Шта је наизменична струја и како се разликује од једносмерне струје

Наизменична струја, Насупрот томе ДЦ струја, стално се мења и по величини и по правцу, а ове промене се јављају периодично, односно понављају се у тачно једнаким интервалима.

Да бисте индуковали такву струју у колу, користите изворе наизменичне струје који стварају наизменичну ЕМФ, периодично мењајући величину и смер.Такви извори се називају алтернатори.

На сл. 1 приказан је дијаграм уређаја (модел) најједноставнијег алтернатор. 

Правоугаони оквир направљен од бакарне жице, фиксиран на осу и ротиран у пољу помоћу погона ремена Магнет… Крајеви рама су залемљени на бакарне прстенове, који, ротирајући са рамом, клизе по контактним плочама (четкицама).

Слика 1. Шема најједноставнијег алтернатора

Хајде да се уверимо да је такав уређај заиста извор променљивог ЕМФ-а.

Претпоставимо да магнет ствара између својих полова једнолично магнетно поље, односно онај у коме је густина линија магнетног поља у сваком делу поља иста.ротирајући, оквир прелази линије силе магнетног поља на свакој од својих страна а и б ЕМФ индукована. 

Странице ц и д оквира не раде, јер када се оквир ротира, не прелазе линије силе магнетног поља и стога не учествују у стварању ЕМФ-а.

У било ком тренутку времена, ЕМФ који се јавља на страни а је у супротном смеру од ЕМФ-а који се јавља на страни б, али у оквиру оба ЕМФ-а делују у складу са и додају укупном ЕМФ-у, то јест, индуковани целим оквиром.

Ово је лако проверити ако користимо правило десне руке које знамо да одредимо правац ЕМФ.

Да бисте то урадили, поставите длан десне руке тако да буде окренут ка северном полу магнета, а савијени палац се поклапа са смером кретања оне стране оквира у којој желимо да одредимо смер ЕМФ. Тада ће правац ЕМФ-а у њему бити назначен испруженим прстима руке.

За коју год позицију оквира одредимо правац ЕМФ-а на страницама а и б, оне се увек сабирају и формирају укупни ЕМФ у оквиру. Истовремено, са сваком ротацијом оквира, смер укупне ЕМФ у њему се мења у супротан, пошто свака од радних страна оквира у једном обртају пролази испод различитих полова магнета.

Величина ЕМФ индуковане у оквиру се такође мења како се мења брзина којом стране оквира прелазе линије магнетног поља. Заиста, у тренутку када се оквир приближи свом вертикалном положају и прође га, брзина преласка линија силе на бочним странама оквира је највећа, а највећа емф се индукује у оквиру.У тим тренуцима времена, када оквир прође свој хоризонтални положај, чини се да његове стране клизе дуж линија магнетног поља без њиховог укрштања, а ЕМФ се не индукује.

Стога, са равномерном ротацијом оквира, у њему ће се индуковати ЕМФ, који се периодично мења и по величини и по правцу.

ЕМФ који се јавља у оквиру може се измерити помоћу уређаја и користити за стварање струје у спољном колу.

Користећи феномен електромагнетне индукције, можете добити наизменичну ЕМФ и стога наизменичну струју.

Наизменична струја за индустријске потребе и за осветљење произведен од моћних генератора које покрећу парне или водене турбине и мотори са унутрашњим сагоревањем.

Графички приказ наизменичних и једносмерних струја

Графичка метода омогућава визуелизацију процеса промене одређене варијабле у зависности од времена.

Исцртавање променљивих које се мењају током времена почиње цртањем две међусобно управне линије које се називају осе графика. Затим се на хоризонталној оси у одређеној скали уцртавају временски интервали, а на вертикалној оси, такође на одређеној скали, вредности количине која се уцртава (ЕМФ, напон или струја).

На сл. 2 графички приказана једносмерна и наизменична струја ... У овом случају одлажемо тренутне вредности и тренутне вредности ​​​​једног смера, који се обично назива позитивним, одлажу се вертикално од тачке пресека оса О , а доле од ове тачке, супротан смер, који се обично назива негативним.

Слика 2. Графички приказ једносмерне и наизменичне струје

Сама тачка О служи и као исходиште тренутних вредности (вертикално доле и горе) и времена (хоризонтално десно).Другим речима, ова тачка одговара нултој вредности струје и овој почетној тачки у времену од које намеравамо да пратимо како ће се струја мењати у будућности.

Хајде да проверимо исправност онога што је приказано на сл. 2 и дијаграм једносмерне струје од 50 мА.

Пошто је ова струја константна, односно не мења своју величину и правац током времена, исте вредности струје ће одговарати различитим тренуцима времена, односно 50 мА. Дакле, у тренутку времена једнаком нули, односно у почетном тренутку нашег посматрања струје, она ће бити једнака 50 мА. Цртајући сегмент једнак тренутној вредности од 50 мА на вертикалној оси навише, добијамо прву тачку нашег графикона.

Исто морамо урадити и за следећи тренутак у времену који одговара тачки 1 на временској оси, односно одложити од ове тачке вертикално навише сегмент такође једнак 50 мА. Крај сегмента ће нам дефинисати другу тачку графикона.

Направивши сличну конструкцију за неколико наредних тачака у времену, добијамо низ тачака чијим ће се повезивањем добити права линија, што је графички приказ вредности константне струје од 50 мА.

Цртање променљиве ЕМФ

Пређимо на проучавање променљивог графа ЕМФ... На сл. 3, оквир који ротира у магнетном пољу је приказан на врху, а графички приказ резултујуће променљиве ЕМФ је дат испод.

Слика 3. Исцртавање променљиве ЕМФ

Почињемо да равномерно ротирамо оквир у смеру казаљке на сату и пратимо ток ЕМФ промена у њему, узимајући хоризонтални положај оквира као почетни тренутак.

У овом почетном тренутку, ЕМФ ће бити нула јер стране оквира не прелазе линије магнетног поља.На графикону, ова нулта вредност ЕМФ која одговара тренутку т = 0 је представљена тачком 1.

Даљњом ротацијом оквира, ЕМФ ће почети да се појављује у њему и повећаваће се док оквир не достигне свој вертикални положај. На графикону ће ово повећање ЕМФ-а бити представљено глатком растућом кривом која достиже свој врхунац (тачка 2).

Како се оквир приближава хоризонталном положају, ЕМФ у њему ће се смањити и пасти на нулу. На графикону ће ово бити приказано као глатка крива која пада.

Дакле, током времена које одговара пола обртаја оквира, ЕМФ у њему је могао да се повећа од нуле до максималне вредности и поново смањи на нулу (тачка 3).

Даљом ротацијом оквира, ЕМФ ће се у њему поново појавити и постепено повећавати величину, али ће се његов правац већ променити у супротно, што се може видети применом правила десне руке.

Графикон узима у обзир промену смера ЕМФ, тако да крива која представља ЕМФ прелази временску осу и сада лежи испод те осе. ЕМФ се поново повећава све док оквир не заузме вертикални положај.

Тада ће ЕМФ почети да се смањује и његова вредност ће постати једнака нули када се оквир врати у првобитни положај након завршетка једног потпуног обртаја. На графикону ће то бити изражено чињеницом да ће ЕМФ крива, достижући свој максимум у супротном смеру (тачка 4), тада срести временску осу (тачка 5)

Овим се завршава један циклус промене ЕМФ-а, али ако наставите са ротацијом оквира, други циклус одмах почиње, тачно понављајући први, који ће заузврат бити праћен трећим, затим четвртим, и тако све док се не зауставимо ротациони оквир.

Дакле, за сваку ротацију оквира, ЕМФ који се јавља у њему завршава потпуни циклус његове промене.

Ако је оквир затворен за неко спољно коло, тада ће кроз коло тећи наизменична струја чији ће граф изгледати исто као ЕМФ график.

Добијени таласни облик назива се синусни талас, а струја, ЕМФ или напон који варирају у складу са овим законом називају се синусоидални.

Сама крива се назива синусоида јер је графички приказ променљиве тригонометријске величине која се зове синус.

Синусоидна природа промене струје је најчешћа у електротехници, стога, говорећи о наизменичној струји, у већини случајева подразумевају синусоидну струју.

Да бисте упоредили различите наизменичне струје (ЕМФ и напоне), постоје вредности које карактеришу одређену струју. Они се називају АЦ параметри.

Период, амплитуда и фреквенција — параметри наизменичне струје

Наизменичну струју карактеришу два параметра — месечни циклус и амплитуда, знајући које можемо да проценимо о каквој се наизменичној струји ради и направимо график струје.

