Was ist Wechselstrom und wie unterscheidet er sich vom Gleichstrom?
Wechselstrom hingegen Gleichstrom, ändert sich ständig in Größe und Richtung, und diese Änderungen treten periodisch auf, das heißt, sie wiederholen sich in genau gleichen Abständen.
Um einen solchen Strom im Stromkreis zu induzieren, verwenden Sie Wechselstromquellen, die eine alternierende EMK erzeugen, deren Größe und Richtung sich periodisch ändert. Solche Quellen werden als Lichtmaschinen bezeichnet.
In Abb. In Abb. 1 zeigt ein Gerätediagramm (Modell) des einfachsten Generator.
Ein rechteckiger Rahmen aus Kupferdraht, der auf der Achse befestigt ist und über einen Riemenantrieb im Feld gedreht wird Magnet… Die Enden des Rahmens sind mit Kupferringen verlötet, die rotierend mit dem Rahmen auf den Kontaktplatten (Bürsten) gleiten.
Abbildung 1. Diagramm des einfachsten Generators
Stellen wir sicher, dass ein solches Gerät tatsächlich eine Quelle variabler EMF ist.
Angenommen, ein Magnet erzeugt zwischen seinen Polen Energie gleichmäßiges Magnetfeld, also eines, bei dem die Dichte der magnetischen Feldlinien in jedem Teil des Feldes gleich ist.Beim Drehen kreuzt der Rahmen die Kraftlinien des Magnetfelds auf jeder seiner Seiten a und b EMF induziert.
Die Seiten c und d des Rahmens funktionieren nicht, da sie beim Drehen des Rahmens die Kraftlinien des Magnetfelds nicht kreuzen und daher nicht an der Entstehung der EMF beteiligt sind.
Zu jedem Zeitpunkt ist die auf Seite a auftretende EMF in entgegengesetzter Richtung zu der auf Seite b auftretenden EMF gerichtet, aber im Rahmen wirken beide EMF entsprechend der gesamten EMF und addieren sich zu dieser, d. h. sie werden durch den gesamten Rahmen induziert.
Dies lässt sich leicht überprüfen, wenn wir die uns bekannte Rechte-Hand-Regel verwenden, um die Richtung der EMF zu bestimmen.
Platzieren Sie dazu die Handfläche der rechten Hand so, dass sie zum Nordpol des Magneten zeigt und der gebogene Daumen mit der Bewegungsrichtung der Seite des Rahmens übereinstimmt, in der wir die Richtung der EMF bestimmen möchten. Dann wird die Richtung des EMF darin durch die ausgestreckten Finger der Hand angezeigt.
Für welche Position des Rahmens auch immer wir die Richtung der EMK auf den Seiten a und b bestimmen, sie summieren sich immer und bilden eine Gesamt-EMK im Rahmen. Gleichzeitig ändert sich bei jeder Drehung des Rahmens die Richtung der darin enthaltenen Gesamt-EMK in die entgegengesetzte Richtung, da jede der Arbeitsseiten des Rahmens bei einer Umdrehung unter verschiedenen Polen des Magneten verläuft.
Die Größe der im Rahmen induzierten EMF ändert sich auch, wenn sich die Geschwindigkeit ändert, mit der die Seiten des Rahmens die Magnetfeldlinien kreuzen. Tatsächlich ist in dem Moment, in dem sich der Rahmen seiner vertikalen Position nähert und diese passiert, die Geschwindigkeit beim Überqueren der Kraftlinien an den Seiten des Rahmens am höchsten und die größte EMK wird im Rahmen induziert.In diesen Momenten, in denen der Rahmen seine horizontale Position überschreitet, scheinen seine Seiten entlang der magnetischen Feldlinien zu gleiten, ohne sie zu kreuzen, und es wird keine EMF induziert.
Daher wird bei gleichmäßiger Drehung des Rahmens darin eine EMF induziert, die sich periodisch sowohl in ihrer Größe als auch in ihrer Richtung ändert.
Die im Rahmen auftretende EMK kann von einem Gerät gemessen und zur Erzeugung eines Stroms im externen Stromkreis genutzt werden.
Benutzen Phänomen der elektromagnetischen Induktion, können Sie Wechsel-EMF und damit Wechselstrom erhalten.
Wechselstrom für industrielle Zwecke und zur Beleuchtung erzeugt durch leistungsstarke Generatoren, die von Dampf- oder Wasserturbinen und Verbrennungsmotoren angetrieben werden.
