מהו זרם חילופין וכיצד הוא שונה מזרם ישר

זרם חילופין, לעומת זאת זרם DC, משתנה כל הזמן הן בגודל והן בכיוון, והשינויים הללו מתרחשים מעת לעת, כלומר, הם חוזרים על עצמם במרווחים שווים בדיוק.

כדי להשרות זרם כזה במעגל, השתמש במקורות זרם חילופין היוצרים EMF מתחלף, המשתנה מעת לעת בגודל ובכיוון.מקורות כאלה נקראים אלטרנטורים.

באיור. 1 מציג דיאגרמת מכשיר (דגם) של הפשוטים ביותר אַלְטֶרְנָטוֹר. 

מסגרת מלבנית עשויה חוטי נחושת, קבועה על הציר ומסתובבת בשטח באמצעות הנעת רצועה מַגנֵט... קצוות המסגרת מולחמים לטבעות נחושת, אשר, מסתובבות עם המסגרת, מחליקות על לוחות המגע (מברשות).

איור 1. תרשים של האלטרנטור הפשוט ביותר

בואו נוודא שמכשיר כזה הוא באמת מקור ל-EMF משתנה.

נניח שמגנט יוצר בין הקטבים שלו שדה מגנטי אחיד, כלומר, כזה שבו צפיפות קווי השדה המגנטי בכל חלק של השדה זהה.בסיבוב, המסגרת חוצה את קווי הכוח של השדה המגנטי בכל אחת מצלעותיו a ו-b EMF המושרה. 

הצדדים c ו-d של המסגרת אינם פועלים, כי כאשר המסגרת מסתובבת, הם אינם חוצים את קווי הכוח של השדה המגנטי ולכן אינם משתתפים ביצירת ה-EMF.

בכל רגע של זמן, ה-EMF המתרחש בצד a הוא הפוך בכיוון ל-EMF המתרחש בצד b, אך במסגרת שני ה-EMF פועלים בהתאם ומוסיפים לסך ה-EMF, כלומר, המושרה על ידי כל המסגרת.

קל לבדוק זאת אם אנו משתמשים בכלל יד ימין שאנו מכירים כדי לקבוע את כיוון ה-EMF.

לשם כך, הניחו את כף יד ימין כך שהיא פונה לקוטב הצפוני של המגנט, והאגודל הכפוף עולה בקנה אחד עם כיוון התנועה של אותו צד של המסגרת שבו אנו רוצים לקבוע את כיוון ה-EMF. אז כיוון ה-EMF בו יצוין על ידי האצבעות המושטות של היד.

עבור כל מיקום של המסגרת שאנו קובעים את כיוון ה-EMF בצדדים a ו-b, הם תמיד מצטברים ויוצרים EMF כולל במסגרת. יחד עם זאת, עם כל סיבוב של המסגרת, כיוון ה-EMF הכולל בה משתנה להפך, שכן כל אחד מצידי העבודה של המסגרת בסיבוב אחד עובר מתחת לקטבים שונים של המגנט.

גודל ה-EMF המושרה בפריים משתנה גם ככל שהקצב שבו צדי המסגרת חוצים את קווי השדה המגנטי משתנה. ואכן, ברגע שהמסגרת מתקרבת למצבה האנכי ועוברת אותו, מהירות חציית קווי הכוח בצידי המסגרת היא הגבוהה ביותר, וה-emf הגדול ביותר מושרה במסגרת.באותם רגעי זמן, כאשר המסגרת עוברת את מיקומה האופקי, נדמה כי צדדיה גולשים לאורך קווי השדה המגנטי מבלי לחצות אותם, ולא נגרמת EMF.

לכן, עם סיבוב אחיד של המסגרת, יושרה בה EMF, שישתנה מעת לעת הן בגודל והן בכיוון.

ניתן למדוד את ה-EMF המתרחש במסגרת באמצעות מכשיר ולהשתמש בו ליצירת זרם במעגל החיצוני.

באמצעות תופעה של אינדוקציה אלקטרומגנטית, אתה יכול לקבל EMF לסירוגין ולכן זרם חילופין.

זרם חילופין למטרות תעשייתיות ו עבור תאורה מיוצר על ידי גנרטורים רבי עוצמה המונעים על ידי טורבינות קיטור או מים ומנועי בעירה פנימית.

ייצוג גרפי של זרמי AC ו-DC

השיטה הגרפית מאפשרת לדמיין תהליך של שינוי משתנה מסוים בהתאם לזמן.

שרטוט משתנים המשתנים עם הזמן מתחילים בשרטוט שני קווים מאונכים זה לזה הנקראים צירי הגרף. לאחר מכן, על הציר האופקי, בקנה מידה מסוים, משרטטים מרווחי זמן, ועל הציר האנכי, גם בקנה מידה מסוים, ערכי הכמות שיש לשרטט (EMF, מתח או זרם).

באיור. 2 גרפים של זרם ישר וזרם חילופין ... במקרה זה אנו משהים את ערכי הזרם וערכי הזרם של כיוון אחד, הנקרא בדרך כלל חיובי, מתעכבים אנכית מנקודת החיתוך של הצירים O , ומטה מנקודה זו, הכיוון ההפוך, שנקרא בדרך כלל שלילי.

איור 2. ייצוג גרפי של DC ו-AC

נקודה O עצמה משמשת הן כמקור הערכים הנוכחיים (אנכית למטה ולמעלה) והן כזמן (אופקית ימינה).במילים אחרות, נקודה זו מתאימה לערך האפס של הזרם ולנקודת ההתחלה הזו שממנה אנו מתכוונים להתחקות אחר כיצד ישתנה הזרם בעתיד.

הבה נבדוק את נכונות מה שמשורטט באיור. 2 ומגרש זרם 50 mA DC.

מכיוון שזרם זה קבוע, כלומר אינו משנה את גודלו וכיוונו לאורך זמן, אותם ערכי זרם יתאימו לרגעי זמן שונים, כלומר 50 mA. לכן, ברגע הזמן השווה לאפס, כלומר ברגע הראשוני של התצפית שלנו על הזרם, הוא יהיה שווה ל-50 mA. ציור קטע השווה לערך הנוכחי של 50 mA על הציר האנכי כלפי מעלה, נקבל את הנקודה הראשונה של הגרף שלנו.

עלינו לעשות את אותו הדבר לרגע הבא בזמן המקביל לנקודה 1 בציר הזמן, כלומר, לדחות מנקודה זו אנכית כלפי מעלה קטע השווה גם הוא ל-50 mA. סוף הקטע יגדיר עבורנו את הנקודה השנייה של הגרף.

לאחר ביצוע בנייה דומה עבור מספר נקודות זמן עוקבות, אנו מקבלים סדרה של נקודות, שהחיבור שלהן ייתן קו ישר, שהוא ייצוג גרפי של ערך זרם קבוע של 50 mA.

שרטוט EMF משתנה

בואו נעבור ללימוד גרף משתנה של EMF... באיור. 3, מסגרת המסתובבת בשדה מגנטי מוצגת בחלק העליון, ומוצג להלן ייצוג גרפי של המשתנה EMF המתקבל.

איור 3. שרטוט המשתנה EMF

אנו מתחילים לסובב באופן אחיד את המסגרת עם כיוון השעון ולעקוב אחר מהלך השינויים ב-EMF בה, ולוקחים את המיקום האופקי של המסגרת כרגע הראשוני.

ברגע התחלתי זה, ה-EMF יהיה אפס מכיוון שצדדי המסגרת אינם חוצים את קווי השדה המגנטי.בגרף, ערך אפס זה של EMF המתאים לרגע t = 0 מיוצג על ידי נקודה 1.

עם סיבוב נוסף של המסגרת, ה-EMF יתחיל להופיע בה ויגדל עד שהמסגרת תגיע למצבה האנכי. בגרף, עלייה זו ב-EMF תוצג על ידי עקומת עלייה חלקה שמגיעה לשיאה (נקודה 2).

כשהמסגרת מתקרבת למצב האופקי, ה-EMF בה יקטן וירד לאפס. בגרף זה יוצג כעקומה חלקה נופלת.

