wisselstroom (AC)
wisselstroom beschrijft de ladingsstroom die periodiek van richting verandert. Hierdoor keert het spanningsniveau ook samen met de stroom om. AC wordt gebruikt om stroom te leveren aan huizen, kantoorgebouwen, enz.
het genereren van wisselstroom
wisselstroom kan worden geproduceerd met behulp van een apparaat dat een alternator wordt genoemd. Dit apparaat is een speciaal type elektrische generator ontworpen om wisselstroom te produceren.
een lus van draad wordt gesponnen binnen een magnetisch veld, die een stroom induceert langs de draad., De draaiing van de draad kan komen van een aantal middelen: een windturbine, een stoomturbine, stromend water, enzovoort. Omdat de draad draait en periodiek een andere magnetische polariteit binnengaat, wisselen de spanning en stroom af op de draad., Hier is een korte animatie die dit principe laat zien:
het genereren van AC kan worden vergeleken met onze vorige wateranalogie:
om AC te genereren in een set waterleidingen, sluiten we een mechanische crank aan een zuiger die water in de leidingen heen en weer beweegt (onze “wisselstroom”). Merk op dat de geknepen gedeelte van de buis biedt nog steeds weerstand tegen de stroom van water, ongeacht de richting van de stroom.,
golfvormen
AC kunnen in een aantal vormen voorkomen, zolang spanning en stroom elkaar afwisselen. Als we een oscilloscoop aansluiten op een circuit met AC en de spanning in de tijd plotten, kunnen we een aantal verschillende golfvormen zien. Het meest voorkomende type AC is de sinusgolf. De AC in de meeste huizen en kantoren hebben een oscillerende spanning die een sinusgolf produceert.,
andere veel voorkomende vormen van AC zijn de kwadraatgolf en de driehoeksgolf:
vierkante golven worden vaak gebruikt in digitale en schakelelektronica om hun werking te testen.
Driehoeksgolven worden gevonden in geluidssynthese en zijn nuttig voor het testen van lineaire elektronica zoals versterkers.
het beschrijven van een sinusgolf
we willen vaak een WISSELSTROOMGOLFVORM in wiskundige termen beschrijven. Voor dit voorbeeld gebruiken we de gemeenschappelijke sinusgolf., Een sinusgolf bestaat uit drie delen: amplitude, frequentie en fase.
kijkend naar alleen spanning, kunnen we een sinusgolf beschrijven als de wiskundige functie:
V(t) is Onze spanning als functie van de tijd, wat betekent dat onze spanning verandert naarmate de tijd verandert. De vergelijking rechts van het gelijkteken beschrijft hoe de spanning in de tijd verandert.
VP is de amplitude. Dit beschrijft de maximale spanning die onze sinusgolf in beide richtingen kan bereiken, wat betekent dat onze spanning +VP volt, -VP volt, of ergens daartussen kan zijn.,
De functie sin () Geeft aan dat onze spanning in de vorm van een periodieke sinus zal zijn, die een vloeiende oscillatie rond 0V is.
2π is een constante die de freqency omzet van cycli (in hertz) naar hoekige frequnecy (radialen per seconde).
f beschrijft de frequentie van de sinus. Dit wordt gegeven in de vorm van hertz of eenheden per seconde. De frequentie vertelt hoe vaak een bepaalde golfvorm (in dit geval, een cyclus van onze sinusgolf – een stijging en een daling) plaatsvindt binnen een seconde.
t is onze onafhankelijke variabele: tijd (gemeten in seconden)., Naarmate de tijd varieert, varieert onze golfvorm.
φ beschrijft de fase van de sinusgolf. Fase is een maat voor hoe verschoven de golfvorm is ten opzichte van de tijd. Het wordt vaak gegeven als een getal tussen 0 en 360 en gemeten in graden. Vanwege de periodieke aard van de sinus, als de golfvorm wordt verschoven door 360° wordt het dezelfde golfvorm weer, alsof het werd verschoven door 0°. Voor de eenvoud gaan we ervan uit dat Fase 0° is voor de rest van deze tutorial.
We kunnen ons wenden tot onze vertrouwde outlet voor een goed voorbeeld van hoe een AC-golfvorm werkt., In de Verenigde Staten is de stroom die aan onze huizen wordt geleverd AC met ongeveer 170V zero-to-peak (amplitude) en 60Hz (frequentie). We kunnen deze getallen in onze formule stoppen om de vergelijking te krijgen (onthoud dat we aannemen dat onze Fase 0 is):
We kunnen onze handige grafische rekenmachine gebruiken om deze vergelijking te grafieken. Als er geen grafische rekenmachine beschikbaar is, kunnen we een gratis online grafisch programma gebruiken zoals Desmos (merk op dat je misschien ‘y’ moet gebruiken in plaats van ‘v’ in de vergelijking om de grafiek te zien).,
merk op dat, zoals we voorspelden, de spanning periodiek stijgt tot 170V en tot-170V. Bovendien vindt elke seconde 60 cycli van de sinus plaats. Als we de spanning in onze outlets zouden meten met een oscilloscoop, dan zouden we dit zien (waarschuwing: probeer niet om de spanning in een outlet te meten met een oscilloscoop! Dit zal waarschijnlijk de apparatuur beschadigen).
Opmerking: U hebt misschien gehoord dat de wisselspanning in de VS 120V is. dit is ook correct. Hoe?, Wanneer we het hebben over AC (omdat de spanning constant verandert), is het vaak gemakkelijker om een gemiddelde of gemiddelde te gebruiken. Om dat te bereiken gebruiken we een methode genaamd “Root mean kwadraat.”(RMS). Het is vaak handig om de RMS-waarde voor AC te gebruiken wanneer u het elektrische vermogen wilt berekenen. Hoewel, in ons voorbeeld, we hadden de spanning variërend van-170V tot 170V, de wortel gemiddelde vierkant is 120V RMS.
toepassingen
Thuis-en kantoorafdelingen zijn bijna altijd AC. Dit komt omdat het genereren en transporteren van AC over lange afstanden relatief eenvoudig is., Bij hoge spanningen (meer dan 110kV) gaat er minder energie verloren in de elektriciteitstransmissie. Hogere spanningen betekenen lagere stromen, en lagere stromen betekenen minder warmte gegenereerd in de elektriciteitsleiding als gevolg van weerstand. AC kan eenvoudig worden omgezet naar en van hoge spanningen met behulp van transformatoren.
AC is ook geschikt voor het aandrijven van elektromotoren. Motoren en generatoren zijn precies hetzelfde apparaat, maar motoren zetten elektrische energie om in mechanische energie (als de as van een motor wordt gesponnen, wordt er een spanning gegenereerd op de terminals!)., Dit is handig voor veel grote apparaten zoals vaatwassers, koelkasten, enzovoort, die op AC draaien.