Co je střídavý proud a jak se liší od stejnosměrného proudu

Naproti tomu střídavý proud stejnosměrný proud, se neustále mění jak ve velikosti, tak ve směru a tyto změny se vyskytují periodicky, to znamená, že se opakují v přesně stejných intervalech.

K indukci takového proudu v obvodu použijte zdroje střídavého proudu, které vytvářejí střídavé EMF, periodicky se měnící velikost a směr.Takové zdroje se nazývají alternátory.

Na Obr. 1 ukazuje schéma zařízení (model) toho nejjednoduššího alternátor. 

Obdélníkový rám vyrobený z měděného drátu, upevněný na ose a rotovaný v poli pomocí řemenového pohonu magnet… Konce rámu jsou připájeny k měděným kroužkům, které se otáčejícím se rámem nasouvají po kontaktních deskách (kartáčích).

Obrázek 1. Schéma nejjednoduššího alternátoru

Přesvědčeme se, že takové zařízení je skutečně zdrojem proměnného EMF.

Předpokládejme, že se mezi svými póly vytvoří magnet rovnoměrné magnetické pole, tedy takový, ve kterém je hustota magnetických siločar v každé části pole stejná.rotující rám protíná siločáry magnetického pole na každé ze svých stran a a b EMF indukované. 

Strany c a d rámu nefungují, protože když se rám otáčí, nekříží siločáry magnetického pole, a tudíž se nepodílejí na vytváření EMF.

V každém okamžiku je EMF vyskytující se na straně a opačného směru než EMF vyskytující se na straně b, ale v rámci obě EMF jednají podle a přičítají se k celkovému EMF, tj. indukovanému celým rámcem.

To lze snadno ověřit, pokud k určení směru EMF použijeme známé pravidlo pravé ruky.

Chcete-li to provést, položte dlaň pravé ruky tak, aby směřovala k severnímu pólu magnetu, a ohnutý palec se shodoval se směrem pohybu té strany rámu, ve které chceme určit směr EMF. Pak směr EMF v něm naznačí natažené prsty ruky.

Pro jakoukoli polohu rámu určujeme směr EMF ve stranách a a b, vždy se sčítají a tvoří celkové EMF v rámu. Zároveň s každou rotací rámu se směr celkového EMF v něm změní na opačný, protože každá z pracovních stran rámu v jedné otáčce prochází pod různými póly magnetu.

Velikost EMF indukovaného v rámu se také mění, jak se mění rychlost, kterou se strany rámu kříží s čarami magnetického pole. Ve skutečnosti v okamžiku, kdy se rám přiblíží své vertikální poloze a míjí ji, je rychlost křížení siločar po stranách rámu nejvyšší a v rámu je indukováno největší emf.V těchto okamžicích, kdy rám prochází svou horizontální polohou, se zdá, že jeho strany klouzají podél magnetických siločar, aniž by je protínaly, a není indukováno žádné EMF.

Proto při rovnoměrném otáčení rámu bude v něm indukováno EMF, které se periodicky mění jak ve velikosti, tak ve směru.

EMF vyskytující se v rámu může být měřeno zařízením a použito k vytvoření proudu ve vnějším obvodu.

Použitím jev elektromagnetické indukce, můžete získat střídavé EMF a tedy střídavý proud.

Střídavý proud pro průmyslové účely a pro osvětlení vyráběné výkonnými generátory poháněnými parními nebo vodními turbínami a spalovacími motory.

Grafické znázornění AC a DC proudů

Grafická metoda umožňuje vizualizovat proces změny určité proměnné v závislosti na čase.

Vykreslování proměnných, které se v čase mění, začíná vynesením dvou vzájemně kolmých čar, které se nazývají osy grafu. Poté jsou na vodorovné ose v určitém měřítku vyneseny časové intervaly a na svislé ose také v určitém měřítku hodnoty veličiny, která má být vykreslena (EMF, napětí nebo proud).

Na Obr. 2 stejnosměrný proud a střídavý proud v grafu ... V tomto případě zpožďujeme hodnoty proudu a hodnoty proudu jednoho směru, který se obvykle nazývá kladný, se zpožďují vertikálně od průsečíku os O a dolů od tohoto bodu opačným směrem, který se obvykle nazývá záporný.

Obrázek 2. Grafické znázornění DC a AC

Samotný bod O slouží jako počátek aktuálních hodnot (vertikálně dolů a nahoru) a času (vodorovně vpravo).Jinými slovy, tento bod odpovídá nulové hodnotě proudu a tomuto výchozímu bodu v čase, od kterého hodláme sledovat, jak se proud v budoucnu změní.

Ověřme si správnost toho, co je zakresleno na obr. 2 a graf stejnosměrného proudu 50 mA.

Protože tento proud je konstantní, to znamená, že v průběhu času nemění svou velikost a směr, budou stejné hodnoty proudu odpovídat různým časovým okamžikům, tedy 50 mA. Proto v časovém okamžiku rovném nule, tj. v počátečním okamžiku našeho pozorování proudu, bude roven 50 mA. Nakreslením segmentu rovného aktuální hodnotě 50 mA na svislé ose směrem nahoru získáme první bod našeho grafu.

Totéž musíme udělat pro další časový okamžik odpovídající bodu 1 na časové ose, tedy odložit z tohoto bodu svisle nahoru úsek rovnající se rovněž 50 mA. Konec segmentu nám vymezí druhý bod grafu.

Provedením podobné konstrukce pro několik následujících bodů v čase získáme řadu bodů, jejichž spojením vznikne přímka, která je grafickým znázorněním konstantní hodnoty proudu 50 mA.

Vykreslení proměnné EMF

Pojďme ke studiu proměnného grafu EMF... Na obr. 3 je nahoře zobrazen rám rotující v magnetickém poli a níže je uvedeno grafické znázornění výsledné proměnné EMF.

Obrázek 3. Vykreslení proměnné EMF

Začneme rovnoměrně otáčet rámem ve směru hodinových ručiček a sledovat průběh změn EMF v něm, přičemž jako počáteční moment bereme vodorovnou polohu rámu.

V tomto počátečním okamžiku bude EMF nulové, protože strany rámu neprotínají magnetické siločáry.Na grafu je tato nulová hodnota EMF odpovídající okamžiku t = 0 znázorněna bodem 1.

Při dalším otáčení rámu se v něm začne objevovat EMF a bude se zvětšovat, dokud rám nedosáhne vertikální polohy. Na grafu bude tento nárůst EMF reprezentován plynulou stoupající křivkou, která dosáhne svého vrcholu (bod 2).

Jak se rám blíží k horizontální poloze, EMF v něm se sníží a klesne na nulu. Na grafu to bude znázorněno jako klesající hladká křivka.

Proto EMF v něm za dobu odpovídající polovině otáčky rámu dokázalo vzrůst z nuly na maximální hodnotu a opět klesnout na nulu (bod 3).

Při dalším otáčení rámu se v něm EMF znovu objeví a bude postupně nabývat na síle, ale jeho směr se již změní na opačný, jak je vidět při aplikaci pravidla pravé ruky.

Graf bere v úvahu změnu směru EMF, takže křivka představující EMF protíná časovou osu a nyní leží pod touto osou. EMF se opět zvyšuje, dokud rám nezaujme vertikální polohu.

Poté se EMF začne snižovat a jeho hodnota bude rovna nule, když se rám vrátí do své původní polohy po dokončení jedné kompletní otáčky. Na grafu to bude vyjádřeno tím, že křivka EMF, dosahující svého vrcholu v opačném směru (bod 4), se pak setká s časovou osou (bod 5).

Tím se dokončí jeden cyklus změny EMF, ale pokud budete pokračovat v otáčení rámu, okamžitě začne druhý cyklus, přesně opakující první, po kterém bude následovat třetí, pak čtvrtý a tak dále, dokud se nezastavíme. rotační rám.

Pro každou rotaci rámu tedy EMF vyskytující se v něm dokončí úplný cyklus jeho změny.

Pokud je rám uzavřen na nějaký vnější obvod, pak obvodem poteče střídavý proud, jehož graf bude vypadat stejně jako graf EMF.

Výsledný tvar vlny se nazývá sinusová vlna a proud, EMF nebo napětí měnící se podle tohoto zákona se nazývá sinusový.

Křivka samotná se nazývá sinusoida, protože jde o grafické znázornění proměnné trigonometrické veličiny zvané sinus.

Sinusový charakter změny proudu je nejběžnější v elektrotechnice, proto, mluvíme-li o střídavém proudu, ve většině případů znamenají sinusový proud.

Pro porovnání různých střídavých proudů (EMF a napětí) existují hodnoty, které charakterizují určitý proud. Tyto parametry se nazývají AC parametry.

Perioda, Amplitude a Frequency — AC parametry

Střídavý proud je charakterizován dvěma parametry — měsíčním cyklem a amplitudou, s jejichž vědomím můžeme odhadnout, o jaký střídavý proud se jedná, a sestavit graf proudu.

Obrázek 4. Křivka sinusového proudu

Časové období, během kterého dojde k úplnému cyklu změny proudu, se nazývá perioda. Perioda je označena písmenem T a měří se v sekundách.

Časový úsek, během kterého dojde k polovině úplného cyklu změny proudu, se nazývá poloviční cyklus, proto se perioda změny proudu (EMF nebo napětí) skládá ze dvou polovičních period. Je zcela zřejmé, že všechny periody stejného střídavého proudu jsou si navzájem rovny.

Jak je z grafu patrné, během jedné periody své změny proud dosáhne dvojnásobku své maximální hodnoty.

Maximální hodnota střídavého proudu (EMF nebo napětí) se nazývá jeho amplituda nebo špičková hodnota proudu.

Im, Em a Um jsou běžná označení pro amplitudy proudu, EMF a napětí.

V první řadě jsme věnovali pozornost špičkový proudjak je však vidět z grafu, existuje nespočet mezilehlých hodnot, které jsou menší než amplituda.

Hodnota střídavého proudu (EMF, napětí) odpovídající libovolnému zvolenému časovému okamžiku se nazývá jeho okamžitá hodnota.

i, e a u jsou běžně přijímaná označení okamžitých hodnot proudu, emf a napětí.

Okamžitou hodnotu proudu, stejně jako jeho špičkovou hodnotu, lze snadno určit pomocí grafu. Chcete-li to provést, z libovolného bodu na vodorovné ose odpovídající bodu v čase, který nás zajímá, nakreslete svislou čáru k bodu průsečíku s aktuální křivkou; výsledný segment svislé čáry bude určovat hodnotu proudu v daném čase, tedy jeho okamžitou hodnotu.

Je zřejmé, že okamžitá hodnota proudu po čase T/2 od počátečního bodu grafu bude nulová a po čase T/4 bude jeho hodnota amplitudy. Proud také dosahuje své špičkové hodnoty; ale již v opačném směru, po čase rovném 3/4 T.

Graf tedy ukazuje, jak se proud v obvodu mění v čase a že každému časovému okamžiku odpovídá pouze jedna konkrétní hodnota velikosti i směru proudu. V tomto případě bude hodnota proudu v daném časovém okamžiku v jednom bodě obvodu přesně stejná v kterémkoli jiném bodě tohoto obvodu.

Říká se tomu počet úplných period splněných proudem za 1 sekundu frekvence střídavého proudu a označuje se latinským písmenem f.

Abychom určili frekvenci střídavého proudu, to znamená, abychom zjistili, kolik period jeho změny provedl proud za 1 sekundu, je nutné vydělit 1 sekundu časem jedné periody f = 1 / T. Znalost frekvence střídavého proudu, můžete určit periodu: T = 1 / f

Frekvence střídavého proudu měří se v jednotce zvané hertz.

Máme-li střídavý proud, jehož frekvence je rovna 1 hertzu, pak bude perioda takového proudu rovna 1 sekundě. Naopak, je-li perioda změny proudu 1 sekunda, pak frekvence takového proudu je 1 hertz.

Definovali jsme tedy parametry střídavého proudu – periodu, amplitudu a frekvenci – které umožňují rozlišovat mezi různými střídavými proudy, EMF a napětími a v případě potřeby vykreslit jejich grafy.

Při stanovení odporu různých obvodů proti střídavému proudu použijte další pomocnou hodnotu charakterizující střídavý proud, tzv. úhlová nebo úhlová frekvence.

Kruhová frekvence označovaná ve vztahu k frekvenci f poměrem 2 pif

Pojďme si tuto závislost vysvětlit. Při vykreslování grafu proměnné EMF jsme viděli, že jedno úplné otočení snímku vede k úplnému cyklu změny EMF. Jinými slovy, aby rám udělal jednu otáčku, tedy aby se otočil o 360°, trvá to dobu rovnající se jedné periodě, tedy T sekund. Poté za 1 sekundu rám otočí o 360°/T. 360°/T je tedy úhel, o který se rám otočí za 1 sekundu, a vyjadřuje rychlost otáčení rámu, která se obvykle nazývá úhlová nebo kruhová rychlost.

Ale protože perioda T souvisí s frekvencí f poměrem f = 1 / T, pak může být kruhová rychlost také vyjádřena jako frekvence a bude se rovnat 360 ° f.

Takže jsme dospěli k závěru, že 360 ​​° f. Pro usnadnění použití kruhové frekvence pro jakékoli výpočty je však úhel 360 ° odpovídající jedné otáčkě nahrazen radiálním vyjádřením rovným 2pi radiánům, kde pi = 3,14. Takže konečně dostáváme 2pif. Proto k určení úhlové frekvence střídavého proudu (EMF nebo napětí), musíte frekvenci v hertzech vynásobit konstantním číslem 6,28.