Prąd przemienny jednofazowy

Pozyskiwanie prądu przemiennego

Jeśli drut A jest obracany w strumieniu magnetycznym tworzonym przez dwa bieguny magnesu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara (ryc. 1), to gdy drut przecina linie pola magnetycznego, indukuje e. d. s, których wartość jest określona przez wyrażenie

E = Blvsinα,

gdzie B to indukcja magnetyczna w T, l to długość drutu w m, v to prędkość drutu w m / s, α — kąt, pod którym drut przecina linie pola magnetycznego.

Niech B, I i v dla tego przypadku pozostaną stałe, wtedy indukowane e. itp. c. będzie zależeć tylko od kąta α, pod jakim drut przecina pole magnetyczne. Tak więc w punkcie 1, gdy drut porusza się wzdłuż linii pola magnetycznego, wartość indukowanego emf. itp. p będzie równe zero, gdy drut przesunie się do punktu 3 oe. itp. v. będzie miało największe znaczenie, ponieważ linie sił będą przecinane przez przewodnik w kierunku prostopadłym do nich, a na końcu np. itp. v. ponownie osiągnie zero, jeśli drut zostanie przesunięty do punktu 5.

Ryż. 1. Zmiana indukowanego e. itp. str. w drucie obracającym się w polu magnetycznym

W punktach pośrednich 2 i 4, w których drut przecina linie sił pod kątem α = 45 °, wartość indukowanej siły elektromotorycznej. itp. c. będzie odpowiednio mniejsze niż w punkcie 3. Tak więc, gdy drut zostanie obrócony z punktu 1 do punktu 5, to znaczy o 180 °, indukowane e. itp. v. zmiany od zera do maksimum iz powrotem do zera.

Jest całkiem oczywiste, że przy dalszym obrocie drutu A o kąt 180 ° (przez punkty 6, 7, 8 i 1) charakter zmiany indukowanej e. itp. p. będzie taki sam, ale jego kierunek zmieni się na przeciwny, ponieważ drut przetnie linie pola magnetycznego już pod drugim biegunem, co jest równoznaczne z przekroczeniem ich w przeciwnym pierwszym kierunku.

Dlatego, gdy drut jest obrócony o 360 °, indukowane e. itp. v. nie tylko cały czas zmienia wielkość, ale także dwukrotnie zmienia swój kierunek.

Jeśli drut jest zamknięty z pewnym oporem, pojawi się drut Elektryczność, również różniące się wielkością i kierunkiem.

Prąd elektryczny, który stale zmienia wielkość i kierunek, nazywany jest prądem przemiennym.

Co to jest sinusoida?

Charakter zmiany e. itp. (prąd) dla jednego zwoju drutu dla większej przejrzystości, są one graficznie reprezentowane za pomocą krzywej. Ponieważ wartość e. itp. c. proporcjonalny do sinα, to po ustaleniu pewnych kątów można za pomocą tablic wyznaczyć wartość sinusa każdego kąta i na odpowiedniej skali skonstruować krzywą zmiany e. itp. c. W tym celu na osi poziomej odłożymy kąty obrotu drutu, a na osi pionowej, w odpowiedniej skali, indukowane e. itp. z

Jeśli wcześniej wskazano na ryc.1 połącz punkty gładką zakrzywioną linią, wtedy da to wyobrażenie o wielkości i naturze zmiany indukowanej e. itp. (prąd) w dowolnym miejscu przewodnika w polu magnetycznym. Ze względu na fakt, że wartość indukowanej e. itp. p. w dowolnym momencie jest określony przez sinus kąta, pod jakim drut przecina pole magnetyczne pokazane na ryc. 1 krzywa nazywa się sinusoidą, a e. itp. s. — sinusoidalny.

Ryż. 2. Sinusoida i jej wartości charakterystyczne

Zmiany, którym się przyglądaliśmy, np. itp. c. sinusoidalnie odpowiadają obrotowi drutu w polu magnetycznym pod kątem 360°. Gdy drut zostanie obrócony o następne 360 ​​°, zmiany indukowanej e. itp. s.(i prąd) pojawią się ponownie na fali sinusoidalnej, to znaczy będą się okresowo powtarzać.

W związku z tym, spowodowane przez to e. itp. c. nazywa się prąd elektryczny sinusoidalny prąd przemienny... Jest całkiem oczywiste, że napięcie, które możemy zmierzyć na końcach drutu A, w obecności zamkniętego obwodu zewnętrznego, również zmieni się sinusoidalnie.

