20.Мощность, выделяющаяся в цепи переменного тока.

мгновенное значение мощности переменного тока, которое равно произведению мгновенных значений напряжения и силы тока:    где U(t)=U_mcosωt, I(t)=I_mcos(ωt-φ) . Раскрыв cos(ωt-φ), найдем    На практике, представляет интерес не мгновенное значение мощности, а ее среднее значение за период колебания. Поскольку <cos²ωt>= 1/2, <sinωtcosωt> = 0, то   (1)  Из векторной диаграммы (рис. 1) следует, что U_mсosφ = RI_m. Значит    Такую же мощность дает постоянный ток   . 

Величины    имеют названия соответственно действующими (или эффективными) значениями тока и напряжения. Все вольтметры и амперметры градуируются по действующим значениям тока и напряжения.  Зная действующие значения тока и напряжения, выражение средней мощности (1) запишем как   (2)  где множитель соsφ называется коэффициентом мощности.  Из выражении (2) видно, что мощность, которая выделяется в цепи переменного тока, в общем случае зависит не только от силы тока и напряжения, но также и от сдвига фаз между ними. Если реактивное сопротивление в цепи отсутствует, то cosφ=1 и P=IU. Если в цепи имеется только реактивное сопротивление (R=0), то cosφ=0 и средняя мощность равна нулю, какими бы большими ни были ток и напряжение. Если cosφ существенно меньшие единицы, то для передачи заданной мощности при данном напряжении генератора нужно повысить силу тока I, что приведет либо к выделению теплоты Джоуля-Ленца, либо в этом случае нужно увеличение сечения проводов, что повышает стоимость линий электропередачи. Поэтому на практике всегда стремятся повысить значение соsφ, наименьшее допустимое значение которого для промышленных установок равно примерно 0,85. 

21(1) ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ - колебания, происходящие под действием внешней переменной силы (вынуждающей силы).

        Установившиеся вынужденные колебания происходят с частотой, равной частоте вынуждающей силы.

        Рассмотрим вынужденные колебания на примере реального (с трением) пружинного маятника. Будем отталкиваться от уравнения движения (второй закон Ньютона), которое мы написали для затухающих колебаний. При наличии дополнительной вынуждающей силы F(t) необходимо дописать ее в правую часть уравнения. В каноническом виде дифференциальное уравнение вынужденных механических колебаний имеет вид:

Для пружинного маятника:

     и     

        Для того, чтобы возникли периодические колебания, вынуждающая сила сама должна быть периодической. Пусть   (писать здесь начальную фазу смысла нет, поскольку нас будут интересовать только установившиеся вынужденные колебания, то есть "забывшие" свое начало). W - частота вынуждающей силы. Для нахождения уравнения установившихся колебаний необходимо найти решение дифференциального уравнения:

     при       .

        Общее решение этого неоднородного дифференциального уравнения представляет собой, как известно из теории дифференциальных уравнений, сумму общего решения однородного уравнения и любого частного решения неоднородного. Общее решение однородного уравнения нам известно, это - уравнение затухающих колебаний. Оно нас не интересует, так как при   оно исчезает. В качестве частного решения неоднородного уравнения выберем очевидное - мы знаем, что вынужденные установившиеся колебания совершаются с частотой вынуждающей силы. Поэтому нашим искомым решением будет являться:

где А - амплитуда вынужденных колебаний, j۪  - сдвиг фаз между смещением и приложенной силой.

        Получившиеся колебания подчиняются закону синуса (или косинуса), то есть являются синусоидальными или гармоническими. Но это не свободные колебания в системе без трения; здесь вынуждающая сила постоянно поставляет энергию в систему, в точности компенсирующую потери на преодоление сил трения.

        Необходимо теперь найти амплитуду вынужденных колебаний и сдвиг фаз. Для этого необходимо подставить выражение для х в дифференциальное уравнение вынужденных колебаний. Обратите внимание, что необходимо найти два неизвестных из одного уравнения. Это возможно, если в процессе вычислений воспользоваться дополнительным (очевидным в процессе выкладок) условием. Попытайтесь проделать это.

Для амплитуды и сдвига фаз получаются следующие выражения:

здесь w₀ - частота свободных (незатухающих) колебаний маятника; b - коэффициент затухания.

        Обратите внимание, что амплитуда вынужденных колебаний зависит от соотношения частоты вынуждающей силы и собственной частоты маятника. Максимальное значение амплитуды получается, если