Βασικές παράμετροι εναλλασσόμενου ρεύματος: περίοδος, συχνότητα, φάση, πλάτος, αρμονικές ταλαντώσεις

Εναλλασσόμενο ρεύμα είναι ένα ηλεκτρικό ρεύμα του οποίου η κατεύθυνση και η ισχύς αλλάζουν περιοδικά. Δεδομένου ότι συνήθως η ισχύς του εναλλασσόμενου ρεύματος ποικίλλει σύμφωνα με έναν ημιτονοειδές νόμο, το εναλλασσόμενο ρεύμα είναι ημιτονοειδής διακυμάνσεις της τάσης και του ρεύματος.

Επομένως, ό,τι ισχύει για ημιτονοειδείς ηλεκτρικές ταλαντώσεις ισχύει και για εναλλασσόμενο ρεύμα. Οι ημιτονοειδείς ταλαντώσεις είναι οι ταλαντώσεις στις οποίες η τιμή ταλάντωσης αλλάζει σύμφωνα με τον ημιτονοειδή νόμο Σε αυτό το άρθρο θα μιλήσουμε για παραμέτρους AC.

Η αλλαγή στο EMF και η αλλαγή στο ρεύμα ενός γραμμικού φορτίου που συνδέεται με μια τέτοια πηγή θα ακολουθεί έναν ημιτονοειδές νόμο. Σε αυτή την περίπτωση, τα εναλλασσόμενα EMF, οι εναλλασσόμενες τάσεις και τα ρεύματα μπορούν να χαρακτηριστούν από τις τέσσερις κύριες παραμέτρους τους:

• περίοδος;

• συχνότητα;

• εύρος;

• αποτελεσματική αξία.

Υπάρχουν επίσης πρόσθετες παράμετροι:

• γωνιακή συχνότητα?

• φάση;

• άμεση αξία.

Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε όλες αυτές τις παραμέτρους ξεχωριστά και μαζί.

Περίοδος Τ.

Περίοδος — ο χρόνος που χρειάζεται για ένα σύστημα που ταλαντώνεται να περάσει από όλες τις ενδιάμεσες καταστάσεις και να επιστρέψει ξανά στην αρχική του κατάσταση.

Η περίοδος T ενός εναλλασσόμενου ρεύματος είναι το χρονικό διάστημα κατά το οποίο το ρεύμα ή η τάση κάνει έναν πλήρη κύκλο αλλαγών.

Δεδομένου ότι η πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος είναι μια γεννήτρια, η περίοδος σχετίζεται με την ταχύτητα περιστροφής του ρότορά της και όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα περιστροφής της περιέλιξης ή του ρότορα της γεννήτριας, τόσο μικρότερη είναι η περίοδος του παραγόμενου εναλλασσόμενου EMF και κατά συνέπεια, το εναλλασσόμενο ρεύμα φορτίου, αποδεικνύεται.

Η περίοδος μετριέται σε δευτερόλεπτα, χιλιοστά του δευτερολέπτου, μικροδευτερόλεπτα, νανοδευτερόλεπτα, ανάλογα με την ιδιαίτερη κατάσταση στην οποία εξετάζεται αυτό το ρεύμα. Το παραπάνω σχήμα δείχνει πώς η τάση U αλλάζει με την πάροδο του χρόνου ενώ έχει μια σταθερή χαρακτηριστική περίοδο T.

Συχνότητα f

Η συχνότητα f είναι το αντίστροφο της περιόδου και είναι αριθμητικά ίση με τον αριθμό των περιόδων αλλαγής ρεύματος ή EMF σε 1 δευτερόλεπτο. Δηλαδή, f = 1 / T. Η μονάδα μέτρησης της συχνότητας είναι το hertz (Hz), που πήρε το όνομά του από τον Γερμανό φυσικό Heinrich Hertz, ο οποίος συνέβαλε σημαντικά στην ανάπτυξη της ηλεκτροδυναμικής τον 19ο αιώνα. Όσο μικρότερη είναι η περίοδος, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα της μεταβολής του EMF ή του ρεύματος.

Σήμερα στη Ρωσία, η τυπική συχνότητα εναλλασσόμενου ρεύματος στα ηλεκτρικά δίκτυα είναι 50 Hz, δηλαδή 50 διακυμάνσεις της τάσης του δικτύου εμφανίζονται σε 1 δευτερόλεπτο.

Σε άλλους τομείς της ηλεκτροδυναμικής, χρησιμοποιούνται υψηλότερες συχνότητες, για παράδειγμα 20 kHz και άνω σε σύγχρονους μετατροπείς, και έως αρκετά MHz σε στενότερες περιοχές ηλεκτροδυναμικής. Στο παραπάνω σχήμα μπορείτε να δείτε ότι υπάρχουν 50 πλήρεις ταλαντώσεις σε ένα δευτερόλεπτο, η καθεμία διαρκεί 0,02 δευτερόλεπτα και 1 / 0,02 = 50.

Από τα γραφήματα των αλλαγών στο ημιτονοειδές εναλλασσόμενο ρεύμα με την πάροδο του χρόνου, μπορεί να φανεί ότι τα ρεύματα διαφορετικών συχνοτήτων περιέχουν διαφορετικό αριθμό περιόδων στο ίδιο χρονικό διάστημα.