Grafische Darstellung von Wechsel- und Gleichströmen
Die grafische Methode ermöglicht es, den Prozess der Änderung einer bestimmten Variablen in Abhängigkeit von der Zeit zu visualisieren.
Das Zeichnen von Variablen, die sich im Laufe der Zeit ändern, beginnt mit dem Zeichnen zweier zueinander senkrechter Linien, den sogenannten Achsen des Diagramms. Anschließend werden auf der horizontalen Achse in einem bestimmten Maßstab Zeitintervalle und auf der vertikalen Achse ebenfalls in einem bestimmten Maßstab die Werte der darzustellenden Größe (EMF, Spannung oder Strom) aufgetragen.
In Abb. 2 grafisch dargestellt Gleichstrom und Wechselstrom ... In diesem Fall verzögern wir die Stromwerte und die Stromwerte einer Richtung, die üblicherweise als positiv bezeichnet wird, werden vertikal vom Schnittpunkt der Achsen O verzögert und von diesem Punkt nach unten die entgegengesetzte Richtung, die üblicherweise als negativ bezeichnet wird.
Abbildung 2. Grafische Darstellung von Gleich- und Wechselstrom
Der Punkt O selbst dient sowohl als Ursprung der aktuellen Werte (vertikal nach unten und oben) als auch der Zeit (horizontal nach rechts).Mit anderen Worten, dieser Punkt entspricht dem Nullwert des Stroms und diesem Startzeitpunkt, von dem aus wir verfolgen wollen, wie sich der Strom in der Zukunft verändern wird.
Lassen Sie uns die Richtigkeit dessen überprüfen, was in Abb. dargestellt ist. 2 und ein 50-mA-Gleichstromdiagramm.
Da dieser Strom konstant ist, das heißt, er ändert seine Größe und Richtung im Laufe der Zeit nicht, entsprechen die gleichen Stromwerte unterschiedlichen Zeitpunkten, also 50 mA. Daher beträgt der Strom zum Zeitpunkt Null, also zum ersten Zeitpunkt unserer Beobachtung, 50 mA. Wenn wir auf der vertikalen Achse nach oben ein Segment zeichnen, das dem Stromwert von 50 mA entspricht, erhalten wir den ersten Punkt unseres Diagramms.
Wir müssen dasselbe für den nächsten Zeitpunkt tun, der Punkt 1 auf der Zeitachse entspricht, d. h. von diesem Punkt aus ein Segment vertikal nach oben verschieben, das ebenfalls 50 mA entspricht. Das Ende des Segments definiert für uns den zweiten Punkt des Diagramms.
Nachdem wir für mehrere aufeinanderfolgende Zeitpunkte eine ähnliche Konstruktion erstellt haben, erhalten wir eine Reihe von Punkten, deren Verbindung eine gerade Linie ergibt, die eine grafische Darstellung eines konstanten Stromwerts von 50 mA darstellt.
Zeichnen einer variablen EMF
Fahren wir mit der Untersuchung des Variablendiagramms der EMF fort... In Abb. In 3 ist oben ein Rahmen dargestellt, der sich in einem Magnetfeld dreht, und unten ist eine grafische Darstellung der resultierenden variablen EMF angegeben.
Abbildung 3. Darstellung der Variablen EMF
Wir beginnen, den Rahmen gleichmäßig im Uhrzeigersinn zu drehen und verfolgen den Verlauf der EMF-Änderungen darin, wobei wir die horizontale Position des Rahmens als Anfangsmoment nehmen.
In diesem ersten Moment ist die EMF Null, da die Seiten des Rahmens die magnetischen Feldlinien nicht kreuzen.In der Grafik wird dieser Nullwert der EMF, der dem Zeitpunkt t = 0 entspricht, durch Punkt 1 dargestellt.
Bei weiterer Drehung des Rahmens beginnt die EMF darin zu erscheinen und nimmt zu, bis der Rahmen seine vertikale Position erreicht. In der Grafik wird dieser Anstieg der EMF durch eine sanft ansteigende Kurve dargestellt, die ihren Höhepunkt erreicht (Punkt 2).
Wenn sich der Rahmen der horizontalen Position nähert, nimmt die darin enthaltene EMF ab und fällt auf Null. In der Grafik wird dies als fallende glatte Kurve dargestellt.
Daher konnte die darin enthaltene EMF während der Zeit, die einer halben Umdrehung des Rahmens entspricht, von Null auf den Maximalwert ansteigen und wieder auf Null sinken (Punkt 3).
Bei weiterer Drehung des Rahmens wird die EMF darin wieder auftauchen und allmählich an Größe zunehmen, ihre Richtung ändert sich jedoch bereits in die entgegengesetzte Richtung, wie man anhand der Rechts-Hand-Regel sehen kann.
Das Diagramm berücksichtigt die Richtungsänderung der EMF, sodass die Kurve, die die EMF darstellt, die Zeitachse schneidet und nun unterhalb dieser Achse liegt. Die EMK nimmt wieder zu, bis der Rahmen eine vertikale Position einnimmt.
Dann beginnt die EMF zu sinken und ihr Wert wird Null, wenn der Rahmen nach einer vollständigen Umdrehung in seine ursprüngliche Position zurückkehrt. In der Grafik wird dies dadurch ausgedrückt, dass die EMF-Kurve, die ihren Höhepunkt in der entgegengesetzten Richtung erreicht (Punkt 4), dann auf die Zeitachse trifft (Punkt 5).
Damit ist ein Zyklus der EMF-Änderung abgeschlossen, aber wenn Sie die Drehung des Rahmens fortsetzen, beginnt sofort der zweite Zyklus, der den ersten genau wiederholt, worauf wiederum der dritte, dann der vierte usw. folgt, bis wir aufhören Der Rotationsrahmen.
Somit durchläuft die darin auftretende EMF bei jeder Drehung des Rahmens einen vollständigen Zyklus ihrer Änderung.
Wenn der Rahmen an einen externen Stromkreis angeschlossen ist, fließt ein Wechselstrom durch den Stromkreis, dessen Diagramm genauso aussieht wie das EMF-Diagramm.
Die resultierende Wellenform wird als Sinuswelle bezeichnet, und der Strom, die EMF oder die Spannung, die sich gemäß diesem Gesetz ändern, werden als Sinuswelle bezeichnet.
Die Kurve selbst wird Sinuskurve genannt, da es sich um eine grafische Darstellung einer variablen trigonometrischen Größe namens Sinus handelt.
Der sinusförmige Charakter der Stromänderung kommt in der Elektrotechnik am häufigsten vor. Wenn man also von Wechselstrom spricht, meint man in den meisten Fällen sinusförmigen Strom.
Um verschiedene Wechselströme (EMFs und Spannungen) zu vergleichen, gibt es Werte, die einen bestimmten Strom charakterisieren. Diese werden als AC-Parameter bezeichnet.
Periode, Amplitude und Frequenz – AC-Parameter
Wechselstrom wird durch zwei Parameter charakterisiert – Monatszyklus und Amplitude. Mit deren Kenntnis können wir abschätzen, um welche Art von Wechselstrom es sich handelt, und ein Diagramm des Stroms erstellen.
Abbildung 4. Sinusförmige Stromkurve
Der Zeitraum, in dem ein vollständiger Zyklus der Stromänderung stattfindet, wird als Periode bezeichnet. Die Periode wird mit dem Buchstaben T bezeichnet und in Sekunden gemessen.
Der Zeitraum, in dem die Hälfte eines vollständigen Stromänderungszyklus auftritt, wird als Halbzyklus bezeichnet. Daher besteht die Periode der Stromänderung (EMF oder Spannung) aus zwei Halbperioden. Es ist ganz offensichtlich, dass alle Perioden desselben Wechselstroms einander gleich sind.
Wie aus der Grafik ersichtlich ist, erreicht der Strom während einer Periode seiner Änderung das Doppelte seines Maximalwerts.
Der Maximalwert eines Wechselstroms (EMF oder Spannung) wird als Amplitude oder Spitzenstromwert bezeichnet.
Im, Em und Um sind gebräuchliche Bezeichnungen für Strom-, EMF- und Spannungsamplituden.
Zunächst einmal haben wir aufgepasst SpitzenstromAllerdings gibt es, wie aus der Grafik hervorgeht, unzählige Zwischenwerte, die kleiner als die Amplitude sind.
Der Wert des Wechselstroms (EMF, Spannung), der einem beliebigen ausgewählten Zeitpunkt entspricht, wird als Momentanwert bezeichnet.
i, e und u sind allgemein akzeptierte Bezeichnungen der Momentanwerte von Strom, EMK und Spannung.
Der Momentanwert des Stroms sowie dessen Spitzenwert lassen sich anhand der Grafik leicht ermitteln. Zeichnen Sie dazu von jedem Punkt auf der horizontalen Achse, der dem Zeitpunkt entspricht, der uns interessiert, eine vertikale Linie zum Schnittpunkt mit der aktuellen Kurve; Das resultierende Segment der vertikalen Linie bestimmt den Wert des Stroms zu einem bestimmten Zeitpunkt, d. h. seinen Momentanwert.
Offensichtlich ist der Momentanwert des Stroms nach der Zeit T / 2 vom Startpunkt des Diagramms Null und nach der Zeit T / 4 sein Amplitudenwert. Auch der Strom erreicht seinen Spitzenwert; aber bereits in die entgegengesetzte Richtung, nach einer Zeit von 3/4 T.
Die Grafik zeigt also, wie sich der Strom im Stromkreis im Laufe der Zeit ändert und dass jedem Zeitpunkt nur ein bestimmter Wert sowohl der Größe als auch der Richtung des Stroms entspricht. In diesem Fall ist der Stromwert zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem Punkt im Stromkreis an jedem anderen Punkt dieses Stromkreises genau derselbe.
Sie bezeichnet die Anzahl der vollständigen Perioden, die der Strom in einer Sekunde der Wechselstromfrequenz durchläuft, und wird mit dem lateinischen Buchstaben f bezeichnet.
Um die Frequenz eines Wechselstroms zu bestimmen, also herauszufinden, wie viele Perioden seiner Änderung der Strom in 1 Sekunde vorgenommen hat, ist es notwendig, 1 Sekunde durch die Zeit einer Periode f = 1 / T zu dividieren. Kenntnis der Frequenz des Wechselstroms können Sie die Periode bestimmen: T = 1 / f
Wechselstromfrequenz Sie wird in der Einheit Hertz gemessen.
Wenn wir einen Wechselstrom haben, dessen Frequenz 1 Hertz beträgt, dann beträgt die Periode eines solchen Stroms 1 Sekunde. Wenn umgekehrt die Änderungsperiode des Stroms 1 Sekunde beträgt, beträgt die Frequenz eines solchen Stroms 1 Hertz.
Deshalb haben wir Wechselstromparameter – Periode, Amplitude und Frequenz – definiert, mit denen Sie zwischen verschiedenen Wechselstromströmen, EMFs und Spannungen unterscheiden und bei Bedarf deren Diagramme zeichnen können.
Verwenden Sie bei der Bestimmung des Widerstands verschiedener Stromkreise gegenüber Wechselstrom einen anderen Hilfswert, der den Wechselstrom charakterisiert, den sogenannten Winkel- oder Kreisfrequenz.
Kreisfrequenz bezogen auf die Frequenz f durch das Verhältnis 2 pif bezeichnet
Lassen Sie uns diese Abhängigkeit erklären. Beim Zeichnen des variablen EMF-Diagramms haben wir gesehen, dass eine vollständige Drehung des Rahmens zu einem vollständigen Zyklus der EMF-Änderung führt. Mit anderen Worten, damit der Rahmen eine Umdrehung macht, also um 360° dreht, dauert es eine Zeit, die einer Periode entspricht, also T Sekunden. Dann macht der Rahmen in 1 Sekunde eine 360°/T-Umdrehung. Daher ist 360°/T der Winkel, um den sich der Rahmen in 1 Sekunde dreht, und drückt die Rotationsgeschwindigkeit des Rahmens aus, die üblicherweise als Winkel- oder Kreisgeschwindigkeit bezeichnet wird.
Da aber die Periode T durch das Verhältnis f = 1 / T mit der Frequenz f zusammenhängt, kann die Kreisgeschwindigkeit auch als Frequenz ausgedrückt werden und beträgt 360 ° f.
Daraus sind wir zu dem Schluss gekommen, dass 360 ° f. Um jedoch die Verwendung der Kreisfrequenz für alle Berechnungen zu erleichtern, wird der 360°-Winkel, der einer Umdrehung entspricht, durch einen radialen Ausdruck ersetzt, der 2pi im Bogenmaß entspricht, wobei pi = 3,14. Also bekommen wir endlich 2pif. Um daher die Kreisfrequenz des Wechselstroms zu bestimmen (EMF oder Spannung), müssen Sie die Frequenz in Hertz mit einer konstanten Zahl 6,28 multiplizieren.