Što je izmjenična struja i kako se razlikuje od istosmjerne struje

Nasuprot tome, izmjenična struja Istosmjerna struja, stalno se mijenja i po veličini i po smjeru, a te se promjene događaju periodički, odnosno ponavljaju se u točno jednakim vremenskim razmacima.

Da bi se inducirala takva struja u krugu, koriste se izvori izmjenične struje koji stvaraju izmjeničnu EMF, povremeno mijenjajući veličinu i smjer. Takvi izvori nazivaju se alternatori.

Na sl. 1 prikazuje dijagram uređaja (model) najjednostavnijeg alternator. 

Pravokutni okvir izrađen od bakrene žice, fiksiran na osi i rotiran u polju pomoću remenskog pogona magnet… Krajevi okvira zalemljeni su na bakrene prstenove koji, rotirajući s okvirom, klize po kontaktnim pločama (četkicama).

Slika 1. Shema najjednostavnijeg alternatora

Uvjerimo se da je takav uređaj stvarno izvor promjenjivog EMF-a.

Pretpostavimo da magnet stvara između svojih polova jednoliko magnetsko polje, odnosno onaj u kojem je gustoća silnica magnetskog polja u svakom dijelu polja ista.rotirajući, okvir siječe silnice magnetskog polja na svakoj od svojih strana a i b EMF izazvan. 

Stranice c i d okvira ne rade, jer kada se okvir okreće, ne sijeku silnice magnetskog polja i stoga ne sudjeluju u stvaranju EMF-a.

U bilo kojem trenutku vremena, EMF koji se pojavljuje na strani a suprotnog je smjera od EMF-a koji se pojavljuje na strani b, ali u okviru oba EMF-a djeluju u skladu s ukupnim EMF-om i dodaju ga ukupnom EMF-u, to jest induciranom cijelim okvirom.

To je lako provjeriti ako za određivanje smjera EMF koristimo pravilo desne ruke koje poznajemo.

Da biste to učinili, postavite dlan desne ruke tako da bude okrenut prema sjevernom polu magneta, a savijeni palac podudara se sa smjerom kretanja one strane okvira u kojoj želimo odrediti smjer EMF-a. Tada će smjer EMF-a u njemu biti označen ispruženim prstima ruke.

Za koji god položaj okvira odredili smjer EMF-a na stranicama a i b, oni se uvijek zbrajaju i čine ukupni EMF u okviru. Istodobno, sa svakom rotacijom okvira, smjer ukupnog EMF-a u njemu mijenja se u suprotno, budući da svaka od radnih strana okvira u jednom okretaju prolazi ispod različitih polova magneta.

Veličina EMF-a induciranog u okviru također se mijenja kako se mijenja brzina kojom strane okvira prelaze linije magnetskog polja. Doista, u trenutku kada se okvir približi svom vertikalnom položaju i prođe ga, brzina prelaska linija sila na stranicama okvira je najveća, au okviru se inducira najveća emf.U tim trenucima vremena, kada okvir prolazi svoj vodoravni položaj, čini se da njegove strane klize duž linija magnetskog polja bez da ih križaju, i ne inducira se EMF.

Stoga, s ravnomjernom rotacijom okvira, u njemu će se inducirati EMF, koji se povremeno mijenja iu veličini i smjeru.

EMF koji se javlja u okviru može se izmjeriti uređajem i koristiti za stvaranje struje u vanjskom krugu.

Korištenje fenomen elektromagnetske indukcije, možete dobiti izmjenični EMF i stoga izmjeničnu struju.

Izmjenična struja za industrijske potrebe i za rasvjetu proizvode snažni generatori koje pokreću parne ili vodene turbine i motori s unutarnjim izgaranjem.

Grafički prikaz izmjenične i istosmjerne struje

Grafička metoda omogućuje vizualizaciju procesa promjene određene varijable ovisno o vremenu.

Iscrtavanje varijabli koje se mijenjaju tijekom vremena počinje iscrtavanjem dviju međusobno okomitih linija koje se nazivaju osi grafa. Zatim se na vodoravnoj osi, u određenom mjerilu, ucrtavaju vremenski intervali, a na okomitoj osi, također u određenom mjerilu, vrijednosti veličine koja se ucrtava (EMF, napon ili struja).

Na sl. 2 grafički istosmjerna struja i izmjenična struja ... U ovom slučaju odgađamo vrijednosti struje i vrijednosti struje jednog smjera, koji se obično naziva pozitivnim, odgađaju se okomito od točke sjecišta osi O , i dolje od ove točke, suprotan smjer, koji se obično naziva negativnim.

Slika 2. Grafički prikaz DC i AC

Sama točka O služi i kao ishodište trenutnih vrijednosti (okomito dolje i gore) i vremena (vodoravno desno).Drugim riječima, ova točka odgovara nultoj vrijednosti struje i ovoj početnoj točki u vremenu od koje namjeravamo pratiti kako će se struja mijenjati u budućnosti.

Provjerimo ispravnost onoga što je ucrtano na sl. 2 i dijagram istosmjerne struje od 50 mA.

Budući da je ova struja konstantna, odnosno ne mijenja svoju veličinu i smjer tijekom vremena, iste vrijednosti struje će odgovarati različitim trenucima vremena, odnosno 50 mA. Dakle, u trenutku vremena jednakom nuli, odnosno u početnom trenutku našeg promatranja struje, ona će biti jednaka 50 mA. Crtanjem segmenta koji je jednak trenutnoj vrijednosti od 50 mA na okomitoj osi prema gore, dobivamo prvu točku našeg grafikona.

Moramo učiniti isto za sljedeći trenutak u vremenu koji odgovara točki 1 na vremenskoj osi, odnosno odgoditi od ove točke okomito prema gore segment također jednak 50 mA. Kraj segmenta definirat će nam drugu točku grafa.

Napravivši sličnu konstrukciju za nekoliko uzastopnih točaka u vremenu, dobivamo niz točaka, čiji će spoj dati ravnu liniju, koja je grafički prikaz konstantne vrijednosti struje od 50 mA.

Crtanje promjenjive EMF

Prijeđimo na proučavanje varijabilnog grafikona EMF... Na sl. 3, okvir koji rotira u magnetskom polju prikazan je na vrhu, a grafički prikaz rezultirajuće varijable EMF je dan ispod.

Slika 3. Iscrtavanje varijable EMF

Počinjemo ravnomjerno rotirati okvir u smjeru kazaljke na satu i pratiti tijek promjena EMF-a u njemu, uzimajući vodoravni položaj okvira kao početni trenutak.

U ovom početnom trenutku EMF će biti jednak nuli jer stranice okvira ne sijeku silnice magnetskog polja.Na grafikonu je ta nulta vrijednost EMF-a koja odgovara trenutku t = 0 predstavljena točkom 1.

S daljnjom rotacijom okvira, EMF će se početi pojavljivati ​​u njemu i povećavat će se sve dok okvir ne dosegne svoj okomiti položaj. Na grafikonu će ovo povećanje EMF-a biti predstavljeno glatkom rastućom krivuljom koja doseže svoj vrhunac (točka 2).

Kako se okvir približava vodoravnom položaju, EMF u njemu će se smanjiti i pasti na nulu. Na grafikonu će to biti prikazano kao padajuća glatka krivulja.

Stoga, tijekom vremena koje odgovara pola okretaja okvira, EMF u njemu mogao se povećati od nule do maksimalne vrijednosti i ponovno smanjiti na nulu (točka 3).

S daljnjom rotacijom okvira, EMF će se ponovno pojaviti u njemu i postupno povećavati veličinu, ali će se njegov smjer već promijeniti u suprotan, što se može vidjeti primjenom pravila desne ruke.

Grafikon uzima u obzir promjenu smjera EMF-a, tako da krivulja koja predstavlja EMF prelazi vremensku os i sada leži ispod te osi. EMF se ponovno povećava sve dok okvir ne zauzme okomiti položaj.

Tada će se EMF početi smanjivati ​​i njegova će vrijednost postati jednaka nuli kada se okvir vrati u prvobitni položaj nakon što završi jedan puni krug. Na grafikonu će to biti izraženo činjenicom da će EMF krivulja, dosegnuvši svoj vrh u suprotnom smjeru (točka 4), tada susresti vremensku os (točka 5)

Time je završen jedan ciklus promjene EMF-a, ali ako nastavite s rotacijom okvira, odmah počinje drugi ciklus, točno ponavljajući prvi, nakon čega će uslijediti treći, zatim četvrti i tako dalje dok ne prestanemo rotacijski okvir.

Dakle, za svaku rotaciju okvira, EMF koji se pojavljuje u njemu završava potpuni ciklus njegove promjene.

Ako je okvir zatvoren na neki vanjski strujni krug, tada će kroz strujni krug teći izmjenična struja čiji će grafikon izgledati isto kao i EMF.

Rezultirajući valni oblik naziva se sinusni val, a struja, EMF ili napon koji se mijenja prema ovom zakonu naziva se sinusni.

Sama krivulja naziva se sinusoida jer je grafički prikaz promjenjive trigonometrijske veličine koja se naziva sinus.

Sinusoidna priroda promjene struje je najčešća u elektrotehnici, stoga, govoreći o izmjeničnoj struji, u većini slučajeva misle na sinusoidnu struju.

Za usporedbu različitih izmjeničnih struja (EMF i naponi), postoje vrijednosti koje karakteriziraju određenu struju. To se nazivaju AC parametri.

Period, amplituda i frekvencija — AC parametri

Izmjeničnu struju karakteriziraju dva parametra — mjesečni ciklus i amplituda, znajući koje možemo procijeniti o kakvoj se izmjeničnoj struji radi i izgraditi graf struje.

Slika 4. Krivulja sinusne struje

Razdoblje vremena tijekom kojeg se odvija potpuni ciklus promjene struje naziva se razdoblje. Period se označava slovom T i mjeri se u sekundama.

Period vremena tijekom kojeg se odvija polovica punog ciklusa promjene struje naziva se poluciklus.Stoga se period promjene struje (EMS ili napona) sastoji od dvije poluperiode. Posve je očito da su sve periode iste izmjenične struje međusobno jednake.

Kao što se može vidjeti iz grafikona, tijekom jednog perioda svoje promjene struja dostiže dva puta svoju maksimalnu vrijednost.

Najveća vrijednost izmjenične struje (EMF ili napon) naziva se njezina amplituda ili vršna vrijednost struje.

Im, Em i Um su uobičajene oznake za amplitude struje, EMF i napona.

Prije svega, obratili smo pažnju vršna struja, međutim, kao što se može vidjeti iz grafikona, postoji bezbroj međuvrijednosti koje su manje od amplitude.

Vrijednost izmjenične struje (EMF, napon) koja odgovara bilo kojem odabranom trenutku u vremenu naziva se njezina trenutna vrijednost.

i, e i u su općenito prihvaćene oznake trenutnih vrijednosti struje, emf i napona.

Trenutnu vrijednost struje, kao i njenu vršnu vrijednost, lako je odrediti uz pomoć grafa. Da biste to učinili, iz bilo koje točke na vodoravnoj osi koja odgovara vremenskoj točki koja nas zanima, nacrtajte okomitu liniju do točke sjecišta s trenutnom krivuljom; rezultirajući segment okomite crte odredit će vrijednost struje u određenom trenutku, odnosno njezinu trenutnu vrijednost.

Očito je da će trenutna vrijednost struje nakon vremena T / 2 od početne točke grafa biti nula, a nakon vremena T / 4 njezina amplitudna vrijednost. Struja također doseže svoju vršnu vrijednost; ali već u suprotnom smjeru, nakon vremena jednakog 3/4 T.

Dakle, grafikon pokazuje kako se struja u krugu mijenja tijekom vremena i da samo jedna određena vrijednost i veličine i smjera struje odgovara svakom trenutku vremena. U ovom slučaju, vrijednost struje u određenom trenutku u jednom trenutku u krugu bit će potpuno ista u bilo kojoj drugoj točki u tom krugu.

Naziva se brojem potpunih perioda koje struja ispuni u 1 sekundi izmjenične frekvencije i označava se latiničnim slovom f.

Da bi se odredila frekvencija izmjenične struje, odnosno da bi se saznalo koliko je razdoblja njezine promjene struja napravila u 1 sekundi, potrebno je 1 sekundu podijeliti s vremenom jedne periode f = 1 / T. Poznavajući frekvenciju izmjenične struje, možete odrediti razdoblje: T = 1 / f

AC frekvencija mjeri se u jedinici koja se zove herc.

Ako imamo izmjeničnu struju čija je frekvencija jednaka 1 hercu, tada će period takve struje biti jednak 1 sekundi. Obrnuto, ako je period promjene struje 1 sekunda, tada je frekvencija takve struje 1 herc.

Stoga smo definirali AC parametre—period, amplitudu i frekvenciju—koji vam omogućuju razlikovanje različitih AC struja, EMF-ova i napona te iscrtavanje njihovih grafikona kada je to potrebno.

Pri određivanju otpora različitih strujnih krugova na izmjeničnu struju koristite drugu pomoćnu vrijednost koja karakterizira izmjeničnu struju, tzv. kutna ili kutna frekvencija.

Kružna frekvencija označena u odnosu na frekvenciju f omjerom 2 pif

Objasnimo ovu ovisnost. Prilikom crtanja grafikona varijabilnog EMF-a, vidjeli smo da jedna potpuna rotacija okvira rezultira potpunim ciklusom promjene EMF-a. Drugim riječima, da okvir napravi jedan okretaj, odnosno da se okrene za 360 °, potrebno je vrijeme jednako jednoj periodi, odnosno T sekundi. Zatim, u 1 sekundi, okvir napravi 360 ° / T revolucije. Dakle, 360°/T je kut za koji se okvir okrene u 1 sekundi, a izražava brzinu rotacije okvira koja se obično naziva kutnom ili kružnom brzinom.

Ali budući da je period T povezan s frekvencijom f omjerom f = 1 / T, tada se kružna brzina također može izraziti kao frekvencija i bit će jednaka 360 ° f.

Stoga smo zaključili da 360°f. Međutim, radi praktičnosti korištenja kružne frekvencije za bilo kakve izračune, kut od 360° koji odgovara jednom okretaju zamjenjuje se radijalnim izrazom jednakim 2pi radijana, gdje je pi = 3,14. Tako da konačno dobivamo 2pif. Stoga, za određivanje kutne frekvencije izmjenične struje (EMF ili napon), morate pomnožiti frekvenciju u hercima s konstantnim brojem 6,28.