Mikä on vaihtovirta ja miten se eroaa tasavirrasta

Vaihtovirta, päinvastoin DC virta, muuttuu jatkuvasti sekä suuruudeltaan että suunnaltaan, ja nämä muutokset tapahtuvat ajoittain, eli ne toistuvat täsmälleen yhtäläisin väliajoin.

Tällaisen virran indusoimiseksi piirissä on käytettävä vaihtovirtalähteitä, jotka luovat vaihtelevan EMF:n, joka muuttuu määräajoin voimakkuudeltaan ja suunnaltaan.Tällaisia ​​lähteitä kutsutaan vaihtovirtalähteiksi.

Kuvassa 1 esittää laitekaavion (mallin) yksinkertaisimmasta vaihtovirtageneraattori. 

Kuparilangasta valmistettu suorakaiteen muotoinen runko, joka on kiinnitetty akselille ja pyöritetty kentällä hihnakäytöllä magneetti… Rungon päät on juotettu kuparirenkaisiin, jotka pyörivät rungon mukana liukuvat kosketuslevyillä (harjoilla).

Kuva 1. Kaavio yksinkertaisimmasta laturista

Varmistetaan, että tällainen laite on todella muuttuvan EMF:n lähde.

Oletetaan, että napojen väliin syntyy magneetti yhtenäinen magneettikenttä, eli sellainen, jossa magneettikenttäviivojen tiheys kussakin kentän osassa on sama.Pyöriessään kehys ylittää magneettikentän voimalinjat kummallakin sivulla a ja b EMF:n aiheuttama. 

Kehyksen sivut c ja d eivät toimi, koska kehyksen pyöriessä ne eivät ylitä magneettikentän voimalinjoja eivätkä siksi osallistu EMF:n luomiseen.

Millä tahansa ajanhetkellä sivulla a esiintyvä EMF on suunnaltaan vastakkainen puolella b esiintyvään EMF:ään nähden, mutta kehyksessä molemmat EMF:t toimivat sen mukaan ja lisäävät kokonais-EMF:ää, eli koko kehyksen indusoima.

Tämä on helppo tarkistaa, jos käytämme tietämämme oikean käden sääntöä määrittämään EMF:n suunnan.

Tätä varten aseta oikean käden kämmen niin, että se on magneetin pohjoisnapaa kohti ja taivutettu peukalo osuu yhteen sen kehyksen puolen liikesuunnan kanssa, jossa haluamme määrittää EMF:n suunnan. Sitten EMF:n suunta siinä osoitetaan käden ojennetuilla sormilla.

Riippumatta kehyksen sijainnista määritämme EMF:n suunnan sivuilla a ja b, ne aina laskevat yhteen ja muodostavat kokonais-EMF:n kehyksessä. Samanaikaisesti kehyksen jokaisella kierrolla sen kokonais-EMF:n suunta muuttuu päinvastaiseksi, koska jokainen kehyksen työpuoli yhdessä kierrossa kulkee magneetin eri napojen alta.

Kehyksessä indusoidun EMF:n suuruus muuttuu myös nopeuden, jolla kehyksen sivut ylittävät magneettikenttäviivat, muuttuessa. Itse asiassa sillä hetkellä, kun kehys lähestyy pystysuoraa sijaintiaan ja ohittaa sen, kehyksen sivuilla olevien voimalinjojen ylitysnopeus on suurin ja suurin emf indusoituu kehykseen.Näinä hetkinä, kun kehys ohittaa vaaka-asennon, sen sivut näyttävät liukuvan pitkin magneettikenttälinjoja ylittämättä niitä, eikä EMF aiheudu.

Siksi kehyksen tasaisella pyörimisellä siihen indusoituu EMF, joka muuttuu ajoittain sekä suuruuden että suunnan suhteen.

Kehyksessä esiintyvä EMF voidaan mitata laitteella ja käyttää virran luomiseen ulkoiseen piiriin.

Käyttämällä sähkömagneettisen induktion ilmiö, voit saada vaihtovirtaa ja siten vaihtovirtaa.

Vaihtovirta teollisiin tarkoituksiin ja valaistukseen joita tuottavat voimakkaat höyry- tai vesiturbiineilla ja polttomoottoreilla toimivat generaattorit.

Graafinen esitys AC- ja DC-virroista

Graafinen menetelmä mahdollistaa tietyn muuttujan muuttamisen prosessin visualisoinnin ajasta riippuen.

Ajan myötä muuttuvien muuttujien piirtäminen alkaa piirtämällä kaksi keskenään kohtisuoraa viivaa, joita kutsutaan kaavion akseleiksi. Sitten vaaka-akselille, tietyllä asteikolla, piirretään aikavälit ja pystyakselilla, myös tietyllä asteikolla, piirrettävän suuren arvot (EMF, jännite tai virta).

Kuvassa 2 piirretty tasavirta ja vaihtovirta... Tässä tapauksessa viivästetään virta-arvoja ja yhden suunnan virta-arvot, jota yleensä kutsutaan positiivisiksi, viivästyvät pystysuoraan akselien O leikkauspisteestä , ja tästä pisteestä alaspäin vastakkainen suunta, jota yleensä kutsutaan negatiiviseksi.

Kuva 2. DC ja AC graafinen esitys

Piste O itsessään toimii sekä nykyisten arvojen (pystysuoraan alas ja ylös) että ajan (vaakasuuntaisesti oikealle) lähtökohtana.Toisin sanoen tämä piste vastaa virran nolla-arvoa ja tätä aloituspistettä ajassa, josta aiomme jäljittää, miten virta muuttuu tulevaisuudessa.

Varmistetaan kuvassa 2 esitetyn oikeellisuus. 2 ja 50 mA tasavirtakaavio.

Koska tämä virta on vakio, eli se ei muuta sen suuruutta ja suuntaa ajan myötä, samat virta-arvot vastaavat eri ajanhetkiä, eli 50 mA. Siksi ajanhetkellä, joka on yhtä suuri kuin nolla, eli virran tarkkailun alkuhetkellä, se on yhtä suuri kuin 50 mA. Piirretään segmentti, joka on yhtä suuri kuin nykyinen arvo 50 mA pystyakselille ylöspäin, saamme kuvaajamme ensimmäisen pisteen.

Meidän on tehtävä sama seuraavalle ajanhetkelle, joka vastaa aika-akselin pistettä 1, eli siirrettävä tästä pisteestä pystysuunnassa ylöspäin segmentti, joka on myös yhtä suuri kuin 50 mA. Janan loppu määrittää meille kaavion toisen pisteen.

Kun olet tehnyt samanlaisen rakenteen useille myöhemmille ajankohdille, saamme sarjan pisteitä, joiden yhdistäminen antaa suoran viivan, joka on graafinen esitys vakiovirta-arvosta 50 mA.

Muuttuvan EMF:n piirtäminen

Jatketaan EMF:n muuttujakaavion tutkimista... Kuvassa 1. Kuvassa 3 magneettikentässä pyörivä kehys on esitetty yläosassa ja graafinen esitys tuloksena olevasta muuttujasta EMF on alla.

Kuva 3. Muuttujan EMF piirtäminen

Alamme pyörittää kehystä tasaisesti myötäpäivään ja seurata EMF-muutosten kulkua siinä ottamalla kehyksen vaaka-asennon alkuhetkenä.

Tällä alkuhetkellä EMF on nolla, koska kehyksen sivut eivät ylitä magneettikenttälinjoja.Kaaviossa tätä hetkeä t = 0 vastaavaa EMF:n nolla-arvoa edustaa piste 1.

Kehystä pyöritettäessä EMF alkaa näkyä siinä ja kasvaa, kunnes kehys saavuttaa pystysuoran asennon. Kaaviossa tätä EMF:n kasvua edustaa tasainen nouseva käyrä, joka saavuttaa huippunsa (kohta 2).

Kun kehys lähestyy vaaka-asentoa, siinä oleva EMF pienenee ja putoaa nollaan. Kaaviossa tämä esitetään laskevana tasaisena käyränä.

Siksi sen aikana, joka vastaa puolta kehyksen kierrosta, siinä oleva EMF pystyi nousemaan nollasta maksimiarvoon ja laskemaan jälleen nollaan (kohta 3).

