Mi a váltakozó áram és miben különbözik az egyenáramtól
Váltakozó áram, Ezzel szemben DC áram, folyamatosan változik mind nagyságrendben, mind irányban, és ezek a változások periodikusan következnek be, vagyis pontosan egyenlő időközönként ismétlődnek.
Az áramkörben ilyen áram indukálásához használjon váltakozó áramforrásokat, amelyek váltakozó EMF-et hoznak létre, időszakosan változtatva a nagyságrendet és az irányt.Az ilyen forrásokat generátoroknak nevezzük.
ábrán. Az 1. ábra a legegyszerűbb eszköz diagramját (modelljét) mutatja generátor.
Rézhuzalból készült téglalap alakú keret, amely a tengelyen van rögzítve és a terepen szíjhajtással forgatható mágnes… A keret végei rézgyűrűkre vannak forrasztva, amelyek a kerettel együtt forogva az érintkezőlemezeken (kefék) csúsznak.
1. ábra: A legegyszerűbb generátor diagramja
Győződjön meg arról, hogy egy ilyen eszköz valóban változó EMF forrása.
Tegyük fel, hogy egy mágnes keletkezik a pólusai között egységes mágneses tér, azaz olyan, amelyben a mágneses erővonalak sűrűsége a mező minden részében azonos.forogva a keret keresztezi a mágneses tér erővonalait mindkét oldalán a és b EMF indukált.
A keret c és d oldala nem működik, mert amikor a keret forog, nem keresztezik a mágneses tér erővonalait, ezért nem vesznek részt az EMF létrehozásában.
Bármely pillanatban az a oldalon előforduló EMF ellentétes irányú a b oldalon előforduló EMF-vel, de a keretben mindkét EMF a szerint működik, és hozzáadódik a teljes EMF-hez, azaz a teljes keret által indukált EMF-hez.
Ez könnyen ellenőrizhető, ha az általunk ismert jobbkéz-szabályt használjuk az EMF irányának meghatározására.
Ehhez helyezzük a jobb kéz tenyerét úgy, hogy az a mágnes északi pólusa felé nézzen, és a hajlított hüvelykujj egybeessen a keret azon oldalának mozgási irányával, amelyben az EMF irányát meg akarjuk határozni. Ezután a benne lévő EMF irányát a kéz kinyújtott ujjai jelzik.
A keret bármely helyzetéhez meghatározzuk az EMF irányát az a és b oldalon, ezek mindig összeadódnak és egy teljes EMF-et alkotnak a keretben. Ugyanakkor a keret minden egyes elforgatásával a benne lévő teljes EMF iránya az ellenkezőjére változik, mivel a keret mindegyik munkaoldala egy fordulat alatt a mágnes különböző pólusai alatt halad át.
A keretben indukált EMF nagysága is változik, ahogy a keret oldalai a mágneses erővonalakat keresztezik. Valójában abban a pillanatban, amikor a keret megközelíti a függőleges helyzetét, és elhalad rajta, a keret oldalain lévő erővonalak keresztezési sebessége a legnagyobb, és a legnagyobb emf indukálódik a keretben.Azokban az időpillanatokban, amikor a keret átlépi a vízszintes helyzetét, úgy tűnik, hogy oldalai végigcsúsznak a mágneses erővonalak mentén anélkül, hogy kereszteznék azokat, és nem indukálódik EMF.
Ezért a keret egyenletes elforgatásával EMF indukálódik benne, amely időszakosan változik mind a nagyságrendben, mind az irányban.
A keretben fellépő EMF egy eszközzel mérhető és felhasználható áram létrehozására a külső áramkörben.
Használata elektromágneses indukció jelensége, váltakozó EMF-et és ezért váltakozó áramot kaphat.
Váltakozó áram ipari célokra és világításra gőz- vagy vízturbinákkal és belső égésű motorokkal hajtott nagy teljesítményű generátorok állítják elő.
Az AC és DC áramok grafikus ábrázolása
A grafikus módszer lehetővé teszi egy bizonyos változó időtől függő változásának folyamatát.
Az időben változó változók ábrázolása a gráf tengelyeinek nevezett két egymásra merőleges egyenes ábrázolásával kezdődik. Ezután a vízszintes tengelyen egy bizonyos skálán az időintervallumokat ábrázolják, a függőleges tengelyen pedig szintén egy bizonyos skálán az ábrázolandó mennyiség értékeit (EMF, feszültség vagy áram).
ábrán. 2 grafikonon ábrázolt egyenáram és váltóáram... Ebben az esetben az áramértékeket késleltetjük, és az egyik irány áramértékei, amit általában pozitívnak neveznek, függőlegesen késleltetik az O tengelyek metszéspontjától , és innen lefelé az ellenkező irányt, amit általában negatívnak neveznek.
2. ábra: DC és AC grafikus ábrázolása
Maga az O pont az aktuális értékek (függőlegesen lefelé és felfelé) és az idő (vízszintesen jobbra) eredőjeként is szolgál.Más szóval, ez a pont az áram nulla értékének felel meg, és ennek a kiindulási időpontnak, amelyből követni kívánjuk, hogyan fog változni az áram a jövőben.
