פרמטרים בסיסיים של זרם חילופין: תקופה, תדר, פאזה, משרעת, תנודות הרמוניות

זרם חילופין הוא זרם חשמלי שכיוונו וחוזקו משתנים מעת לעת. מכיוון שבדרך כלל עוצמתו של זרם חילופין משתנה בהתאם לחוק סינוסואידי, זרם חילופין הוא תנודות סינוסואידאליות במתח ובזרם.

לכן, כל מה שחל על תנודות חשמליות סינוסואידיות חל על זרם חילופין. תנודות סינוסואידיות הן תנודות שבהן ערך הנדנוד משתנה לפי חוק הסינוס, במאמר זה נדבר על פרמטרי AC.

השינוי ב-EMF והשינוי בזרם של עומס ליניארי המחובר למקור כזה יפעל לפי חוק סינוסואידי. במקרה זה, ניתן לאפיין נקודות EMF מתחלפות, מתחים וזרמים לסירוגין על ידי ארבעת הפרמטרים העיקריים שלהם:

• פרק זמן;

• תדירות;

• אמפליטודה;

• ערך אפקטיבי.

ישנם גם פרמטרים נוספים:

• תדר זוויתי;

• שלב;

• ערך מיידי.

לאחר מכן, נבחן את כל הפרמטרים הללו בנפרד וביחד.

תקופה ט'.

תקופה - הזמן שלוקח למערכת שמתנודדת לעבור את כל מצבי הביניים ולחזור שוב למצבה ההתחלתי.

התקופה T של זרם חילופין היא מרווח הזמן שבמהלכו הזרם או המתח מבצעים מחזור שלם אחד של שינויים.

מכיוון שמקור זרם החילופין הוא גנרטור, התקופה קשורה למהירות הסיבוב של הרוטור שלו, וככל שמהירות הסיבוב של הפיתול או הרוטור של הגנרטור גבוהה יותר, כך קצרה פרק הזמן של EMF המתחלף שנוצר ו, בהתאם, זרם החילופין של העומס, מסתבר.

התקופה נמדדת בשניות, מילי-שניות, מיקרו-שניות, ננו-שניות, תלוי במצב הספציפי שבו נחשב זרם זה. האיור שלמעלה מראה כיצד המתח U משתנה לאורך זמן תוך תקופה אופיינית קבועה T.

תדר ו

התדר f הוא ההדדיות של התקופה ושווה מספרית למספר התקופות של שינוי זרם או EMF בשנייה אחת. כלומר, f = 1 / T. יחידת המדידה של התדר היא הרץ (Hz), על שמו של הפיזיקאי הגרמני היינריך הרץ, שתרם תרומה משמעותית להתפתחות האלקטרודינמיקה במאה ה-19. ככל שהתקופה קצרה יותר, כך תדירות ה-EMF או השינוי הנוכחי גבוה יותר.

כיום ברוסיה, התדר הסטנדרטי של זרם חילופין ברשתות חשמל הוא 50 הרץ, כלומר, 50 תנודות של מתח הרשת מופיעות בשנייה אחת.

בתחומים אחרים של האלקטרודינמיקה משתמשים בתדרים גבוהים יותר, למשל 20 קילו-הרץ ויותר בממירים מודרניים, ועד כמה מגה-הרץ באזורים צרים יותר של אלקטרודינמיקה. באיור לעיל ניתן לראות שיש 50 תנודות שלמות בשנייה אחת, כל אחת נמשכת 0.02 שניות ו-1 / 0.02 = 50.

מגרפים של שינויים בזרם החילופין הסינוסואידי לאורך זמן, ניתן לראות שזרמים בתדרים שונים מכילים מספר שונה של תקופות באותו מרווח זמן.

תדר זוויתי

תדר זוויתי - מספר התנודות שנעשו ב-2pi שניות.

בתקופה אחת, השלב של EMF הסינוסואיד או הזרם הסינוסואידי משתנה ברדיאנים של 2pi או 360 מעלות, לכן התדר הזוויתי של הזרם הסינוסואידי לסירוגין שווה ל:

השתמש במספר התנודות ב-2pi שניות (לא ב-1 שניות) זה נוח מכיוון שבנוסחאות המבטאות את חוק השינוי של המתח והזרם במהלך תנודות הרמוניות, המבטאות את ההתנגדות האינדוקטיבית או הקיבולית של זרם חילופין, ובהרבה במקרים אחרים תדר התנודה n מופיע יחד עם המכפיל 2pi.

שלב

שלב - מצב, שלב של תהליך תקופתי. למונח פאזה יש משמעות ברורה יותר במקרה של תנודות סינוסואידיות. בפועל, לרוב לא השלב עצמו משחק תפקיד, אלא הסטת השלב בין כל שני תהליכים תקופתיים.

במקרה זה, המונח "פאזה" מובן כשלב של התפתחות התהליך, ובמקרה זה, ביחס לזרמי חילופין ולמתחים סינוסואידים, הפאזה נקראת מצב זרם החילופין ברגע מסוים ב. זְמַן.

הדמויות מציגות: צירוף מקרים של מתח U1 וזרם I1 בפאזה, מתח U1 ו-U2 באנטי-פאזה, כמו גם הסטת הפאזה בין זרם I1 למתח U2. הסטת פאזה נמדדת ברדיאנים, חלקים מתקופה, במעלות.

ראה גם: מה זה פאזה, זווית פאזה והיסט פאזה

משרעת אום ואימ

אם כבר מדברים על גודל זרם חילופין סינוסואידי או EMF סינוסואידאלי, הערך הגבוה ביותר של EMF או זרם נקרא משרעת או משרעת (מקסימום).

אמפליטודה - הערך הגדול ביותר של הכמות המבצעת תנודות הרמוניות (לדוגמה, הערך המרבי של עוצמת הזרם בזרם חילופין, הסטייה של המטוטלת המתנודדת ממיקום שיווי המשקל), הסטייה הגדולה ביותר של כמות הנדנוד מערך מסוים, על תנאי מתקבל כאפס התחלתי.

באופן קפדני, המונח משרעת מתייחס רק לתנודות סינוסואידיות, אבל הוא מיושם בדרך כלל (לא לגמרי נכון) במובן שלעיל על כל התנודות.

אם אנחנו מדברים על אלטרנטור, אז ה-EMF של המסופים שלו פעמיים בכל תקופה מגיע לערך משרעת, הראשון שבהם הוא + Em, השני הוא Em, בהתאמה, במהלך חצי המחזור החיובי והשלילי. הזרם I מתנהג באופן דומה ומסומן על ידי Im בהתאם.

תנודות הרמוניות - תנודות שבהן גודל נדנוד, כמו המתח במעגל חשמלי, משתנה עם הזמן לפי חוק סינוס או קוסינוס הרמוני. מיוצג גרפי על ידי עקומה סינוסואידית.

תהליכים אמיתיים יכולים להעריך רק תנודות הרמוניות. עם זאת, אם התנודות משקפות את המאפיינים האופייניים ביותר של התהליך, אז תהליך כזה נחשב הרמוני, מה שמקל מאוד על פתרון בעיות פיזיות וטכניות רבות.

תנועות קרובות לתנודות הרמוניות מתרחשות במערכות שונות: מכניות (תנודות של מטוטלת), אקוסטיות (תנודות של עמוד אוויר בצינור איבר), אלקטרומגנטיות (תנודות במעגל LC) וכו'.תורת התנודות רואה בתופעות אלה, השונות בטבען הפיזיקלי, מנקודת מבט מאוחדת וקובעת את תכונותיהן המשותפות.

נוח לייצג תנודות הרמוניות בצורה גרפית באמצעות וקטור המסתובב במהירות זוויתית קבועה סביב ציר מאונך לוקטור זה ועובר דרך המקור שלו. מהירות הסיבוב הזוויתית של הווקטור תואמת את התדר המעגלי של התנודה ההרמונית.

דיאגרמת וקטור של רטט הרמוני

תהליך תקופתי מכל צורה יכול להתפרק לסדרה אינסופית של תנודות הרמוניות פשוטות עם תדרים, אמפליטודות ופאזות שונות.

הרמוני - רטט הרמוני שהתדר שלו גדול פי כמה מהתדר של רטט אחר, הנקרא טון היסוד. מספר ההרמונית מציין כמה פעמים התדר שלו גדול מתדר הטון היסודי (לדוגמה, ההרמונית השלישית היא רטט הרמוני עם תדר גבוה פי שלושה מתדר הטון היסודי).

כל תנודות מחזוריות אך לא הרמוניות (כלומר השונות בצורתן מסינוסואידיות) יכולות להיות מיוצגות כסכום של תנודות הרמוניות - הטון היסודי ומספר הרמוניות. ככל שהתנודה הנחשבת שונה בצורתה מזו הסינוסואידלית, כך היא מכילה יותר הרמוניות.

ערך מיידי של u ו-i

הערך של ה-EMF או הזרם ברגע מסוים בזמן נקרא הערך המיידי, הם מסומנים באותיות קטנות u ו-i. אבל מכיוון שערכים אלה משתנים כל הזמן, לא נוח להעריך מהם את זרמי ה-AC וה-EMF.

ערכי RMS של I, E ו-U

היכולת של זרם חילופין לבצע עבודה שימושית, כגון סיבוב מכני של הרוטור של מנוע או הפקת חום על מכשיר חימום, נאמדת בנוחות על ידי הערכים האפקטיביים של emfs וזרמים.

כך, ערך נוכחי אפקטיבי נקרא הערך של זרם ישר כזה, אשר, כאשר הוא עובר דרך מוליך במהלך תקופה אחת של זרם החילופין הנדון, מייצר את אותה עבודה מכנית או אותה כמות חום כמו זרם חילופין זה.

ערכי ה-RMS של מתחים, emfs וזרמים מסומנים באותיות גדולות I, E ו-U. עבור זרם חילופין סינוסואיד ועבור מתח חילופין סינוסואידי, הערכים האפקטיביים הם:

כדי לתאר רשתות חשמל, נוח להשתמש בערך האפקטיבי של זרם ומתח. לדוגמה, ערך של 220-240 וולט הוא הערך האפקטיבי של המתח בשקעים ביתיים מודרניים, והמשרעת גבוהה בהרבה - מ-311 ל-339 וולט.

אותו דבר עם זרם, למשל כשאומרים שזרם של 8 אמפר זורם דרך מכשיר חימום ביתי, זה אומר ערך אפקטיבי, בעוד המשרעת היא 11.3 אמפר.

בדרך זו או אחרת, עבודה מכנית ואנרגיה חשמלית במתקני חשמל הם פרופורציונליים לערכים האפקטיביים של מתחים וזרמים. חלק ניכר ממכשירי המדידה מציגים בדיוק את הערכים האפקטיביים של מתחים וזרמים.