Слика 4. Синусоидна струјна крива

Временски период током којег се дешава комплетан циклус промене струје назива се период. Период је означен словом Т и мери се у секундама.

Временски период током којег се јавља половина потпуног циклуса промене струје назива се полуциклус.Због тога се период промене струје (ЕМФ или напона) састоји од два полупериода. Сасвим је очигледно да су сви периоди исте наизменичне струје међусобно једнаки.

Као што се види из графикона, током једног периода своје промене струја достиже двоструко своју максималну вредност.

Максимална вредност наизменичне струје (ЕМФ или напон) назива се њена амплитуда или вршна вредност струје.

Им, Ем и Ум су уобичајене ознаке за струју, ЕМФ и амплитуде напона.

Пре свега, обратили смо пажњу вршна струја, међутим, као што се може видети из графикона, постоји безброј међувредности које су мање од амплитуде.

Вредност наизменичне струје (ЕМФ, напон) која одговара било ком изабраном тренутку у времену назива се њена тренутна вредност.

и, е и у су општеприхваћене ознаке тренутних вредности струје, емф и напона.

Тренутну вредност струје, као и њену вршну вредност, лако је одредити уз помоћ графика. Да бисте то урадили, из било које тачке на хоризонталној оси која одговара тренутку у времену које нас занима, нацртајте вертикалну линију до тачке пресека са тренутном кривом; резултујући сегмент вертикалне линије одредиће вредност струје у датом тренутку, односно њену тренутну вредност.

Очигледно, тренутна вредност струје након времена Т / 2 од почетне тачке графика биће нула, а након времена Т / 4 њена амплитуда. Струја такође достиже своју вршну вредност; али већ у супротном смеру, после времена једнаког 3/4 Т.

Дакле, графикон показује како се струја у колу мења током времена и да само једна одређена вредност и величине и смера струје одговара сваком тренутку времена. У овом случају, вредност струје у датом тренутку у једној тачки кола биће потпуно иста у било којој другој тачки тог кола.

Зове се број комплетних периода испуњених струјом у 1 секунди фреквенције наизменичне струје и означава се латиничним словом ф.

Да бисте одредили фреквенцију наизменичне струје, односно да бисте сазнали колико периода њене промене струја направи за 1 секунду, потребно је поделити 1 секунду са временом једног периода ф = 1 / Т. Познавајући фреквенцију наизменичне струје, можете одредити период: Т = 1 / ф

АЦ фреквенција мери се у јединици која се зове херц.

Ако имамо наизменичну струју чија је фреквенција једнака 1 херцу, онда ће период такве струје бити једнак 1 секунди. И обрнуто, ако је период промене струје 1 секунда, онда је фреквенција такве струје 1 херц.

Дакле, дефинисали смо параметре наизменичне струје — период, амплитуду и фреквенцију — који вам омогућавају да разликујете различите наизменичне струје, ЕМФ и напоне, и да нацртате њихове графиконе када је то потребно.

Приликом одређивања отпора различитих кола наизменичном струјом користити другу помоћну вредност која карактерише наизменичну струју, тзв. угаона или угаона фреквенција.

Кружна фреквенција означена у односу на фреквенцију ф односом 2 пиф

Хајде да објаснимо ову зависност. Када смо нацртали променљиви ЕМФ граф, видели смо да једна потпуна ротација оквира резултира комплетним циклусом промене ЕМФ. Другим речима, да би оквир направио једну револуцију, односно да се ротирао за 360 °, потребно је време једнако једном периоду, односно Т секунди. Затим, за 1 секунду, оквир се окреће за 360 ° / Т. Дакле, 360°/Т је угао кроз који се оквир ротира за 1 секунду, и изражава брзину ротације оквира, која се обично назива угаона или кружна брзина.

Али пошто је период Т повезан са фреквенцијом ф односом ф = 1 / Т, онда се кружна брзина такође може изразити као фреквенција и биће једнака 360 ° ф.

Тако смо закључили да је 360 ° Ф. Међутим, ради погодности коришћења кружне фреквенције за било које прорачуне, угао од 360 ° који одговара једној револуцији је замењен радијалним изразом једнаким 2пи радијана, где је пи = 3,14. Тако да коначно добијамо 2пиф. Дакле, да би се одредила угаона фреквенција наизменичне струје (ЕМФ или напон), морате помножити фреквенцију у херцима са константним бројем 6,28.