Какво е променлив ток и как се различава от постоянния ток

Променлив ток, За разлика DC ток, непрекъснато се променя както по величина, така и по посока и тези промени се случват периодично, тоест те се повтарят точно на равни интервали.

За да предизвикате такъв ток във веригата, използвайте източници на променлив ток, които създават променлив ЕМП, периодично променящи се по величина и посока.Такива източници се наричат алтернатори.

На фиг. 1 показва диаграма на устройство (модел) на най -простия алтернатор. 

Правоъгълна рамка, изработена от медна тел, фиксирана върху оста и завъртяна в полето с помощта на ремъчно предаване магнит… Краищата на рамката са запоени към медни пръстени, които, въртейки се с рамката, се плъзгат по контактните плочи (четки).

Фигура 1. Диаграма на най -простия алтернатор

Нека се уверим, че такова устройство наистина е така източник на променлива ЕМП.

Да предположим, че магнит създава между полюсите си равномерно магнитно поле, тоест такава, при която плътността на магнитните силови линии във всяка част на полето е еднаква. въртейки се, рамката пресича силовите линии на магнитното поле и във всяка от страните си a и b Индуциран от ЕМП. 

Страните c и d на рамката не работят, тъй като когато рамката се върти, те не пресичат силовите линии на магнитното поле и следователно не участват в създаването на ЕМП.

Във всеки момент от времето ЕМП, възникваща в страната а, е противоположна по посока на ЕРС, възникваща в страната b, но в рамката и двете ЕМП действат според и се добавят към общата ЕМП, тоест индуцирана от цялата рамка.

Това е лесно да се провери, ако използваме познатото ни, за да определим посоката на ЕМП правило на дясната ръка. 

За да направите това, поставете дланта на дясната ръка така, че да е обърната към северния полюс на магнита, а огънатият палец съвпада с посоката на движение на онази страна на рамката, в която искаме да определим посоката на ЕМП. Тогава посоката на ЕМП в него ще бъде посочена от протегнатите пръсти на ръката.

За каквото и положение на рамката да определим посоката на ЕМП в страните a и b, те винаги се събират и образуват общ ЕМП в рамката. В същото време, с всяко завъртане на рамката, посоката на общата ЕМП в нея се променя на обратното, тъй като всяка от работните страни на рамката в един оборот преминава под различни полюси на магнита.

Величината на ЕМП, индуцирана в рамката, също се променя, тъй като се променя скоростта, с която страните на рамката пресичат силовите линии на магнитното поле. Наистина, в момента, в който рамката се доближи до вертикалното си положение и я премине, скоростта на пресичане на силовите линии от страните на рамката е най -висока, а най -голямата ЕДС се индуцира в рамката. В тези моменти от времето, когато рамката преминава хоризонталното си положение, нейните страни сякаш се плъзгат по магнитните силови линии, без да ги пресичат, а ЕМП не се индуцира.

Поради това, при равномерно въртене на рамката в нея ще се индуцира ЕМП, периодично променяща се както по величина, така и по посока.

Възникващата в рамката ЕМП може да бъде измерена с устройство и използвана за създаване на ток във външната верига.

Използвайки явление на електромагнитна индукция, можете да получите променлив ЕМП и следователно променлив ток.

Променлив ток за промишлени цели и за осветление произведени от мощни генератори, задвижвани от парни или водни турбини и двигатели с вътрешно горене.

Графично представяне на AC и DC токове

Графичният метод дава възможност да се визуализира процесът на промяна на определена променлива в зависимост от времето.

Начертаването на променливи, които се променят с течение на времето, започва с нанасяне на две взаимно перпендикулярни линии, наречени оси на графика. След това, по хоризонталната ос, в определен мащаб, се нанасят времеви интервали, а по вертикалата, също в определен мащаб, стойностите на количеството, което ще бъде нанесено (ЕМП, напрежение или ток).

На фиг. 2 графично изобразени постоянен и променлив ток… В този случай отлагаме стойностите на тока и текущите стойности на една посока, която обикновено се нарича положителна, се отлагат вертикално от точката на пресичане на осите О, а надолу от тази точка, обратна посока, която обикновено се нарича отрицателна.

Фигура 2. Графично представяне на DC и AC

Самата точка О служи едновременно като начало на текущите стойности (вертикално надолу и нагоре) и време (хоризонтално вдясно). С други думи, тази точка съответства на нулевата стойност на тока и този начален момент от времето, от който възнамеряваме да проследим как токът ще се промени в бъдеще.

Нека се уверим в правилността на това, което е нанесено на фиг. 2 и графика на постоянен ток от 50 mA.

Тъй като този ток е постоянен, тоест не променя величината и посоката си с течение на времето, същите стойности на тока ще съответстват на различни моменти от времето, тоест 50 mA. Следователно, в момента на време, равен на нула, т.е.в началния момент на нашето наблюдение на тока, той ще бъде равен на 50 mA. Начертавайки сегмент, равен на текущата стойност от 50 mA по вертикалната ос нагоре, получаваме първата точка от нашата графика.

Трябва да направим същото за следващия момент във времето, съответстващ на точка 1 на оста на времето, тоест да отложим от тази точка вертикално нагоре сегмент, също равен на 50 mA. Краят на сегмента ще определи втората точка от графиката за нас.

След като направихме подобна конструкция за няколко следващи точки във времето, получаваме поредица от точки, чиято връзка ще даде права линия, която е графично представяне на постоянен ток стойност 50 mA.

Начертаване на променлива ЕМП

Да преминем към изучаване променлива графика на ЕМП… На фиг. 3, в горната част е показана рамка, въртяща се в магнитно поле, а графично представяне на възникващата променлива EMF е дадено по -долу.

Фигура 3. Начертаване на променливата ЕМП

Започваме равномерно да завъртаме рамката по часовниковата стрелка и следваме хода на промените в ЕМП в нея, като приемаме хоризонталното положение на рамката като начален момент.

В този начален момент ЕМП ще бъде нула, тъй като страните на рамката не пресичат магнитните силови линии. На графиката тази нулева стойност на ЕМП, съответстваща на момента t = 0, е изобразена от точка 1.

При по -нататъшно завъртане на рамката EMF ще започне да се появява в нея и ще се увеличава, докато рамката достигне вертикалното си положение. На графиката това увеличение на ЕМП ще бъде изобразено с плавна нарастваща крива, която достига своя връх (точка 2).

Когато рамката се доближи до хоризонталното положение, ЕМП в нея ще намалее и ще падне до нула. На графиката това ще бъде изобразено като падаща гладка крива.

Следователно, през времето, съответстващо на половин оборот на рамката, ЕМП в нея успя да се увеличи от нула до максималната стойност и отново да намалее до нула (точка 3).

При по -нататъшно завъртане на рамката, ЕМП ще се появи отново в нея и постепенно ще се увеличи по величина, но посоката й вече ще се промени в обратното, както може да се види, като се приложи правилото на дясната ръка.

Графиката взема предвид промяната в посоката на ЕМП, така че кривата, представляваща ЕМП, пресича оста на времето и сега се намира под тази ос. ЕМП отново се увеличава, докато рамката заеме вертикално положение.

Тогава ЕМП ще започне да намалява и стойността му ще стане равна на нула, когато рамката се върне в първоначалното си положение, след като завърши един пълен оборот. На графиката това ще се изрази с факта, че кривата на ЕМП, достигайки върха си в обратна посока (точка 4), след това ще се срещне с оста на времето (точка 5)

Това завършва един цикъл на смяна на ЕМП, но ако продължите въртенето на кадъра, веднага започва вторият цикъл, точно повтарящ първия, който от своя страна ще бъде последван от третия, а след това от четвъртия и така нататък, докато спираме рамката за въртене.

По този начин за всяко завъртане на рамката възникващата в нея ЕМП завършва пълен цикъл на нейната промяна.

Ако рамката е затворена за някаква външна верига, тогава през веригата ще тече променлив ток, чиято графика ще изглежда същата като графиката на ЕМП.

Получената вълнообразна крива се нарича синусоида, и токът, ЕМП или напрежение, променящи се съгласно този закон, се наричат синусоидален.

Самата крива се нарича синусоида, защото представлява графично представяне на променлива тригонометрична величина, наречена синус.

Синусоидалният характер на промяната на тока е най -често срещаният в електротехниката, следователно, говорейки за променлив ток, в повечето случаи те означават синусоидален ток.

За да се сравнят различни променливи токове (ЕМП и напрежения), има стойности, които характеризират определен ток. Те се наричат AC параметри.

Период, амплитуда и честота — AC параметри

Променливият ток се характеризира с два параметъра — месечен цикъл и амплитудаth, знаейки кой можем да преценим какъв променлив ток е и да изградим графика на тока.

