Hva er vekselstrøm og hvordan skiller den seg fra likestrøm
Vekselstrøm, i kontrast DC strøm, endrer seg konstant både i størrelse og retning, og disse endringene skjer med jevne mellomrom, det vil si at de gjentar seg med nøyaktig like intervaller.
For å indusere en slik strøm i kretsen, bruk vekselstrømkilder som skaper en vekselelektronisk elektromagnetisk felt, som periodisk endrer seg i størrelse og retning. Slike kilder kalles vekselstrømsgeneratorer.
I fig. 1 viser et enhetsdiagram (modell) av de enkleste dynamo.
En rektangulær ramme laget av kobbertråd, festet på aksen og rotert i feltet ved hjelp av en remdrift magnet… Endene av rammen er loddet til kobberringer, som, roterende med rammen, glir på kontaktplatene (børstene).
Figur 1. Diagram over den enkleste dynamoen
La oss sørge for at en slik enhet virkelig er en kilde til variabel EMF.
Anta at en magnet skaper mellom polene jevnt magnetfelt, det vil si en der tettheten av magnetiske feltlinjer i hver del av feltet er den samme.roterende, krysser rammen kraftlinjene til magnetfeltet på hver av sidene a og b EMF indusert.
Sidene c og d av rammen fungerer ikke, fordi når rammen roterer, krysser de ikke kraftlinjene til magnetfeltet og deltar derfor ikke i dannelsen av EMF.
På et hvilket som helst tidspunkt er EMF som forekommer på side a motsatt i retning av EMF som forekommer på side b, men i rammen virker begge EMF i henhold til og legger til den totale EMF, det vil si indusert av hele rammen.
Dette er enkelt å sjekke hvis vi bruker høyrehåndsregelen vi kjenner for å bestemme retningen til EMF.
For å gjøre dette, plasser håndflaten på høyre hånd slik at den vender mot nordpolen til magneten, og den bøyde tommelen faller sammen med bevegelsesretningen til den siden av rammen der vi vil bestemme retningen til EMF. Da vil retningen til EMF i den bli indikert av de utstrakte fingrene på hånden.
Uansett hvilken posisjon av rammen vi bestemmer retningen til EMF på sidene a og b, legger de alltid sammen og danner en total EMF i rammen. Samtidig, med hver rotasjon av rammen, endres retningen til den totale EMF i den til motsatt, siden hver av arbeidssidene av rammen i en omdreining passerer under forskjellige poler av magneten.
Størrelsen på EMF indusert i rammen endres også ettersom hastigheten som sidene av rammen krysser magnetfeltlinjene endres med. Faktisk, i det øyeblikket når rammen nærmer seg sin vertikale posisjon og passerer den, er hastigheten for å krysse kraftlinjene på sidene av rammen høyest, og den største emf induseres i rammen.I disse øyeblikkene, når rammen passerer sin horisontale posisjon, ser det ut til at sidene glir langs magnetfeltlinjene uten å krysse dem, og ingen EMF induseres.
Derfor, med jevn rotasjon av rammen, vil en EMF bli indusert i den, og periodisk endres både i størrelse og retning.
EMF som oppstår i rammen kan måles av en enhet og brukes til å skape en strøm i den eksterne kretsen.
Ved hjelp av fenomenet elektromagnetisk induksjon, kan du få veksel-EMK og derfor vekselstrøm.
Vekselstrøm for industrielle formål og for belysning produsert av kraftige generatorer drevet av damp- eller vannturbiner og forbrenningsmotorer.
Grafisk representasjon av AC- og DC-strømmer
Den grafiske metoden gjør det mulig å visualisere prosessen med å endre en bestemt variabel avhengig av tid.
Å plotte variabler som endrer seg over tid begynner med å plotte to innbyrdes vinkelrette linjer kalt aksene til grafen. Deretter, på den horisontale aksen, på en bestemt skala, plottes tidsintervaller, og på den vertikale aksen, også på en viss skala, verdiene av mengden som skal plottes (EMF, spenning eller strøm).
I fig. 2 grafiske likestrøm og vekselstrøm ... I dette tilfellet forsinker vi strømverdiene og strømverdiene i én retning, som vanligvis kalles positive, forsinkes vertikalt fra skjæringspunktet mellom aksene O , og ned fra dette punktet, den motsatte retningen, som vanligvis kalles negativ.
Figur 2. Grafisk representasjon av DC og AC
Punkt O i seg selv fungerer både som opprinnelsen til gjeldende verdier (vertikalt ned og opp) og tid (horisontalt høyre).Dette punktet tilsvarer med andre ord nullverdien til strømmen og dette utgangspunktet i tid som vi har til hensikt å spore hvordan strømmen vil endre seg i fremtiden.
La oss verifisere riktigheten av det som er plottet i fig. 2 og en 50 mA DC strømplott.
Siden denne strømmen er konstant, det vil si at den ikke endrer størrelse og retning over tid, vil de samme strømverdiene tilsvare forskjellige tidspunkter, det vil si 50 mA. Derfor, på tidspunktet lik null, det vil si i det første øyeblikket av vår observasjon av strømmen, vil den være lik 50 mA. Ved å tegne et segment lik gjeldende verdi på 50 mA på den vertikale aksen oppover får vi det første punktet på grafen vår.
Vi må gjøre det samme for neste øyeblikk i tid tilsvarende punkt 1 på tidsaksen, det vil si utsette fra dette punktet vertikalt og oppover et segment også lik 50 mA. Slutten av segmentet vil definere det andre punktet i grafen for oss.
Etter å ha laget en lignende konstruksjon for flere påfølgende tidspunkter, får vi en serie punkter, hvis forbindelse vil gi en rett linje, som er en grafisk representasjon av en konstant strømverdi på 50 mA.
Plotte en variabel EMF
La oss gå videre til å studere variabel graf av EMF... I fig. 3 er en ramme som roterer i et magnetisk felt vist øverst, og en grafisk representasjon av den resulterende variabelen EMF er gitt nedenfor.
Figur 3. Plotting av variabelen EMF
Vi begynner å rotere rammen jevnt med klokken og følger løpet av EMF-endringer i den, og tar den horisontale posisjonen til rammen som det første øyeblikket.
I dette første øyeblikket vil EMF være null fordi sidene av rammen ikke krysser magnetfeltlinjene.På grafen er denne nullverdien til EMF som tilsvarer øyeblikket t = 0 representert ved punkt 1.
Med ytterligere rotasjon av rammen vil EMF begynne å vises i den og vil øke til rammen når sin vertikale posisjon. På grafen vil denne økningen i EMF representeres av en jevn stigende kurve som når sin topp (punkt 2).
Når rammen nærmer seg den horisontale posisjonen, vil EMF i den avta og synke til null. På grafen vil dette bli avbildet som en fallende jevn kurve.
Derfor, i løpet av tiden som tilsvarer en halv omdreining av rammen, var EMF i den i stand til å øke fra null til maksimumsverdien og redusere til null igjen (punkt 3).
Med ytterligere rotasjon av rammen vil EMF dukke opp igjen i den og gradvis øke i størrelse, men retningen vil allerede endres til motsatt, som kan sees ved å bruke høyreregelen.
Grafen tar hensyn til endringen i retningen til EMF, slik at kurven som representerer EMF krysser tidsaksen og nå ligger under denne aksen. EMF øker igjen til rammen inntar en vertikal posisjon.
Deretter vil EMF begynne å avta og verdien vil bli lik null når rammen går tilbake til sin opprinnelige posisjon etter å ha fullført en hel omdreining. På grafen vil dette uttrykkes ved at EMF-kurven når sin topp i motsatt retning (punkt 4), vil da møte tidsaksen (punkt 5)
Dette fullfører en syklus med å endre EMF, men hvis du fortsetter rotasjonen av rammen, begynner den andre syklusen umiddelbart, og gjentar nøyaktig den første, som igjen vil bli fulgt av den tredje, deretter den fjerde, og så videre til vi stopper rotasjonsrammen.
Således, for hver rotasjon av rammen, fullfører EMF som forekommer i den en fullstendig syklus av endringen.
Hvis rammen er lukket for en ekstern krets, vil en vekselstrøm flyte gjennom kretsen, hvis graf vil se ut som EMF-grafen.
Den resulterende bølgeformen kalles en sinusbølge, og strømmen, EMF eller spenningen som varierer i henhold til denne loven kalles sinusformet.
Selve kurven kalles en sinusformet fordi den er en grafisk representasjon av en variabel trigonometrisk størrelse kalt sinus.
Den sinusformede naturen til strømendringen er den vanligste innen elektroteknikk, derfor, når vi snakker om vekselstrøm, betyr de i de fleste tilfeller sinusformet strøm.
For å sammenligne ulike vekselstrømmer (EMF og spenninger), er det verdier som karakteriserer en viss strøm. Disse kalles AC-parametere.
Periode, Amplitude og Frekvens — AC-parametere
Vekselstrøm er preget av to parametere - månedlig syklus og amplitude, og vite hvilken vi kan estimere hva slags vekselstrøm det er og bygge en graf av strømmen.
Figur 4. Sinusformet strømkurve
Tidsperioden som en fullstendig syklus med gjeldende endring oppstår kalles en periode. Perioden er merket med bokstaven T og måles i sekunder.
Tidsperioden som halvparten av en fullstendig syklus med strømendring inntreffer kalles en halv syklus.Derfor består perioden med strømendring (EMF eller spenning) av to halve perioder. Det er ganske åpenbart at alle perioder med samme vekselstrøm er lik hverandre.
Som det fremgår av grafen, når strømmen i løpet av en periode med endringen det dobbelte av sin maksimale verdi.
Den maksimale verdien av en vekselstrøm (EMF eller spenning) kalles dens amplitude eller toppstrømverdi.
Im, Em og Um er vanlige betegnelser for strøm-, EMF- og spenningsamplituder.
Først og fremst ga vi oppmerksomhet toppstrøm, men som man kan se fra grafen, er det utallige mellomverdier som er mindre enn amplituden.
Verdien av vekselstrøm (EMF, spenning) som tilsvarer et hvilket som helst valgt tidspunkt kalles dens øyeblikkelige verdi.
i, e og u er allment aksepterte betegnelser for øyeblikksverdiene for strøm, emk og spenning.
Den øyeblikkelige verdien av strømmen, så vel som dens toppverdi, er lett å bestemme ved hjelp av grafen. For å gjøre dette, fra et hvilket som helst punkt på den horisontale aksen som tilsvarer tidspunktet vi er interessert i, tegne en vertikal linje til skjæringspunktet med gjeldende kurve; det resulterende segmentet av den vertikale linjen vil bestemme verdien av strømmen på et gitt tidspunkt, det vil si dens øyeblikkelige verdi.
Åpenbart vil den øyeblikkelige verdien av strømmen etter tid T / 2 fra startpunktet til grafen være null, og etter tid T / 4 dens amplitudeverdi. Strømmen når også sin toppverdi; men allerede i motsatt retning, etter en tid lik 3/4 T.
Så grafen viser hvordan strømmen i kretsen endrer seg over tid og at bare én bestemt verdi av både størrelsen og retningen til strømmen tilsvarer hvert øyeblikk av tid. I dette tilfellet vil verdien av strømmen på et gitt tidspunkt på ett punkt i kretsen være nøyaktig den samme på et hvilket som helst annet punkt i den kretsen.
Det kalles antall fullstendige perioder oppfylt av strømmen i 1 sekund av AC-frekvensen og er betegnet med den latinske bokstaven f.
For å bestemme frekvensen til en vekselstrøm, det vil si for å finne ut hvor mange perioder av dens endring strømmen laget på 1 sekund, er det nødvendig å dele 1 sekund med tiden for en periode f = 1 / T. Å kjenne frekvensen av vekselstrømmen, kan du bestemme perioden: T = 1 / f
AC frekvens det måles i en enhet som kalles hertz.
Hvis vi har en vekselstrøm hvis frekvens er lik 1 hertz, vil perioden for en slik strøm være lik 1 sekund. Omvendt, hvis endringsperioden for strømmen er 1 sekund, er frekvensen til en slik strøm 1 hertz.
Så vi har definert AC-parametre – periode, amplitude og frekvens – som lar deg skille mellom forskjellige AC-strømmer, EMF-er og spenninger, og plotte grafene deres når det er nødvendig.
Ved bestemmelse av motstanden til ulike kretser mot vekselstrøm, bruk en annen hjelpeverdi som karakteriserer vekselstrøm, den s.k. vinkel- eller vinkelfrekvens.
Sirkulær frekvens angitt relatert til frekvens f med forholdet 2 pif
La oss forklare denne avhengigheten. Når vi plottet den variable EMF-grafen, så vi at en fullstendig rotasjon av rammen resulterer i en komplett syklus med EMF-endring. Med andre ord, for at rammen skal gjøre en omdreining, det vil si å rotere 360°, tar det en tid lik en periode, det vil si T sekunder. Deretter, på 1 sekund, gjør rammen en 360 ° / T omdreining. Derfor er 360 ° / T vinkelen som rammen roterer gjennom på 1 sekund, og uttrykker rotasjonshastigheten til rammen, som vanligvis kalles vinkel- eller sirkulær hastighet.
Men siden perioden T er relatert til frekvensen f med forholdet f = 1 / T, kan sirkulærhastigheten også uttrykkes som en frekvens og vil være lik 360 ° f.
Så vi konkluderte med at 360 ° f. For å gjøre det enklere å bruke den sirkulære frekvensen for alle beregninger, erstattes 360°-vinkelen som tilsvarer en omdreining med et radialuttrykk lik 2pi radianer, hvor pi = 3,14. Så vi får endelig 2pif. Derfor, for å bestemme vinkelfrekvensen til vekselstrøm (EMF eller spenning), må du multiplisere frekvensen i hertz med et konstant tall 6,28.