Co to jest prąd przemienny i czym różni się od prądu stałego

Prąd przemienny, przeciwnie prąd stały, stale zmienia się zarówno pod względem wielkości, jak i kierunku, a zmiany te zachodzą okresowo, to znaczy powtarzają się w dokładnie równych odstępach czasu.

Aby zaindukować taki prąd w obwodzie, użyj źródeł prądu przemiennego, które wytwarzają zmienne pole elektromagnetyczne, okresowo zmieniające się pod względem wielkości i kierunku.Takie źródła nazywane są alternatorami.

na ryc. 1 pokazuje schemat urządzenia (model) najprostszego alternator. 

Prostokątna rama wykonana z drutu miedzianego, zamocowana na osi i obracana w terenie za pomocą napędu pasowego magnes… Końce ramki są przylutowane do miedzianych pierścieni, które obracając się wraz z ramką, ślizgają się po płytkach stykowych (szczotkach).

Rysunek 1. Schemat najprostszego alternatora

Upewnijmy się, że takie urządzenie rzeczywiście jest źródłem zmiennego pola elektromagnetycznego.

Załóżmy, że magnes tworzy między swoimi biegunami jednolite pole magnetyczne, czyli taki, w którym gęstość linii pola magnetycznego w każdej części pola jest taka sama.obracając się, rama przecina linie sił pola magnetycznego na każdym ze swoich boków a i b Indukowane polem elektromagnetycznym. 

Boki c i d ramy nie działają, ponieważ gdy rama się obraca, nie przecinają linii sił pola magnetycznego, a zatem nie uczestniczą w tworzeniu pola elektromagnetycznego.

W dowolnym momencie pole elektromagnetyczne występujące po stronie a jest przeciwne w kierunku do pola elektromagnetycznego występującego po stronie b, ale w ramce oba pola elektromagnetyczne działają zgodnie i sumują się z całkowitą siłą elektromagnetyczną, to znaczy indukowaną przez całą ramkę.

Łatwo to sprawdzić, jeśli użyjemy znanej nam reguły prawej ręki do określenia kierunku pola elektromagnetycznego.

Aby to zrobić, umieść dłoń prawej ręki tak, aby była skierowana w stronę bieguna północnego magnesu, a zgięty kciuk pokrywał się z kierunkiem ruchu tej strony ramki, w której chcemy określić kierunek pola elektromagnetycznego. Następnie kierunek pola elektromagnetycznego w nim zostanie wskazany przez wyciągnięte palce dłoni.

Dla dowolnego położenia ramy określimy kierunek pola elektromagnetycznego po bokach aib, zawsze sumują się one i tworzą całkowitą siłę elektromotoryczną w ramce. Jednocześnie przy każdym obrocie ramy kierunek całkowitego pola elektromagnetycznego w niej zmienia się na przeciwny, ponieważ każda ze stron roboczych ramy w jednym obrocie przechodzi pod różnymi biegunami magnesu.

Wielkość pola elektromagnetycznego indukowanego w ramie zmienia się również wraz ze zmianą szybkości, z jaką boki ramy przecinają linie pola magnetycznego. Rzeczywiście, w momencie, gdy rama zbliża się do swojej pozycji pionowej i mija ją, prędkość przekraczania linii sił po bokach ramy jest największa, a w ramie indukowana jest największa siła elektromotoryczna.W tych momentach, kiedy rama przekracza swoją pozycję poziomą, jej boki wydają się ślizgać wzdłuż linii pola magnetycznego bez ich przekraczania i nie jest indukowana żadna siła elektromagnetyczna.

Dlatego przy równomiernym obrocie ramy zostanie w niej indukowana siła elektromotoryczna, okresowo zmieniająca się zarówno pod względem wielkości, jak i kierunku.

SEM występujące w ramce można zmierzyć za pomocą urządzenia i wykorzystać do wytworzenia prądu w obwodzie zewnętrznym.

Za pomocą zjawisko indukcji elektromagnetycznej, możesz uzyskać przemienne pole elektromagnetyczne, a tym samym prąd przemienny.

Prąd przemienny do celów przemysłowych i do oświetlenia wytwarzane przez potężne generatory napędzane turbinami parowymi lub wodnymi oraz silnikami spalinowymi.

Graficzne przedstawienie prądów AC i DC

Metoda graficzna umożliwia wizualizację procesu zmiany określonej zmiennej w czasie.

Wykreślanie zmiennych zmieniających się w czasie rozpoczyna się od wykreślenia dwóch wzajemnie prostopadłych linii zwanych osiami wykresu. Następnie na osi poziomej, w określonej skali, wykreślane są przedziały czasowe, a na osi pionowej, również w określonej skali, wartości wielkości do wykreślenia (SEM, napięcie lub prąd).

na ryc. 2 wykres prądu stałego i prądu przemiennego ... W tym przypadku opóźniamy wartości prądu, a wartości prądu jednego kierunku, który zwykle nazywany jest dodatnim, są opóźniane w pionie od punktu przecięcia osi O , iw dół od tego punktu, kierunek przeciwny, który zwykle nazywa się ujemnym.

Rysunek 2. Graficzne przedstawienie prądu stałego i przemiennego

Sam punkt O służy zarówno jako źródło bieżących wartości (pionowo w dół i w górę), jak i czasu (poziomo w prawo).Innymi słowy, ten punkt odpowiada zerowej wartości prądu i temu początkowemu punktowi w czasie, od którego zamierzamy prześledzić, jak prąd będzie się zmieniał w przyszłości.

Sprawdźmy poprawność tego, co jest wykreślone na ryc. 2 i wykres prądu stałego 50 mA.

Ponieważ prąd ten jest stały, to znaczy nie zmienia swojej wielkości i kierunku w czasie, te same wartości prądu będą odpowiadać różnym momentom czasu, to znaczy 50 mA. Dlatego w chwili czasu równej zeru, czyli w początkowej chwili naszej obserwacji prądu, będzie on równy 50 mA. Rysując odcinek równy wartości prądu 50 mA na osi pionowej w górę, otrzymujemy pierwszy punkt naszego wykresu.

To samo musimy zrobić dla następnej chwili czasu odpowiadającej punktowi 1 na osi czasu, czyli odsunąć od tego punktu pionowo w górę odcinek również równy 50 mA. Koniec segmentu określi dla nas drugi punkt wykresu.

Wykonując podobną konstrukcję dla kilku kolejnych punktów w czasie, otrzymujemy szereg punktów, których połączenie da linię prostą będącą graficzną reprezentacją stałego prądu o wartości 50 mA.

Wykreślanie zmiennej EMF

Przejdźmy do badania zmienny wykres pola elektromagnetycznego... Na ryc. 3 ramka obracająca się w polu magnetycznym jest pokazana na górze, a graficzna reprezentacja wynikowej zmiennej EMF jest podana poniżej.

Rysunek 3. Wykreślanie zmiennej EMF

Zaczynamy równomiernie obracać ramkę zgodnie z ruchem wskazówek zegara i śledzić w niej przebieg zmian pola elektromagnetycznego, przyjmując jako moment początkowy poziome położenie ramki.

W tym początkowym momencie pole elektromagnetyczne będzie równe zeru, ponieważ boki ramy nie przecinają linii pola magnetycznego.Na wykresie ta zerowa wartość pola elektromagnetycznego odpowiadająca chwili t = 0 jest reprezentowana przez punkt 1.

Przy dalszym obrocie ramki, pole elektromagnetyczne zacznie się w niej pojawiać i będzie wzrastać, aż ramka osiągnie pozycję pionową. Na wykresie ten wzrost pola elektromagnetycznego będzie reprezentowany przez płynnie wznoszącą się krzywą, która osiąga swój szczyt (punkt 2).

Gdy ramka zbliża się do pozycji poziomej, EMF w niej będzie się zmniejszać i spadać do zera. Na wykresie zostanie to przedstawione jako płynna opadająca krzywa.

Dlatego w czasie odpowiadającym połowie obrotu ramy, SEM w nim było w stanie wzrastać od zera do wartości maksymalnej i ponownie spadać do zera (pkt 3).

Przy dalszym obrocie kadru pole elektromagnetyczne pojawi się w nim ponownie i stopniowo zwiększy swoją wielkość, ale jego kierunek już zmieni się na przeciwny, co widać stosując regułę prawej ręki.

Wykres uwzględnia zmianę kierunku pola elektromagnetycznego, tak że krzywa przedstawiająca pole elektromagnetyczne przecina oś czasu i teraz leży poniżej tej osi. SEM wzrasta ponownie, aż ramka przyjmie pozycję pionową.

Wtedy EMF zacznie się zmniejszać, a jego wartość będzie równa zero, gdy rama powróci do pierwotnej pozycji po wykonaniu jednego pełnego obrotu. Na wykresie będzie to wyrażone tym, że krzywa EMF, osiągając swoje maksimum w przeciwnym kierunku (punkt 4), spotka się wówczas z osią czasu (punkt 5)

To kończy jeden cykl zmiany pola elektromagnetycznego, ale jeśli będziesz kontynuować obrót ramki, natychmiast rozpocznie się drugi cykl, dokładnie powtarzając pierwszy, po którym z kolei nastąpi trzeci, potem czwarty i tak dalej, aż się zatrzymamy ramka obrotowa.

Tak więc przy każdym obrocie ramy występująca w nim siła elektromotoryczna kończy pełny cykl jej zmiany.

Jeśli rama jest zamknięta na jakiś obwód zewnętrzny, wówczas przez obwód przepłynie prąd przemienny, którego wykres będzie wyglądał tak samo jak wykres pola elektromagnetycznego.

Wynikowy kształt fali nazywany jest falą sinusoidalną, a prąd, pole elektromagnetyczne lub napięcie zmieniające się zgodnie z tym prawem nazywamy sinusoidą.

Sama krzywa nazywana jest sinusoidą, ponieważ jest graficzną reprezentacją zmiennej wielkości trygonometrycznej zwanej sinusem.

Sinusoidalny charakter zmiany prądu jest najczęściej spotykany w elektrotechnice, dlatego mówiąc o prądzie przemiennym, w większości przypadków mają na myśli prąd sinusoidalny.

Aby porównać różne prądy przemienne (EMF i napięcia), istnieją wartości charakteryzujące określony prąd. Są to tak zwane parametry AC.

Okres, amplituda i częstotliwość — parametry AC

Prąd przemienny charakteryzuje się dwoma parametrami — cyklem miesięcznym i amplitudą, znając który z nich możemy oszacować, jaki to prąd przemienny i zbudować wykres prądu.

Rysunek 4. Sinusoidalna krzywa prądu

Okres czasu, w którym następuje pełny cykl bieżących zmian, nazywany jest okresem. Okres jest oznaczony literą T i jest mierzony w sekundach.

Okres, w którym następuje połowa pełnego cyklu zmiany prądu, nazywa się półcyklem, dlatego okres zmiany prądu (SEM lub napięcia) składa się z dwóch półokresów. Jest całkiem oczywiste, że wszystkie okresy tego samego prądu przemiennego są sobie równe.

Jak widać z wykresu, w jednym okresie swojej zmiany prąd osiąga dwukrotnie swoją maksymalną wartość.

Maksymalna wartość prądu przemiennego (EMF lub napięcie) nazywana jest jego amplitudą lub szczytową wartością prądu.

Im, Em i Um to popularne oznaczenia amplitud prądu, pola elektromagnetycznego i napięcia.

Przede wszystkim zwróciliśmy uwagę prąd szczytowy, jednak, jak widać z wykresu, istnieje niezliczona ilość wartości pośrednich, które są mniejsze od amplitudy.

Wartość prądu przemiennego (SEM, napięcie) odpowiadająca dowolnej wybranej chwili w czasie nazywana jest jego wartością chwilową.

i, e i u są powszechnie przyjętymi oznaczeniami chwilowych wartości prądu, emf i napięcia.

Chwilową wartość prądu, jak również jego wartość szczytową, można łatwo określić za pomocą wykresu. W tym celu z dowolnego punktu na osi poziomej odpowiadającego interesującemu nas momentowi w czasie narysuj linię pionową do punktu przecięcia z bieżącą krzywą; wynikowy odcinek linii pionowej określi wartość prądu w danym czasie, czyli jego wartość chwilową.

Oczywiście chwilowa wartość prądu po czasie T / 2 od punktu początkowego wykresu wyniesie zero, a po czasie T / 4 jego wartość amplitudy. Prąd również osiąga swoją wartość szczytową; ale już w przeciwnym kierunku, po czasie równym 3/4 T.

Tak więc wykres pokazuje, jak prąd w obwodzie zmienia się w czasie i że tylko jedna konkretna wartość zarówno wielkości, jak i kierunku prądu odpowiada każdej chwili czasu. W takim przypadku wartość prądu w danym momencie w jednym punkcie obwodu będzie dokładnie taka sama w każdym innym punkcie tego obwodu.

Nazywa się to liczbą pełnych okresów, które wypełnia prąd w ciągu 1 sekundy o częstotliwości prądu przemiennego i oznacza się łacińską literą f.

Aby określić częstotliwość prądu przemiennego, czyli dowiedzieć się, ile okresów jego zmiany prąd wykonał w ciągu 1 sekundy, należy podzielić 1 sekundę przez czas jednego okresu f = 1 / T. Znając częstotliwość prądu przemiennego można wyznaczyć okres: T = 1 / f

Częstotliwość AC jest mierzony w jednostce zwanej hercem.

Jeśli mamy prąd przemienny, którego częstotliwość jest równa 1 hercowi, to okres takiego prądu będzie równy 1 sekundzie. I odwrotnie, jeśli okres zmiany prądu wynosi 1 sekundę, to częstotliwość takiego prądu wynosi 1 herc.

Dlatego zdefiniowaliśmy parametry prądu przemiennego — okres, amplitudę i częstotliwość — które umożliwiają rozróżnienie różnych prądów przemiennych, pól elektromagnetycznych i napięć oraz wykreślenie ich wykresów w razie potrzeby.

Przy określaniu rezystancji różnych obwodów na prąd przemienny należy posłużyć się inną wartością pomocniczą charakteryzującą prąd przemienny, tzw. częstotliwość kątowa lub kątowa.

Częstotliwość kołowa oznaczona w odniesieniu do częstotliwości f przez stosunek 2 pif

Wyjaśnijmy tę zależność. Podczas kreślenia wykresu zmiennej EMF widzieliśmy, że jeden pełny obrót ramy powoduje pełny cykl zmian EMF. Innymi słowy, aby kadr wykonał jeden obrót, czyli obrócił się o 360°, potrzebny jest czas równy jednemu okresowi, czyli T sekundom. Następnie w ciągu 1 sekundy ramka wykonuje obrót o 360°/T. Dlatego 360 ° / T to kąt, o jaki rama obraca się w ciągu 1 sekundy, i wyraża prędkość obrotu ramy, która jest zwykle nazywana prędkością kątową lub kołową.

Ale ponieważ okres T jest powiązany z częstotliwością f przez stosunek f = 1 / T, wówczas prędkość kołową można również wyrazić jako częstotliwość i będzie równa 360 ° f.

Doszliśmy więc do wniosku, że 360 ​​° f. Jednak dla wygody używania częstotliwości kołowej do dowolnych obliczeń, kąt 360 ° odpowiadający jednemu obrotowi zastępuje się wyrażeniem promieniowym równym 2pi radianów, gdzie pi = 3,14. W końcu otrzymujemy 2pif. Dlatego, aby określić częstotliwość kątową prądu przemiennego (EMF lub napięcie), musisz pomnożyć częstotliwość w hercach przez stałą liczbę 6,28.