- Uogólnione definicje
- Źródła EMF
- Zasada działania
- Obrazy graficzne
- Generatory trójfazowe
- Jaka jest przyczyna różnorodności prądów elektrycznych?
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Chociaż używamy urządzeń elektrycznych codziennie w życiu codziennym, nie każdy może odpowiedzieć na różnicę między prądem przemiennym a prądem stałym, mimo że jest to uwzględnione w szkolnym programie nauczania. Dlatego warto przypomnieć podstawowe dogmaty.
Uogólnione definicje
Proces fizyczny, w którym naładowane cząstki poruszają się w uporządkowany (kierunkowy) sposób, nazywany jest prądem elektrycznym. Zwykle dzieli się na zmienne i stałe. W pierwszym, kierunek i wielkość pozostają niezmienione, podczas gdy w drugiej, te cechy zmieniają się zgodnie z określonym wzorem.
Powyższe definicje są znacznie uproszczone, chociaż wyjaśniają różnicę między stałym i zmiennym prądem. Aby lepiej zrozumieć, czym jest ta różnica, konieczne jest przedstawienie graficznej reprezentacji każdej z nich, a także wyjaśnienie, jak powstaje zmienna siła elektromotoryczna u źródła. Aby to zrobić, zwróć się do elektrotechniki, a raczej jej podstaw teoretycznych.
Źródła EMF
Źródła prądu elektrycznego dowolnego rodzaju są dwojakiego rodzaju:
- pierwotnie, z ich pomocą, energia elektryczna jest wytwarzana przez przekształcenie energii mechanicznej, słonecznej, cieplnej, chemicznej lub innej w energię elektryczną;
- wtórne, nie generują elektryczności, ale przekształcają ją, na przykład, ze zmiennej na stałą lub odwrotnie.
Jedynym podstawowym źródłem prądu przemiennego jest generator, uproszczony schemat takiego urządzenia pokazano na rysunku.
Legenda:
- 1 - kierunek obrotu;
- 2 - magnes z biegunami S i N;
- 3 - pole magnetyczne;
- Ramka 4-żyłowa;
- 5 - EMF;
- 6-pierścieniowe styki;
- 7 - kolektory prądu.
Zasada działania
Energia mechaniczna jest przekształcana w generator elektryczny, jak pokazano na rysunku, w następujący sposób:
ze względu na zjawisko indukcji elektromagnetycznej, gdy rama „4” jest obracana, umieszczona w polu magnetycznym „3” (powstającym między różnymi biegunami magnesu „2”), w nim powstaje EMF „5”. Napięcie doprowadzane jest do sieci przez kolektory prądu „7” ze styków pierścieniowych „6”, do których przyłączona jest rama „4”.
Wideo: DC i AC - różnice
Jeśli chodzi o wielkość EMF, zależy ona od prędkości przekraczania linii siły „3” ramki „4”. Ze względu na charakterystykę pola elektromagnetycznego minimalna prędkość przecięcia, a tym samym najniższa wartość siły elektromotorycznej będzie w momencie, gdy ramka znajduje się odpowiednio w pozycji pionowej, maksimum - w poziomie.
Biorąc pod uwagę powyższe, w procesie jednolitej rotacji indukowana jest emf, której charakterystyka wielkości i kierunku zmienia się w pewnym okresie.
Obrazy graficzne
Dzięki zastosowaniu metody graficznej można uzyskać wizualną reprezentację dynamicznych zmian różnych wielkości. Poniżej przedstawiono wykres zmian napięcia w czasie dla ogniwa galwanicznego 3336L (4, 5 V).
Jak widać wykres jest linią prostą, tzn. Napięcie źródła pozostaje niezmienione.
Teraz dajemy wykres dynamiki zmiany napięcia podczas jednego cyklu (pełny obrót ramy) generatora,
Dla jasności pokazujemy początkową pozycję ramki w generatorze, odpowiadającą początkowemu punktowi raportu na wykresie (0 °)
Legenda:
- 1 - bieguny magnesu S i N;
- 2 - ramka;
- 3 - kierunek obrotu ramy;
- 4 - pole magnetyczne.
Zobaczmy teraz, jak zmieni się emf podczas jednego cyklu obrotu ramki. W początkowej pozycji emf będzie wynosić zero. W procesie rotacji wartość ta będzie się stopniowo zwiększać, osiągając maksimum w momencie, gdy rama znajduje się pod kątem 90 °. Dalszy obrót ramy doprowadzi do zmniejszenia EMF, osiągając minimum w czasie obrotu o 180 °.
Kontynuując proces, możesz zobaczyć, jak siła elektromotoryczna zmienia kierunek. Charakter zmian w zmienionym kierunku EMF będzie taki sam. Oznacza to, że będzie się stopniowo zwiększać, osiągając szczyt w punkcie odpowiadającym obrotowi o 270 °, po czym zmniejszy się, aż rama zakończy pełny cykl obrotu (360 °).
Jeśli wykres będzie kontynuowany przez kilka cykli rotacji, zobaczymy charakterystykę sinusoidalną prądu przemiennego. Jego okres będzie odpowiadał jednemu obrotowi ramki, a amplituda będzie odpowiadać maksymalnej wartości EMF (bezpośredniej i odwrotnej).
Teraz przechodzimy do innej ważnej charakterystyki prądu przemiennego, częstotliwości. Do jego oznaczenia przyjęto łacińską literę „f” i jej jednostkę miary - herc (Hz). Ten parametr wyświetla liczbę pełnych cykli (okresów) zmiany EMF w ciągu jednej sekundy.
Częstotliwość określa wzór :. Parametr „T” wyświetla czas jednego pełnego cyklu (okresu), mierzony w sekundach. Odpowiednio, znając częstotliwość, łatwo jest określić okres czasu. Na przykład w życiu codziennym wykorzystywany jest prąd elektryczny o częstotliwości 50 Hz, dlatego czas jego trwania wynosi dwie setne sekundy (1/50 = 0, 02).
Generatory trójfazowe
Należy zauważyć, że najbardziej opłacalnym sposobem uzyskania zmiennego prądu elektrycznego jest zastosowanie generatora trójfazowego. Uproszczony schemat jego budowy pokazano na rysunku.
Jak widać, generator używa trzech cewek, umieszczonych w przesunięciu 120 °, połączonych trójkątem (w praktyce połączenie uzwojenia generatora nie jest używane z powodu niskiej wydajności). Wraz z przejściem jednego z biegunów magnesu za cewkę wywołuje się emf.
Jaka jest przyczyna różnorodności prądów elektrycznych?
Wielu może mieć rozsądne pytanie - po co używać tak wielu prądów elektrycznych, jeśli można wybrać jeden z nich i uczynić go standardowym? Rzecz w tym, że nie każdy rodzaj prądu elektrycznego nadaje się do rozwiązania konkretnego problemu.
Jako przykład przytoczymy warunki, w których stosowanie stałego napięcia będzie nie tylko nieopłacalne, ale także czasami niemożliwe:
- zadanie przesyłania napięcia na odległości jest łatwiejsze w przypadku napięcia zmiennego;
- przekształcenie stałego prądu dla odmiennych obwodów, które mają nieokreślony poziom zużycia, jest prawie niemożliwe;
- utrzymanie wymaganego poziomu napięcia w obwodach prądu stałego jest znacznie bardziej skomplikowane i droższe niż przemienne;
- Silniki prądu przemiennego są strukturalnie prostsze i tańsze niż silniki prądu stałego. W tym miejscu należy zauważyć, że takie silniki (asynchroniczne) mają wysoki poziom prądu rozruchowego, co nie pozwala na ich wykorzystanie do rozwiązywania pewnych problemów.
Teraz podajemy przykłady zadań, w których bardziej wskazane jest stosowanie stałego napięcia:
- Aby zmienić prędkość obrotową silników asynchronicznych, konieczna jest zmiana częstotliwości sieci zasilającej, która wymaga zaawansowanego sprzętu. W przypadku silników zasilanych prądem stałym wystarczy zmienić napięcie zasilania. Dlatego to oni są instalowani w transporcie elektrycznym;
- zasilanie obwodów elektronicznych, urządzeń galwanicznych i wielu innych urządzeń jest również realizowane przez stały prąd elektryczny;
- stałe napięcie jest znacznie bezpieczniejsze dla ludzi niż naprzemienne.
W oparciu o powyższe przykłady istnieje potrzeba użycia różnych rodzajów napięcia.