Kehystä edelleen pyöritettäessä EMF ilmestyy siihen uudelleen ja kasvaa vähitellen suuruudeltaan, mutta sen suunta muuttuu jo päinvastaiseksi, kuten oikean käden sääntöä soveltamalla voidaan nähdä.

Kaavio ottaa huomioon EMF:n suunnan muutoksen, joten EMF:ää edustava käyrä ylittää aika-akselin ja on nyt tämän akselin alapuolella. EMF kasvaa jälleen, kunnes kehys ottaa pystysuoran asennon.

Sitten EMF alkaa laskea ja sen arvo on yhtä suuri kuin nolla, kun kehys palaa alkuperäiseen asentoonsa yhden täyden kierroksen jälkeen. Kaaviossa tämä ilmaistaan ​​siten, että EMF-käyrä, joka saavuttaa huippunsa vastakkaiseen suuntaan (kohta 4), kohtaa sitten aika-akselin (piste 5).

Tämä täydentää yhden EMF:n vaihtosyklin, mutta jos jatkat kehyksen pyörittämistä, toinen jakso alkaa heti, toistaen tarkalleen ensimmäistä, jota puolestaan ​​seuraa kolmas, sitten neljäs ja niin edelleen, kunnes lopetamme. kiertokehys.

Siten jokaisella kehyksen kierrolla siinä esiintyvä EMF suorittaa täydellisen muutossyklin.

Jos kehys on suljettu jollekin ulkoiselle piirille, piirin läpi kulkee vaihtovirta, jonka kaavio näyttää samalta kuin EMF-kaavio.

Tuloksena olevaa aaltomuotoa kutsutaan siniaaltoksi, ja tämän lain mukaan muuttuvaa virtaa, EMF:ää tai jännitettä kutsutaan siniaaltoiseksi.

Itse käyrää kutsutaan sinimuodoksi, koska se on graafinen esitys muuttuvasta trigonometrisesta suuresta, jota kutsutaan siniksi.

Virran muutoksen sinimuotoisuus on yleisin sähkötekniikassa, joten vaihtovirrasta puhuttaessa ne tarkoittavat useimmissa tapauksissa sinimuotoista virtaa.

Erilaisten vaihtovirtojen (EMF:t ja jännitteet) vertaamiseksi on olemassa arvoja, jotka kuvaavat tiettyä virtaa. Näitä kutsutaan AC-parametreiksi.

Jakso, amplitudi ja taajuus — AC-parametrit

Vaihtovirralle on tunnusomaista kaksi parametria - kuukausittainen jakso ja amplitudi, joiden tietäen voimme arvioida, millainen vaihtovirta se on, ja rakentaa kaavion virrasta.

Kuva 4. Sinimuotoinen virtakäyrä

Ajanjaksoa, jonka aikana virran muutoksen täydellinen sykli tapahtuu, kutsutaan jaksoksi. Jakso on merkitty kirjaimella T ja se mitataan sekunneissa.

Ajanjaksoa, jonka aikana puolet koko virran muutosjaksosta tapahtuu, kutsutaan puolijaksoksi, joten virran muutosjakso (EMF tai jännite) koostuu kahdesta puolijaksosta. On aivan selvää, että kaikki saman vaihtovirran jaksot ovat keskenään samanlaisia.

Kuten kaaviosta voidaan nähdä, yhden muutosjakson aikana virta saavuttaa kaksinkertaisen maksimiarvon.

Vaihtovirran maksimiarvoa (EMF tai jännite) kutsutaan sen amplitudiksi tai huippuvirran arvoksi.

Im, Em ja Um ovat yleisiä nimityksiä virran, EMF:n ja jännitteen amplitudeille.

Ensinnäkin kiinnitimme huomiota huippuvirtaKuitenkin, kuten kaaviosta voidaan nähdä, on olemassa lukemattomia väliarvoja, jotka ovat pienempiä kuin amplitudi.

Mitä tahansa valittua ajanhetkeä vastaavaa vaihtovirran arvoa (EMF, jännite) kutsutaan sen hetkelliseksi arvoksi.

i, e ja u ovat yleisesti hyväksyttyjä nimityksiä virran, emf:n ja jännitteen hetkellisille arvoille.

Virran hetkellinen arvo sekä sen huippuarvo on helppo määrittää kaavion avulla. Voit tehdä tämän piirtämällä mistä tahansa vaaka-akselin pisteestä, joka vastaa meitä kiinnostavaa ajankohtaa, pystysuora viiva nykyisen käyrän leikkauspisteeseen; tuloksena oleva pystysuoran linjan segmentti määrittää virran arvon tietyllä hetkellä, eli sen hetkellisen arvon.

Ilmeisesti virran hetkellinen arvo ajan T / 2 jälkeen kaavion aloituspisteestä on nolla ja ajan T / 4 jälkeen sen amplitudiarvo. Virta saavuttaa myös huippuarvonsa; mutta jo vastakkaiseen suuntaan, 3/4 T:n ajan kuluttua.

Joten kaavio näyttää kuinka virtapiirissä muuttuu ajan myötä ja että vain yksi tietty arvo sekä virran suuruudesta että suunnasta vastaa kutakin ajanhetkeä. Tässä tapauksessa virran arvo tietyllä ajanhetkellä yhdessä pisteessä piirissä on täsmälleen sama missä tahansa muussa piirin kohdassa.

Sitä kutsutaan täydellisten jaksojen lukumääräksi, jonka virta täyttää 1 sekunnissa vaihtotaajuudella, ja sitä merkitään latinalaisella kirjaimella f.

Vaihtovirran taajuuden määrittämiseksi, eli sen selvittämiseksi, kuinka monta jaksoa sen muuttamisessa 1 sekunnissa tehtyä virtaa, on tarpeen jakaa 1 sekunti yhden jakson ajalla f = 1 / T. Taajuuden tunteminen vaihtovirrasta, voit määrittää ajanjakson: T = 1 / f

AC-taajuus se mitataan yksikössä, jota kutsutaan hertseiksi.

Jos meillä on vaihtovirta, jonka taajuus on 1 hertsi, tällaisen virran jakso on yhtä suuri kuin 1 sekunti. Kääntäen, jos virran muutosjakso on 1 sekunti, niin tällaisen virran taajuus on 1 hertsi.

Olemme siis määrittäneet vaihtovirtaparametrit – jakso, amplitudi ja taajuus – joiden avulla voit erottaa erilaiset vaihtovirtavirrat, EMF:t ja jännitteet ja piirtää niiden käyrät tarvittaessa.

Eri piirien vaihtovirtaresistanssia määritettäessä käytetään toista vaihtovirtaa kuvaavaa apuarvoa, ns. kulma- tai kulmataajuus.

Ympyrätaajuus on merkitty suhteessa taajuuteen f suhteella 2 pif

Selitetään tämä riippuvuus. Kun piirretään muuttujan EMF-kaaviota, näimme, että yksi täydellinen kehyksen kierto johtaa täydelliseen EMF-muutossykliin. Toisin sanoen, jotta kehys tekisi yhden kierroksen, eli 360°, kestää yhden jakson verran aikaa, eli T sekuntia. Sitten 1 sekunnissa kehys tekee 360 ​​° / T kierroksen. Siksi 360 ° / T on kulma, jonka läpi kehys pyörii 1 sekunnissa, ja se ilmaisee kehyksen pyörimisnopeuden, jota yleensä kutsutaan kulma- tai ympyränopeudeksi.

Mutta koska jakso T liittyy taajuuteen f suhteella f = 1 / T, niin ympyränopeus voidaan myös ilmaista taajuudella ja se on yhtä suuri kuin 360 ° f.

Joten päätimme, että 360 ° f. Kuitenkin ympyrätaajuuden käytön helpottamiseksi kaikissa laskelmissa, yhtä kierrosta vastaava 360° kulma korvataan säteittäisellä lausekkeella, joka on yhtä suuri kuin 2pi radiaania, missä pi = 3,14. Joten lopulta saamme 2pif. Siksi vaihtovirran kulmataajuuden määrittämiseksi (EMF tai jännite), sinun on kerrottava taajuus hertseinä vakioluvulla 6,28.