Рассмотрим по отдельности случаи подключения внешнего источника переменного тока к резистру с сопротивлением R, конденсатору емкости C и катушки индуктивности L. Во всех трех случаях напряжения на резисторе, конденсаторе и катушке равны напряжению источника переменного тока.

   1. Резистор в цепи переменного тока


   Сопротивление R называют активным, потому что цепь с таким сопротивлением поглощает энергию.

   Активное сопротивлениеустройство, в котором энергия электрического тока необратимо преобразуется в другие виды энергии (внутреннюю, механическую)

   Пусть напряжение в цепи меняется по закону:   u = Umcos ωt ,

   тогда сила тока меняется по закону:                  i = u/R = IRcosωt    

   u – мгновенное значение напряжения;

   i  – мгновенное значение силы тока;

  IR - амплитуда тока, протекающего через резистор.

   Связь между амплитудами тока и напряжения на резисторе выражается соотношением RIRUR


   Колебания силы тока совпадают по фазе с колебаниями напряжения. (т.е. фазовый сдвиг между током и напряжением на резисторе равен нулю).

   2. Конденсатор в цепи переменного тока

   При включении конденсатора в цепь постоянного напряжения сила тока равна нулю, а при включении конденсатора в цепь переменного напряжения сила тока не равна нулю. Следовательно, конденсатор в цепи переменного напряжения создает сопротивление меньше, чем в цепи постоянного тока.

 

 

Соотношение между амплитудами тока IC и напряжения

UC:

 

Ток опережает по фазе напряжение на угол π/2.

3. Катушка в цепи переменного тока

В катушке, включенной в цепь переменного напряжения, сила тока меньше силы тока в цепи постоянного напряжения для той же катушки. Следовательно, катушка в цепи переменного напряжения создает большее сопротивление, чем в цепи постоянного напряжения.

 

 

Соотношение между амплитудами тока IL и напряжения UL:

ωLILUL

 

Ток отстает по фазе от напряжения на угол π/2.

Теперь можно построить векторную диаграмму для последовательного RLC-контура, в котором происходят вынужденные колебания на частоте ω. Поскольку ток, протекающий через последовательно соединенные участки цепи, один и тот же, векторную диаграмму удобно строить относительно вектора, изображающего колебания тока в цепи. Амплитуду тока обозначим через I0. Фаза тока принимается равной нулю. Это вполне допустимо, так как физический интерес представляют не абсолютные значения фаз, а относительные фазовые сдвиги.

Векторная диаграмма на рисунке построена для случая, когда  или  В этом случае напряжение внешнего источника опережает по фазе ток, текущий в цепи, на некоторый угол φ.

 

 

Векторная диаграмма для последовательной RLC-цепи

Из рисунка видно, что

 

откуда следует

 

Из выражения для I0 видно, что амплитуда тока принимает максимальное значение при условии

 

или

 

Явление возрастания амплитуды колебаний тока при совпадении частоты ω внешнего источника с собственной частотой ω0 электрической цепи называется электрическим резонансом. При резонансе

 

Сдвиг фаз φ между приложенным напряжением и током в цепи при резонансе обращается в нуль. Резонанс в последовательной RLC-цепи называется резонансом напряжений. Аналогичным образом с помощью векторной диаграммы можно исследовать явление резонанса при параллельном соединении элементов R, L и C (так называемый резонанс токов).

При последовательном резонансе (ω = ω0) амплитуды UC и UL напряжений на конденсаторе и катушке резко возрастают:

 

 

Рисунок иллюстрирует явление резонанса в последовательном электрическом контуре. На рисунке графически изображена зависимость отношения амплитуды UC напряжения на конденсаторе к амплитуде 0 напряжения источника от его частоты ω. Кривые на рисунке называются резонансными кривыми.