Ellenőrizzük az ábrán ábrázoltak helyességét. 2 és egy 50 mA egyenáramú diagram.
Mivel ez az áram állandó, vagyis nem változtatja meg nagyságát és irányát az idő múlásával, ugyanazok az áramértékek különböző időpillanatoknak, azaz 50 mA-nek felelnek meg. Ezért a nullával egyenlő időpillanatban, vagyis az áram megfigyelésének kezdeti pillanatában ez 50 mA lesz. A függőleges tengelyen felfelé az 50 mA áramértéknek megfelelő szakaszt rajzolva megkapjuk grafikonunk első pontját.
Ugyanígy kell eljárnunk az időtengely 1. pontjának megfelelő következő időpillanatban is, vagyis ettől a ponttól függőlegesen felfelé el kell halasztani egy szintén 50 mA-es szakaszt. A szakasz vége határozza meg számunkra a grafikon második pontját.
Miután több egymást követő időpontra hasonló konstrukciót készítettünk, egy pontsorozatot kapunk, amelyek összekapcsolása egy egyenest ad, amely egy 50 mA állandó áramérték grafikus ábrázolása.
Változó EMF ábrázolása
Térjünk át az EMF változó grafikonjának tanulmányozására... Az ábrán. A 3. ábrán egy mágneses térben forgó keret látható felül, az eredményül kapott változó EMF grafikus ábrázolása pedig lent látható.
3. ábra. Az EMF változó ábrázolása
Elkezdjük egyenletesen forgatni a keretet az óramutató járásával megegyező irányban, és követjük az EMF-változások menetét, kezdeti pillanatként a keret vízszintes helyzetét véve.
Ebben a kezdeti pillanatban az EMF nulla lesz, mivel a keret oldalai nem keresztezik a mágneses erővonalakat.A grafikonon az EMF t = 0 pillanatnak megfelelő nulla értékét az 1. pont ábrázolja.
A keret további elforgatásával az EMF megjelenik benne, és addig növekszik, amíg a keret el nem éri függőleges helyzetét. A grafikonon az EMF növekedését egy egyenletesen emelkedő görbe ábrázolja, amely eléri a csúcsot (2. pont).
Ahogy a keret közeledik a vízszintes helyzethez, az EMF csökkenni fog, és nullára csökken. A grafikonon ez egy csökkenő sima görbeként lesz ábrázolva.
Ezért a keret fél fordulatának megfelelő idő alatt a benne lévő EMF nulláról a maximális értékre tudott növekedni, és ismét nullára csökkenteni (3. pont).
A keret további elforgatásával az EMF újra megjelenik benne, és fokozatosan növekszik a nagysága, de iránya már az ellenkezőjére változik, ahogy az a jobbkéz szabály alkalmazásával is látható.
A grafikon figyelembe veszi az EMF irányának változását, így az EMF-et ábrázoló görbe keresztezi az időtengelyt, és most e tengely alatt van. Az EMF ismét növekszik, amíg a keret függőleges helyzetbe nem kerül.
Ezután az EMF csökkenni kezd, és értéke nullával egyenlő lesz, amikor a keret egy teljes fordulat után visszatér eredeti helyzetébe. A grafikonon ez úgy fog kifejeződni, hogy az EMF-görbe az ellenkező irányban eléri a csúcsát (4. pont), majd találkozik az időtengellyel (5. pont).
Ezzel befejeződik az EMF megváltoztatásának egy ciklusa, de ha folytatja a keret forgását, azonnal megkezdődik a második ciklus, pontosan megismétli az elsőt, amit viszont követ a harmadik, majd a negyedik, és így tovább, amíg meg nem állunk. a forgókeret.
Így a keret minden egyes elforgatásakor a benne fellépő EMF teljes változási ciklust hajt végre.
Ha a keret zárva van valamilyen külső áramkörhöz, akkor váltakozó áram folyik át az áramkörön, amelynek grafikonja ugyanúgy fog kinézni, mint az EMF grafikon.
Az így kapott hullámformát szinuszhullámnak, az e törvény szerint változó áramot, EMF-et vagy feszültséget szinuszosnak nevezzük.
Magát a görbét szinuszosnak nevezik, mert egy változó trigonometrikus mennyiség, az úgynevezett szinusz grafikus ábrázolása.
Az áramváltozás szinuszos jellege a legelterjedtebb az elektrotechnikában, ezért váltóáramról beszélve a legtöbb esetben szinuszos áramot jelentenek.
A különböző váltakozó áramok (EMF-ek és feszültségek) összehasonlításához vannak olyan értékek, amelyek egy bizonyos áramot jellemzik. Ezeket AC paramétereknek nevezzük.
Period, amplitúdó és frekvencia – AC paraméterek
A váltakozó áramot két paraméter – a havi ciklus és az amplitúdó – jellemzi, amelyek ismeretében meg tudjuk becsülni, hogy milyen váltóáramról van szó, és elkészíthetjük az áram grafikonját.
4. ábra Szinuszos áramgörbe
Azt az időtartamot, amely alatt az áramváltozás teljes ciklusa végbemegy, periódusnak nevezzük. Az időszakot T betű jelöli, és másodpercben mérjük.
