Ce este curentul alternativ și cum diferă de curentul continuu

Curentul alternativ, în contrast curent DC, se schimbă constant atât ca amploare, cât și ca direcție, iar aceste schimbări au loc periodic, adică se repetă la intervale exact egale.

Pentru a induce un astfel de curent în circuit, utilizați surse de curent alternativ care creează un EMF alternativ, schimbându-se periodic în mărime și direcție.Asemenea surse se numesc alternatoare.

În fig. 1 prezintă o diagramă a dispozitivului (model) dintre cele mai simple alternator. 

Un cadru dreptunghiular din sârmă de cupru, fixat pe axă și rotit în câmp folosind o curea de transmisie magnet… Capetele cadrului sunt lipite pe inele de cupru, care, rotindu-se cu cadrul, alunecă pe plăcile de contact (perii).

Figura 1. Diagrama celui mai simplu alternator

Să ne asigurăm că un astfel de dispozitiv este într-adevăr o sursă de EMF variabilă.

Să presupunem că un magnet creează între polii săi câmp magnetic uniform, adică unul în care densitatea liniilor de câmp magnetic în fiecare parte a câmpului este aceeași.rotindu-se, cadrul traversează liniile de forță ale câmpului magnetic în fiecare dintre laturile sale a și b EMF indus. 

Laturile c și d ale cadrului nu funcționează, deoarece atunci când cadrul se rotește, ele nu traversează liniile de forță ale câmpului magnetic și, prin urmare, nu participă la crearea EMF.

În orice moment de timp, EMF care apare în partea a este opusă în direcție față de EMF care apare în partea b, dar în cadrul ambelor EMF acționează în funcție de și se adaugă la EMF total, adică indus de întregul cadru.

Acest lucru este ușor de verificat dacă folosim regula mâinii drepte pe care o cunoaștem pentru a determina direcția EMF.

Pentru a face acest lucru, plasați palma mâinii drepte astfel încât să fie orientată spre polul nord al magnetului, iar degetul mare îndoit coincide cu direcția de mișcare a acelei părți a cadrului în care dorim să determinăm direcția EMF. Apoi, direcția EMF în ea va fi indicată de degetele întinse ale mâinii.

Pentru orice poziție a cadrului determinăm direcția EMF în laturile a și b, ele se adună întotdeauna și formează un EMF total în cadru. În același timp, cu fiecare rotație a cadrului, direcția EMF totală din acesta se schimbă în sens opus, deoarece fiecare dintre părțile de lucru ale cadrului într-o singură rotație trece sub diferiți poli ai magnetului.

Mărimea EMF indusă în cadru se modifică, de asemenea, pe măsură ce se modifică rata la care părțile laterale ale cadrului traversează liniile câmpului magnetic. Într-adevăr, în momentul în care cadrul se apropie de poziția sa verticală și o depășește, viteza de trecere a liniilor de forță de pe părțile laterale ale cadrului este cea mai mare, iar în cadru este indusă cea mai mare fem.În acele momente de timp, când cadrul trece de poziția orizontală, părțile sale par să alunece de-a lungul liniilor câmpului magnetic fără a le traversa și nu este indus niciun EMF.

Prin urmare, cu rotirea uniformă a cadrului, în el va fi indus un EMF, schimbându-se periodic atât în ​​mărime, cât și în direcție.

EMF care apare în cadru poate fi măsurat de un dispozitiv și utilizat pentru a crea un curent în circuitul extern.

Folosind fenomen de inducție electromagnetică, puteți obține EMF alternativ și, prin urmare, curent alternativ.

Curentul alternativ în scopuri industriale și pentru iluminare produs de generatoare puternice acționate de turbine cu abur sau apă și motoare cu ardere internă.

Reprezentarea grafică a curenților AC și DC

Metoda grafică face posibilă vizualizarea procesului de modificare a unei anumite variabile în funcție de timp.

Trasarea variabilelor care se modifică în timp începe prin trasarea a două linii reciproc perpendiculare numite axe ale graficului. Apoi, pe axa orizontală, pe o anumită scară, sunt trasate intervalele de timp, iar pe axa verticală, tot pe o anumită scară, valorile mărimii de trasat (EMF, tensiune sau curent).

În fig. 2 grafic de curent continuu și curent alternativ ... În acest caz, întârziem valorile curentului și valorile curentului dintr-o direcție, care este de obicei numită pozitivă, sunt întârziate vertical de la punctul de intersecție a axelor O , iar în jos din acest punct, direcția opusă, care este de obicei numită negativă.

Figura 2. Reprezentarea grafică a DC și AC

Punctul O însuși servește atât ca origine a valorilor curente (vertical în jos și în sus) cât și ca timp (orizontal dreapta).Cu alte cuvinte, acest punct corespunde valorii zero a curentului și acestui punct de pornire în timp de la care intenționăm să urmărim cum se va schimba curentul în viitor.

Să verificăm corectitudinea a ceea ce este reprezentat în fig. 2 și o diagramă de curent continuu de 50 mA.

Deoarece acest curent este constant, adică nu își schimbă magnitudinea și direcția în timp, aceleași valori ale curentului vor corespunde diferitelor momente de timp, adică 50 mA. Prin urmare, în momentul de timp egal cu zero, adică în momentul inițial al observării noastre a curentului, acesta va fi egal cu 50 mA. Desenând un segment egal cu valoarea curentă de 50 mA pe axa verticală în sus, obținem primul punct al graficului nostru.

Trebuie să facem același lucru pentru următorul moment de timp corespunzător punctului 1 de pe axa timpului, adică să amânăm din acest punct vertical în sus un segment de asemenea egal cu 50 mA. Sfârșitul segmentului va defini al doilea punct al graficului pentru noi.

După ce am făcut o construcție similară pentru mai multe momente ulterioare în timp, obținem o serie de puncte, a căror conexiune va da o linie dreaptă, care este o reprezentare grafică a unei valori constante a curentului de 50 mA.

Trasarea unui EMF variabil

Să trecem la studiul graficului variabil al EMF... În fig. 3, un cadru care se rotește într-un câmp magnetic este prezentat în partea de sus, iar mai jos este dată o reprezentare grafică a EMF variabilă rezultată.

Figura 3. Graficul variabilei EMF

Începem să rotim uniform cadrul în sensul acelor de ceasornic și să urmăm cursul modificărilor EMF în el, luând poziția orizontală a cadrului ca moment inițial.

În acest moment inițial, EMF va fi zero deoarece părțile laterale ale cadrului nu traversează liniile câmpului magnetic.Pe grafic, această valoare zero a EMF corespunzătoare momentului t = 0 este reprezentată de punctul 1.

Odată cu rotirea suplimentară a cadrului, EMF va începe să apară în el și va crește până când cadrul ajunge în poziția sa verticală. Pe grafic, această creștere a EMF va fi reprezentată de o curbă lină de creștere care atinge apogeul (punctul 2).

Pe măsură ce cadrul se apropie de poziția orizontală, EMF din el va scădea și va scădea la zero. Pe grafic, aceasta va fi reprezentată ca o curbă netedă în scădere.

Prin urmare, în timpul corespunzător unei jumătăți de rotație a cadrului, EMF din acesta a putut să crească de la zero la valoarea maximă și să scadă din nou la zero (punctul 3).

Odată cu o rotire suplimentară a cadrului, EMF va reapărea în el și va crește treptat în magnitudine, dar direcția sa se va schimba deja în sens opus, așa cum se poate observa prin aplicarea regulii mâinii drepte.

Graficul ia în considerare schimbarea direcției EMF, astfel încât curba care reprezintă EMF traversează axa timpului și acum se află sub acea axă. EMF crește din nou până când cadrul ia o poziție verticală.

Apoi, EMF va începe să scadă și valoarea sa va deveni egală cu zero atunci când cadrul revine la poziția inițială după ce a finalizat o revoluție completă. Pe grafic, acest lucru va fi exprimat prin faptul că curba EMF, atingând vârful în direcția opusă (punctul 4), se va întâlni apoi cu axa timpului (punctul 5)

Acest lucru completează un ciclu de schimbare a EMF, dar dacă continuați rotirea cadrului, începe imediat al doilea ciclu, repetându-l exact pe primul, care la rândul său va fi urmat de al treilea, apoi de al patrulea și așa mai departe până ne oprim. cadrul de rotație.

Astfel, pentru fiecare rotație a cadrului, EMF care apare în acesta completează un ciclu complet al schimbării sale.

Dacă cadrul este închis la un circuit extern, atunci un curent alternativ va curge prin circuit, al cărui grafic va arăta la fel cu graficul EMF.

Forma de undă rezultată se numește undă sinusoidală, iar curentul, EMF sau tensiunea care variază în conformitate cu această lege se numește sinusoidal.

Curba în sine se numește sinusoid deoarece este o reprezentare grafică a unei mărimi trigonometrice variabile numită sinus.

Natura sinusoidală a schimbării curentului este cea mai comună în inginerie electrică, prin urmare, vorbind de curent alternativ, în majoritatea cazurilor se referă la curent sinusoidal.

Pentru a compara diferiți curenți alternativi (EMF și tensiuni), există valori care caracterizează un anumit curent. Aceștia se numesc parametri AC.

Perioada, Amplitudinea și Frecvența — Parametrii AC

Curentul alternativ este caracterizat de doi parametri — ciclul lunar și amplitudinea, știind despre care putem estima ce fel de curent alternativ este și construim un grafic al curentului.

Figura 4. Curba curentului sinusoidal

Perioada de timp în care are loc un ciclu complet de schimbare a curentului se numește perioadă. Perioada este notată cu litera T și se măsoară în secunde.

Perioada de timp în care are loc jumătate dintr-un ciclu complet de schimbare a curentului se numește jumătate de ciclu.De aceea, perioada de schimbare a curentului (EMF sau tensiune) constă din două jumătăți de perioade. Este destul de evident că toate perioadele aceluiași curent alternativ sunt egale între ele.

După cum se poate observa din grafic, în timpul unei perioade de schimbare, curentul atinge de două ori valoarea sa maximă.

Valoarea maximă a unui curent alternativ (EMF sau tensiune) se numește amplitudinea sau valoarea curentului de vârf.

Im, Em și Um sunt denumiri comune pentru amplitudinile de curent, EMF și tensiune.

În primul rând, am fost atenți curent de vârf, cu toate acestea, după cum se poate observa din grafic, există nenumărate valori intermediare care sunt mai mici decât amplitudinea.

Valoarea curentului alternativ (EMF, tensiune) corespunzătoare oricărui moment selectat în timp se numește valoarea sa instantanee.

i, e și u sunt denumiri acceptate în mod obișnuit ale valorilor instantanee ale curentului, fem și tensiune.

Valoarea instantanee a curentului, precum și valoarea sa de vârf, sunt ușor de determinat cu ajutorul graficului. Pentru a face acest lucru, din orice punct de pe axa orizontală corespunzător punctului de timp care ne interesează, trageți o linie verticală până la punctul de intersecție cu curba curentă; segmentul rezultat al liniei verticale va determina valoarea curentului la un moment dat, adică valoarea sa instantanee.

Evident, valoarea instantanee a curentului după timpul T/2 din punctul de plecare al graficului va fi zero, iar după timpul T/4 valoarea sa amplitudinii. Curentul atinge și valoarea sa de vârf; dar deja în sens invers, după un timp egal cu 3/4 T.

Deci, graficul arată cum se schimbă curentul din circuit în timp și că doar o singură valoare particulară atât a mărimii, cât și a direcției curentului corespunde fiecărui moment de timp. În acest caz, valoarea curentului la un moment dat în timp la un punct al circuitului va fi exact aceeași în orice alt punct al circuitului respectiv.

Se numește numărul de perioade complete îndeplinite de curent în 1 secundă de frecvență AC și este notat cu litera latină f.

Pentru a determina frecvența unui curent alternativ, adică pentru a afla câte perioade din schimbarea lui curentul efectuat în 1 secundă, este necesar să se împartă 1 secundă la timpul unei perioade f = 1 / T. Cunoscând frecvența a curentului alternativ, puteți determina perioada: T = 1 / f

Frecvența AC se măsoară într-o unitate numită herți.

Dacă avem un curent alternativ a cărui frecvență este egală cu 1 hertz, atunci perioada unui astfel de curent va fi egală cu 1 secundă. În schimb, dacă perioada de schimbare a curentului este de 1 secundă, atunci frecvența unui astfel de curent este de 1 hertz.

Așadar, am definit parametrii AC — perioada, amplitudinea și frecvența — care vă permit să distingeți între diferiți curenți, EMF și tensiuni AC și să trasați graficele acestora atunci când este necesar.

Atunci când determinați rezistența diferitelor circuite la curent alternativ, utilizați o altă valoare auxiliară care caracterizează curentul alternativ, așa-numita frecvență unghiulară sau unghiulară.

Frecvența circulară notată în raport cu frecvența f prin raportul 2 pif

Să explicăm această dependență. Când am trasat graficul EMF variabil, am văzut că o rotație completă a cadrului are ca rezultat un ciclu complet de schimbare a EMF. Cu alte cuvinte, pentru ca cadrul să facă o revoluție, adică să se rotească la 360 ​​°, este nevoie de un timp egal cu o perioadă, adică T secunde. Apoi, în 1 secundă, cadrul face o revoluție de 360 ​​° / T. Prin urmare, 360 ° / T este unghiul prin care cadrul se rotește în 1 secundă și exprimă viteza de rotație a cadrului, care se numește de obicei viteză unghiulară sau circulară.

Dar, deoarece perioada T este legată de frecvența f prin raportul f = 1 / T, atunci viteza circulară poate fi exprimată și ca frecvență și va fi egală cu 360 ° f.

Deci am ajuns la concluzia că 360 ° f. Cu toate acestea, pentru comoditatea utilizării frecvenței circulare pentru orice calcul, unghiul de 360 ​​° corespunzător unei revoluții este înlocuit cu o expresie radială egală cu 2pi radiani, unde pi = 3,14. Așa că în sfârșit obținem 2pif. Prin urmare, pentru a determina frecvența unghiulară a curentului alternativ (EMF sau tensiune), trebuie să înmulțiți frecvența în herți cu un număr constant 6,28.