Что такое бифиляр тесла

  • автор:

Два типа бифилярных катушек — бифиляр Тесла и бифиляр Купера

Функционально можно выделить два особых типа бифилярных катушек параллельной намотки: у катушек первого типа токи в соседних витках направлены в одну и ту же сторону, тогда как у катушек второго типа токи соседних витков текут в противоположных направлениях. Яркой представительницей катушек первого типа является знаменитая бифилярная катушка Николы Тесла, пример катушки второго типа — бифилярная катушка Купера.

Бифилярные катушки Тесла

Оба типа катушек необычны тем, что вместо того чтобы быть намотанными виток к витку одним проводом, данные катушки наматываются одновременно двумя проводами, после чего эти провода соединяются последовательно: у катушки по типу «бифиляр Тесла» конец (условно) одной части катушки соединяется с началом другой ее части, при этом свободные выводы готовой катушки оказываются с разных ее сторон, а у бифиляра Купера концы двух частей катушки объединяются с одной стороны, свободные же выводы ее оказываются с другой стороны. Описанные способы намотки применяются как в цилиндрическом, так и в плоском исполнении бифилярных катушек.

В результате получаются катушки, ведущие себя принципиально по разному в цепях постоянного и переменного тока. Давайте рассмотрим, в чем же заключаются особенности данных намоток, и как данные катушки поведут себя при различных типах тока через них.

Бифиляр Тесла

Бифиляр Тесла в цепи постоянного тока

При прохождении постоянного тока через катушку, вокруг каждого ее витка возникает постоянное магнитное поле, пропорциональное величине данного тока. И сложив магнитные поля (магнитные индукции B) каждого последующего витка с магнитными полями предыдущих витков, получим суммарное магнитное поле катушки.

В данном случае, для бифиляра Тесла на постоянном токе, не важно что две части катушки соединены друг с другом последовательно, а важно здесь то, что токи в каждом ее витке имеют одинаковые величину и направление, словно катушка намотана одним цельным проводом — индуктивность (коэффициент пропорциональности между током в катушке и порождаемым им магнитным потоком) получается точно такой же, магнитное поле будет аналогичной величины, что и у обычной катушки такой же формы, с таким же количеством витков.

Бифиляр Тесла в цепи переменного тока

При прохождении через катушку типа «бифиляр Тесла» переменного тока, характерная намотка начинает проявлять себя ярко выраженной межвитковой емкостью, которая даже в состоянии «нейтрализовать» индуктивность на резонансной частоте. Витки, расположенные по отношению друг к другу так, что разность потенциалов между ними в каждой паре максимальна, представляют собой аналог параллельно подключенного к катушке конденсатора.

Выходит, что переменный ток определенной (резонансной) частоты такая бифилярная катушка пропустит беспрепятственно, оказав лишь активное сопротивление, словно это параллельный колебательный контур высокой добротности, а не катушка. Будучи включена в цепь параллельно источнику переменной ЭДС, такая катушка в состоянии накапливать энергию на резонансной частоте как параллельный колебательный контур, где энергия пропорциональна квадрату разности потенциалов между соседними витками.

Бифиляр Купера

Бифиляр Купера в цепи постоянного тока

У бифилярной катушки, где постоянные токи в соседних витках имеют противоположные направления и одинаковую величину (а именно такая картина наблюдается при постоянном токе в катушке, выполненной по типу «бифиляр Купера»), суммарное магнитное поле катушки окажется равно нулю, так как магнитные поля в каждой паре витков друг друга нейтрализуют. В итоге катушка данного типа будет вести себя по отношению к постоянному току как проводник с чисто активным сопротивлением, и никакой индуктивности не проявит. Так наматывают проволочные резисторы.

Бифиляр Купера в цепи переменного тока

При подаче переменного тока через катушку, витки которой расположены по отношению друг к другу по типу «бифиляра Купера», картина магнитного поля будет зависеть главным образом от частоты тока. И если длина провода в такой катушке окажется соизмерима с длиной волны пропускаемого через нее переменного тока, то и внешнее магнитное поле на такой катушке может быть реально получено как на длинной линии или антенне.

