть полностью разряжена или заряжена до напряжения U0 , которое с помощью коэффициента - µ < c < +µ можно представить через ЭДС источника в виде U0 = cE. При c < 1 ток в цепи после замыкания ключа будет протекать в направлении показанном сплошной стрелкой.

Установившееся значение тока в цепи будет равно нулю, а установившееся значение напряжения на емкости - ЭДС E. В общем случае напряжение на емкости при переходном процессе равно

,

а ток в цепи

Постоянные интегрирования A1 и A2 нужно определить из начальных значений тока и напряжения на емкости в момент коммутации, пользуясь тем, что

uC(0-) = U0 = cE = uC(0+) = E + A1 + A2 и

i(0-) = 0 = i(0+) = C(p1A1 + p2A2) .

Отсюда A1 = E(1- c)p2/( p1- p2) и A2 = - E(1- c)p1/( p1- p2) . Подставляя полученные значения в выражения для напряжения на емкости и тока получим

(7)

(8)

 

Если в выражения (7) и (8) подставить корни характеристического уравнения из выражения (5), то для апериодического процесса напряжение на емкости и ток в цепи будут

(9)

(10)

На рис. 3 а) приведены эти кривые при относительном начальном значении напряжения на емкости c = 0.5. В качестве базовых значений для напряжения принята ЭДС E, а для тока E(1- c)/[Lw 0(h 1- h 2)]. Для тока также построены быстро и медленно затухающие составляющие экспоненты is и il (i =is+il).

Выражения (7) и (8) получены без введения каких-либо ограничений на корни характеристического уравнения. Поэтому для нахождения решения при колебательном процессе (d <2) можно подставить корни из выражения (6), а затем преобразовать полученную сумму экспонент с комплексными показателями по формуле Эйлера. В результате мы получим выражения для напряжения на емкости и тока в цепи в виде

;

(11)

,

(12)

где y = arctg(v /s ) = arctg(2p /J ) .

На рис. 3 б) приведены кривые колебательного переходного процесса при том же относительном начальном значении напряжения на емкости c, что и при апериодическом процессе (они построены на рисунке пунктиром).

к оглавлению


Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 18.09.2020 - 18:45: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
18.09.2020 - 18:44: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Пламена Паскова - Карим_Хайдаров.
18.09.2020 - 18:38: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
18.09.2020 - 18:29: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биохимия мозга от проф. С.В. Савельева и не только - Карим_Хайдаров.
18.09.2020 - 12:00: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
18.09.2020 - 04:22: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
18.09.2020 - 04:17: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от О.Н. Четвериковой - Карим_Хайдаров.
18.09.2020 - 04:13: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
18.09.2020 - 04:12: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
18.09.2020 - 04:05: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров.
17.09.2020 - 06:56: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА КРИМИНАЛИЗАЦИИ ЭКОНОМИКИ - Карим_Хайдаров.
17.09.2020 - 06:55: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от проф. В.Ю. Катасонова - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution