Parametrii de bază ai curentului alternativ: perioadă, frecvență, fază, amplitudine, oscilații armonice

Curentul alternativ este un curent electric a cărui direcție și putere se schimbă periodic. Deoarece de obicei puterea curentului alternativ variază în funcție de o lege sinusoidală, curentul alternativ este fluctuații sinusoidale ale tensiunii și curentului.

Prin urmare, tot ceea ce se aplică oscilațiilor electrice sinusoidale este aplicabil curentului alternativ. Oscilațiile sinusoidale sunt oscilații în care valoarea oscilantei se modifică conform legii sinusului.În acest articol vom vorbi despre parametrii AC.

Modificarea EMF și modificarea curentului unei sarcini liniare conectate la o astfel de sursă vor urma o lege sinusoidală. În acest caz, CEM alternative, tensiunile și curenții alternativi pot fi caracterizate prin cei patru parametri principali ai lor:

• perioadă;

• frecvență;

• amplitudine;

• valoare efectivă.

Există și parametri suplimentari:

• frecvența unghiulară;

• fază;

• valoare imediată.

În continuare, vom analiza toți acești parametri separat și împreună.

Perioada T.

Perioada - timpul necesar unui sistem care oscilează pentru a trece prin toate stările intermediare și a reveni din nou la starea inițială.

Perioada T a unui curent alternativ este intervalul de timp în care curentul sau tensiunea efectuează un ciclu complet de modificări.

Deoarece sursa de curent alternativ este un generator, perioada este legată de viteza de rotație a rotorului său și cu cât este mai mare viteza de rotație a înfășurării sau a rotorului generatorului, cu atât perioada EMF alternantă generată este mai scurtă și, în consecință, curentul alternativ de sarcină, se dovedește.

Perioada se măsoară în secunde, milisecunde, microsecunde, nanosecunde, în funcție de situația particulară în care este luat în considerare acest curent. Figura de mai sus arată cum se modifică tensiunea U în timp, având o perioadă caracteristică constantă T.

Frecvența f

Frecvența f este reciproca perioadei și este numeric egală cu numărul de perioade de schimbare a curentului sau a EMF într-o secundă. Adică f = 1 / T. Unitatea de măsură a frecvenței este herțul (Hz), numit după fizicianul german Heinrich Hertz, care a adus o contribuție semnificativă la dezvoltarea electrodinamicii în secolul al XIX-lea. Cu cât perioada este mai scurtă, cu atât frecvența EMF sau schimbarea curentului este mai mare.

Astăzi, în Rusia, frecvența standard a curentului alternativ în rețelele electrice este de 50 Hz, adică 50 de fluctuații ale tensiunii rețelei apar într-o secundă.

În alte domenii ale electrodinamicii, se folosesc frecvențe mai mari, de exemplu 20 kHz și mai mult în invertoarele moderne și până la câțiva MHz în zone mai înguste ale electrodinamicii. În figura de mai sus puteți vedea că există 50 de oscilații complete într-o secundă, fiecare durând 0,02 secunde și 1 / 0,02 = 50.

Din graficele modificărilor curentului alternativ sinusoidal în timp, se poate observa că curenții de frecvențe diferite conțin un număr diferit de perioade în același interval de timp.

Frecvența unghiulară

Frecvența unghiulară — numărul de oscilații efectuate în 2pi sec.

Într-o perioadă, faza EMF sinusoidal sau curentul sinusoidal se modifică cu 2pi radiani sau 360 °, prin urmare frecvența unghiulară a curentului sinusoidal alternativ este egală cu:

Utilizați numărul de oscilații în 2pi sec.(nu în 1 sec.) Este convenabil deoarece în formulele care exprimă legea modificării tensiunii și curentului în timpul oscilațiilor armonice, exprimând rezistența inductivă sau capacitivă a curentului alternativ și în multe alte cazuri frecventa de oscilatie n apare impreuna cu multiplicatorul 2pi.

Fază

Faza — stare, etapă a unui proces periodic. Termenul de fază are un sens mai definit în cazul oscilațiilor sinusoidale. În practică, de obicei nu faza în sine joacă un rol, ci schimbarea de fază între oricare două procese periodice.

În acest caz, termenul „fază” este înțeles ca o etapă a dezvoltării procesului, iar în acest caz, în raport cu curenții alternativi și tensiunile sinusoidale, faza se numește starea curentului alternativ la un anumit moment în timp.

Figurile arată: coincidența tensiunii U1 și curentului I1 în fază, a tensiunii U1 și U2 în antifază, precum și defazajul dintre curentul I1 și tensiunea U2. Deplasarea de fază se măsoară în radiani, părți ale unei perioade, în grade.

Vezi si: Ce este faza, unghiul de fază și schimbarea de fază

Amplitudinea Um și Im

Vorbind despre magnitudinea curentului alternativ sinusoidal sau a EMF sinusoidal alternativ, cea mai mare valoare a EMF sau a curentului se numește amplitudine sau amplitudine (maximum).

Amplitudine — cea mai mare valoare a mărimii care efectuează oscilații armonice (de exemplu, valoarea maximă a intensității curentului în curent alternativ, abaterea pendulului oscilant de la poziția de echilibru), cea mai mare abatere a mărimii oscilante de la o anumită valoare, condiționat acceptat ca zero inițial.

Strict vorbind, termenul de amplitudine se referă numai la oscilațiile sinusoidale, dar de obicei (nu chiar corect) se aplică în sensul de mai sus tuturor oscilațiilor.

Dacă vorbim despre un alternator, atunci EMF-ul terminalelor sale de două ori pe perioadă atinge o valoare de amplitudine, prima dintre care este + Em, a doua este Em, respectiv, în timpul semiciclurilor pozitive și negative. Curentul I se comportă în mod similar și este notat cu Im în consecință.

Vibrații armonice — oscilații în care o mărime oscilantă, cum ar fi tensiunea dintr-un circuit electric, se modifică în timp în conformitate cu o lege armonică sinusoidală sau cosinus. Reprezentat grafic printr-o curbă sinusoidală.

Procesele reale pot aproxima doar oscilațiile armonice. Cu toate acestea, dacă oscilațiile reflectă cele mai caracteristice trăsături ale procesului, atunci un astfel de proces este considerat armonic, ceea ce facilitează foarte mult rezolvarea multor probleme fizice și tehnice.

Mișcări apropiate de oscilațiile armonice apar în diverse sisteme: mecanice (oscilații ale unui pendul), acustice (oscilații ale unei coloane de aer într-o țeavă de orgă), electromagnetice (oscilații într-un circuit LC) etc.Teoria oscilațiilor consideră aceste fenomene, diferite ca natură fizică, dintr-un punct de vedere unitar și determină proprietățile lor comune.

Este convenabil să se reprezinte grafic oscilațiile armonice folosind un vector care se rotește cu viteză unghiulară constantă în jurul unei axe perpendiculare pe acest vector și care trece prin originea acestuia. Viteza unghiulară de rotație a vectorului corespunde frecvenței circulare a oscilației armonice.

Diagrama vectorială a unei vibrații armonice

Un proces periodic de orice formă poate fi descompus într-o serie infinită de oscilații armonice simple cu frecvențe, amplitudini și faze diferite.

Armonios — o vibrație armonică a cărei frecvență este de un număr întreg de ori mai mare decât frecvența unei alte vibrații, numită ton fundamental. Numărul armonicii indică de câte ori frecvența sa este mai mare decât frecvența tonului fundamental (de exemplu, a treia armonică este o vibrație armonică cu o frecvență de trei ori mai mare decât frecvența tonului fundamental).

Orice oscilație periodică, dar nu armonică (adică diferită ca formă de cea sinusoidală) poate fi reprezentată ca o sumă de oscilații armonice - tonul fundamental și un număr de armonici. Cu cât oscilația considerată diferă ca formă de una sinusoidală, cu atât conține mai multe armonice.

Valoarea instantanee a lui u și i

Valoarea EMF sau a curentului la un anumit moment în timp se numește valoare instantanee, acestea sunt notate cu litere mici u și i. Dar, deoarece aceste valori se schimbă tot timpul, este incomod să estimați curenții AC și EMF-urile din ele.

Valorile RMS ale I, E și U

Capacitatea curentului alternativ de a efectua lucrări utile, cum ar fi rotirea mecanică a rotorului unui motor sau producerea de căldură pe un dispozitiv de încălzire, este estimată în mod convenabil prin valorile efective ale EMF și ale curenților.

Asa de, valoarea actuală efectivă se numește valoarea unui astfel de curent continuu care, la trecerea printr-un conductor într-o perioadă a curentului alternativ luat în considerare, produce același lucru mecanic sau aceeași cantitate de căldură ca acest curent alternativ.

Valorile RMS ale tensiunilor, emfs și curenților sunt indicate cu majuscule I, E și U. Pentru curentul alternativ sinusoidal și pentru tensiunea alternativă sinusoidal, valorile efective sunt:

Pentru a descrie rețelele electrice, este convenabil să folosiți valoarea efectivă a curentului și tensiunii. De exemplu, o valoare de 220-240 de volți este valoarea efectivă a tensiunii în prizele moderne de uz casnic, iar amplitudinea este mult mai mare - de la 311 la 339 de volți.

La fel si cu curentul, de exemplu cand se spune ca printr-un dispozitiv de incalzire casnica trece un curent de 8 amperi, inseamna o valoare efectiva, in timp ce amplitudinea este de 11,3 amperi.

Într-un fel sau altul, munca mecanică și energia electrică din instalațiile electrice sunt proporționale cu valorile efective ale tensiunilor și curenților. O parte semnificativă a dispozitivelor de măsurare arată exact valorile efective ale tensiunilor și curenților.