Čo je to striedavý prúd a ako sa líši od jednosmerného prúdu

Na rozdiel od toho striedavý prúd jednosmerný prúd, sa neustále mení vo veľkosti aj smere a tieto zmeny sa vyskytujú periodicky, to znamená, že sa opakujú v presne rovnakých intervaloch.

Na vyvolanie takéhoto prúdu v obvode použite zdroje striedavého prúdu, ktoré vytvárajú striedavé EMF, periodicky sa meniace veľkosť a smer.Takéto zdroje sa nazývajú alternátory.

Na obr. 1 je znázornená schéma zariadenia (model) najjednoduchšieho alternátor. 

Obdĺžnikový rám vyrobený z medeného drôtu, upevnený na osi a otáčaný v poli pomocou remeňového pohonu magnet… Konce rámu sú prispájkované k medeným krúžkom, ktoré sa otáčajú s rámom a nasúvajú sa na kontaktné dosky (kefy).

Obrázok 1. Schéma najjednoduchšieho alternátora

Uistime sa, že takéto zariadenie je skutočne zdrojom premenlivého EMF.

Predpokladajme, že sa medzi jeho pólmi vytvorí magnet rovnomerné magnetické pole, teda taký, v ktorom je hustota siločiar magnetického poľa v každej časti poľa rovnaká.pri otáčaní rám pretína siločiary magnetického poľa na každej zo svojich strán a a b EMF indukované. 

Strany c a d rámu nefungujú, pretože keď sa rám otáča, nepretínajú siločiary magnetického poľa, a preto sa nezúčastňujú na vytváraní EMF.

V každom okamihu je EMP vyskytujúce sa na strane a opačné v smere k EMF vyskytujúcemu sa na strane b, ale v rámci obe EMP pôsobia podľa a pridávajú sa k celkovému EMF, to znamená, že sú indukované celým rámcom.

To sa dá ľahko skontrolovať, ak na určenie smeru EMF použijeme známe pravidlo pravej ruky.

Za týmto účelom umiestnite dlaň pravej ruky tak, aby smerovala k severnému pólu magnetu, a ohnutý palec sa zhoduje so smerom pohybu tej strany rámu, v ktorej chceme určiť smer EMF. Potom bude smer EMF v ňom naznačený natiahnutými prstami ruky.

Pre akúkoľvek polohu rámu určujeme smer EMF v stranách a a b, vždy sa sčítajú a tvoria celkové EMF v rámci. Zároveň s každou rotáciou rámu sa smer celkového EMF v ňom mení na opačný, pretože každá z pracovných strán rámu v jednej otáčke prechádza pod rôznymi pólmi magnetu.

Veľkosť EMF indukovaného v ráme sa tiež mení, keď sa mení rýchlosť, akou strany rámu pretínajú magnetické siločiary. Skutočne, v momente, keď sa rám približuje k svojej vertikálnej polohe a prechádza okolo nej, rýchlosť prechodu siločiar na stranách rámu je najvyššia a najväčšie emf sa indukuje v ráme.V tých časových okamihoch, keď rám prechádza svojou horizontálnou polohou, sa zdá, že jeho strany kĺžu pozdĺž magnetických siločiar bez toho, aby ich pretínali, a nie je indukované žiadne EMF.

Preto pri rovnomernom otáčaní rámu sa v ňom indukuje EMF, ktorý sa periodicky mení vo veľkosti aj smere.

EMF vyskytujúce sa v ráme môže byť merané zariadením a použité na vytvorenie prúdu vo vonkajšom obvode.

Použitím fenomén elektromagnetickej indukcie, môžete získať striedavé EMF a teda striedavý prúd.

Striedavý prúd na priemyselné účely a na osvetlenie vyrábané výkonnými generátormi poháňanými parnými alebo vodnými turbínami a spaľovacími motormi.

Grafické znázornenie striedavého a jednosmerného prúdu

Grafická metóda umožňuje vizualizovať proces zmeny určitej premennej v závislosti od času.

Vykresľovanie premenných, ktoré sa v čase menia, začína vykreslením dvoch vzájomne kolmých čiar nazývaných osi grafu. Potom sa na vodorovnej osi v určitej mierke vykreslia časové intervaly a na zvislej osi tiež v určitej mierke hodnoty veličiny, ktorá sa má vykresliť (EMF, napätie alebo prúd).

Na obr. 2 graficky znázornený jednosmerný prúd a striedavý prúd ... V tomto prípade oneskorujeme hodnoty prúdu a hodnoty prúdu jedného smeru, ktorý sa zvyčajne nazýva kladný, sa oneskorujú vertikálne od priesečníka osí O a od tohto bodu opačným smerom, ktorý sa zvyčajne nazýva záporný.

Obrázok 2. Grafické znázornenie jednosmerného a striedavého prúdu

Samotný bod O slúži ako pôvod aktuálnych hodnôt (vertikálne nadol a nahor) a času (vodorovne vpravo).Inými slovami, tento bod zodpovedá nulovej hodnote prúdu a tomuto počiatočnému bodu v čase, z ktorého máme v úmysle sledovať, ako sa prúd v budúcnosti zmení.

Overme si správnosť toho, čo je znázornené na obr. 2 a graf jednosmerného prúdu 50 mA.

Pretože tento prúd je konštantný, to znamená, že nemení svoju veľkosť a smer v priebehu času, rovnaké hodnoty prúdu budú zodpovedať rôznym časovým momentom, to znamená 50 mA. Preto v časovom okamihu rovnajúcom sa nule, to znamená v počiatočnom okamihu nášho pozorovania prúdu, sa bude rovnať 50 mA. Nakreslením segmentu rovnajúceho sa aktuálnej hodnote 50 mA na zvislej osi smerom nahor získame prvý bod nášho grafu.

To isté musíme urobiť v nasledujúcom časovom okamihu zodpovedajúcom bodu 1 na časovej osi, to znamená odložiť z tohto bodu vertikálne nahor úsek tiež rovný 50 mA. Koniec segmentu nám vymedzí druhý bod grafu.

Po vykonaní podobnej konštrukcie pre niekoľko nasledujúcich bodov v čase získame sériu bodov, ktorých spojenie poskytne priamku, ktorá je grafickým znázornením hodnoty konštantného prúdu 50 mA.

Vykreslenie premennej EMF

Prejdime k štúdiu premenného grafu EMF... Na obr. 3 je hore zobrazený rám rotujúci v magnetickom poli a nižšie je uvedené grafické znázornenie výslednej premennej EMF.

Obrázok 3. Vykreslenie premennej EMF

Začneme rovnomerne otáčať rámom v smere hodinových ručičiek a sledujeme priebeh zmien EMF v ňom, pričom ako počiatočný moment berieme horizontálnu polohu rámu.

V tomto počiatočnom momente bude EMF nula, pretože strany rámu nepretínajú siločiary magnetického poľa.Na grafe je táto nulová hodnota EMF zodpovedajúca okamihu t = 0 znázornená bodom 1.

Pri ďalšom otáčaní rámu sa v ňom začne objavovať EMF a bude sa zvyšovať, kým rám nedosiahne vertikálnu polohu. Na grafe bude tento nárast EMF reprezentovaný hladkou stúpajúcou krivkou, ktorá dosiahne svoj vrchol (bod 2).

Keď sa rám priblíži k horizontálnej polohe, EMF v ňom sa zníži a klesne na nulu. Na grafe to bude znázornené ako klesajúca hladká krivka.

Preto za čas zodpovedajúci polovici otáčky rámu EMF v ňom dokázalo stúpnuť z nuly na maximálnu hodnotu a opäť klesnúť na nulu (bod 3).

Pri ďalšom otáčaní rámu sa v ňom EMF znova objaví a postupne sa zväčší, ale jeho smer sa už zmení na opačný, ako je možné vidieť pri použití pravidla pravej ruky.

Graf berie do úvahy zmenu smeru EMF, takže krivka predstavujúca EMF pretína časovú os a teraz leží pod touto osou. EMF sa opäť zvyšuje, kým rám nezaujme vertikálnu polohu.

Potom EMF začne klesať a jeho hodnota sa bude rovnať nule, keď sa rám vráti do svojej pôvodnej polohy po dokončení jednej úplnej otáčky. Na grafe to bude vyjadrené tak, že krivka EMF, ktorá dosiahne svoj vrchol v opačnom smere (bod 4), sa potom stretne s časovou osou (bod 5)

Tým sa dokončí jeden cyklus zmeny EMF, ale ak budete pokračovať v otáčaní rámu, okamžite začne druhý cyklus, pričom sa presne zopakuje prvý, po ktorom bude nasledovať tretí, potom štvrtý atď., kým sa nezastavíme. rotačný rám.

Pri každej rotácii rámu teda EMF, ktorý sa v ňom vyskytuje, dokončí úplný cyklus jeho zmeny.

Ak je rám uzavretý do nejakého vonkajšieho obvodu, potom bude obvodom pretekať striedavý prúd, ktorého graf bude vyzerať rovnako ako graf EMF.

Výsledný tvar vlny sa nazýva sínusová vlna a prúd, EMF alebo napätie meniace sa podľa tohto zákona sa nazýva sínusový.

Samotná krivka sa nazýva sínusoida, pretože ide o grafické znázornenie premennej trigonometrickej veličiny nazývanej sínus.

Sínusový charakter zmeny prúdu je najbežnejší v elektrotechnike, preto, keď hovoríme o striedavom prúde, vo väčšine prípadov znamená sínusový prúd.

Na porovnanie rôznych striedavých prúdov (EMF a napätia) existujú hodnoty, ktoré charakterizujú určitý prúd. Tieto sa nazývajú AC parametre.

Period, Amplitude a Frequency — AC parametre

Striedavý prúd je charakterizovaný dvoma parametrami — mesačným cyklom a amplitúdou, na základe ktorých vieme odhadnúť, o aký striedavý prúd ide a zostaviť graf prúdu.

Obrázok 4. Krivka sínusového prúdu

Časové obdobie, počas ktorého dôjde k úplnému cyklu zmien prúdu, sa nazýva obdobie. Perióda je označená písmenom T a meria sa v sekundách.