Prąd przemienny uzyskiwany przez obracanie drutu w strumieniu magnetycznym lub układu drutów połączonych w cewkę nazywamy prądem przemiennym jednofazowym.

Sinusoidalne prądy przemienne są najczęściej stosowane w technice. Można jednak znaleźć prądy przemienne, które nie zmieniają się zgodnie z prawem sinusa. Takie prądy przemienne nazywane są niesinusoidalnymi.

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

Amplituda, okres, częstotliwość jednofazowego prądu przemiennego

Obecna siła, zmieniając się wzdłuż sinusoidy, zmienia się w sposób ciągły. Tak więc, jeśli w punkcie A (ryc. 2) prąd jest równy 3a, to w punkcie B będzie już większy.W innym punkcie sinusoidy, na przykład w punkcie C, prąd będzie miał teraz nową wartość i tak dalej.

Siła prądu w określonych momentach, gdy zmienia się wzdłuż sinusoidy, nazywana jest chwilowymi wartościami prądu.

Nazywa się największą wartość chwilową jednofazowego prądu przemiennego, gdy zmienia się wzdłuż amplitudy sinusoidalnej... Łatwo zauważyć, że na jeden obrót drutu prąd dwukrotnie osiąga swoją wartość amplitudy. Jedna z wartości aa' jest dodatnia i jest rysowana z osi 001 a druga bv' jest ujemna i jest rysowana z osi.

Czas, w którym indukowane e. itp. (lub siła prądu) przechodzi przez cały cykl zmian, tzw. cykl miesięczny T (rys. 2). Okres jest zwykle mierzony w sekundach.

Odwrotność okresu nazywana jest częstotliwością (f). Innymi słowy, częstotliwość prądu przemiennego to liczba okresów na jednostkę czasu, tj. w sekundachdoo. Na przykład, jeśli prąd przemienny w ciągu 1 sekundy przyjmie te same wartości i kierunek dziesięć razy, wówczas częstotliwość takiego prądu przemiennego wyniesie 10 okresów na sekundę.

Do pomiaru częstotliwości zamiast liczby okresów na sekundę używana jest jednostka zwana hercem (herc). Częstotliwość 1 Hz jest równa częstotliwości 1 lps / sek. Podczas pomiaru wysokich częstotliwości wygodniej jest użyć jednostki 1000 razy większej niż herc, tj. kiloherc (kHz) lub 1 000 000 razy większy niż herc — megaherc (mhz).

Prądy przemienne stosowane w technice, w zależności od częstotliwości, można podzielić na prądy o niskiej częstotliwości i prądy o wysokiej częstotliwości.

Wartość skuteczna AC

Prąd stały przepływający przez drut nagrzewa go. Jeśli poprowadzisz prąd przemienny przez drut, drut również się nagrzeje.Jest to zrozumiałe, ponieważ chociaż prąd przemienny cały czas zmienia swój kierunek, to wydzielanie ciepła w ogóle nie zależy od kierunku prądu w przewodzie.

Gdy prąd przemienny przepływa przez żarówkę, jej włókno będzie się świecić. Przy standardowej częstotliwości prądu przemiennego 50 Hz nie będzie migotania światła, ponieważ włókno żarówki, mające bezwładność cieplną, nie ma czasu na ostygnięcie w tych czasach, gdy prąd w obwodzie wynosi zero. Stosowanie do oświetlenia prądu zmiennego o częstotliwości mniejszej niż 50 Hz jest obecnie niepożądane ze względu na to, że pojawiają się nieprzyjemne, męczące wzrok wahania natężenia światła żarówki.

Kontynuując analogię do prądu stałego, możemy spodziewać się, że prąd przemienny przepływający przez drut tworzy się wokół niego pole magnetyczne. W rzeczywistości prąd przemienny nie wytwarza pola magnetycznego, ale dlatego, że pole magnetyczne, które wytwarza, będzie również zmienne pod względem kierunku i wielkości.

Prąd przemienny zmienia się cały czas zarówno pod względem wielkości, jak i kierunkuNS. Naturalnie powstaje pytanie, jak dobrze zmierzyć zmienną T i jaką jej wartość przy zmianie wzdłuż sinusoidy należy przyjąć jako powodującą to lub inne działanie.

C W tym celu porównuje się prąd przemienny pod względem działania, jakie wywołuje, z prądem stałym, którego wartość pozostaje niezmieniona podczas eksperymentu.

