Wat is wisselstroom en hoe verschilt het van gelijkstroom

Wisselstroom daarentegen Gelijkstroom, verandert voortdurend, zowel in grootte als richting, en deze veranderingen vinden periodiek plaats, dat wil zeggen, ze herhalen zich met precies gelijke tussenpozen.

Om een ​​dergelijke stroom in het circuit op te wekken, gebruikt u wisselstroombronnen die een wisselende EMF creëren die periodiek van grootte en richting verandert.Dergelijke bronnen worden wisselstroomdynamo's genoemd.

In afb. 1 toont een apparaatschema (model) van de eenvoudigste dynamo. 

Een rechthoekig frame van koperdraad, op de as bevestigd en in het veld rondgedraaid met behulp van een riemaandrijving magneet… De uiteinden van het frame zijn gesoldeerd aan koperen ringen die, meedraaiend met het frame, over de contactplaten (borstels) schuiven.

Figuur 1. Schema van de eenvoudigste dynamo

Laten we ervoor zorgen dat zo'n apparaat echt een bron van variabele EMF is.

Stel dat een magneet creëert tussen zijn polen uniform magnetisch veld, dat wil zeggen een waarin de dichtheid van magnetische veldlijnen in elk deel van het veld hetzelfde is.roterend, kruist het frame de krachtlijnen van het magnetische veld in elk van zijn zijden a en b EMF geïnduceerd. 

Zijden c en d van het frame werken niet, omdat wanneer het frame roteert, ze de krachtlijnen van het magnetische veld niet overschrijden en daarom niet deelnemen aan het creëren van de EMF.

Op elk moment is de EMV die optreedt in zijde a in tegengestelde richting van de EMV die optreedt in zijde b, maar in het frame werken beide EMV's volgens en dragen ze bij aan de totale EMF, dat wil zeggen, geïnduceerd door het hele frame.

Dit is eenvoudig te controleren als we de bekende rechterhandregel gebruiken om de richting van de EMF te bepalen.

Plaats hiervoor de palm van de rechterhand zodat deze naar de noordpool van de magneet is gericht en de gebogen duim samenvalt met de bewegingsrichting van die kant van het frame waarin we de richting van de EMF willen bepalen. Dan wordt de richting van de EMF daarin aangegeven door de uitgestrekte vingers van de hand.

Voor elke positie van het frame bepalen we de richting van de EMF in zijden a en b, ze tellen altijd op en vormen een totale EMF in het frame. Tegelijkertijd verandert bij elke rotatie van het frame de richting van de totale EMF erin in het tegenovergestelde, omdat elk van de werkzijden van het frame in één omwenteling onder verschillende polen van de magneet passeert.

De grootte van de EMF die in het frame wordt geïnduceerd, verandert ook naarmate de snelheid waarmee de zijkanten van het frame de magnetische veldlijnen kruisen, verandert. Inderdaad, op het moment dat het frame zijn verticale positie nadert en passeert, is de snelheid van het kruisen van de krachtlijnen aan de zijkanten van het frame het hoogst en wordt de grootste emf in het frame geïnduceerd.Op die momenten, wanneer het frame zijn horizontale positie passeert, lijken de zijkanten langs de magnetische veldlijnen te glijden zonder ze te kruisen, en wordt er geen EMF geïnduceerd.

Daarom zal bij uniforme rotatie van het frame een EMF erin worden geïnduceerd, die periodiek zowel in grootte als richting verandert.

De EMF die in het frame optreedt, kan door een apparaat worden gemeten en worden gebruikt om een ​​stroom in het externe circuit te creëren.

Gebruik makend van fenomeen van elektromagnetische inductie, kunt u wissel-EMV krijgen en dus wisselstroom.

Wisselstroom voor industriële doeleinden en voor verlichting geproduceerd door krachtige generatoren aangedreven door stoom- of waterturbines en verbrandingsmotoren.

Grafische weergave van AC- en DC-stromen

De grafische methode maakt het mogelijk om het proces van het veranderen van een bepaalde variabele tijdsafhankelijk te visualiseren.

Het plotten van variabelen die in de loop van de tijd veranderen, begint met het plotten van twee onderling loodrechte lijnen die de assen van de grafiek worden genoemd. Vervolgens worden op de horizontale as op een bepaalde schaal tijdsintervallen uitgezet en op de verticale as, ook op een bepaalde schaal, de waarden van de uit te zetten grootheid (EMF, spanning of stroom).

In afb. 2 grafische gelijkstroom en wisselstroom ... In dit geval vertragen we de stroomwaarden en de stroomwaarden van één richting, die meestal positief wordt genoemd, worden verticaal vertraagd vanaf het snijpunt van de assen O , en vanaf dit punt naar beneden, de tegenovergestelde richting, die meestal negatief wordt genoemd.

Figuur 2. Grafische weergave van DC en AC

Punt O zelf dient zowel als oorsprong van huidige waarden (verticaal naar beneden en naar boven) als tijd (horizontaal naar rechts).Met andere woorden, dit punt komt overeen met de nulwaarde van de stroom en dit startpunt in de tijd van waaruit we willen nagaan hoe de stroom in de toekomst zal veranderen.

Laten we de juistheid verifiëren van wat in Fig. 2 en een 50 mA DC-stroomgrafiek.

Aangezien deze stroom constant is, dat wil zeggen dat hij in de loop van de tijd niet van grootte en richting verandert, komen dezelfde stroomwaarden overeen met verschillende tijdsmomenten, dat wil zeggen 50 mA. Daarom zal het op het moment van tijd gelijk aan nul, dat wil zeggen op het eerste moment van onze waarneming van de stroom, gelijk zijn aan 50 mA. Door een segment gelijk aan de huidige waarde van 50 mA op de verticale as naar boven te tekenen, verkrijgen we het eerste punt van onze grafiek.

We moeten hetzelfde doen voor het volgende moment in de tijd dat overeenkomt met punt 1 op de tijdas, dat wil zeggen vanaf dit punt verticaal naar boven een segment uitstellen dat ook gelijk is aan 50 mA. Het einde van het segment bepaalt voor ons het tweede punt van de grafiek.

Nadat we een soortgelijke constructie hebben gemaakt voor verschillende opeenvolgende tijdstippen, verkrijgen we een reeks punten, waarvan de verbinding een rechte lijn geeft, wat een grafische weergave is van een constante stroomwaarde van 50 mA.

Een variabele EMF plotten

Laten we verder gaan met het bestuderen van de variabele grafiek van EMF... In Fig. 3 wordt bovenaan een frame getoond dat roteert in een magnetisch veld, en een grafische weergave van de resulterende variabele EMF wordt hieronder gegeven.

Figuur 3. De variabele EMF uitzetten

We beginnen het frame gelijkmatig met de klok mee te draaien en volgen het verloop van EMF-veranderingen erin, waarbij we de horizontale positie van het frame als het eerste moment nemen.

Op dit beginmoment zal de EMF nul zijn omdat de zijkanten van het frame de magnetische veldlijnen niet kruisen.In de grafiek wordt deze nulwaarde van EMF die overeenkomt met het moment t = 0 weergegeven door punt 1.

Met verdere rotatie van het frame zal de EMF erin beginnen te verschijnen en toenemen totdat het frame zijn verticale positie bereikt. In de grafiek wordt deze toename van EMF weergegeven door een gelijkmatig stijgende curve die zijn hoogtepunt bereikt (punt 2).

Naarmate het frame de horizontale positie nadert, zal de EMF erin afnemen en tot nul dalen. In de grafiek wordt dit weergegeven als een dalende vloeiende curve.

Daarom kon de EMF erin gedurende de tijd die overeenkomt met een halve omwenteling van het frame toenemen van nul tot de maximale waarde en weer afnemen tot nul (punt 3).

Bij verdere rotatie van het frame zal de EMF er weer in verschijnen en geleidelijk in omvang toenemen, maar de richting zal al in de tegenovergestelde richting veranderen, zoals te zien is door de rechterhandregel toe te passen.

De grafiek houdt rekening met de verandering in de richting van de EMF, zodat de curve die de EMF voorstelt de tijdas kruist en nu onder die as ligt. De EMF neemt weer toe totdat het frame een verticale positie inneemt.

Dan begint de EMF af te nemen en wordt de waarde gelijk aan nul wanneer het frame terugkeert naar zijn oorspronkelijke positie na het voltooien van een volledige omwenteling. Op de grafiek wordt dit uitgedrukt door het feit dat de EMF-curve, die zijn piek in de tegenovergestelde richting bereikt (punt 4), vervolgens de tijdas zal ontmoeten (punt 5)

Dit voltooit één cyclus van het veranderen van de EMF, maar als je doorgaat met het roteren van het frame, begint de tweede cyclus onmiddellijk, waarbij de eerste precies wordt herhaald, die op zijn beurt zal worden gevolgd door de derde, dan de vierde, enzovoort totdat we stoppen het rotatieframe.

Dus voor elke rotatie van het frame voltooit de EMF die erin optreedt een volledige cyclus van zijn verandering.

Als het frame is gesloten voor een extern circuit, stroomt er een wisselstroom door het circuit, waarvan de grafiek er hetzelfde uitziet als de EMF-grafiek.

De resulterende golfvorm wordt een sinusgolf genoemd en de stroom, EMF of spanning die volgens deze wet varieert, wordt sinusoïdaal genoemd.

De curve zelf wordt een sinusoïde genoemd omdat het een grafische weergave is van een variabele trigonometrische grootheid die sinus wordt genoemd.

De sinusvormige aard van de stroomverandering is de meest voorkomende in de elektrotechniek, dus als we het over wisselstroom hebben, bedoelen ze in de meeste gevallen sinusvormige stroom.

Om verschillende wisselstromen (EMV's en spanningen) te vergelijken, zijn er waarden die kenmerkend zijn voor een bepaalde stroom. Dit worden AC-parameters genoemd.

Periode, Amplitude en Frequentie — AC-parameters

Wisselstroom wordt gekenmerkt door twee parameters: maandelijkse cyclus en amplitude, wetende dat we kunnen inschatten wat voor soort wisselstroom het is en een grafiek van de stroom kunnen maken.

Figuur 4. Sinusvormige stroomcurve

De periode waarin een volledige cyclus van stroomverandering plaatsvindt, wordt een periode genoemd. De periode wordt aangeduid met de letter T en wordt gemeten in seconden.

De periode waarin de helft van een volledige cyclus van stroomverandering plaatsvindt, wordt een halve cyclus genoemd. Daarom bestaat de periode van verandering van stroom (EMF of spanning) uit twee halve perioden. Het is vrij duidelijk dat alle perioden van dezelfde wisselstroom aan elkaar gelijk zijn.

Zoals te zien is in de grafiek, bereikt de stroom gedurende één periode van zijn verandering tweemaal zijn maximale waarde.

De maximale waarde van een wisselstroom (EMF of spanning) wordt de amplitude- of piekstroomwaarde genoemd.

Im, Em en Um zijn gebruikelijke aanduidingen voor stroom-, EMF- en spanningsamplitudes.

Allereerst hebben we opgelet piekstroomZoals uit de grafiek blijkt, zijn er echter talloze tussenwaarden die kleiner zijn dan de amplitude.

De waarde van wisselstroom (EMF, spanning) die overeenkomt met een geselecteerd moment in de tijd wordt de momentane waarde genoemd.

i, e en u zijn algemeen aanvaarde aanduidingen van de momentane waarden van stroom, emf en spanning.

De momentane waarde van de stroom, evenals de piekwaarde, is eenvoudig te bepalen met behulp van de grafiek. Om dit te doen, trekt u vanaf elk punt op de horizontale as dat overeenkomt met het tijdstip waarin we geïnteresseerd zijn, een verticale lijn naar het snijpunt met de huidige curve; het resulterende segment van de verticale lijn zal de waarde van de stroom op een bepaald moment bepalen, dat wil zeggen de momentane waarde.

Het is duidelijk dat de momentane waarde van de stroom na tijd T / 2 vanaf het startpunt van de grafiek nul zal zijn, en na tijd T / 4 de amplitudewaarde. De stroom bereikt ook zijn piekwaarde; maar al in de tegenovergestelde richting, na een tijd gelijk aan 3/4 T.

De grafiek laat dus zien hoe de stroom in het circuit in de loop van de tijd verandert en dat slechts één bepaalde waarde van zowel de grootte als de richting van de stroom overeenkomt met elk tijdsmoment. In dit geval zal de waarde van de stroom op een bepaald tijdstip op een bepaald punt in het circuit exact hetzelfde zijn op elk ander punt in dat circuit.

Het wordt het aantal volledige perioden genoemd dat wordt vervuld door de stroom in 1 seconde AC-frequentie en wordt aangeduid met de Latijnse letter f.

Om de frequentie van een wisselstroom te bepalen, dat wil zeggen om erachter te komen hoeveel perioden de stroom in 1 seconde verandert, is het noodzakelijk om 1 seconde te delen door de tijd van één periode f = 1 / T. De frequentie kennen van de wisselstroom kun je de periode bepalen: T = 1 / f

AC-frequentie het wordt gemeten in een eenheid genaamd hertz.

Als we een wisselstroom hebben waarvan de frequentie gelijk is aan 1 hertz, dan is de periode van zo'n stroom gelijk aan 1 seconde. Omgekeerd, als de veranderingsperiode van de stroom 1 seconde is, dan is de frequentie van zo'n stroom 1 hertz.

Daarom hebben we AC-parameters (periode, amplitude en frequentie) gedefinieerd waarmee u onderscheid kunt maken tussen verschillende AC-stromen, EMF's en spanningen, en indien nodig hun grafieken kunt plotten.

Gebruik bij het bepalen van de weerstand van verschillende circuits tegen wisselstroom een ​​andere hulpwaarde die kenmerkend is voor wisselstroom, de zogenaamde hoek- of hoekfrequentie.

Circulaire frequentie aangeduid gerelateerd aan frequentie f door de verhouding 2 pif

Laten we deze afhankelijkheid uitleggen. Bij het plotten van de variabele EMF-grafiek zagen we dat één volledige rotatie van het frame resulteert in een volledige cyclus van EMF-verandering. Met andere woorden, om het frame één omwenteling te laten maken, dat wil zeggen om 360 ​​° te draaien, duurt het een tijd die gelijk is aan één periode, dat wil zeggen T seconden. Vervolgens maakt het frame in 1 seconde een omwenteling van 360°/T. Daarom is 360 ° / T de hoek waarover het frame in 1 seconde draait, en drukt het de rotatiesnelheid van het frame uit, wat meestal hoek- of cirkelsnelheid wordt genoemd.

Maar aangezien de periode T gerelateerd is aan de frequentie f door de verhouding f = 1 / T, kan de cirkelsnelheid ook worden uitgedrukt als een frequentie en zal deze gelijk zijn aan 360 ° f.

Dus concludeerden we dat 360 ° f. Voor het gemak van het gebruik van de cirkelvormige frequentie voor berekeningen, wordt de hoek van 360 ° die overeenkomt met één omwenteling echter vervangen door een radiale uitdrukking gelijk aan 2pi radialen, waarbij pi = 3,14. Dus we krijgen uiteindelijk 2pif. Daarom, om de hoekfrequentie van wisselstroom te bepalen (EMF of spanning), moet u de frequentie in hertz vermenigvuldigen met een constant getal 6,28.