Физические процессы, происходящие в электрических цепях переменного тока, отличаются от аналогичных процессов в цепях постоянного тока. Переменный ток регулярно меняет направление, периодически становясь равным нулю (100 раз в секунду в европейских странах и 120 раз в секунду в Северной Америке соответственно частотам в сети 50 и 60 Гц). Переменный ток становится поочередно то положительным, то отрицательным. Постоянный ток всегда течет в одном и том же направлении.

Волна тока и компоненты цепи

Форма «волны тока» (кривой, представляющей изменения его величины со временем) может быть бесконечно разнообразной. В большинстве случаев она синусоидальна.
Число повторений полного цикла изменений «волны тока» в секунду называется частотой и измеряется в герцах (Гц). Один цикл в секунду равен 1 Гц. Синусоидальное напряжение U, приложенное к цепи, вызывает синусоидальный ток, значение которого в любой момент цикла равно U/Z, где Z- полное сопротивление (оно зависит от активного сопротивления, емкости и индуктивности цепи и частоты тока); оно измеряется в омах (Ом). Это соотношение аналогично закону Ома для постоянного тока: ток прямо пропорционален электродвижущей силе (напряжению), создающей его, и обратно пропорционален сопротивлению проводника.
Цепь переменного тока состоит из трех основных элементов: катушки индуктивности, конденсатора и резистора. Резисторы ведут себя одинаково как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока, чего, однако, нельзя сказать о катушках и конденсаторах. В этих устройствах ток не совпадает по фазе с приложенным напряжением.

Запаздывание и опережение по фазе

Простую аналогию фазовым различиям переменного тока и напряжения можно найти в действии игрушки «йо-йо»; здесь рука, которая сообщает энергию вращающемуся предмету, может двигаться в направлении, противоположном направлению его движения. Ток, текущий через конденсатор, не совпадает по фазе с приложенным напряжением: он равен нулю, когда напряжение достигает максимума, и наоборот. Синусоидальные волны можно представить в виде вращающихся векторов (вектор характеризуется величиной и направлением). На векторной диаграмме ток через конденсатор на 90° опережает по фазе напряжение.
На катушке индуктивности наблюдается обратная картина: ток отстает по фазе от напряжения на 90°. В резисторе ток и напряжение находятся в фазе.
В цепи, где имеются катушка индуктивности и конденсатор, а резистор отсутствует, один из токов опережает по фазе напряжение на 90°, а другой (равный по величине) отстает от напряжения на 90°. В итоге эти эффекты гасят друг друга. Когда это происходит, говорят, что наступил резонанс токов; в этом случае ток конденсатора питает катушку индуктивности и наоборот, поскольку этим устройствам ток требуется в разные моменты цикла. Они как бы непрерывно «ссужают» ток одно другому и «возвращают долг».
В обычной цепи всегда присутствует некоторое сопротивление. Фазовый угол φ между напряжением и током зависят от индуктивности, емкости, сопротивления и частоты. Резонанс может возникать и в цепи с сопротивлением, если опережение и запаздывание по фазе гасят друг друга.
Действительное значение тока, потребляемого конденсатором или катушкой индуктивности, зависит от трех параметров: напряжения, частоты и величин индуктивности и емкости. Чем больше емкость, тем выше ток, тогда как с увеличением индуктивности ток уменьшается. Используя специальные математические приемы, векторы тока или напряжения можно складывать и вычитать.

Эффективные значения тока и напряжения

В цепях переменного тока величины тока и напряжения определяются как средние квадратичные (корни из средних квадратов этих величин), или «эффективные» значения. Их приходится использовать, поскольку сами средние значения этих величин равны нулю: за любой малый промежуток времени число полупериодов в одном направлении равно числу полупериодов в другом. В инструкциях к электроприборам указывают эффективные значения тока и напряжения. Надпись на электрическом утюге «230 В, 2 А» обозначает эффективные значения напряжения и тока. При этом напряжение и ток непрерывно меняются как синусоидальная волна, достигая ± 325 В и 2,828 А 50 раз в секунду.
Все электрические приборы, обладающие преимущественно сопротивлениями, например лампы накаливания, нагреватели и утюги, действуют одинаково хорошо в цепях как постоянного, так и переменного тока (при одинаковом напряжении). Однако оборудование, содержащее катушки и конденсаторы – электродвигатели, трансформаторы, люминесцентные лампы и т. д., – может работать лишь на переменном токе. Переменный ток предпочтительнее для бытовых электрических сетей, поскольку его можно эффективно и просто передавать с электростанции домашнему потребителю и он безопаснее с точки зрения включения и выключения.