бифиляр

Бифиляр — бифилярное, или двунитное, привешивание. Со времени работ французского физика Кулона (Coulomb) в конце прошедшего столетия вошли в употребление в физике приборы для измерения посредством закручивания тонких проволок слабых отталкивательных и… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Вариометр — есть прибор, служащий для наблюдения и измерения перемен, происходящих в силе или напряжении земного магнетизма. Он состоит из магнита, подвешенного на двух нитях (см. Бифиляр) в положении, перпендикулярном магнитному меридиану. С изменением… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Магнитные приборы* — для наблюдения земного магнетизма: I) для абсолютных наблюдений, II) для вариационных и III) магнитограф. I. М. приборы для абсолютных измерений элементов земного магнетизма (см.). Простейший прибор для определения склонения буссоль склонения,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Магнитные приборы — для наблюдения земного магнетизма: I) для абсолютных наблюдений, II) для вариационных и III) магнитограф. I. М. приборы для абсолютных измерений элементов земного магнетизма (см.). Простейший прибор для определения склонения буссоль склонения,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Крутильные весы* — Этот прибор, впервые устроенный Кулоном (см.) в конце прошлого столетия, представляет применение закручивания и раскручивания проволок и других упругих нитей к измерению слабых сил в горизонтальной плоскости; К. весы могут быть однонитные… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Электродинамика* — Э. называется тот отдел учения об электрических явлениях, в котором рассматриваются притяжения или отталкивания, которые возникают между проводниками, по которым течет электрический ток. В основе Э. лежат опыты Ампера (произведенные в 1822 г.).… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Весы — Для взвешивания употребляются приборы, называемые весами, устройство и размеры которых весьма разнообразны, в зависимости от величины взвешиваемых тел и требуемой точности взвешивания (см. Вес и взвешивание). По существу устройства они могут быть … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Крутильные весы — Этот прибор, впервые устроенный Кулоном (см.) в конце прошлого столетия, представляет применение закручивания и раскручивания проволок и других упругих нитей к измерению слабых сил в горизонтальной плоскости; К. весы могут быть однонитные… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Электродинамика — Э. называется тот отдел учения об электрических явлениях, в котором рассматриваются притяжения или отталкивания, которые возникают между проводниками, по которым течет электрический ток. В основе Э. лежат опыты Ампера (произведенные в 1822 г.).… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Бифилярная катушка — Бифилярная катушка  электромагнитная катушка, которая содержит две близко расположенных, параллельных обмотки. Если используются три изолированных провода, используется термин «трифилярная катушка». В технике, слово «бифиляр» описывает… … Википедия

Как найти мощность в цепи переменного тока

Мощность в цепи переменного тока — это совсем не то же самое, что мощность в цепи тока постоянного. Всем известно, что постоянный ток способен нагревать активную нагрузку R. А если постоянным током начать питать цепь содержащую конденсатор C, то стоит только ему зарядиться, как этот конденсатор больше тока через цепь не пропустит.

Катушка L в цепи постоянного тока вообще может проявить себя подобно магниту, особенно если в ней присутствует ферромагнитный сердечник. При этом провод катушки, обладая активным сопротивлением, никак не будет отличаться от резистора R, включенного последовательно с катушкой (и имеющего такой же номинал, что и омическое сопротивление провода катушки).

Так или иначе, в цепи постоянного тока, где нагрузка состоит лишь из пассивных элементов, переходные процессы заканчиваются практически сразу после начала ее питания, и больше себя не проявляют.

Переменный ток и реактивные элементы

Переменный ток

Что же касается цепи тока переменного, то в ней переходные процессы имеют важнейшее, если не сказать решающее, значение, и каждый элемент такой цепи, способный не только рассеивать энергию в форме тепла или механической работы, но могущий хотя бы как-то накапливать энергию в форме электрического или магнитного полей, будет влиять на ток, оказывая некую нелинейную реакцию, зависящую не только от амплитуды прикладываемого напряжения, но и от частоты пропускаемого тока.

Таким образом, при переменном токе мощность не только рассеивается в форме тепла на активных элементах, но часть энергии попеременно то накапливается, то возвращается обратно к источнику питания. Это значит, что емкостные и индуктивные элементы сопротивляются прохождению переменного тока.

В цепи синусоидального переменного тока конденсатор сначала за пол периода заряжается, а в следующие пол периода — разряжается, отдавая заряд обратно в сеть, и так каждые пол периода сетевой синусоиды. Катушка индуктивности в цепи переменного тока в первую четверть периода создает магнитное поле, а в следующие четверть периода это магнитное поле уменьшается, энергия в форме тока возвращается обратно к источнику. Так ведут себя чисто емкостная и чисто индуктивная нагрузки.

В чисто емкостной нагрузке ток опережает напряжение на четверть периода сетевой синусоиды, то есть на 90 градусов, если смотреть тригонометрически (когда напряжение на конденсаторе достигло максимума, ток через него равен нулю, а когда напряжение начнет переходить через ноль, то ток в цепи нагрузки будет максимальным).

В чисто индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения на 90 градусов, то есть на четверть периода синусоиды задерживается (когда напряжение приложенное к индуктивности максимально, ток только начинает нарастать). У чисто активной нагрузки ток и напряжение друг от друга в каждый момент времени не отстают, то есть находятся строго в фазе.

Полная, реактивная и активная мощности, коэффициент мощности

Полная, реактивная и активная мощности, коэффициент мощности

Получается, что если нагрузка в цепи переменного тока не идеально активная, то в ней обязательно присутствуют реактивные компоненты: обладающие индуктивной составляющей обмотки трансформаторов и электрических машин, обладающие емкостной составляющей конденсаторы и другие емкостные элементы, даже просто индуктивности проводов и т. п.

В результате в цепи переменного тока напряжение и ток находятся не в фазе (не в одной и той же фазе, это значит, что их максимумы и минимумы не совпадают максимум — с максимумом, а минимум — с минимумом точь-в-точь), и всегда есть некоторое отставание тока от напряжения на определенный угол, который принято называть фи. А величину косинуса фи называют коэффициентом мощности, потому что косинус фи — это фактически отношение активной мощности R, безвозвратно расходуемой в цепи нагрузки, к полной мощности S, которая обязательно проходит через нагрузку.

Полную мощность S источник переменного напряжения подает в цепь нагрузки, часть этой полной мощности возвращается каждые четверть периода обратно к источнику (эта возвращаемая и кочующая туда-сюда часть называется реактивной составляющей Q), а часть расходуется в виде активной мощности P — в форме тепла или механической работы.

Чтобы нагрузка, содержащая реактивные элементы, могла бы работать по своему назначению, к ней необходимо подавать от источника электрическую мощность в размере именно полной мощности.

Как вычислить полную мощность в цепи переменного тока

Чтобы измерить полную мощность S нагрузки в цепи переменного тока, достаточно перемножить ток I и напряжение U, точнее их средние (действующие) значения, которые несложно измерить вольтметром и амперметром переменного тока (эти приборы показывают именно среднее, действующее значение, которое для двухпроводной однофазной сети меньше амплитуды в 1,414 раза). Таким образом вы узнаете, какая мощность подается от источника к приемнику. Средние значения берутся потому, что в обычной сети ток синусоидальный, а получить нам необходимо точное значение энергии, потребляемой каждую секунду.

Как вычислить активную мощность в цепи переменного тока

Коэффициент мощности

Если нагрузка имеет чисто активный характер, к примеру это нагревательная спираль из нихрома или лампа накаливания, то можно просто перемножить показания амперметра и вольтметра, это и будет активная потребляемая мощность P. Но если нагрузка имеет активно-реактивный характер, то для расчета потребуется знать косинус фи, то есть коэффициент мощности.

Специальный электроизмерительный прибор — фазометр, позволит измерить косинус фи напрямую, то есть получить численное значение коэффициента мощности. Зная косинус фи, останется умножить его на полную мощность S, способ вычисления которой описан в предыдущем абзаце. Это и будет активная мощность, активный компонент потребляемой от сети мощности.

Как вычислить реактивную мощность

Полная мощность

Для нахождения реактивной мощности, достаточно воспользоваться следствием из теоремы Пифагора, задавшись треугольником мощностей или просто умножив полную мощность на синус фи.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *