Prąd zmienny (AC)
prąd zmienny opisuje przepływ ładunku, który zmienia kierunek okresowo. W rezultacie poziom napięcia również odwraca się wraz z prądem. AC służy do dostarczania energii do domów, biurowców itp.
generowanie prądu przemiennego
AC może być wytwarzane za pomocą urządzenia zwanego alternatorem. To urządzenie jest specjalnym rodzajem generatora elektrycznego zaprojektowanego do wytwarzania prądu przemiennego.
pętla drutu jest wirowana wewnątrz pola magnetycznego, które indukuje prąd wzdłuż przewodu., Obrót drutu może pochodzić z dowolnej liczby środków: turbiny wiatrowej, turbiny parowej, przepływającej wody i tak dalej. Ponieważ drut obraca się I wchodzi okresowo w inną polaryzację magnetyczną, napięcie i prąd zmieniają się na drucie., Poniżej znajduje się krótka animacja pokazująca tę zasadę:
generowanie prądu przemiennego można porównać do naszej poprzedniej analogii wodnej:
aby wygenerować prąd przemienny w zestawie rur wodociągowych, możemy podłącz mechaniczną korbę do tłoka, który porusza wodę w rurach tam iz powrotem (nasz prąd „zmienny”). Zauważ, że ściśnięty odcinek rury nadal zapewnia opór przepływu wody niezależnie od kierunku przepływu.,
przebiegi
AC może występować w wielu formach, o ile napięcie i prąd są naprzemienne. Jeśli podłączymy oscyloskop do obwodu z prądem przemiennym i wykreślimy jego napięcie w czasie, możemy zobaczyć wiele różnych przebiegów. Najczęstszym rodzajem prądu przemiennego jest sinusoida. AC w większości domów i biur mają napięcie oscylacyjne, które wytwarza falę sinusoidalną.,
inne popularne formy AC to fala kwadratowa i fala trójkątna:
fale kwadratowe są często używane w elektronice cyfrowej i przełączającej do testowania ich działania.
fale trójkątne znajdują się w syntezie dźwięku i są przydatne do testowania liniowej elektroniki, takiej jak wzmacniacze.
opisując falę sinusoidalną
często chcemy opisać falę AC w kategoriach matematycznych. W tym przykładzie użyjemy wspólnej sinusoidy., Istnieją trzy części sinusoidy: Amplituda, częstotliwość i faza.
patrząc tylko na napięcie, możemy opisać sinusoidę jako funkcję matematyczną:
V(T) jest naszym napięciem jako funkcją czasu, co oznacza, że nasze napięcie zmienia się wraz ze zmianami czasu. Równanie po prawej stronie znaku równości opisuje, jak napięcie zmienia się w czasie.
VP to Amplituda. Opisuje to maksymalne napięcie, jakie nasza sinusoida może osiągnąć w dowolnym kierunku, co oznacza, że nasze napięcie może wynosić +VP Volt, – VP Volt lub gdzieś pomiędzy.,
funkcja sin() wskazuje, że nasze napięcie będzie miało postać okresowej fali sinusoidalnej, która jest gładką oscylacją wokół 0V.
2π jest stałą, która przekształca freqency z cykli (w hercach) do kątowej frequnecy (radianów na sekundę).
f opisuje częstotliwość fali sinusoidalnej. Jest to podawane w postaci herców lub jednostek na sekundę. Częstotliwość mówi, ile razy dana forma fali (w tym przypadku jeden cykl naszej fali sinusoidalnej – wzrost i spadek) występuje w ciągu jednej sekundy.
t jest naszą niezależną zmienną: czas (mierzony w sekundach)., W miarę jak czas się zmienia, nasz kształt fali się zmienia.
φ opisuje fazę fali sinusoidalnej. Faza jest miarą przesunięcia fali w stosunku do czasu. Jest często podawana jako liczba od 0 do 360 i mierzona w stopniach. Ze względu na okresowy charakter fali sinusoidalnej, jeśli forma fali jest przesunięta o 360°, staje się ponownie tym samym przebiegiem, tak jakby została przesunięta o 0°. Dla uproszczenia Zakładamy, że faza wynosi 0° dla reszty tego samouczka.
możemy zwrócić się do naszego zaufanego gniazdka, aby uzyskać dobry przykład działania fali AC., W Stanach Zjednoczonych, moc dostarczana do naszych domów jest AC z około 170V od zera do szczytu (amplituda) i 60Hz (częstotliwość). Możemy podłączyć te liczby do naszego wzoru, aby uzyskać równanie (pamiętaj, że zakładamy, że nasza faza jest 0):
możemy użyć naszego podręcznego kalkulatora graficznego, aby narysować to równanie. Jeśli nie jest dostępny Kalkulator Wykresów, możemy użyć darmowego programu do Wykresów Online, takiego jak Desmos(zauważ, że może być konieczne użycie 'y' zamiast 'v' w równaniu, aby zobaczyć wykres).,
zauważ, że zgodnie z przewidywaniami napięcie wzrasta okresowo do 170V i do-170V. Dodatkowo co sekundę następuje 60 cykli fali sinusoidalnej. Gdybyśmy mierzyli napięcie w gniazdach oscyloskopem, to właśnie to byśmy zobaczyli (uwaga: nie próbujcie mierzyć napięcia w gniazdach oscyloskopem! To prawdopodobnie uszkodzi sprzęt).
Uwaga: być może słyszałeś, że napięcie AC w USA wynosi 120V. jest to również poprawne. Jak?, Mówiąc o AC (ponieważ napięcie zmienia się stale), Często łatwiej jest użyć średniej lub średniej. Aby to osiągnąć, używamy metody zwanej ” root mean squared.”(RMS). Często pomocne jest użycie wartości RMS dla prądu przemiennego, gdy chcesz obliczyć moc elektryczną. Chociaż w naszym przykładzie napięcie wahało się od-170V do 170V, średnia kwadratowa wynosi 120V RMS.
Aplikacje
sklepy domowe i biurowe są prawie zawsze AC. Dzieje się tak dlatego, że generowanie i transportowanie prądu przemiennego na duże odległości jest stosunkowo łatwe., Przy wysokich napięciach (ponad 110kV), mniej energii jest tracony w przesyłaniu energii elektrycznej. Wyższe napięcia oznaczają niższe prądy, a niższe prądy oznaczają mniej ciepła wytwarzanego w linii energetycznej ze względu na opór. AC można łatwo przekształcić na i z wysokich napięć za pomocą transformatorów.
AC jest również zdolny do zasilania silników elektrycznych. Silniki i generatory są dokładnie tym samym urządzeniem, ale silniki przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną (jeśli wał silnika jest obrócony, generowane jest napięcie na zaciskach!)., Jest to przydatne dla wielu dużych urządzeń, takich jak zmywarki, lodówki i tak dalej, które działają na AC.