Mis on vahelduvvool ja kuidas see erineb alalisvoolust

Vahelduvvool, Seevastu DC vool, muutub pidevalt nii suuruselt kui ka suunalt ning need muutused toimuvad perioodiliselt ehk korduvad täpselt võrdsete ajavahemike järel.

Sellise voolu esilekutsumiseks vooluringis kasutage vahelduvvooluallikaid, mis tekitavad vahelduva EMF-i, perioodiliselt muutudes suurusjärgus ja suunas.Selliseid allikaid nimetatakse vahelduvvooluallikateks.

Joonisel fig. 1 on näidatud kõige lihtsama seadme skeem (mudel). generaator. 

Vasktraadist ristkülikukujuline raam, mis on kinnitatud teljele ja pööratud põllul rihmülekande abil magnet… Raami otsad on joodetud vaskrõngaste külge, mis koos raamiga pöörledes libisevad kontaktplaatidel (harjadel).

Joonis 1. Lihtsaima generaatori skeem

Teeme kindlaks, et selline seade on tõesti muutuva EMF-i allikas.

Oletame, et magnet loob selle pooluste vahele ühtlane magnetvälist selline, mille magnetvälja joonte tihedus igas välja osas on sama.Pöörledes ületab raam magnetvälja jõujooni mõlemal küljel a ja b Indutseeritud EMF. 

Raami küljed c ja d ei tööta, sest raami pöörlemisel ei ületa need magnetvälja jõujooni ega osale seetõttu EMF-i loomises.

Igal ajahetkel on küljel a esinev EMF vastassuunas küljel b esinevale EMF-ile, kuid kaadris toimivad mõlemad EMF-id vastavalt ja lisanduvad kogu EMF-ile, st kogu kaadri poolt indutseeritud.

Seda on lihtne kontrollida, kui kasutame EMF-i suuna määramiseks meile teadaolevat parema käe reeglit.

Selleks asetage parema käe peopesa nii, et see oleks suunatud magneti põhjapooluse poole ja painutatud pöial langeb kokku raami selle külje liikumissuunaga, milles me tahame EMF-i suunda määrata. Seejärel näitavad väljasirutatud käe sõrmed selles EMF-i suunda.

Ükskõik millise kaadri asukoha jaoks määrame külgedel a ja b EMF suuna, need liidetakse alati kokku ja moodustavad kaadris kogu EMF-i. Samal ajal muutub raami iga pöördega kogu EMF-i suund selles vastupidiseks, kuna raami iga töökülg ühe pöördega läbib magneti erinevate pooluste all.

Kaadris indutseeritud EMF-i suurus muutub samuti, kui muutub kiirus, millega kaadri küljed ületavad magnetvälja jooni. Tõepoolest, hetkel, kui raam läheneb oma vertikaalsele asendile ja möödub sellest, on raami külgede jõujoonte ületamise kiirus suurim ja kaadris indutseeritakse suurim emf.Nendel ajahetkedel, kui raam läbib oma horisontaalasendi, näivad selle küljed libisevat mööda magnetvälja jooni ilma neid ületamata ja elektromagnetvälja ei indutseerita.

Seetõttu indutseeritakse raami ühtlase pöörlemise korral selles EMF, mis muutub perioodiliselt nii suurusjärgus kui ka suunas.

Kaadris esinevat EMF-i saab mõõta seadmega ja kasutada välisahelas voolu tekitamiseks.

Kasutades elektromagnetilise induktsiooni nähtus, saate vahelduva EMF-i ja seega ka vahelduvvoolu.

Vahelduvvool tööstuslikuks otstarbeks ja valgustamiseks mida toodavad võimsad generaatorid, mida käitavad auru- või veeturbiinid ja sisepõlemismootorid.

Vahelduv- ja alalisvoolude graafiline esitus

Graafiline meetod võimaldab visualiseerida teatud muutuja muutumise protsessi sõltuvalt ajast.

Aja jooksul muutuvate muutujate joonistamine algab kahe vastastikku risti oleva sirge joonistamisega, mida nimetatakse graafiku telgedeks. Seejärel joonistatakse horisontaalteljele teatud skaalal ajaintervallid ja vertikaalteljele ka teatud skaalal joonistatava suuruse väärtused (EMF, pinge või vool).

Joonisel fig. 2 graafikuga alalisvool ja vahelduvvool ... Sel juhul viivitame vooluväärtusi ja ühe suuna vooluväärtusi, mida tavaliselt nimetatakse positiivseks, viivitatakse vertikaalselt telgede O lõikepunktist. , ja sellest punktist allapoole vastupidist suunda, mida tavaliselt nimetatakse negatiivseks.

Joonis 2. DC ja AC graafiline esitus

Punkt O ise toimib nii praeguste väärtuste (vertikaalselt alla ja üles) kui ka aja (horisontaalselt paremale) lähtekohana.Teisisõnu, see punkt vastab voolu nullväärtusele ja sellele aja alguspunktile, millest alates kavatseme jälgida, kuidas vool tulevikus muutub.

Kontrollime joonisel fig 2 kujutatu õigsust. 2 ja 50 mA alalisvoolu graafik.

Kuna see vool on konstantne, see tähendab, et see ei muuda aja jooksul oma suurust ja suunda, vastavad samad vooluväärtused erinevatele ajahetkedele, see tähendab 50 mA. Seetõttu on nulliga võrdne ajahetkel, st meie voolu jälgimise alghetkel, võrdne 50 mA. Joonistades vertikaalteljel ülespoole lõigu, mis on võrdne praeguse väärtusega 50 mA, saame oma graafiku esimese punkti.

Sama peame tegema ka järgmisel ajahetkel, mis vastab ajatelje punktile 1, st lükkame sellest punktist vertikaalselt üles lõigu, mis on samuti võrdne 50 mA. Lõigu lõpp määrab meie jaoks graafiku teise punkti.

Olles teinud sarnase konstruktsiooni mitme järgneva ajapunkti jaoks, saame punktide jada, mille ühendamine annab sirge, mis on 50 mA konstantse voolu väärtuse graafiline kujutis.

Muutuva EMF-i joonistamine

Liigume edasi EMF muutuva graafiku uurimisele... Joonisel fig. 3 on näidatud ülaosas magnetväljas pöörlev raam ja allpool on toodud muutuja EMF graafiline esitus.

Joonis 3. Muutuja EMF joonistamine

Hakkame raami ühtlaselt päripäeva pöörama ja jälgime EMF-i muutuste kulgu selles, võttes algmomendiks raami horisontaalse asendi.

Sellel alghetkel on EMF null, kuna raami küljed ei ristu magnetvälja joontega.Graafikul on see EMF-i nullväärtus, mis vastab hetkele t = 0, tähistatud punktiga 1.

Raami edasise pöörlemise korral hakkab EMF selles ilmuma ja suureneb, kuni raam jõuab vertikaalasendisse. Graafikul kujutab seda EMF-i suurenemist sujuvalt tõusev kõver, mis jõuab haripunkti (punkt 2).

Kui raam läheneb horisontaalsele asendile, väheneb EMF selles ja langeb nullini. Graafikul on see kujutatud langeva sujuva kõverana.

Seetõttu suutis EMF selles kaadri poolele pöördele vastava aja jooksul tõusta nullist maksimumväärtuseni ja langeda uuesti nullini (punkt 3).

Raami edasise pöörlemise korral ilmub EMF sellesse uuesti ja suureneb järk-järgult, kuid selle suund muutub juba vastupidiseks, nagu on näha parema käe reegli rakendamisel.

Graafik võtab arvesse EMF-i suuna muutust, nii et EMF-i kujutav kõver ületab ajatelge ja asub nüüd sellest teljest allpool. EMF suureneb uuesti, kuni raam võtab vertikaalasendi.

Seejärel hakkab EMF vähenema ja selle väärtus muutub nulliks, kui kaader naaseb pärast ühe täieliku pöörde sooritamist oma algasendisse. Graafikul väljendub see selles, et EMF-kõver, mis saavutab haripunkti vastassuunas (punkt 4), kohtub seejärel ajateljega (punkt 5).

See lõpetab ühe EMF-i muutmise tsükli, kuid kui jätkate kaadri pööramist, algab kohe teine ​​tsükkel, mis kordab täpselt esimest, millele omakorda järgneb kolmas, seejärel neljas ja nii edasi, kuni me lõpetame. pöörlemisraam.

Seega lõpetab kaadri iga pöörde korral selles esinev EMF oma muutumise täieliku tsükli.

Kui raam on mõnele välisele vooluringile suletud, siis läbib ahelat vahelduvvool, mille graafik näeb välja samasugune nagu EMF graafik.

Saadud lainekuju nimetatakse siinuslaineks ja selle seaduse järgi muutuvat voolu, EMF-i või pinget nimetatakse siinuslikuks.

Kõverat ennast nimetatakse sinusoidiks, kuna see on muutuva trigonomeetrilise suuruse, mida nimetatakse siinusteks, graafiline esitus.

Voolumuutuse sinusoidsus on elektrotehnikas kõige levinum, mistõttu vahelduvvoolust rääkides mõeldakse enamasti siinusvoolu.

Erinevate vahelduvvoolude (EMF-id ja pinged) võrdlemiseks on väärtusi, mis iseloomustavad teatud voolu. Neid nimetatakse vahelduvvoolu parameetriteks.

Periood, amplituud ja sagedus – vahelduvvoolu parameetrid

Vahelduvvoolu iseloomustavad kaks parameetrit — kuutsükkel ja amplituud, mida teades saame hinnata, millise vahelduvvooluga on tegu ja koostada voolu graafik.

Joonis 4. Sinusoidne voolukõver

Ajavahemikku, mille jooksul toimub voolu muutumise täielik tsükkel, nimetatakse perioodiks. Periood on tähistatud tähega T ja seda mõõdetakse sekundites.

Ajavahemikku, mille jooksul toimub pool voolu muutumise täielikust tsüklist, nimetatakse pooltsükliks, mistõttu voolu (EMF või pinge) muutumise periood koosneb kahest poolperioodist. On üsna ilmne, et kõik sama vahelduvvoolu perioodid on üksteisega võrdsed.

Nagu graafikult näha, saavutab vool selle muutumise ühe perioodi jooksul kaks korda maksimaalse väärtuse.

Vahelduvvoolu (EMF või pinge) maksimaalset väärtust nimetatakse selle amplituudiks või voolu tippväärtuseks.

Im, Em ja Um on voolu, EMF ja pinge amplituudide tavalised tähised.

Kõigepealt pöörasime tähelepanu tippvoolaga, nagu graafikult näha, on lugematu arv vaheväärtusi, mis on amplituudist väiksemad.

Mis tahes valitud ajahetkele vastavat vahelduvvoolu (EMF, pinge) väärtust nimetatakse selle hetkeväärtuseks.

i, e ja u on voolu, emf ja pinge hetkväärtuste üldtunnustatud tähised.

Voolu hetkväärtust ja ka selle tippväärtust on graafiku abil lihtne määrata. Selleks tõmmake horisontaaltelje mis tahes punktist, mis vastab meid huvitavale ajapunktile, vertikaaljoon praeguse kõvera lõikepunktini; saadud vertikaalse joone segment määrab voolu väärtuse antud ajahetkel, st selle hetkeväärtuse.

Ilmselt on voolu hetkväärtus pärast aega T / 2 graafiku alguspunktist null ja pärast aja T / 4 amplituudi väärtus. Ka vool saavutab oma tippväärtuse; kuid juba vastupidises suunas, aja pärast, mis on võrdne 3/4 T.

Seega näitab graafik, kuidas voolutugevus ahelas aja jooksul muutub ja et igale ajahetkele vastab ainult üks konkreetne voolu suuruse ja suuna väärtus. Sel juhul on voolu väärtus antud ajahetkel ahela ühes punktis täpselt sama mis tahes muus ahela punktis.

Seda nimetatakse täielike perioodide arvuks, mille vool täidab 1 sekundi jooksul vahelduvvoolu sagedusest, ja seda tähistatakse ladina tähega f.

Vahelduvvoolu sageduse määramiseks, see tähendab, et teada saada, mitu perioodi selle voolu 1 sekundi jooksul muudab, on vaja jagada 1 sekund ühe perioodi ajaga f = 1 / T. Sageduse teadmine vahelduvvoolust, saate määrata perioodi: T = 1 / f

Vahelduvvoolu sagedus seda mõõdetakse ühikus, mida nimetatakse hertsideks.

Kui meil on vahelduvvool, mille sagedus on 1 herts, siis on sellise voolu periood 1 sekund. Ja vastupidi, kui voolu muutumise periood on 1 sekund, siis sellise voolu sagedus on 1 herts.

Seega oleme määratlenud vahelduvvoolu parameetrid – periood, amplituud ja sagedus –, mis võimaldavad teil eristada erinevaid vahelduvvoolusid, EMF-e ja pingeid ning koostada vajaduse korral nende graafikud.

Erinevate ahelate vahelduvvoolu takistuse määramisel kasutada teist vahelduvvoolu iseloomustavat abiväärtust nn. nurk- või nurksagedus.

Ringsagedus, mis on seotud sagedusega f suhtega 2 pif

Selgitame seda sõltuvust. Muutuja EMF-i graafiku joonistamisel nägime, et kaadri ühe täieliku pööramise tulemuseks on täielik EMF-i muutuste tsükkel. Teisisõnu, raami ühe pöörde tegemiseks, st 360 ° pööramiseks, kulub aega, mis on võrdne ühe perioodiga, see tähendab T sekundit. Seejärel teeb raam 1 sekundiga pöörde 360 ​​° / T. Seetõttu on 360 ° / T nurk, mille kaudu raam 1 sekundi jooksul pöörleb, ja väljendab raami pöörlemiskiirust, mida tavaliselt nimetatakse nurk- või ringkiiruseks.

Kuid kuna periood T on sagedusega f seotud suhtega f = 1 / T, saab ringkiirust väljendada ka sagedusena ja see võrdub 360 ° f.

Nii jõudsime järeldusele, et 360 ° f. Kuid ümmarguse sageduse kasutamise hõlbustamiseks mis tahes arvutustes asendatakse ühele pöördele vastav 360 ° nurk radiaalavaldisega, mis on võrdne 2pi radiaaniga, kus pi = 3,14. Nii et lõpuks saame 2pifi. Seetõttu, et määrata vahelduvvoolu nurksagedus (EMF või pinge), peate sageduse hertsides korrutama konstantse arvuga 6,28.