Załóżmy, że prąd stały przepływa przez drut o stałym oporze 10 A i okazuje się, że drut jest podgrzewany do temperatury 50 °.Jeśli teraz przejdziemy przez ten sam drut nie prąd stały, ale prąd przemienny, i tak wybierzemy jego wartość (działając na przykład z reostatem), aby drut również nagrzał się do temperatury 50 °, to w w tym przypadku możemy powiedzieć, że działanie prądu przemiennego jest równe działaniu prądu stałego.

Podgrzanie drutu w obu przypadkach do tej samej temperatury pokazuje, że w jednostce czasu prąd przemienny wydziela w przewodzie taką samą ilość ciepła jak prąd stały.

Zmienny prąd sinusoidalny, który emituje dla danej rezystancji w jednostce czasu taką samą ilość ciepła, jak prąd stały równoważny pod względem wielkości prądowi stałemu... Ta wartość prądu nazywana jest skuteczną (Id) lub skuteczną wartością prądu przemiennego. Dlatego w naszym przykładzie efektywna wartość prądu przemiennego wyniesie 10 A... W tym przypadku maksymalne (szczytowe) wartości prądu przekroczą wartości średnie wielkości.

Doświadczenie i obliczenia pokazują, że skuteczne wartości prądu przemiennego są mniejsze niż jego wartości amplitudy w √2 (1,41) razy. Zatem jeśli znana jest wartość szczytowa prądu, to wartość skuteczną prądu Id można wyznaczyć dzieląc amplitudę prądu Ia przez √2, czyli Id = Aza/√2

I odwrotnie, jeśli znana jest wartość skuteczna prądu, to można obliczyć wartość szczytową prądu, tj. Ia = Azd√2

Te same relacje będą obowiązywać dla amplitudy i wartości skutecznych e. itp. v. i napięcia: Jednostka = Ea /√2, Ud = Uа/√2

Urządzenia pomiarowe najczęściej pokazują rzeczywiste wartości, dlatego przy zapisie indeks «d» jest zwykle pomijany, ale nie należy o tym zapominać.

Impedancja w obwodach prądu przemiennego

Gdy odbiorniki indukcyjności i pojemności są podłączone do obwodu prądu przemiennego, należy wziąć pod uwagę zarówno aktywność, jak i reaktancję (reaktancja występuje, gdy kondensator jest włączony lub dławiki w obwodzie prądu przemiennego). Dlatego przy określaniu prądu przepływającego przez takiego konsumenta konieczne jest podzielenie napięcia zasilania przez impedancję obwodu (konsumenta).

Impedancja (Z) jednofazowego obwodu prądu przemiennego jest określona za pomocą następującego wzoru:

Z = √(R2 + (ωL — 1 / ωC)2

gdzie R to rezystancja czynna obwodu w omach, L to indukcyjność obwodu w henrach, C to pojemność obwodu (kondensatora) w faradach, ω — częstotliwość kątowa prądu przemiennego.

Różne odbiorniki są stosowane w obwodach prądu przemiennego, w których konieczne jest uwzględnienie trzech wartości R, L, C lub tylko niektórych z nich. Jednocześnie należy wziąć pod uwagę częstotliwość kątową prądu przemiennego.

Dla niektórych użytkowników tylko wartości R i L mogą być brane pod uwagę przy odpowiednich wartościach częstotliwości narożnej, np. przy częstotliwości AC 50 Hz cewka lub uzwojenie generatora można uznać jedynie za zawierające rezystancję czynną i indukcyjną. Innymi słowy, pojemność w tym przypadku można pominąć. Wówczas impedancję AC takiego użytkownika można obliczyć ze wzoru:

Z = √(R2 + ω2L2)

Jeżeli taka cewka lub cewka przeznaczona do pracy na prąd zmienny zostanie podłączona do prądu stałego o tym samym napięciu, przez cewkę popłynie bardzo duży prąd, co może doprowadzić do znacznego wytworzenia ciepła, a izolacja cewki może zostać uszkodzona Wręcz przeciwnie, mały prąd popłynie przez cewkę przeznaczoną do pracy w obwodzie prądu stałego i podłączoną do obwodu prądu przemiennego o tym samym napięciu, a urządzenie, w którym zastosowano tę cewkę, nie wykona wymaganej czynności.

Trójkąt rezystancji, trójkąt napięcia i trójkąt mocy: