A váltakozó áram alapvető paraméterei: periódus, frekvencia, fázis, amplitúdó, harmonikus rezgések

A váltakozó áram olyan elektromos áram, amelynek iránya és erőssége periodikusan változik. Mivel a váltakozó áram erőssége általában szinuszos törvény szerint változik, a váltóáram a feszültség és az áram szinuszos ingadozása.

Ezért minden, ami a szinuszos elektromos rezgésekre vonatkozik, vonatkozik a váltakozó áramra is. A szinuszos rezgések olyan rezgések, amelyekben az oszcilláció értéke a szinusztörvény szerint változik Ebben a cikkben az AC paraméterekről lesz szó.

Az EMF változása és az ilyen forráshoz csatlakoztatott lineáris terhelés áramának változása szinuszos törvényt fog követni. Ebben az esetben a váltakozó EMF-ek, a váltakozó feszültségek és áramok négy fő paraméterükkel jellemezhetők:

• időszak;

• frekvencia;

• amplitúdó;

• effektív érték.

Vannak további paraméterek is:

• szögfrekvencia;

• fázis;

• azonnali érték.

Ezután ezeket a paramétereket külön-külön és együtt is megvizsgáljuk.

T időszak.

Periódus – az az idő, amely alatt egy rezgő rendszer áthalad az összes köztes állapoton, és ismét visszatér kiinduló állapotába.

A váltakozó áram T periódusa az az időintervallum, amely alatt az áram vagy feszültség egy teljes változási ciklust hajt végre.

Mivel a váltakozó áram forrása egy generátor, az időtartam a forgórész forgási sebességéhez kapcsolódik, és minél nagyobb a generátor tekercsének vagy forgórészének forgási sebessége, annál rövidebb a generált váltakozó EMF periódusa, és ennek megfelelően a terhelés váltakozó árama, kiderül.

A periódus mérése másodpercben, ezredmásodpercben, mikroszekundumban, nanoszekundumban történik, attól függően, hogy milyen helyzetben vesszük figyelembe ezt az áramot. A fenti ábra azt mutatja, hogyan változik az U feszültség idővel, miközben állandó T karakterisztikus periódusa van.

Frekvencia f

Az f frekvencia a periódus reciproka, és numerikusan egyenlő az áram- vagy EMF-változás periódusainak számával 1 másodpercben. Azaz f = 1 / T. A frekvencia mértékegysége a hertz (Hz), amelyet Heinrich Hertz német fizikusról neveztek el, aki jelentős mértékben hozzájárult az elektrodinamika fejlődéséhez a 19. században. Minél rövidebb az időszak, annál nagyobb az EMF vagy az áramváltozás gyakorisága.

Ma Oroszországban a váltakozó áram szabványos frekvenciája az elektromos hálózatokban 50 Hz, azaz a hálózati feszültség 50 ingadozása jelenik meg 1 másodperc alatt.

Az elektrodinamika más területein magasabb frekvenciákat használnak, például a modern inverterekben 20 kHz-et és többet, az elektrodinamika szűkebb területein pedig akár több MHz-et is. A fenti ábrán látható, hogy egy másodperc alatt 50 teljes oszcilláció van, mindegyik 0,02 másodpercig tart és 1 / 0,02 = 50.

A szinuszos váltóáram időbeli változását ábrázoló grafikonokból látható, hogy a különböző frekvenciájú áramok ugyanabban az időintervallumban eltérő számú periódust tartalmaznak.

Szögfrekvencia

Szögfrekvencia — a 2pi másodperc alatt végrehajtott rezgések száma.

Egy periódusban a szinuszos EMF vagy szinuszos áram fázisa 2pi radiánnal vagy 360 ° -kal változik, ezért a váltakozó szinuszos áram szögfrekvenciája egyenlő:

Használja a rezgések számát 2pi mp-ben (nem 1 mp-ben) Kényelmes, mert a harmonikus rezgések során a feszültség és az áram változásának törvényét kifejező, a váltakozó áram induktív vagy kapacitív ellenállását kifejező képletekben, és sok esetben más esetekben az n rezgési frekvencia együtt jelenik meg a 2pi szorzóval.

Fázis

Fázis – állapot, időszakos folyamat szakasza. A fázis kifejezés határozottabb jelentéssel bír szinuszos rezgések esetén. A gyakorlatban általában nem maga a fázis játszik szerepet, hanem bármely két periodikus folyamat közötti fáziseltolódás.

Ebben az esetben a "fázis" kifejezés a folyamat fejlődésének egy szakaszát jelenti, és ebben az esetben a váltakozó áramok és a szinuszos feszültségek vonatkozásában a fázist a váltakozó áram állapotának nevezik egy adott pillanatban. idő.

Az ábrákon látható: az U1 feszültség és az I1 áram egybeesése fázisban, az U1 és U2 feszültség ellenfázisban, valamint az I1 áram és az U2 feszültség közötti fáziseltolódás. A fáziseltolódást radiánban, egy periódus részében, fokban mérjük.

Lásd még: Mi a fázis, a fázisszög és a fáziseltolás

Amplitúdó Um és Im

Ha a szinuszos váltóáram vagy szinuszos váltakozó EMF nagyságáról beszélünk, az EMF vagy áram legmagasabb értékét amplitúdónak vagy amplitúdó (maximális) értéknek nevezzük.

Amplitúdó — a harmonikus rezgéseket végző mennyiség legnagyobb értéke (például az áramerősség maximális értéke váltakozó áramban, az oszcilláló inga eltérése az egyensúlyi helyzettől), az oszcilláló mennyiség legnagyobb eltérése egy bizonyos értéktől, feltételesen kezdeti nullaként fogadjuk el.

Szigorúan véve az amplitúdó kifejezés csak a szinuszos rezgésekre vonatkozik, de általában (nem egészen helyesen) a fenti értelemben minden rezgésre alkalmazzák.

Ha generátorról beszélünk, akkor a terminálok EMF-je periódusonként kétszer elér egy amplitúdóértéket, amelyek közül az első + Em, a második Em, a pozitív és a negatív félciklusok során. Az I áram hasonlóan viselkedik, és ennek megfelelően Im jelöli.

Harmonikus rezgések — olyan rezgések, amelyekben egy rezgő mennyiség, például egy elektromos áramkör feszültsége, egy harmonikus szinuszos vagy koszinusztörvény szerint idővel változik. Grafikusan szinuszos görbével ábrázolva.

A valós folyamatok csak közelíteni tudják a harmonikus rezgéseket. Ha azonban az oszcillációk a folyamat legjellemzőbb jellemzőit tükrözik, akkor az ilyen folyamat harmonikusnak minősül, ami nagyban megkönnyíti számos fizikai és műszaki probléma megoldását.

A harmonikus rezgésekhez közeli mozgások különböző rendszerekben fordulnak elő: mechanikus (inga rezgései), akusztikus (légoszlop oszcillációi orgonacsőben), elektromágneses (oszcillációk LC áramkörben) stb.Az oszcillációelmélet ezeket a fizikai természetükben eltérő jelenségeket egységes nézőpontból vizsgálja, és meghatározza közös tulajdonságaikat.

Kényelmes a harmonikus rezgések grafikus ábrázolása egy olyan vektorral, amely állandó szögsebességgel forog a vektorra merőleges tengely körül, és áthalad az origóján. A vektor forgási szögsebessége megfelel a harmonikus rezgés körfrekvenciájának.

Egy harmonikus rezgés vektor diagramja

Egy tetszőleges formájú periodikus folyamat felbontható egyszerű, különböző frekvenciájú, amplitúdójú és fázisú harmonikus rezgések végtelen sorozatára.

Harmonikus - olyan harmonikus rezgés, amelynek frekvenciája egész számúszor nagyobb, mint egy másik rezgés frekvenciája, amelyet alaphangnak neveznek. A harmonikus száma azt jelzi, hogy frekvenciája hányszor nagyobb, mint az alaphang frekvenciája (például a harmadik harmonikus olyan harmonikus rezgés, amelynek frekvenciája háromszor nagyobb, mint az alaphang frekvenciája).

Bármely periodikus, de nem harmonikus (vagyis a szinuszostól eltérő alakú) rezgés ábrázolható a harmonikus rezgések összegeként – az alaphang és számos harmonikus. Minél jobban eltér a vizsgált rezgés alakjában a szinuszostól, annál több harmonikust tartalmaz.

u és i pillanatnyi értéke

Az EMF vagy áram értékét egy adott pillanatban pillanatnyi értéknek nevezzük, ezeket kisbetűkkel jelöljük u és i. De mivel ezek az értékek folyamatosan változnak, kényelmetlen ezek alapján megbecsülni az AC áramokat és az EMF-eket.

I, E és U RMS értékei

A váltakozó áram azon képességét, hogy hasznos munkát végezzen, mint például a motor forgórészének mechanikus elfordítása vagy a fűtőberendezés hőtermelése, kényelmesen megbecsülhető az emfs és az áramok effektív értékei.

Így, effektív jelenérték Egy olyan egyenáram értékének nevezzük, amely a vizsgált váltakozó áram egy periódusa alatt egy vezetőn áthaladva ugyanolyan mechanikai munkát vagy hőmennyiséget termel, mint ez a váltakozó áram.

A feszültségek, emf-ek és áramok RMS értékeit I, E és U nagybetűk jelölik. Szinuszos váltóáram és szinuszos váltakozó feszültség esetén az effektív értékek a következők:

Az elektromos hálózatok leírásához célszerű az áram és a feszültség effektív értékét használni. Például a 220-240 voltos érték a feszültség effektív értéke a modern háztartási aljzatokban, és az amplitúdó sokkal magasabb - 311-339 volt.

Ugyanez az áramerősséggel, például amikor azt mondják, hogy egy háztartási fűtőberendezésen 8 amperes áram folyik át, az effektív értéket jelent, miközben az amplitúdó 11,3 amper.

Így vagy úgy, a mechanikai munka és az elektromos energia az elektromos berendezésekben arányos a feszültségek és áramok effektív értékeivel. A mérőeszközök jelentős része pontosan mutatja a feszültségek és áramok effektív értékeit.