Переходные процессы в электрических цепях

Рассматривая переходные процессы в электрических цепях, нельзя не отметить тот факт, что подобные явления вполне закономерны и в какой-то степени предсказуемы. Мало того, каждый человек сталкивается с их проявлением в своей повседневной жизни. Например, у включенного в сеть нагревательного элемента (ТЭН электроплитки, масляный обогреватель) температура повышается не бесконечно, а до определенного значения, зависящего от ряда факторов: таких, как температура окружающего воздуха, уровень влажности, характеристика проволоки и пр. Соответственно, и остывание происходит до некого установившегося значения, а не до абсолютного нуля. Другими словами, все физические явления условно могут быть разделены на переходные и установившиеся. Первые представляют собой изменение между начальным и конечным установившимися.

Что такое переходные процессы в электрических цепях? При анализе любого контура необходимо учитывать два возможных режима работы: установившийся и переходный. Первый характеризуется повторяющимися за единицу времени мгновенными значениями переменного тока и напряжения на всех участках цепи. Переходные процессы в электрических цепях более просты для понимания: когда такие изменения прекращаются, то можно говорить о наступлении установившегося режима. Следствие следующее: состояние, при котором отсутствуют изменения, теоретически, может продолжаться неограниченное время.

Переходные процессы в линейных электрических цепях знакомы всем. Наверняка, у каждого случалось, что после щелчка домашним выключателем лампа перегорала или даже разлеталась на осколки сама стеклянная колба. Причем, это может случиться как с бюджетными лампами, так и с дорогими фирменными. В этом «виновны» переходные процессы в электрических цепях. В данном случае тот щелчок выключателем послужил причиной изменений, инициировал переходный процесс, называемый коммутацией (т.е. переключением). На самом деле причины могут быть различны: изменение параметров источника питания, в частности короткое замыкание, внешние воздействия (магнитное поле, температура) и пр. Прямой расчет изменяющихся за единицу времени напряжения и тока возможен посредством составления дифференциальных уравнений и вычисления интеграла. В формулах количество производных непосредственно зависит от элементов самой цепи.

Так как обычно длительность переходного процесса исчисляется даже не секундами, а сотыми и тысячными долями секунды, то иногда возникает вопрос о целесообразности расчетов. Действительно, что может случиться за столь малое время? Увы, это так лишь отчасти, и практика показывает, что довольно многое. Например, силовые контакты пускателей всегда рассчитаны на гораздо больший ток, чем номинальный. Кроме того, контакты часто закрываются дугогасительными камерами (решетками). Это объясняется тем, что в момент коммутации (включения/разрыва цепи) ток возрастает в десятки раз, и для устранения возможных последствий применяются данные решения.

Рассмотрим переходные процессы в rc цепях. Для примера возьмем контур, состоящий из источника питания, пары резисторов (R1 и R2), конденсатора (С) и вольтметра (V), включенного параллельно. Если используемый конденсатор обладает емкостью в десятки микрофарад, а сопротивление R1 и R2 – по паре сотен килоом соответственно, то при включении источника стрелка вольтметра не сразу укажет на действующее значение напряжения, а постепенно отклонится от нуля. Данный переходный процесс обусловлен накоплением заряда в емкости. Соответственно, установившийся режим наступает в тот момент, когда прекращается потребление реактивной составляющей.