växelström (AC)
växelström beskriver flödet av laddning som ändrar riktning med jämna mellanrum. Som ett resultat återgår spänningsnivån också tillsammans med strömmen. AC används för att leverera kraft till hus, kontorsbyggnader etc.
generera AC
AC kan produceras med hjälp av en enhet som kallas en generator. Denna enhet är en speciell typ av elektrisk generator utformad för att producera växelström.
en slinga av tråd snurras inuti ett magnetfält, vilket inducerar en ström längs tråden., Trådens rotation kan komma från valfritt antal medel: en vindturbin, en ångturbin, flytande vatten och så vidare. Eftersom tråden snurrar och går in i en annan magnetisk polaritet periodiskt växlar spänningen och strömmen på tråden., Här är en kort animation som visar denna princip:
generera AC kan jämföras med vår tidigare vatten analogi:
för att generera AC i en uppsättning vattenledningar ansluter vi en mekanisk vev till en kolv som flyttar vatten i kolven.rör fram och tillbaka (vår ”alternerande” ström). Observera att den klämda delen av röret fortfarande ger motstånd mot flödet av vatten oavsett flödesriktningen.,
vågformer
AC kan komma i ett antal former, så länge spänningen och strömmen växlar. Om vi kopplar upp ett oscilloskop till en krets med AC och plottar spänningen över tiden kan vi se ett antal olika vågformer. Den vanligaste typen av AC är sinusvågan. AC i de flesta hem och kontor har en oscillerande spänning som producerar en sinusvåg.,
andra vanliga former av AC inkluderar kvadratisk våg och triangelvåg:
Fyrkantsvågor används ofta i digital och byta elektronik för att testa deras funktion.
Triangelvågor finns i ljudsyntes och är användbara för att testa linjär elektronik som förstärkare.
beskriver en sinusvåg
vi vill ofta beskriva en AC-vågform i matematiska termer. För detta exempel kommer vi att använda den gemensamma sinusvågan., Det finns tre delar till en sinusvåg: amplitud, frekvens och fas.
om man tittar på just spänning kan vi beskriva en sinusvåg som den matematiska funktionen:
v(t) är vår spänning som en funktion av tiden, vilket innebär att vår spänning ändras när tiden ändras. Ekvationen till höger om likhetstecknet beskriver hur spänningen förändras över tiden.
VP är amplituden. Detta beskriver den maximala spänningen som vår sinusvåg kan nå i båda riktningarna, vilket innebär att vår spänning kan vara + VP volt, – VP volt, eller någonstans däremellan.,
funktionen sin() indikerar att vår spänning kommer att vara i form av en periodisk sinusvåg, som är en jämn oscillation runt 0V.
2π är en konstant som omvandlar freqency från cykler (i hertz) till vinkelfrekvent (radianer per sekund).
f beskriver frekvensen av sinusvågen. Detta ges i form av hertz eller enheter per sekund. Frekvensen berättar hur många gånger en viss vågform (i detta fall sker en cykel av vår sinusvåg – en ökning och ett fall) inom en sekund.
t är vår oberoende variabel: tid (mätt i sekunder)., Eftersom tiden varierar varierar vår vågform.
φ beskriver sinusvågens fas. Fas är ett mått på hur skiftat vågformen är med avseende på tiden. Det ges ofta som ett tal mellan 0 och 360 och mäts i grader. På grund av den periodiska naturen hos sinusvågen, om vågformen skiftas med 360° blir den samma vågformen igen, som om den skiftades med 0°. För enkelhetens skull antar vi sill att fasen är 0 ° för resten av denna handledning.
Vi kan vända oss till vårt pålitliga uttag för ett bra exempel på hur en AC-vågform fungerar., I USA är kraften till våra hem AC med ca 170V zero-to-peak (amplitud) och 60Hz (frekvens). Vi kan ansluta dessa siffror till vår formel för att få ekvationen (kom ihåg att vi antar att vår fas är 0):
Vi kan använda vår praktiska grafräknare för att gravera denna ekvation. Om ingen grafräknare är tillgänglig kan vi använda ett gratis online-grafprogram som Desmos (Observera att du kanske måste använda ” y ”istället för” v ” i ekvationen för att se grafen).,
Observera att spänningen, som vi förutspådde, stiger upp till 170V och ner till-170V regelbundet. Dessutom sker 60 cykler av sinusvågen varje sekund. Om vi skulle mäta spänningen i våra uttag med ett oscilloskop, så är det vad vi skulle se (varning: försök inte mäta spänningen i ett uttag med ett oscilloskop! Detta kommer sannolikt att skada utrustningen).
OBS: Du kanske har hört att AC-spänningen i USA är 120V. detta är också korrekt. Hur?, När man pratar om AC (eftersom spänningen förändras ständigt) är det ofta lättare att använda ett genomsnitt eller medelvärde. För att åstadkomma detta använder vi en metod som kallas ”Root mean squared.”(RMS). Det är ofta bra att använda RMS-värdet för AC när du vill beräkna elkraft. Även om vi i vårt exempel hade spänningen varierande från-170V till 170V, är rotmedeltorget 120V RMS.
program
hem-och kontorsuttag är nästan alltid AC. Detta beror på att generera och transportera AC över långa avstånd är relativt lätt., Vid höga spänningar (över 110kV) förloras mindre energi i elektrisk kraftöverföring. Högre spänningar innebär lägre strömmar, och lägre strömmar innebär mindre värme som genereras i kraftledningen på grund av motstånd. AC kan omvandlas till och från höga spänningar enkelt med transformatorer.
AC kan också driva elmotorer. Motorer och generatorer är exakt samma enhet, men motorer omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi (om axeln på en motor är spunnen genereras en spänning vid terminalerna!)., Detta är användbart för många stora apparater som diskmaskiner, kylskåp och så vidare, som körs på AC.