לכן, במהלך הזמן המקביל לחצי סיבוב של המסגרת, ה-EMF בו הצליח לעלות מאפס לערך המקסימלי ולרדת שוב לאפס (נקודה 3).

עם סיבוב נוסף של המסגרת, ה-EMF יופיע בה שוב ויגדל בהדרגה, אך הכיוון שלו כבר ישתנה להיפך, כפי שניתן לראות ביישום כלל יד ימין.

הגרף לוקח בחשבון את השינוי בכיוון ה-EMF, כך שהעקומה המייצגת את ה-EMF חוצה את ציר הזמן וכעת נמצאת מתחת לציר זה. EMF עולה שוב עד שהמסגרת תופסת מיקום אנכי.

אז ה-EMF יתחיל לרדת וערכו ישתווה לאפס כאשר המסגרת תחזור למיקומה המקורי לאחר השלמת מהפכה אחת שלמה. בגרף זה יתבטא בכך שעקומת ה-EMF, שתגיע לשיאה בכיוון ההפוך (נקודה 4), תפגוש אז את ציר הזמן (נקודה 5)

זה משלים מחזור אחד של שינוי ה-EMF, אבל אם אתה ממשיך בסיבוב המסגרת, המחזור השני מתחיל מיד, חוזר בדיוק על הראשון, אשר בתורו יבוא אחריו השלישי, לאחר מכן הרביעי, וכן הלאה עד שנפסיק מסגרת הסיבוב.

לפיכך, עבור כל סיבוב של המסגרת, ה-EMF המתרחש בה משלים מחזור שלם של השינוי שלו.

אם המסגרת סגורה למעגל חיצוני כלשהו, ​​אז זרם חילופין יזרום במעגל, שהגרף שלו ייראה זהה לגרף EMF.

צורת הגל המתקבלת נקראת גל סינוס, והזרם, ה-EMF או המתח המשתנים לפי חוק זה נקראים סינוסואידיים.

העקומה עצמה נקראת סינוסואיד מכיוון שהיא ייצוג גרפי של גודל טריגונומטרי משתנה הנקרא סינוס.

האופי הסינוסואידי של שינוי הזרם הוא הנפוץ ביותר בהנדסת חשמל, לכן, אם כבר מדברים על זרם חילופין, ברוב המקרים הם מתכוונים לזרם סינוסואידי.

כדי להשוות זרמי חילופין שונים (EMFs ומתחים), ישנם ערכים המאפיינים זרם מסוים. אלה נקראים פרמטרים AC.

תקופה, משרעת ותדירות - פרמטרים AC

זרם חילופין מאופיין בשני פרמטרים - מחזור חודשי ומשרעת, בידיעה באיזה סוג של זרם חילופין מדובר ולבנות גרף של הזרם.

איור 4. עקומת זרם סינוסואידית

פרק הזמן שבמהלכו מתרחש מחזור שלם של שינוי נוכחי נקרא תקופה. התקופה מסומנת באות T ונמדדת בשניות.

פרק הזמן שבמהלכו מתרחש חצי ממחזור שלם של שינוי זרם נקרא חצי מחזור.לכן, תקופת שינוי הזרם (EMF או מתח) מורכבת משתי חצאי תקופות. ברור למדי שכל התקופות של אותו זרם חילופין שוות זו לזו.

כפי שניתן לראות מהגרף, במהלך תקופה אחת של שינויו, מגיע הזרם פי שניים מערכו המרבי.

הערך המרבי של זרם חילופין (EMF או מתח) נקרא משרעת או ערך זרם שיא שלו.

Im, Em ו-Um הם ייעודים נפוצים עבור אמפליטודות זרם, EMF ומתח.

קודם כל, שמנו לב זרם שיא, לעומת זאת, כפי שניתן לראות מהגרף, ישנם אינספור ערכי ביניים שקטנים מהמשרעת.

הערך של זרם חילופין (EMF, מתח) המתאים לכל רגע שנבחר בזמן נקרא הערך המיידי שלו.

i, e ו-u הם ייעודים מקובלים של הערכים המיידיים של זרם, emf ומתח.

קל לקבוע את הערך המיידי של הזרם, כמו גם את ערך השיא שלו, בעזרת הגרף. לשם כך, מכל נקודה בציר האופקי התואמת לנקודת הזמן בה אנו מעוניינים, צייר קו אנכי לנקודת החיתוך עם העקומה הנוכחית; הקטע המתקבל של הקו האנכי יקבע את ערכו של הזרם בזמן נתון, כלומר, ערכו המיידי.

ברור שהערך המיידי של הזרם לאחר זמן T / 2 מנקודת ההתחלה של הגרף יהיה אפס, ולאחר זמן T / 4 ערך המשרעת שלו. הזרם מגיע גם לערך השיא שלו; אבל כבר בכיוון ההפוך, לאחר זמן השווה ל-3/4 T.

אז הגרף מראה כיצד הזרם במעגל משתנה לאורך זמן ושרק ערך מסוים אחד של גודל וכיוון הזרם מתאים לכל רגע של זמן. במקרה זה, ערך הזרם בנקודת זמן נתונה בנקודה אחת במעגל יהיה זהה לחלוטין בכל נקודה אחרת במעגל זה.

זה נקרא מספר התקופות השלמות שממלא הזרם בשנייה אחת של תדר AC ומסומן באות הלטינית f.

כדי לקבוע את התדירות של זרם חילופין, כלומר, כדי לגלות כמה תקופות של שינויו נעשה הזרם בשנייה 1, יש צורך לחלק שנייה 1 בזמן של תקופה אחת f = 1 / T. הכרת התדר של זרם החילופין, אתה יכול לקבוע את התקופה: T = 1 / f

תדר AC הוא נמדד ביחידה הנקראת הרץ.

אם יש לנו זרם חילופין שתדירותו שווה ל-1 הרץ, אזי התקופה של זרם כזה תהיה שווה לשנייה אחת. לעומת זאת, אם תקופת השינוי של הזרם היא שנייה אחת, אזי התדר של זרם כזה הוא 1 הרץ.

אז הגדרנו פרמטרים של AC - תקופה, משרעת ותדר - המאפשרים לך להבחין בין זרמי AC שונים, EMFs ומתחים, ולשרטט את הגרפים שלהם בעת הצורך.

בעת קביעת ההתנגדות של מעגלים שונים לזרם חילופין, השתמש בערך עזר אחר המאפיין זרם חילופין, מה שנקרא תדר זוויתי או זוויתי.

תדר מעגלי מסומן קשור לתדר f ביחס 2 pif

בואו נסביר את התלות הזו. כשמתווים את גרף ה-EMF המשתנה, ראינו שסיבוב שלם אחד של המסגרת מביא למחזור שלם של שינוי EMF. במילים אחרות, כדי שהמסגרת תבצע סיבוב אחד, כלומר, תסתובב 360 מעלות, נדרש זמן השווה לפרק זמן אחד, כלומר T שניות. לאחר מכן, תוך שנייה אחת, המסגרת עושה סיבוב של 360°/T. לכן, 360°/T היא הזווית שדרכה הפריים מסתובב בשנייה אחת, ומבטאת את מהירות הסיבוב של הפריים, הנקראת בדרך כלל מהירות זוויתית או מעגלית.

אבל מכיוון שהתקופה T קשורה לתדר f ביחס f = 1 / T, אז ניתן לבטא את המהירות המעגלית גם כתדר ותהיה שווה ל-360° f.

אז הגענו למסקנה ש-360° f. עם זאת, לנוחות השימוש בתדר העגול עבור כל חישוב, זווית 360 מעלות המקבילה לסיבוב אחד מוחלפת בביטוי רדיאלי השווה ל-2pi רדיאנים, כאשר pi = 3.14. אז סוף סוף אנחנו מקבלים 2pif. לכן, כדי לקבוע את התדר הזוויתי של זרם חילופין (EMF או מתח), עליך להכפיל את התדר בהרץ במספר קבוע 6.28.