Corrente alternata (AC)
La corrente alternata descrive il flusso di carica che cambia direzione periodicamente. Di conseguenza, anche il livello di tensione si inverte insieme alla corrente. AC viene utilizzato per fornire energia a case, edifici per uffici, ecc.
Generazione AC
AC può essere prodotto utilizzando un dispositivo chiamato alternatore. Questo dispositivo è un tipo speciale di generatore elettrico progettato per produrre corrente alternata.
Un anello di filo è filata all’interno di un campo magnetico, che induce una corrente lungo il filo., La rotazione del filo può provenire da qualsiasi numero di mezzi: una turbina eolica, una turbina a vapore, acqua che scorre e così via. Poiché il filo gira ed entra periodicamente in una diversa polarità magnetica, la tensione e la corrente si alternano sul filo., Qui è una breve animazione che mostra questo principio:
la Generazione di AC può essere paragonato al nostro precedente di acqua analogia:
Per generare AC in un set di tubi di acqua, abbiamo collegare un meccanico a manovella per un pistone che si muove l’acqua nei tubi e indietro (il nostro corrente “alternata”). Si noti che la sezione pizzicata del tubo fornisce ancora resistenza al flusso di acqua indipendentemente dalla direzione del flusso.,
Forme d’onda
AC può venire in un certo numero di forme, fino a quando la tensione e la corrente sono alternati. Se colleghiamo un oscilloscopio a un circuito con AC e tracciare la sua tensione nel tempo, potremmo vedere un certo numero di forme d’onda diverse. Il tipo più comune di AC è l’onda sinusoidale. L’AC nella maggior parte delle case e degli uffici ha una tensione oscillante che produce un’onda sinusoidale.,
Altre forme comuni di AC includono l’onda quadra e l’onda triangolare:
Le onde quadre sono spesso utilizzate nell’elettronica digitale e di commutazione per testare il loro funzionamento.
Le onde triangolari si trovano nella sintesi del suono e sono utili per testare l’elettronica lineare come gli amplificatori.
Descrivere un’onda sinusoidale
Spesso vogliamo descrivere una forma d’onda AC in termini matematici. Per questo esempio, useremo l’onda sinusoidale comune., Ci sono tre parti di un’onda sinusoidale: ampiezza, frequenza e fase.
Guardando solo la tensione, possiamo descrivere un’onda sinusoidale come la funzione matematica:
V(t) è la nostra tensione in funzione del tempo, il che significa che la nostra tensione cambia al variare del tempo. L’equazione a destra del segno di uguale descrive come la tensione cambia nel tempo.
VP è l’ampiezza. Questo descrive la tensione massima che la nostra onda sinusoidale può raggiungere in entrambe le direzioni, il che significa che la nostra tensione può essere +VP volt,- VP volt, o da qualche parte nel mezzo.,
La funzione sin() indica che la nostra tensione sarà sotto forma di un’onda sinusoidale periodica, che è un’oscillazione regolare intorno a 0V.
2π è una costante che converte la frequenza da cicli (in hertz) a frequnecy angolare (radianti al secondo).
f descrive la frequenza dell’onda sinusoidale. Questo è dato sotto forma di hertz o unità al secondo. La frequenza indica quante volte una particolare forma d’onda (in questo caso, un ciclo della nostra onda sinusoidale – un aumento e una caduta) si verifica entro un secondo.
t è la nostra variabile indipendente: tempo (misurato in secondi)., Come il tempo varia, la nostra forma d’onda varia.
φ descrive la fase dell’onda sinusoidale. La fase è una misura di quanto è spostata la forma d’onda rispetto al tempo. È spesso dato come un numero compreso tra 0 e 360 e misurato in gradi. A causa della natura periodica dell’onda sinusoidale, se la forma d’onda viene spostata di 360°, diventa di nuovo la stessa forma d’onda, come se fosse spostata di 0°. Per semplicità, diamo per scontato che la fase sia 0° per il resto di questo tutorial.
Possiamo rivolgerci alla nostra fidata presa per un buon esempio di come funziona una forma d’onda AC., Negli Stati Uniti, l’alimentazione fornita alle nostre case è AC con circa 170V zero-to-peak (ampiezza) e 60Hz (frequenza). Possiamo inserire questi numeri nella nostra formula per ottenere l’equazione (ricorda che stiamo assumendo che la nostra fase sia 0):
Possiamo usare il nostro pratico calcolatore grafico per rappresentare graficamente questa equazione. Se nessun calcolatore grafico è disponibile possiamo usare un programma grafico online gratuito come Desmos (Si noti che potrebbe essere necessario utilizzare ‘y’ invece di ‘v’ nell’equazione per vedere il grafico).,
Si noti che, come abbiamo previsto, la tensione sale fino a 170V e fino a-170V periodicamente. Inoltre, 60 cicli dell’onda sinusoidale si verificano ogni secondo. Se dovessimo misurare la tensione nelle nostre prese con un oscilloscopio, questo è quello che vedremmo (ATTENZIONE: non tentare di misurare la tensione in una presa con un oscilloscopio! Questo probabilmente danneggerà l’attrezzatura).
NOTA: Potresti aver sentito che la tensione CA negli Stati Uniti è 120V. Anche questo è corretto. Come?, Quando si parla di AC (poiché la tensione cambia costantemente), è spesso più facile usare una media o media. Per fare ciò, usiamo un metodo chiamato “Root mean squared.”(RMS). Spesso è utile utilizzare il valore RMS per AC quando si desidera calcolare la potenza elettrica. Anche se, nel nostro esempio, abbiamo avuto la tensione variabile da-170V a 170V, il quadrato medio radice è 120V RMS.
Applicazioni
Casa e ufficio prese sono quasi sempre AC. Questo perché generare e trasportare AC su lunghe distanze è relativamente facile., Ad alte tensioni (oltre 110kV), meno energia viene persa nella trasmissione di energia elettrica. Tensioni più elevate significano correnti più basse e correnti più basse significano meno calore generato nella linea elettrica a causa della resistenza. AC può essere convertito da e verso alte tensioni facilmente utilizzando trasformatori.
AC è anche in grado di alimentare motori elettrici. Motori e generatori sono esattamente lo stesso dispositivo, ma i motori convertono l’energia elettrica in energia meccanica (se l’albero su un motore viene filato, viene generata una tensione ai terminali!)., Questo è utile per molti elettrodomestici di grandi dimensioni come lavastoviglie, frigoriferi e così via, che funzionano su AC.