Γωνιακή συχνότητα

Γωνιακή συχνότητα — ο αριθμός των ταλαντώσεων που γίνονται σε 2pi sec.

Σε μια περίοδο, η φάση του ημιτονοειδούς EMF ή του ημιτονοειδούς ρεύματος αλλάζει κατά 2pi ακτίνια ή 360 °, επομένως η γωνιακή συχνότητα του εναλλασσόμενου ημιτονοειδούς ρεύματος είναι ίση με:

Χρησιμοποιήστε τον αριθμό των ταλαντώσεων σε 2 pi sec (όχι σε 1 sec.) Είναι βολικό επειδή στους τύπους που εκφράζουν το νόμο της αλλαγής τάσης και ρεύματος κατά τη διάρκεια αρμονικών ταλαντώσεων, που εκφράζουν την επαγωγική ή χωρητική αντίσταση του εναλλασσόμενου ρεύματος και σε πολλά Σε άλλες περιπτώσεις η συχνότητα ταλάντωσης n εμφανίζεται μαζί με τον πολλαπλασιαστή 2pi.

Φάση

Φάση — κατάσταση, στάδιο μιας περιοδικής διαδικασίας. Ο όρος φάση έχει πιο σαφή σημασία στην περίπτωση των ημιτονοειδών ταλαντώσεων. Στην πράξη, δεν είναι συνήθως η ίδια η φάση που παίζει ρόλο, αλλά η μετατόπιση φάσης μεταξύ οποιωνδήποτε δύο περιοδικών διεργασιών.

Στην περίπτωση αυτή, ο όρος «φάση» νοείται ως ένα στάδιο ανάπτυξης της διεργασίας και σε αυτή την περίπτωση, σε σχέση με τα εναλλασσόμενα ρεύματα και τις ημιτονοειδείς τάσεις, η φάση ονομάζεται κατάσταση του εναλλασσόμενου ρεύματος σε μια ορισμένη στιγμή στο χρόνος.

Τα σχήματα δείχνουν: τη σύμπτωση τάσης U1 και ρεύματος I1 σε φάση, τάσης U1 και U2 σε αντιφάση, καθώς και τη μετατόπιση φάσης μεταξύ του ρεύματος I1 και της τάσης U2. Η μετατόπιση φάσης μετριέται σε ακτίνια, μέρη μιας περιόδου, σε μοίρες.

Δείτε επίσης: Τι είναι φάση, γωνία φάσης και μετατόπιση φάσης

Πλάτος Um και Im

Μιλώντας για το μέγεθος του ημιτονοειδούς εναλλασσόμενου ρεύματος ή του ημιτονοειδούς εναλλασσόμενου EMF, η υψηλότερη τιμή του EMF ή του ρεύματος ονομάζεται τιμή πλάτους ή πλάτους (μέγιστη).

Εύρος — η μεγαλύτερη τιμή της ποσότητας που εκτελεί αρμονικές ταλαντώσεις (για παράδειγμα, η μέγιστη τιμή της έντασης ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα, η απόκλιση του ταλαντούμενου εκκρεμούς από τη θέση ισορροπίας), η μεγαλύτερη απόκλιση της ταλαντούμενης ποσότητας από μια ορισμένη τιμή, υπό όρους αποδεκτό ως αρχικό μηδέν.

Αυστηρά μιλώντας, ο όρος πλάτος αναφέρεται μόνο σε ημιτονοειδείς ταλαντώσεις, αλλά συνήθως (όχι πολύ σωστά) εφαρμόζεται με την παραπάνω έννοια σε όλες τις ταλαντώσεις.

Αν μιλάμε για έναν εναλλάκτη, τότε το EMF των ακροδεκτών του δύο φορές ανά περίοδο φτάνει σε μια τιμή πλάτους, η πρώτη από τις οποίες είναι + Em, η δεύτερη είναι Em, αντίστοιχα, κατά τη διάρκεια του θετικού και του αρνητικού ημικύκλου. Το ρεύμα I συμπεριφέρεται παρόμοια και συμβολίζεται με το Im ανάλογα.

Αρμονικές δονήσεις — ταλαντώσεις στις οποίες ένα ταλαντούμενο μέγεθος, όπως η τάση σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, μεταβάλλεται με το χρόνο σύμφωνα με έναν αρμονικό ημιτονοειδές ή συνημιτονικό νόμο. Γραφικά παριστάνεται με ημιτονοειδή καμπύλη.

Οι πραγματικές διεργασίες μπορούν μόνο να προσεγγίσουν τις αρμονικές ταλαντώσεις. Ωστόσο, εάν οι ταλαντώσεις αντικατοπτρίζουν τα πιο χαρακτηριστικά γνωρίσματα της διαδικασίας, τότε μια τέτοια διαδικασία θεωρείται αρμονική, γεγονός που διευκολύνει πολύ την επίλυση πολλών φυσικών και τεχνικών προβλημάτων.

Κινήσεις κοντά σε αρμονικές ταλαντώσεις συμβαίνουν σε διάφορα συστήματα: μηχανικές (ταλαντώσεις εκκρεμούς), ακουστικές (ταλαντώσεις στήλης αέρα σε σωλήνα οργάνου), ηλεκτρομαγνητικές (ταλαντώσεις σε κύκλωμα LC) κ.λπ.Η θεωρία των ταλαντώσεων εξετάζει αυτά τα φαινόμενα, διαφορετικά στη φυσική φύση, από μια ενιαία σκοπιά και καθορίζει τις κοινές τους ιδιότητες.

Είναι βολικό να αναπαραστήσουμε τις αρμονικές ταλαντώσεις γραφικά χρησιμοποιώντας ένα διάνυσμα που περιστρέφεται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα γύρω από έναν άξονα κάθετο σε αυτό το διάνυσμα και διέρχεται από την αρχή του. Η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του διανύσματος αντιστοιχεί στην κυκλική συχνότητα της αρμονικής ταλάντωσης.

Διανυσματικό διάγραμμα μιας αρμονικής δόνησης

Μια περιοδική διαδικασία οποιασδήποτε μορφής μπορεί να αποσυντεθεί σε μια άπειρη σειρά απλών αρμονικών ταλαντώσεων με διαφορετικές συχνότητες, πλάτη και φάσεις.

Αρμονικός — μια αρμονική δόνηση της οποίας η συχνότητα είναι ακέραιος αριθμός φορές μεγαλύτερη από τη συχνότητα κάποιας άλλης δόνησης, που ονομάζεται θεμελιώδης τόνος. Ο αριθμός της αρμονικής δείχνει πόσες φορές η συχνότητά της είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα του θεμελιώδους τόνου (για παράδειγμα, η τρίτη αρμονική είναι μια αρμονική δόνηση με συχνότητα τρεις φορές μεγαλύτερη από τη συχνότητα του θεμελιώδους τόνου).

Οποιεσδήποτε περιοδικές αλλά όχι αρμονικές (δηλαδή διαφορετικές σε σχήμα από τις ημιτονοειδείς) ταλαντώσεις μπορούν να αναπαρασταθούν ως ένα άθροισμα αρμονικών ταλαντώσεων - ο θεμελιώδης τόνος και ένας αριθμός αρμονικών. Όσο περισσότερο η εξεταζόμενη ταλάντωση διαφέρει ως προς τη μορφή από μια ημιτονοειδή, τόσο περισσότερες αρμονικές περιέχει.

Στιγμιαία αξία του u και του i

Η τιμή του EMF ή του ρεύματος σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή ονομάζεται στιγμιαία τιμή, συμβολίζονται με πεζά γράμματα u και i. Αλλά επειδή αυτές οι τιμές αλλάζουν συνεχώς, δεν είναι βολικό να υπολογίζουμε τα ρεύματα AC και τα EMF από αυτά.

Τιμές RMS των I, E και U

Η ικανότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος να εκτελεί χρήσιμη εργασία, όπως η μηχανική περιστροφή του ρότορα ενός κινητήρα ή η παραγωγή θερμότητας σε μια συσκευή θέρμανσης, εκτιμάται εύκολα από τις ενεργές τιμές των emfs και των ρευμάτων.

Ετσι, πραγματική παρούσα αξία ονομάζεται η τιμή ενός τέτοιου συνεχούς ρεύματος το οποίο, όταν διέρχεται από έναν αγωγό κατά τη διάρκεια μιας περιόδου του υπό εξέταση εναλλασσόμενου ρεύματος, παράγει το ίδιο μηχανικό έργο ή την ίδια ποσότητα θερμότητας με αυτό το εναλλασσόμενο ρεύμα.

Οι τιμές RMS των τάσεων, των emfs και των ρευμάτων υποδεικνύονται με κεφαλαία γράμματα I, E και U. Για ημιτονοειδές εναλλασσόμενο ρεύμα και για ημιτονοειδή εναλλασσόμενη τάση, οι ενεργές τιμές είναι:

Για να περιγράψουμε τα ηλεκτρικά δίκτυα, είναι βολικό να χρησιμοποιήσετε την πραγματική τιμή του ρεύματος και της τάσης. Για παράδειγμα, μια τιμή 220-240 βολτ είναι η πραγματική τιμή της τάσης στις σύγχρονες οικιακές πρίζες και το πλάτος είναι πολύ υψηλότερο - από 311 έως 339 βολτ.

Το ίδιο και με το ρεύμα, για παράδειγμα όταν λένε ότι ένα ρεύμα 8 αμπέρ διαρρέει μια συσκευή θέρμανσης οικιακής χρήσης, σημαίνει πραγματική τιμή, ενώ το πλάτος είναι 11,3 αμπέρ.

Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, η μηχανική εργασία και η ηλεκτρική ενέργεια στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις είναι ανάλογες με τις πραγματικές τιμές των τάσεων και των ρευμάτων. Ένα σημαντικό μέρος των συσκευών μέτρησης δείχνουν ακριβώς τις πραγματικές τιμές των τάσεων και των ρευμάτων.