Azt az időtartamot, amely alatt az áramváltozás teljes ciklusának fele bekövetkezik, félciklusnak nevezzük, ezért az áram (EMF vagy feszültség) változási periódusa két félperiódusból áll. Teljesen nyilvánvaló, hogy ugyanazon váltóáram minden periódusa egyenlő egymással.
A grafikonon látható, hogy a változás egy periódusa alatt az áram a maximális érték kétszeresét éri el.
A váltakozó áram (EMF vagy feszültség) maximális értékét amplitúdójának vagy csúcsáramértékének nevezzük.
Az Im, Em és Um az áram, az EMF és a feszültség amplitúdóinak általános elnevezése.
Először is odafigyeltünk csúcsáramazonban, ahogy a grafikonon is látható, számtalan köztes érték van, amelyek kisebbek az amplitúdónál.
A váltakozó áram (EMF, feszültség) bármely kiválasztott időpillanatnak megfelelő értékét pillanatértéknek nevezzük.
i, e és u az áram, az emf és a feszültség pillanatnyi értékeinek általánosan elfogadott jelölései.
Az áram pillanatnyi értéke, valamint a csúcsértéke könnyen meghatározható a grafikon segítségével. Ehhez a minket érdeklő időpontnak megfelelő vízszintes tengely bármely pontjából húzzunk egy függőleges vonalat az aktuális görbe metszéspontjához; a függőleges vonal eredményül kapott szegmense határozza meg az áram értékét egy adott időpontban, azaz pillanatnyi értékét.
Nyilvánvalóan az áram pillanatnyi értéke a T / 2 idő után a grafikon kezdőpontjától nulla, T / 4 idő után pedig az amplitúdó értéke. Az áramerősség is eléri csúcsértékét; de már az ellenkező irányba, 3/4 T-val egyenlő idő után.
Tehát a grafikon azt mutatja, hogy az áramkörben az áramerősség hogyan változik az idő múlásával, és hogy az áram nagyságának és irányának csak egy meghatározott értéke felel meg minden időpillanatnak. Ebben az esetben az áram értéke egy adott időpontban az áramkör egy pontjában pontosan ugyanaz lesz az áramkör bármely más pontján.
Ezt a teljes periódusok számának nevezik, amelyeket az áram teljesít a váltakozó áram 1 másodpercében, és a latin f betűvel jelöljük.
A váltakozó áram frekvenciájának meghatározásához, vagyis annak megállapításához, hogy hány periódusban változtatja meg az áramot 1 másodperc alatt, 1 másodpercet el kell osztani egy f = 1 / T periódus idejével. A frekvencia ismeretében A váltakozó áramból a periódus meghatározása: T = 1 / f
AC frekvencia hertz nevű mértékegységben mérik.
Ha van egy váltakozó áramunk, amelynek frekvenciája 1 hertz, akkor az ilyen áram periódusa 1 másodperc lesz. Ezzel szemben, ha az áram változási periódusa 1 másodperc, akkor az ilyen áram frekvenciája 1 hertz.
Ezért definiáltunk AC paramétereket – periódus, amplitúdó és frekvencia –, amelyek lehetővé teszik a különböző váltakozó áramok, EMF-ek és feszültségek megkülönböztetését, és szükség esetén ezek grafikonjának ábrázolását.
A különböző áramkörök váltakozó árammal szembeni ellenállásának meghatározásakor használjunk egy másik, váltakozó áramot jellemző segédértéket, az ún. szög- vagy szögfrekvencia.
A körfrekvenciát az f frekvenciához viszonyítva 2 pif arányban jelöljük
Magyarázzuk meg ezt a függőséget. A változó EMF grafikon ábrázolásakor azt láttuk, hogy a keret egyetlen teljes elforgatása az EMF változás teljes ciklusát eredményezi. Más szavakkal, ahhoz, hogy a keret egy fordulatot tegyen, azaz 360 ° -kal elforduljon, egy periódusnak megfelelő időre van szükség, azaz T másodpercre. Ezután 1 másodperc alatt a keret 360 ° / T fordulatot hajt végre. Ezért a 360 ° / T az a szög, amelyen keresztül a keret 1 másodperc alatt elfordul, és kifejezi a keret forgási sebességét, amelyet általában szög- vagy körsebességnek neveznek.
De mivel a T periódus az f frekvenciához f = 1 / T arányban kapcsolódik, akkor a körsebesség frekvenciaként is kifejezhető, és 360 ° f lesz.
Tehát arra a következtetésre jutottunk, hogy 360 ° f. Azonban a körkörös frekvencia bármilyen számításhoz való használatának megkönnyítése érdekében az egy fordulatnak megfelelő 360 ° -os szöget egy 2pi radiánnal egyenlő sugárirányú kifejezés helyettesíti, ahol pi = 3,14. Így végre kapunk 2pif-et. Ezért a váltakozó áram szögfrekvenciájának meghatározásához (EMF vagy feszültség), meg kell szoroznia a frekvenciát hertzben egy 6,28 állandó számmal.