Kaj je izmenični tok in kako se razlikuje od enosmernega

Izmenični tok, nasprotno enosmerni tok, se nenehno spreminja tako po velikosti kot po smeri, te spremembe pa se pojavljajo periodično, torej se ponavljajo v popolnoma enakih intervalih.

Za indukcijo takega toka v vezju uporabite vire izmeničnega toka, ki ustvarjajo izmenični EMF, ki se občasno spreminja v velikosti in smeri. Takšni viri se imenujejo alternatorji.

Na sl. 1 prikazuje diagram naprave (model) najpreprostejšega alternator. 

Pravokotni okvir iz bakrene žice, pritrjen na osi in vrtljiv v polju s pomočjo jermenskega pogona magnet… Konci okvirja so spajkani na bakrene obroče, ki, vrteči se z okvirjem, drsijo po kontaktnih ploščah (ščetkah).

Slika 1. Shema najpreprostejšega alternatorja

Prepričajmo se, da je takšna naprava res vir spremenljivega EMF.

Recimo, da magnet ustvari med svojima poloma enakomerno magnetno polje, torej takšno, pri kateri je gostota magnetnih silnic v vsakem delu polja enaka.pri vrtenju okvir prečka silnice magnetnega polja na vsaki od svojih strani a in b EMF induciran. 

Strani c in d okvirja ne delujeta, ker pri vrtenju okvirja ne prečkata silnic magnetnega polja in zato ne sodelujeta pri ustvarjanju EMF.

V katerem koli trenutku je EMF, ki se pojavlja na strani a, v nasprotni smeri od EMF, ki se pojavlja na strani b, vendar v okvirju oba EMF delujeta v skladu s skupnim EMF in ga dodajata, to je, induciran s celotnim okvirjem.

To je enostavno preveriti, če za določitev smeri EMF uporabimo pravilo desne roke, ki ga poznamo.

Če želite to narediti, postavite dlan desne roke tako, da je obrnjena proti severnemu polu magneta, upognjen palec pa sovpada s smerjo gibanja tiste strani okvirja, v kateri želimo določiti smer EMF. Nato bo smer EMF v njem označena z iztegnjenimi prsti roke.

Za kateri koli položaj okvirja določimo smer EMF na straneh a in b, se vedno seštejeta in tvorita skupno EMF v okvirju. Hkrati se z vsakim vrtenjem okvirja smer celotnega EMF v njem spremeni v nasprotno, saj vsaka delovna stran okvirja v enem obratu poteka pod različnimi poli magneta.

Velikost elektromagnetnega polja, induciranega v okvirju, se prav tako spreminja, ko se spreminja hitrost, s katero stranice okvirja prečkajo črte magnetnega polja. Dejansko je v trenutku, ko se okvir približa navpičnemu položaju in ga preleti, hitrost prečkanja silnic na straneh okvirja največja in v okvirju se inducira največja emf.V tistih trenutkih, ko okvir prečka svoj vodoravni položaj, se zdi, da njegove stranice drsijo vzdolž silnic magnetnega polja, ne da bi jih prečkale, in ni induciran noben EMF.

Zato se bo z enakomernim vrtenjem okvirja v njem induciral EMF, ki se občasno spreminja v velikosti in smeri.

EMF, ki se pojavlja v okvirju, je mogoče izmeriti z napravo in uporabiti za ustvarjanje toka v zunanjem tokokrogu.

Uporaba pojav elektromagnetne indukcije, lahko dobite izmenični EMF in s tem izmenični tok.

Izmenični tok za industrijske namene in za razsvetljavo proizvajajo močni generatorji, ki jih poganjajo parne ali vodne turbine in motorji z notranjim zgorevanjem.

Grafični prikaz izmeničnega in enosmernega toka

Grafična metoda omogoča vizualizacijo procesa spreminjanja določene spremenljivke glede na čas.

Risanje spremenljivk, ki se s časom spreminjajo, se začne z risanjem dveh medsebojno pravokotnih črt, ki ju imenujemo osi grafa. Nato se na vodoravni osi v določenem merilu izrišejo časovni intervali, na navpični osi pa prav tako v določenem merilu vrednosti količine, ki jo izrišemo (EMF, napetost ali tok).

Na sl. 2 graf enosmerni tok in izmenični tok ... V tem primeru zakasnimo trenutne vrednosti in trenutne vrednosti ​ene smeri, ki se običajno imenuje pozitivna, se odložijo navpično od presečišča osi O , in navzdol od te točke, nasprotna smer, ki se običajno imenuje negativna.

Slika 2. Grafični prikaz DC in AC

Sama točka O služi kot izvor trenutnih vrednosti (navpično navzdol in navzgor) in časa (vodoravno desno).Z drugimi besedami, ta točka ustreza ničelni vrednosti toka in tej začetni točki v času, od katere nameravamo slediti, kako se bo tok spreminjal v prihodnosti.

Preverimo pravilnost tega, kar je narisano na sl. 2 in diagram enosmernega toka 50 mA.

Ker je ta tok konstanten, to pomeni, da s časom ne spreminja svoje velikosti in smeri, bodo enake vrednosti toka ustrezale različnim trenutkom časa, to je 50 mA. Zato bo v trenutku, ki je enak nič, to je v začetnem trenutku našega opazovanja toka, enak 50 mA. Če na navpični osi navzgor narišemo segment, ki je enak trenutni vrednosti 50 mA, dobimo prvo točko našega grafa.

Enako moramo storiti za naslednji trenutek v času, ki ustreza točki 1 na časovni osi, to je, od te točke navpično navzgor odložiti segment, ki je prav tako enak 50 mA. Konec segmenta bo za nas določil drugo točko grafa.

Ko naredimo podobno konstrukcijo za več zaporednih časovnih točk, dobimo niz točk, katerih povezava bo dala ravno črto, ki je grafični prikaz vrednosti konstantnega toka 50 mA.

Risanje spremenljive EMF

Pojdimo na študij spremenljivega grafa EMF ... Na sl. 3 je na vrhu prikazan okvir, ki se vrti v magnetnem polju, spodaj pa je prikazan grafični prikaz nastale spremenljivke EMF.

Slika 3. Graf spremenljivke EMF

Okvir začnemo enakomerno vrteti v smeri urinega kazalca in sledimo poteku sprememb EMF v njem, pri čemer kot začetni trenutek vzamemo vodoravni položaj okvirja.

V tem začetnem trenutku bo EMF enak nič, ker stranice okvirja ne prečkajo silnic magnetnega polja.Na grafu je ta ničelna vrednost EMF, ki ustreza trenutku t = 0, predstavljena s točko 1.

Z nadaljnjim vrtenjem okvirja se bo EMF začel pojavljati v njem in se bo povečeval, dokler okvir ne doseže navpičnega položaja. Na grafu bo to povečanje EMF predstavljeno z gladko naraščajočo krivuljo, ki doseže svoj vrh (točka 2).

Ko se okvir približa vodoravnemu položaju, se bo EMF v njem zmanjšal in padel na nič. Na grafu bo to prikazano kot padajoča gladka krivulja.

Zato se je v času, ki ustreza polovici vrtljaja okvirja, EMF v njem lahko povečal od nič do največje vrednosti in se spet zmanjšal na nič (točka 3).

Z nadaljnjim vrtenjem okvirja se bo EMF ponovno pojavil v njem in postopoma povečal magnitudo, vendar se bo njegova smer že spremenila v nasprotno, kot je razvidno z uporabo desnega pravila.

Graf upošteva spremembo smeri EMF, tako da krivulja, ki predstavlja EMF, prečka časovno os in zdaj leži pod to osjo. EMF se ponovno poveča, dokler okvir ne zavzame navpičnega položaja.

Nato se bo EMF začel zmanjševati in njegova vrednost bo postala enaka nič, ko se okvir vrne v prvotni položaj po enem popolnem obratu. Na grafu bo to izraženo z dejstvom, da se krivulja EMF, ki doseže svoj vrh v nasprotni smeri (točka 4), nato sreča s časovno osjo (točka 5)

S tem se zaključi en cikel spreminjanja EMF, če pa nadaljujete z vrtenjem okvirja, se takoj začne drugi cikel, ki natančno ponovi prvega, ki mu bo sledil tretji, nato četrti in tako naprej, dokler se ne ustavimo rotacijski okvir.

Tako za vsako rotacijo okvirja EMF, ki se pojavi v njem, zaključi celoten cikel svoje spremembe.

Če je okvir zaprt na neko zunanje vezje, bo skozi vezje stekel izmenični tok, katerega graf bo videti enako kot graf EMF.

Nastala valovna oblika se imenuje sinusni val, tok, EMF ali napetost, ki se spreminja v skladu s tem zakonom, pa se imenuje sinusni.

Sama krivulja se imenuje sinusoida, ker je grafična predstavitev spremenljive trigonometrične količine, imenovane sinus.

Sinusna narava spremembe toka je najpogostejša v elektrotehniki, zato, ko govorimo o izmeničnem toku, v večini primerov mislimo na sinusni tok.

Za primerjavo različnih izmeničnih tokov (EMF in napetosti) obstajajo vrednosti, ki označujejo določen tok. Ti se imenujejo AC parametri.

Perioda, amplituda in frekvenca — parametri AC

Za izmenični tok sta značilna dva parametra — mesečni cikel in amplituda, ob poznavanju katerih lahko ocenimo, za kakšen izmenični tok gre, in sestavimo graf toka.

Slika 4. Krivulja sinusnega toka

Časovno obdobje, v katerem se zgodi celoten cikel spremembe toka, se imenuje obdobje. Perioda je označena s črko T in se meri v sekundah.

Časovno obdobje, v katerem se zgodi polovica celotnega cikla spremembe toka, se imenuje polovični cikel.Zato je obdobje spremembe toka (EMF ali napetost) sestavljeno iz dveh polperiod. Povsem očitno je, da so vse periode istega izmeničnega toka med seboj enake.

Kot je razvidno iz grafa, v enem obdobju njegove spremembe tok doseže dvakratno največjo vrednost.

Največja vrednost izmeničnega toka (EMF ali napetost) se imenuje njegova amplituda ali vrednost temenskega toka.

Im, Em in Um so običajne oznake za amplitude toka, EMF in napetosti.

Najprej smo bili pozorni vršni tok, vendar kot je razvidno iz grafa obstaja nešteto vmesnih vrednosti, ki so manjše od amplitude.

Vrednost izmeničnega toka (EMF, napetost), ki ustreza kateremu koli izbranemu trenutku v času, se imenuje njegova trenutna vrednost.

i, e in u so splošno sprejete oznake trenutnih vrednosti toka, emf in napetosti.

Trenutno vrednost toka in tudi njegovo konično vrednost je enostavno določiti s pomočjo grafa. Če želite to narediti, iz katere koli točke na vodoravni osi, ki ustreza točki v času, ki nas zanima, narišite navpično črto do točke presečišča s trenutno krivuljo; nastali segment navpične črte bo določil vrednost toka v danem trenutku, to je njegovo trenutno vrednost.

Očitno bo trenutna vrednost toka po času T / 2 od začetne točke grafa nič, po času T / 4 pa njegova amplitudna vrednost. Tudi tok doseže najvišjo vrednost; vendar že v nasprotni smeri, po času, ki je enak 3/4 T.

Graf torej prikazuje, kako se tok v vezju spreminja skozi čas in da samo ena določena vrednost tako velikosti kot smeri toka ustreza vsakemu trenutku časa. V tem primeru bo vrednost toka v danem trenutku na eni točki v vezju popolnoma enaka na kateri koli drugi točki v tem vezju.

Imenuje se število popolnih obdobij, ki jih izpolni tok v 1 sekundi izmenične frekvence in je označeno z latinsko črko f.

Če želite določiti frekvenco izmeničnega toka, to je ugotoviti, koliko obdobij njegove spremembe je tok naredil v 1 sekundi, je treba 1 sekundo razdeliti na čas ene dobe f = 1 / T. Poznavanje frekvence izmeničnega toka, lahko določite obdobje: T = 1 / f

AC frekvenca meri se v enoti, imenovani hertz.

Če imamo izmenični tok, katerega frekvenca je enaka 1 hercu, bo obdobje takega toka enako 1 sekundi. Nasprotno, če je obdobje spremembe toka 1 sekunda, potem je frekvenca takega toka 1 hertz.

Zato smo definirali parametre izmeničnega toka – periodo, amplitudo in frekvenco – ki vam omogočajo razlikovanje med različnimi izmeničnimi tokovi, EMF in napetostmi ter po potrebi narišete njihove grafe.

Pri določanju odpornosti različnih tokokrogov na izmenični tok uporabite drugo pomožno vrednost, ki označuje izmenični tok, t.i. kotna ali kotna frekvenca.

Krožna frekvenca, ki je povezana s frekvenco f z razmerjem 2 pif

Razložimo to odvisnost. Pri izrisovanju grafa spremenljive EMF smo videli, da ena popolna rotacija okvirja povzroči celoten cikel spremembe EMF. Z drugimi besedami, da okvir naredi en obrat, to je, da se zavrti za 360 °, potrebuje čas, ki je enak eni periodi, to je T sekund. Nato se okvir v 1 sekundi obrne za 360 °/T. Zato je 360 ​​° / T kot, za katerega se okvir zavrti v 1 sekundi, in izraža hitrost vrtenja okvirja, ki se običajno imenuje kotna ali krožna hitrost.

Ker pa je obdobje T povezano s frekvenco f z razmerjem f = 1 / T, potem lahko krožno hitrost izrazimo tudi kot frekvenco in bo enaka 360 ° f.

Tako smo ugotovili, da 360 ° f. Vendar pa je zaradi udobja uporabe krožne frekvence za kakršne koli izračune kot 360 °, ki ustreza enemu obratu, nadomeščen z radialnim izrazom, ki je enak 2pi radianom, kjer je pi = 3,14. Tako končno dobimo 2pif. Zato je za določitev kotne frekvence izmeničnega toka (EMF ali napetost), morate frekvenco v hertzih pomnožiti s stalnim številom 6,28.