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.

Uproszczony obraz konstrukcji generatora

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).

Oś pozioma wyświetla czas, napięcie pionowe

Jak widać wykres jest linią prostą, tzn. Napięcie źródła pozostaje niezmienione.

Teraz dajemy wykres dynamiki zmiany napięcia podczas jednego cyklu (pełny obrót ramy) generatora,

Oś pozioma wyświetla kąt obrotu w stopniach, oś pionowa pokazuje wartość EMF (napięcie)

Dla jasności pokazujemy początkową pozycję ramki w generatorze, odpowiadającą początkowemu punktowi raportu na wykresie (0 °)

Początkowa pozycja ramki

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.

Trójfazowe urządzenie generatora

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.

Graficzny obraz generowanego trójfazowego prądu elektrycznego

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.

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Kategoria: