Cos'è la corrente alternata e in cosa differisce dalla corrente continua

Corrente alternata, Al contrario Corrente continua, cambia costantemente sia in grandezza che in direzione, e questi cambiamenti si verificano periodicamente, cioè si ripetono a intervalli esattamente uguali.

Per indurre una tale corrente nel circuito, utilizzare sorgenti di corrente alternata che creano un EMF alternato, cambiando periodicamente in grandezza e direzione Tali sorgenti sono chiamate alternatori.

Nella fig. 1 mostra uno schema del dispositivo (modello) del più semplice alternatore. 

Un telaio rettangolare in filo di rame, fissato sull'asse e ruotato sul campo mediante una trasmissione a cinghia magnete… Le estremità del telaio sono saldate ad anelli di rame che, ruotando con il telaio, scorrono sulle piastre di contatto (spazzole).

Figura 1. Schema dell'alternatore più semplice

Assicuriamoci che un tale dispositivo sia davvero una fonte di EMF variabile.

Supponiamo che un magnete crei tra i suoi poli campo magnetico uniforme, cioè uno in cui la densità delle linee del campo magnetico in ogni parte del campo è la stessa.ruotando, il telaio attraversa le linee di forza del campo magnetico in ciascuno dei suoi lati a e b EMF indotto. 

I lati c e d del telaio non funzionano, perché quando il telaio ruota, non attraversano le linee di forza del campo magnetico e quindi non partecipano alla creazione dell'EMF.

In qualsiasi istante di tempo, l'EMF che si verifica nel lato a è opposto nella direzione dell'EMF che si verifica nel lato b, ma nel frame entrambi gli EMF agiscono in base e si sommano all'EMF totale, cioè indotto dall'intero frame.

Questo è facile da verificare se usiamo la regola della mano destra che conosciamo per determinare la direzione dell'EMF.

Per fare ciò, posiziona il palmo della mano destra in modo che sia rivolto verso il polo nord del magnete e il pollice piegato coincida con la direzione del movimento di quel lato dell'inquadratura in cui vogliamo determinare la direzione dell'EMF. Quindi la direzione dell'EMF in esso sarà indicata dalle dita tese della mano.

Per qualunque posizione dell'inquadratura determiniamo la direzione dell'EMF nei lati a e b, si sommano sempre e formano un EMF totale nell'inquadratura. Allo stesso tempo, ad ogni rotazione del telaio, la direzione dell'EMF totale in esso cambia al contrario, poiché ciascuno dei lati di lavoro del telaio in un giro passa sotto diversi poli del magnete.

Anche l'entità dell'EMF indotto nel fotogramma cambia al variare della velocità con cui i lati del fotogramma attraversano le linee del campo magnetico. Infatti, nel momento in cui il telaio si avvicina alla sua posizione verticale e lo supera, la velocità di attraversamento delle linee di forza ai lati del telaio è la più alta e nel telaio viene indotta la massima fem.In quei momenti di tempo, quando il telaio supera la sua posizione orizzontale, i suoi lati sembrano scivolare lungo le linee del campo magnetico senza attraversarle e non viene indotto alcun campo elettromagnetico.

Pertanto, con una rotazione uniforme del telaio, verrà indotto un EMF, che cambia periodicamente sia in grandezza che in direzione.

L'EMF che si verifica nel telaio può essere misurato da un dispositivo e utilizzato per creare una corrente nel circuito esterno.

Usando fenomeno di induzione elettromagnetica, è possibile ottenere campi elettromagnetici alternati e quindi corrente alternata.

Corrente alternata per scopi industriali e per l'illuminazione prodotta da potenti generatori azionati da turbine a vapore o ad acqua e motori a combustione interna.

Rappresentazione grafica delle correnti AC e DC

Il metodo grafico consente di visualizzare il processo di modifica di una determinata variabile in base al tempo.

Il tracciamento delle variabili che cambiano nel tempo inizia tracciando due linee reciprocamente perpendicolari chiamate assi del grafico. Quindi, sull'asse orizzontale, su una certa scala, vengono tracciati gli intervalli di tempo e sull'asse verticale, sempre su una certa scala, i valori della quantità da tracciare (EMF, tensione o corrente).

Nella fig. 2 corrente continua e corrente alternata rappresentate graficamente ... In questo caso ritardiamo i valori correnti e i valori correnti di una direzione, che di solito viene chiamata positiva, vengono ritardati verticalmente dal punto di intersezione degli assi O , e giù da questo punto, la direzione opposta, che di solito è chiamata negativa.

Figura 2. Rappresentazione grafica di DC e AC

Il punto O stesso serve sia come origine dei valori correnti (verticalmente verso il basso e verso l'alto) sia come tempo (orizzontalmente a destra).In altre parole, questo punto corrisponde al valore zero della corrente e questo punto di partenza nel tempo da cui intendiamo tracciare come cambierà la corrente nel futuro.

Verifichiamo la correttezza di quanto riportato in fig. 2 e un grafico di corrente CC da 50 mA.

Poiché questa corrente è costante, cioè non cambia grandezza e direzione nel tempo, gli stessi valori di corrente corrisponderanno a diversi istanti di tempo, cioè 50 mA. Pertanto, nell'istante di tempo pari a zero, cioè nel momento iniziale della nostra osservazione della corrente, sarà pari a 50 mA. Tracciando un segmento pari al valore attuale di 50 mA sull'asse verticale verso l'alto, otteniamo il primo punto del nostro grafico.

Dobbiamo fare lo stesso per il prossimo momento temporale corrispondente al punto 1 sull'asse del tempo, cioè posticipare da questo punto verticalmente verso l'alto un segmento pari anche a 50 mA. La fine del segmento definirà per noi il secondo punto del grafico.

Avendo realizzato una costruzione simile per più punti successivi nel tempo, otteniamo una serie di punti, la cui connessione darà una linea retta, che è una rappresentazione grafica di un valore di corrente costante di 50 mA.

Tracciare una variabile EMF

Passiamo allo studio grafico variabile di EMF... In fig. 3, in alto è mostrato un fotogramma che ruota in un campo magnetico e di seguito è fornita una rappresentazione grafica della variabile EMF risultante.

Figura 3. Tracciare la variabile EMF

Iniziamo a ruotare uniformemente la cornice in senso orario e seguiamo il corso dei cambiamenti EMF in essa, prendendo la posizione orizzontale della cornice come momento iniziale.

In questo momento iniziale, l'EMF sarà zero perché i lati del telaio non attraversano le linee del campo magnetico.Sul grafico, questo valore zero di EMF corrispondente all'istante t = 0 è rappresentato dal punto 1.

Con un'ulteriore rotazione della cornice, l'EMF inizierà ad apparire al suo interno e aumenterà finché la cornice non raggiungerà la sua posizione verticale. Sul grafico, questo aumento dell'EMF sarà rappresentato da una curva ascendente regolare che raggiunge il suo picco (punto 2).

Man mano che la cornice si avvicina alla posizione orizzontale, l'EMF in essa contenuto diminuirà e scenderà a zero. Sul grafico, questo sarà rappresentato come una curva regolare discendente.

Pertanto, durante il tempo corrispondente a mezzo giro del telaio, l'EMF in esso è stato in grado di aumentare da zero al valore massimo e diminuire nuovamente a zero (punto 3).

Con un'ulteriore rotazione del telaio, l'EMF riapparirà in esso e aumenterà gradualmente di grandezza, ma la sua direzione cambierà già al contrario, come si può vedere applicando la regola della mano destra.

Il grafico tiene conto del cambiamento nella direzione dell'EMF, in modo che la curva che rappresenta l'EMF attraversi l'asse del tempo e ora si trovi al di sotto di quell'asse. L'EMF aumenta di nuovo fino a quando l'inquadratura assume una posizione verticale.

Quindi l'EMF inizierà a diminuire e il suo valore diventerà uguale a zero quando il frame tornerà alla sua posizione originale dopo aver completato un giro completo. Sul grafico, ciò sarà espresso dal fatto che la curva EMF, raggiungendo il suo picco nella direzione opposta (punto 4), incontrerà quindi l'asse del tempo (punto 5)

Questo completa un ciclo di modifica dell'EMF, ma se continui la rotazione del fotogramma, inizia immediatamente il secondo ciclo, ripetendo esattamente il primo, che a sua volta sarà seguito dal terzo, poi dal quarto e così via finché non ci fermiamo il telaio di rotazione.

Pertanto, per ogni rotazione del telaio, l'EMF che si verifica in esso completa un ciclo completo del suo cambiamento.

Se il telaio è chiuso a un circuito esterno, una corrente alternata scorrerà attraverso il circuito, il cui grafico avrà lo stesso aspetto del grafico EMF.

La forma d'onda risultante è chiamata onda sinusoidale e la corrente, EMF o tensione che varia secondo questa legge è chiamata sinusoidale.

La curva stessa è chiamata sinusoide perché è una rappresentazione grafica di una quantità trigonometrica variabile chiamata seno.

La natura sinusoidale del cambiamento di corrente è la più comune nell'ingegneria elettrica, quindi, parlando di corrente alternata, nella maggior parte dei casi si intende corrente sinusoidale.

Per confrontare diverse correnti alternate (EMF e tensioni), ci sono valori che caratterizzano una certa corrente. Questi sono chiamati parametri AC.

Periodo, ampiezza e frequenza: parametri CA

La corrente alternata è caratterizzata da due parametri: ciclo mensile e ampiezza, sapendo quali possiamo stimare che tipo di corrente alternata è e costruire un grafico della corrente.

Figura 4. Curva di corrente sinusoidale

Il periodo di tempo durante il quale si verifica un ciclo completo di cambiamento di corrente è chiamato periodo. Il periodo è indicato dalla lettera T ed è misurato in secondi.

Il periodo di tempo durante il quale si verifica la metà di un ciclo completo di cambiamento di corrente è chiamato mezzo ciclo, pertanto il periodo di cambiamento di corrente (EMF o tensione) è costituito da due semiperiodi. È abbastanza ovvio che tutti i periodi della stessa corrente alternata sono uguali tra loro.

Come si può vedere dal grafico, durante un periodo del suo cambiamento, la corrente raggiunge il doppio del suo valore massimo.

Il valore massimo di una corrente alternata (EMF o tensione) è chiamato il suo valore di ampiezza o corrente di picco.

Im, Em e Um sono designazioni comuni per le ampiezze di corrente, EMF e tensione.

Prima di tutto, abbiamo prestato attenzione corrente di picco, tuttavia, come si può vedere dal grafico, esistono innumerevoli valori intermedi inferiori all'ampiezza.

Il valore della corrente alternata (EMF, tensione) corrispondente a qualsiasi momento selezionato nel tempo è chiamato valore istantaneo.

i, e e u sono designazioni comunemente accettate dei valori istantanei di corrente, fem e tensione.

Il valore istantaneo della corrente, così come il suo valore di picco, è facile da determinare con l'aiuto del grafico. Per fare ciò, da qualsiasi punto dell'asse orizzontale corrispondente al momento che ci interessa, tracciare una linea verticale fino al punto di intersezione con la curva corrente; il segmento risultante della linea verticale determinerà il valore della corrente in un dato momento, cioè il suo valore istantaneo.

Ovviamente il valore istantaneo della corrente dopo il tempo T/2 dal punto di partenza del grafico sarà zero, e dopo il tempo T/4 il suo valore di ampiezza. Anche la corrente raggiunge il suo valore di picco; ma già in direzione opposta, dopo un tempo pari a 3/4 T.

Quindi il grafico mostra come la corrente nel circuito cambia nel tempo e che ad ogni istante di tempo corrisponde un solo valore particolare sia dell'intensità che della direzione della corrente. In questo caso, il valore della corrente in un dato momento in un punto del circuito sarà esattamente lo stesso in qualsiasi altro punto di quel circuito.

Si chiama il numero di periodi completi compiuti dalla corrente in 1 secondo di frequenza AC ed è indicato dalla lettera latina f.

Per determinare la frequenza di una corrente alternata, cioè per scoprire quanti periodi della sua variazione ha fatto la corrente in 1 secondo, è necessario dividere 1 secondo per il tempo di un periodo f = 1 / T. Conoscendo la frequenza della corrente alternata, è possibile determinare il periodo: T = 1 / f

Frequenza CA è misurato in un'unità chiamata hertz.

Se abbiamo una corrente alternata la cui frequenza è pari a 1 hertz, il periodo di tale corrente sarà pari a 1 secondo. Viceversa, se il periodo di variazione della corrente è di 1 secondo, la frequenza di tale corrente è di 1 hertz.

Quindi abbiamo definito i parametri CA - periodo, ampiezza e frequenza - che consentono di distinguere tra diverse correnti CA, campi elettromagnetici e tensioni e di tracciarne i grafici quando necessario.

Quando si determina la resistenza di vari circuiti alla corrente alternata, utilizzare un altro valore ausiliario che caratterizza la corrente alternata, il cosiddetto frequenza angolare o angolare.

Frequenza circolare indicata relativa alla frequenza f dal rapporto 2 pif

Spieghiamo questa dipendenza. Quando si traccia il grafico della variabile EMF, abbiamo visto che una rotazione completa del fotogramma si traduce in un ciclo completo di cambiamento EMF. In altre parole, perché il telaio compia un giro, cioè ruoti di 360°, ci vuole un tempo pari a un periodo, cioè T secondi. Quindi, in 1 secondo, il telaio compie un giro di 360°/T. Pertanto, 360°/T è l'angolo attraverso il quale il telaio ruota in 1 secondo, ed esprime la velocità di rotazione del telaio, che solitamente viene chiamata velocità angolare o circolare.

Ma poiché il periodo T è correlato alla frequenza f dal rapporto f = 1 / T, allora anche la velocità circolare può essere espressa come frequenza e sarà pari a 360 ° f.

Quindi abbiamo concluso che 360 ​​° f. Tuttavia, per comodità di utilizzare la frequenza circolare per qualsiasi calcolo, l'angolo di 360 ° corrispondente a un giro è sostituito da un'espressione radiale pari a 2pi radianti, dove pi = 3,14. Quindi finalmente otteniamo 2pif. Pertanto, per determinare la frequenza angolare della corrente alternata (EMF o tensione), devi moltiplicare la frequenza in hertz per un numero costante 6,28.