Що таке змінний струм і чим він відрізняється від струму постійного

Змінний струм, на відміну від струму незмінного, безперервно змінюється як за величиною, так і за напрямком, при цьому зміни ці відбуваються часом, т. Е. Точно повторюються через рівні проміжки часу.

Щоб викликати в ланцюзі такий струм, вживаються джерела змінного струму, що створюють змінну ЕРС, часом змінюється за величиною і напрямком.
Такі джерела називаються генераторами змінного струму.

На рис. 1 показана схема пристрою (модель) простого генератора змінного струму.

Прямокутна рамка, зроблена з мідного дроту, укріплена на осі і з допомогою пасової передачі крутиться в поле магніту. Кінці рамки припаяні до мідних контактних кілець, які, обертаючись разом з рамкою, ковзають по контактних пластин (щіток).

Малюнок 1. Схема простого генератора змінного струму

Переконаємося в тому, що такий пристрій дійсно є
джерелом змінної ЕРС.

Уявімо, що магніт робить між своїми полюсами рівномірне магнітне поле, т. Е. Таке, в якому щільність магнітних силових ліній в будь-якій частині поля одноманітна.
обертаючись, рамка перетинає силові лінії магнітного поля, і в кожній з її сторін а і б индуктируются ЕРС.

Сторони ж в і г рамки - неробочі, тому що при обертанні рамки вони не перетинають силових ліній магнітного поля і, як слід, не беруть участі в розробці ЕРС.

Першої-ліпшої хвилини часу ЕРС, що виникає в стороні а, обернена у напрямку ЕРС, що виникає в стороні б, але в рамці обидві ЕРС діють згідно і в сумі складають обшую ЕРС, т. Е. Індуковану всій рамкою.

У цьому неважко переконатися, якщо використовувати для визначення напрямку ЕРС відоме нам правило правої руки.

Для цього потрібно долоню правої руки розташувати так, щоб вона була звернена в бік північного полюса магніту, а великий відігнутий палець збігався з напрямом руху тієї
боку рамки, в якій ми бажаємо знайти напрям ЕРС. Тоді напрямок ЕРС в ній вкажуть витягнуті пальці руки.

Для будь-якого положення рамки ми не визначали напрямок ЕРС в сторонах а й б, вони завжди складаються і утворюють загальну ЕРС в рамці. При цьому з кожним оборотом рамки напрямок загальної ЕРС змінюється в ній на оборотне, тому що будь-яка з робочих боків рамки за один оборот проходить під різними полюсами магніту.

Величина ЕРС, індукованої в рамці, також змінюється, тому що змінюється швидкість, з якою сторони рамки перетинають силові лінії магнітного поля. Дійсно, в той час, коли рамка підходить до власного вертикального положення і проходить його, швидкість схрещення силових ліній сторонами рамки буває більшою, і в рамці индуктируется велика ЕРС. У ті моменти часу, коли рамка проходить своє горизонтальне положення, її боку начебто ковзають уздовж магнітних силових ліній, не перетинаючи їх, і ЕРС НЕ индуктируется.

Таким чином, при рівномірному обертанні рамки в ній буде индуктироваться ЕРС, часом змінюється як за величиною, так і за напрямком.

ЕРС, що виникає в рамці, можна виміряти приладом і використовувати для створення струму в зовнішньому ланцюзі.

Використовуючи явище електричної індукції, можна отримати змінну ЕРС і, як слід, змінний струм.

Змінний струм для промислових цілей і для освітлення виробляється сильними генераторами, які приводилися в обертання паровими або водяними турбінами і двигунами внутрішнього згоряння.

Графічне зображення постійного і перемінного струмів

Графічний спосіб дає можливість наочно уявити процес зміни тієї чи іншої змінної величини залежно від часу.

Побудова графіків змінних величин, що міняються з часом, починають з побудови 2-ух взаємно перпендикулярних ліній, іменованих осями графіка. Потім на горизонтальній осі в певному масштабі відкладають відрізки часу, а на вертикальній, також в деякій масштабі, - значення тієї величини, графік якої збираються збудувати (ЕРС, напруги або струму).

На рис. 2 графічно зображені незмінний і змінний струми. В цьому випадку ми відкладаємо значення струму, при цьому вгору по вертикалі від точки перетину осей Про відкладаються значення струму 1-го напрямку, яке прийнято називати позитивним, а вниз від цієї точки - зворотного напрямку, яке прийнято називати негативним.

Малюнок 2. Графічне зображення постійного і перемінного
струму

Сама точка Про служить відразу початком відліку значень струму (по вертикалі вниз і вгору) і часу (по горизонталі на право). Інакше кажучи, цій точці відповідає нульове
значення струму і той вихідний момент часу, від якого ми маємо намір простежити, як в майбутньому буде змінюватися струм.