Časový úsek, počas ktorého dôjde k polovici úplného cyklu zmeny prúdu, sa nazýva polovičný cyklus, preto sa obdobie zmeny prúdu (EMF alebo napätia) skladá z dvoch polovičných periód. Je celkom zrejmé, že všetky periódy toho istého striedavého prúdu sú si navzájom rovné.

Ako je zrejmé z grafu, počas jednej periódy svojej zmeny prúd dosiahne dvojnásobok svojej maximálnej hodnoty.

Maximálna hodnota striedavého prúdu (EMF alebo napätie) sa nazýva jeho amplitúda alebo špičková hodnota prúdu.

Im, Em a Um sú bežné označenia amplitúd prúdu, EMF a napätia.

V prvom rade sme venovali pozornosť špičkový prúdako je však zrejmé z grafu, existuje nespočetné množstvo medziľahlých hodnôt, ktoré sú menšie ako amplitúda.

Hodnota striedavého prúdu (EMF, napätie) zodpovedajúca ľubovoľnému zvolenému časovému okamihu sa nazýva jeho okamžitá hodnota.

i, e a u sú bežne akceptované označenia okamžitých hodnôt prúdu, emf a napätia.

Okamžitá hodnota prúdu, ako aj jeho špičková hodnota sa dá ľahko určiť pomocou grafu. Ak to chcete urobiť, z akéhokoľvek bodu na vodorovnej osi zodpovedajúceho bodu v čase, ktorý nás zaujíma, nakreslite zvislú čiaru do bodu priesečníka s aktuálnou krivkou; výsledný segment zvislej čiary bude určovať hodnotu prúdu v danom čase, teda jeho okamžitú hodnotu.

Je zrejmé, že okamžitá hodnota prúdu po čase T / 2 od počiatočného bodu grafu bude nula a po čase T / 4 bude jeho hodnota amplitúdy. Prúd tiež dosahuje svoju špičkovú hodnotu; ale už v opačnom smere, po čase rovnajúcom sa 3/4 T.

Takže graf ukazuje, ako sa prúd v obvode mení v priebehu času a že iba jedna konkrétna hodnota veľkosti a smeru prúdu zodpovedá každému časovému okamihu. V tomto prípade bude hodnota prúdu v danom časovom bode v jednom bode obvodu presne rovnaká v ktoromkoľvek inom bode tohto obvodu.

Nazýva sa to počet úplných periód splnených prúdom za 1 sekundu frekvencie striedavého prúdu a označuje sa latinským písmenom f.

Na určenie frekvencie striedavého prúdu, teda na zistenie, koľko periód jeho zmeny vykonal prúd za 1 sekundu, je potrebné vydeliť 1 sekundu časom jednej periódy f = 1 / T. Poznanie frekvencie striedavého prúdu, môžete určiť periódu: T = 1 / f

Frekvencia striedavého prúdu meria sa v jednotke nazývanej hertz.

Ak máme striedavý prúd, ktorého frekvencia sa rovná 1 hertzu, potom sa perióda takéhoto prúdu bude rovnať 1 sekunde. Naopak, ak je perióda zmeny prúdu 1 sekunda, potom je frekvencia takéhoto prúdu 1 hertz.

Preto sme definovali parametre striedavého prúdu – periódu, amplitúdu a frekvenciu – ktoré vám umožňujú rozlišovať medzi rôznymi striedavými prúdmi, EMF a napätiami a v prípade potreby vykresliť ich grafy.

Pri určovaní odporu rôznych obvodov proti striedavému prúdu použite inú pomocnú hodnotu charakterizujúcu striedavý prúd, tzv. uhlová alebo uhlová frekvencia.

Kruhová frekvencia označovaná vo vzťahu k frekvencii f pomerom 2 pif

Poďme si vysvetliť túto závislosť. Pri vykresľovaní grafu premenných EMF sme videli, že jedno úplné otočenie rámca vedie k úplnému cyklu zmeny EMF. Inými slovami, na to, aby rám urobil jednu otáčku, to znamená, aby sa otočil o 360 °, potrebuje čas rovnajúci sa jednej perióde, teda T sekundám. Potom za 1 sekundu rám otočí o 360°/T. Preto 360°/T je uhol, o ktorý sa rám otočí za 1 sekundu a vyjadruje rýchlosť otáčania rámu, ktorá sa zvyčajne nazýva uhlová alebo kruhová rýchlosť.

Ale keďže perióda T súvisí s frekvenciou f pomerom f = 1 / T, potom môže byť kruhová rýchlosť tiež vyjadrená ako frekvencia a bude sa rovnať 360 ° f.

Takže sme dospeli k záveru, že 360 ​​° f. Pre pohodlie použitia kruhovej frekvencie na akékoľvek výpočty je však uhol 360 ° zodpovedajúci jednej otáčke nahradený radiálnym vyjadrením rovným 2pi radiánom, kde pi = 3,14. Takže konečne dostaneme 2pif. Preto na určenie uhlovej frekvencie striedavého prúdu (EMF alebo napätie), musíte frekvenciu v hertzoch vynásobiť konštantným číslom 6,28.