Фигура 4. Крива на синусоидален ток

Периодът от време, през който настъпва пълен цикъл на текуща промяна, се нарича период. Периодът се обозначава с буквата Т и се измерва в секунди.

Периодът от време, през който настъпва половината от пълния цикъл на промяна на тока, се нарича полуцикъл.Следователно периодът на промяна на тока (ЕМП или напрежение) се състои от два полупериода. Съвсем очевидно е, че всички периоди на един и същ променлив ток са равни помежду си.

Както може да се види от графиката, през един период от промяната си токът достига два пъти максималната си стойност.

Максималната стойност на променлив ток (ЕМП или напрежение) се нарича неговата амплитуда или пикова стойност на тока.

Im, Em и Um са общоприети обозначения за амплитуди на ток, ЕМП и напрежение.

На първо място обърнахме внимание пиков ток, обаче, както може да се види от графиката, има безброй междинни стойности, които са по -малки от амплитудата.

Стойността на променливия ток (ЕМП, напрежение), съответстваща на всеки избран момент във времето, се нарича неговата моментална стойност.

i, e и u са общоприети обозначения на моментните стойности на ток, ЕМП и напрежение.

Моменталната стойност на тока, както и неговата пикова стойност, е лесно да се определи с помощта на графика. За да направите това, от всяка точка на хоризонталната ос, съответстваща на интересуващия ни момент от време, начертайте вертикална линия до точката на пресичане с текущата крива; полученият сегмент от вертикалната линия ще определи стойността на тока в даден момент, тоест неговата моментна стойност.

Очевидно моментната стойност на тока след време T / 2 от началната точка на графиката ще бъде нула, а след време T / 4 неговата амплитудна стойност. Токът също достига своята пикова стойност; но вече в обратната посока, след време, равно на 3/4 T.

И така, графиката показва как токът във веригата се променя с течение на времето и че само една определена стойност както на величината, така и на посоката на тока съответства на всеки момент от времето. В този случай стойността на тока в даден момент от време в една точка от веригата ще бъде точно същата във всяка друга точка от тази верига.

Извиква се броят на пълните периоди, изпълнени от тока за 1 секунда AC честота и се обозначава с латинската буква f.

За да се определи честотата на променлив ток, тоест да се разбере колко периоди от промяната му токът е направил за 1 секунда, е необходимо да се раздели 1 секунда на времето на един период f = 1 / T. Познавайки честотата на променливия ток, можете да определите периода: T = 1 / f

AC честота измерва се в единица, наречена херц.

Ако имаме променлив ток, чиято честота е равна на 1 херц, тогава периодът на такъв ток ще бъде равен на 1 секунда. Обратно, ако периодът на промяна на тока е 1 секунда, тогава честотата на такъв ток е 1 херц.

Така че ние определихме AC параметри — период, амплитуда и честота, — които ви позволяват да различавате един от друг различни променливи токове, ЕМП и напрежения и да изграждате, когато е необходимо, техните графики.

При определяне на съпротивлението на различни вериги към променлив ток използвайте друга спомагателна стойност, характеризираща променлив ток, т.нар. ъглова или ъглова честота. 

Кръгова честота обозначена свързана с честота f със съотношението 2 pif

Нека обясним тази зависимост. При начертаване на променливата графика на ЕМП видяхме, че при едно пълно завъртане на рамката настъпва пълен цикъл на смяна на ЕМП. С други думи, за да може рамката да направи един оборот, тоест да се завърти на 360 °, е необходимо време, равно на един период, тоест Т секунди. След това за 1 секунда рамката прави 360 ° / T оборота. Следователно 360 ° / T е ъгълът, през който рамката се завърта за 1 секунда, и изразява скоростта на въртене на рамката, която обикновено се нарича ъглова или кръгова скорост.

Но тъй като периодът T е свързан с честотата f чрез съотношението f = 1 / T, тогава кръговата скорост може също да бъде изразена като честота и ще бъде равна на 360 ° f.

Така стигнахме до заключението, че 360 ° f. Въпреки това, за удобство при използване на кръговата честота за всякакви изчисления, ъгълът от 360 °, съответстващ на един оборот, се заменя с радиален израз, равен на 2pi радиани, където pi = 3,14. Така най -накрая получаваме 2pif. Следователно, за да се определи ъгловата честота на променлив ток (ЕМП или напрежение), трябва да умножите честотата в херци с постоянно число 6,28.