Переконаємося в коректності побудованого на рис. 2, а графіка незмінного
струму величиною 50 мА.

Тому що цей струм незмінний, т. Е. Що не міняє з часом власної величини і напрямки, то різним моментам часу будуть відповідати одні і ті ж значення струму, т. Е.
50 мА. Отже, в момент часу, рівний нулю, т. Е. В вихідний момент нашого спостереження за струмом, він буде дорівнює 50 мА. Відклавши по вертикальної осі вгору відрізок, що дорівнює значенню струму 50 мА, ми отримаємо першу точку нашого графіка.

Те ж саме ми повинні зробити і для подальшого моменту
часу, відповідного точці 1 на осі часу, т. е. відкласти від цієї точки вертикально вгору відрізок, також рівний 50 мА. Кінець відрізка зумовить нам другу точку графіка.

Проробивши схоже побудова для кількох наступних моментів часу, ми отримаємо ряд точок, з`єднання яких дасть пряму лінію, яка є графічним зображенням незмінного струму величиною 50 мА.

Побудова графіка змінної ЕРС

Перейдемо тепер до дослідження графіка змінної ЕРС. На рис. 3 у верхній
частини показана рамка, що обертається в магнітному полі, а внизу дано графічне
зображення виникає змінної ЕРС.

Почнемо помірно крутити рамку за годинниковою стрілкою і простежимо за ходом конфігурації в ній ЕРС, прийнявши за вихідний момент горизонтальне положення рамки.

У цей вихідний момент ЕРС буде дорівнювати нулю, тому що сторони рамки не перетинають магнітних силових ліній. На графіку це нульове значення ЕРС, відповідне моменту
t = 0, відіб`ється точкою 1.

При подальшому обертанні рамки в ній почне з`являтися ЕРС і буде зростати за величиною до того часу, поки рамка не досягне свого вертикального положення. На графіку це зростання ЕРС
відіб`ється плавної піднімається вгору кривої, яка досягає своєї верхівки
(Точка 2).

У міру наближення рамки до горизонтального положення ЕРС в ній буде спадати і звалиться до нуля. На графіку це відіб`ється спадаючої плавною кривою.

Отже, за час, відповідне половині обороту рамки, ЕРС в ній встигла зрости від нуля до більшої величини і знову зменшитися до нуля (точка 3).

При подальшому обертанні рамки в ній знову виникне ЕРС і буде поступово збільшуватися за величиною, але напрямок її вже зміниться на протилежне, в чому можна переконатися, застосувавши правило правої руки.

Графік враховує зміну напрямку ЕРС тим, що крива, що зображує ЕРС, перетинає вісь часу і розміщується зараз нижче цієї осі. ЕРС зростає знову-таки до того часу, поки рамка не займе вертикальне положення. Потім почнеться убування ЕРС, і величина її стане рівною нулю, коли рамка повернеться в своє початкове положення, зробивши один повний оборот. На графіку це виразиться тим, що крива ЕРС, досягнувши в зворотному напрямку власної верхівки (точка 4), зустрінеться потім з віссю часу (точка 5).

На цьому завершується один цикл конфігурації ЕРС, але якщо продовжувати обертання рамки, негайно ж починається 2-ий цикл, в точності повторює 1-ий, за яким, у свою чергу, піде 3-ий, а пізніше 4-ий, і так до того часу, поки ми не зупинимо обертання рамки.

Таким чином, за кожен оборот рамки ЕРС, що виникає в ній, здійснює повний цикл власного конфігурації.

Якщо ж рамка буде замкнута на будь-яку зовнішню ланцюг, то по ланцюгу потече змінний струм, графік якого буде по виду таким же, як і графік ЕРС.

Придбана нами хвилеподібна крива називається синусоїдою, а струм, ЕРС або напруга, що змінюються за таким законом, називаються
синусоїдальними.

Сама крива названа синусоїдою тому, що вона є графічним зображенням змінної тригонометричної величини, що називається синусом.

Синусоїдальний характер зміни струму - найпоширеніший в електротехніці, тому, говорячи про змінний струм,
майже завжди мають на увазі синусоїдальний струм.

Для зіставлення різних змінних струмів (ЕРС і напруг) є величини, що характеризують той чи інший струм. вони іменуються
параметрами змінного струму.

Період, амплітуда і частота - характеристики змінного струму

Змінний струм характеризується 2-ма параметрами - періодом і
амплітудою, знаючи які ми можемо судити, який це змінний струм, і побудувати графік струму.

Малюнок 4. Крива синусоїдального струму

Проміжок часу, протягом якого відбувається
повний цикл конфігурації струму, іменується періодом. Період позначається літерою
Т і вимірюється в секундах.

Проміжок часу, протягом якого відбувається половина повного циклу конфігурації струму, іменується напівперіодом.
Отже, період конфігурації струму (ЕРС якого напруження) складається з 2-ух полупериодов.
Цілком очевидно, що всі періоди 1-го і такого ж змінного струму рівні між собою.

Як видно з графіка, протягом 1-го періоду власного конфігурації ток домагається два рази максимального значення.

Найбільше значення змінного струму (ЕРС якого напруження) називається його амплітудою або амплітудним значенням струму.

Im, Em і Um - прийняті позначення амплітуд струму, ЕРС і напруги.

Ми спочатку звернули увагу на амплітудне значення струму, але, як це видно з графіка, існує незліченна безліч проміжних його значень, менших амплітудного.

Значення змінного струму (ЕРС, напруги), відповідне будь-якого обраного моменту часу, називається його моментальним значенням.

i, е і u - прийняті позначення миттєвих значень струму, ЕРС і напруги.

Секундне значення струму, як і амплітудне його значення, просто знайти за допомогою графіка. Для цього з будь-якої точки на горизонтальній осі, відповідної цікавить нас моменту часу, проведемо вертикальну лінію до точки перетину з кривою струму-придбаний відрізок вертикальної прямої зумовить значення струму на цей момент, т. Е. Секундне його значення.

Зрозуміло, що секундне значення струму після закінчення часу
Т / 2 від вихідної точки графіка дорівнюватиме нулю, а після закінчення часу -
T / 4 його амплітудному значенням. Струм також досягає свого амплітудного значення-але вже в зворотному на
правлінні, після закінчення часу, рівного 3/4 Т.

Отже, графік показує, як з часом змінюється струм в ланцюзі, і що кожному моменту часу відповідає тільки одне певне значення як величини, так і напрямку струму. При цьому значення струму на цей момент часу в одній точці ланцюга буде точно таким же в будь-якій іншій точці цього ланцюга.

Число повних періодів, що здійснюються струмом в 1 секунду, іменується
частотою змінного струму і позначається латинською літерою
f.

Щоб знайти частоту змінного струму, т. Е. З`ясувати, скільки періодів власного конфігурації ток зробив протягом 1 секунди, потрібно 1 секунду поділити на час 1-го періоду
f = 1 / T. Знаючи частоту змінного струму, можна знайти період:
T = 1 / f

Частота змінного струму вимірюється одиницею, що називається герцем.

Якщо ми маємо змінний струм, частота конфігурації якого
дорівнює 1 Герцена, то період такого струму буде дорівнює 1 секунді. І, навпаки, якщо
період конфігурації струму дорівнює 1 секунді, то частота такого струму дорівнює 1 герц.

Отже, ми визначили характеристики змінного струму - період, амплітуду і частоту, - які дозволяють відрізняти один від одного різні змінні струми, ЕРС і напруги і будувати, коли це потрібно, їх графіки.

При визначенні опору різних ланцюгів змінним струмом використовувати ще одна допоміжну величину, що характеризує змінний струм, так звану кутову або радіальну частоту.

Радіальна частота позначається літерою
ω і пов`язана з частотою
f співвідношенням ω
= 2πf

Пояснимо цю залежність. При побудові графіка змінної ЕРС ми бачили, що за час 1-го повного обороту рамки відбувається повний цикл конфігурації ЕРС. Інакше кажучи, для того щоб рамці зробити один оборот, т. Е. Обернутися на 360 °, потрібен час, рівне
одного періоду, т. е. Т секунд. Тоді за 1 секунду рамка здійснює 360 ° / T
обороту. Отже, 360 ° / T є кут, на який
повертається рамка в 1 секунду, і висловлює собою швидкість обертання рамки, яку прийнято називати кутовий або радіальний швидкістю.

Але тому що період Т пов`язаний з частотою f співвідношенням f = 1 / T,
то і радіальна швидкість може бути виражена через частоту і буде дорівнює
ω = 360 ° f.

Отже, ми прийшли до висновку, що
ω = 360 ° f. Але для зручності використання радіальний частотою при різних розрахунках кут 360 °, відповідний одному обороту, підміняють його круговим виразом, рівним 2π радіан, де π = 3,14.
Таким чином, зовсім отримаємо
ω = 2πf.
Отже, щоб знайти радіальну частоту змінного струму (ЕРС якого напруження), потрібно частоту в герцах помножити на постійне число 6,28.