Wechselstrom (AC)
Wechselstrom beschreibt den Ladungsfluss, der periodisch die Richtung ändert. Infolgedessen kehrt sich der Spannungspegel auch zusammen mit dem Strom um. AC wird verwendet, um Strom an Häuser, Bürogebäude usw. zu liefern.
AC erzeugen
AC kann mit einem Gerät erzeugt werden, das als Generator bezeichnet wird. Dieses Gerät ist eine spezielle Art von elektrischem Generator zur Erzeugung von Wechselstrom.
Innerhalb eines Magnetfeldes wird eine Drahtschleife gesponnen, die einen Strom entlang des Drahtes induziert., Die Drehung des Drahtes kann von einer beliebigen Anzahl von Mitteln ausgehen: einer Windkraftanlage, einer Dampfturbine, fließendem Wasser usw. Da sich der Draht periodisch dreht und in eine andere magnetische Polarität eintritt, wechseln sich Spannung und Strom am Draht ab., Hier ist eine kurze Animation, die dieses Prinzip zeigt:
AC erzeugen kann mit unserer vorherigen Wasseranalogie verglichen werden:
Um AC in einer Reihe von Wasserleitungen zu erzeugen, verbinden wir eine mechanische Kurbel mit einem Kolben, der Wasser in den Rohren bewegt hin und her (unser „Wechselstrom“). Beachten Sie, dass der eingeklemmte Rohrabschnitt unabhängig von der Strömungsrichtung immer noch Widerstand gegen den Wasserfluss bietet.,
Wellenformen
AC kann kommen in eine reihe von formen, solange die spannung und strom sind abwechselnd. Wenn wir ein Oszilloskop an einen Stromkreis mit Wechselstrom anschließen und dessen Spannung im Laufe der Zeit darstellen, Möglicherweise sehen wir eine Reihe verschiedener Wellenformen. Die häufigste Art von AC ist die Sinuswelle. Die AC in den meisten Häusern und Büros haben eine oszillierende Spannung, die eine Sinuswelle erzeugt.,
Weitere gebräuchliche Formen von AC sind die Rechteckwelle und die Dreieckswelle:
Rechteckwellen werden häufig in der digitalen und Schaltelektronik verwendet, um ihren Betrieb zu testen.
Dreieck-Wellen finden sich in der sound-Synthese und sind nützlich für das testen linearer Elektronik wie Verstärker.
Beschreibung einer Sinuswelle
Oft wollen wir eine AC-Wellenform mathematisch beschreiben. Für dieses Beispiel verwenden wir die gemeinsame Sinuswelle., Eine Sinuswelle besteht aus drei Teilen: Amplitude, Frequenz und Phase.
Wenn wir nur Spannung betrachten, können wir eine Sinuswelle als mathematische Funktion beschreiben:
V(t) ist unsere Spannung als Funktion der Zeit, was bedeutet, dass sich unsere Spannung ändert, wenn sich die Zeit ändert. Die Gleichung rechts neben dem Gleichheitszeichen beschreibt, wie sich die Spannung im Laufe der Zeit ändert.
VP ist die amplitude. Dies beschreibt die maximale Spannung, die unsere Sinuswelle in beide Richtungen erreichen kann, was bedeutet, dass unsere Spannung +VP Volt,- VP Volt oder irgendwo dazwischen liegen kann.,
Die Funktion sin () gibt an, dass unsere Spannung in Form einer periodischen Sinuswelle vorliegt, die eine sanfte Schwingung um 0 V darstellt.
2π ist eine Konstante, die die freqency von Zyklen (in Hertz) in eckige frequncy (Radiant pro Sekunde) umwandelt.
f beschreibt die Frequenz der Sinuswelle. Dies ist in Form von Hertz oder Einheiten pro Sekunde angegeben. Die Frequenz gibt an, wie oft eine bestimmte Wellenform (in diesem Fall ein Zyklus unserer Sinuswelle – ein Anstieg und ein Abfall) innerhalb einer Sekunde auftritt.
t ist unsere unabhängige Variable: Zeit (gemessen in Sekunden)., Wenn die Zeit variiert, variiert unsere Wellenform.
φ beschreibt die phase der Sinuswelle. Phase ist ein Maß dafür, wie die Wellenform in Bezug auf die Zeit verschoben ist. Es wird oft als Zahl zwischen 0 und 360 angegeben und in Grad gemessen. Aufgrund der periodischen Natur der Sinuswelle wird die Wellenform, wenn sie um 360° verschoben wird, wieder dieselbe Wellenform, als ob sie um 0°verschoben wäre. Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass Phase für den Rest dieses Tutorials 0° ist.
Wir können uns an unsere zuverlässige Steckdose wenden, um ein gutes Beispiel dafür zu erhalten, wie eine AC-Wellenform funktioniert., In den Vereinigten Staaten ist die Stromversorgung unserer Häuser AC mit etwa 170V Null-zu-Spitze (Amplitude) und 60Hz (Frequenz). Wir können diese Zahlen in unsere Formel einfügen, um die Gleichung zu erhalten (denken Sie daran, dass wir davon ausgehen, dass unsere Phase 0 ist):
Wir können unseren praktischen Grafikrechner verwenden, um diese Gleichung darzustellen. Wenn kein Grafikrechner verfügbar ist, können wir ein kostenloses Online-Grafikprogramm wie Desmos verwenden (Beachten Sie, dass Sie möglicherweise ‚y‘ anstelle von ‚v‘ in der Gleichung verwenden müssen, um das Diagramm anzuzeigen).,
Beachten Sie, dass, wie wir vorhergesagt haben, die Spannung periodisch bis zu 170V und bis-170V ansteigt. Zusätzlich treten 60 Zyklen der Sinuswelle jede Sekunde auf. Wenn wir die Spannung in unseren Steckdosen mit einem Oszilloskop messen würden, würden wir dies sehen (WARNUNG: Versuchen Sie nicht, die Spannung in einer Steckdose mit einem Oszilloskop zu messen! Dies wird wahrscheinlich die Ausrüstung beschädigen).
HINWEIS: Möglicherweise haben Sie gehört, dass die Wechselspannung in den USA 120 V beträgt. Wie?, Wenn über AC gesprochen wird (da sich die Spannung ständig ändert), ist es oft einfacher, einen Durchschnitt oder Mittelwert zu verwenden. Um dies zu erreichen, verwenden wir eine Methode namens „Root-mean-squared.“(RMS). Es ist oft hilfreich, den Effektivwert für Wechselstrom zu verwenden, wenn Sie die elektrische Leistung berechnen möchten. Obwohl in unserem Beispiel die Spannung von-170V bis 170V variierte, beträgt das mittlere Quadrat der Wurzel 120V RMS.
Home und büro outlets sind fast immer AC. Dies liegt daran, dass die Erzeugung und der Transport von Wechselstrom über große Entfernungen relativ einfach ist., Bei hohen Spannungen (über 110kV) geht bei der elektrischen Kraftübertragung weniger Energie verloren. Höhere Spannungen bedeuten niedrigere Ströme und niedrigere Ströme bedeuten weniger Wärme, die aufgrund des Widerstands in der Stromleitung erzeugt wird. AC kann mit Transformatoren einfach in und von hohen Spannungen umgewandelt werden.
AC kann auch Elektromotoren antreiben. Motoren und Generatoren sind genau das gleiche Gerät, aber Motoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um (wenn die Welle eines Motors gesponnen wird, wird an den Klemmen eine Spannung erzeugt!)., Dies ist nützlich für viele große Geräte wie Geschirrspüler, Kühlschränke usw., die mit Wechselstrom betrieben werden.