Parametri fondamentali della corrente alternata: periodo, frequenza, fase, ampiezza, oscillazioni armoniche

La corrente alternata è una corrente elettrica la cui direzione e forza cambiano periodicamente. Poiché di solito la forza della corrente alternata varia secondo una legge sinusoidale, la corrente alternata è fluttuazioni sinusoidali di tensione e corrente.

Pertanto, tutto ciò che vale per le oscillazioni elettriche sinusoidali è applicabile alla corrente alternata. Le oscillazioni sinusoidali sono oscillazioni in cui il valore oscillante cambia secondo la legge del seno.In questo articolo parleremo dei parametri AC.

La variazione di EMF e la variazione di corrente di un carico lineare collegato a tale sorgente seguiranno una legge sinusoidale. In questo caso, i campi elettromagnetici alternati, le tensioni e le correnti alternate possono essere caratterizzate dai loro quattro parametri principali:

• periodo;

• frequenza;

• ampiezza;

• valore effettivo.

Ci sono anche parametri aggiuntivi:

• frequenza angolare;

• fase;

• valore immediato.

Successivamente, esamineremo tutti questi parametri separatamente e insieme.

Periodo t.

Periodo: il tempo impiegato da un sistema in oscillazione per attraversare tutti gli stati intermedi e tornare nuovamente allo stato iniziale.

Il periodo T di una corrente alternata è l'intervallo di tempo durante il quale la corrente o la tensione compie un ciclo completo di cambiamenti.

Poiché la fonte di corrente alternata è un generatore, il periodo è correlato alla velocità di rotazione del suo rotore e maggiore è la velocità di rotazione dell'avvolgimento o del rotore del generatore, minore è il periodo dell'EMF alternato generato e, di conseguenza, la corrente alternata di carico risulta.

Il periodo si misura in secondi, millisecondi, microsecondi, nanosecondi, a seconda della situazione particolare in cui si considera questa corrente. La figura sopra mostra come la tensione U cambia nel tempo pur avendo un periodo caratteristico costante T.

Frequenza f

La frequenza f è il reciproco del periodo ed è numericamente uguale al numero di periodi di variazione corrente o EMF in 1 secondo. Cioè, f = 1 / T. L'unità di misura della frequenza è l'hertz (Hz), dal nome del fisico tedesco Heinrich Hertz, che ha dato un contributo significativo allo sviluppo dell'elettrodinamica nel XIX secolo. Più breve è il periodo, maggiore è la frequenza dell'EMF o del cambiamento di corrente.

Oggi in Russia, la frequenza standard della corrente alternata nelle reti elettriche è di 50 Hz, ovvero in 1 secondo compaiono 50 fluttuazioni della tensione di rete.

In altre aree dell'elettrodinamica vengono utilizzate frequenze più elevate, ad esempio 20 kHz e più nei moderni inverter e fino a diversi MHz in aree più ristrette dell'elettrodinamica. Nella figura sopra puoi vedere che ci sono 50 oscillazioni complete in un secondo, ciascuna della durata di 0,02 secondi e 1/0,02 = 50.

Dai grafici delle variazioni della corrente alternata sinusoidale nel tempo, si può vedere che correnti di frequenze diverse contengono un numero diverso di periodi nello stesso intervallo di tempo.

Frequenza angolare

Frequenza angolare: il numero di oscillazioni effettuate in 2 pi sec.

In un periodo, la fase dell'EMF sinusoidale o della corrente sinusoidale cambia di 2pi radianti o 360 °, quindi la frequenza angolare della corrente sinusoidale alternata è uguale a:

Utilizzare il numero di oscillazioni in 2pi sec (non in 1 sec.) è conveniente perché nelle formule che esprimono la legge della variazione di tensione e corrente durante le oscillazioni armoniche, che esprimono la resistenza induttiva o capacitiva della corrente alternata, e in molte in altri casi la frequenza di oscillazione n compare insieme al moltiplicatore 2pi.

Fase

Fase — stato, fase di un processo periodico. Il termine fase ha un significato più definito nel caso di oscillazioni sinusoidali. In pratica, di solito non è la fase stessa che gioca un ruolo, ma lo sfasamento tra due processi periodici qualsiasi.

In questo caso, il termine «fase» è inteso come una fase dello sviluppo del processo, e in questo caso, in relazione a correnti alternate e tensioni sinusoidali, la fase è chiamata lo stato della corrente alternata in un certo momento in tempo.

Le figure mostrano: la coincidenza della tensione U1 e della corrente I1 in fase, la tensione U1 e U2 in controfase, nonché lo sfasamento tra la corrente I1 e la tensione U2. Lo sfasamento è misurato in radianti, parti di un periodo, in gradi.

Guarda anche: Cos'è la fase, l'angolo di fase e lo sfasamento

Ampiezza Um e Im

Parlando dell'entità della corrente alternata sinusoidale o dell'EMF alternata sinusoidale, il valore più alto di EMF o corrente è chiamato valore di ampiezza o ampiezza (massimo).

Ampiezza — il valore più grande della quantità che esegue oscillazioni armoniche (ad esempio, il valore massimo dell'intensità di corrente in corrente alternata, la deviazione del pendolo oscillante dalla posizione di equilibrio), la più grande deviazione della quantità oscillante da un certo valore, condizionatamente accettato come zero iniziale.

A rigor di termini, il termine ampiezza si riferisce solo alle oscillazioni sinusoidali, ma di solito (non del tutto correttamente) è applicato nel senso sopra indicato a tutte le oscillazioni.

Se parliamo di un alternatore, allora l'EMF dei suoi terminali due volte per periodo raggiunge un valore di ampiezza, il primo dei quali è + Em, il secondo è Em, rispettivamente, durante i semicicli positivi e negativi. La corrente I si comporta in modo simile ed è denotata da Im di conseguenza.

Vibrazioni armoniche — oscillazioni in cui una grandezza oscillante, come la tensione in un circuito elettrico, cambia nel tempo secondo una legge armonica sinusoidale o coseno. Rappresentato graficamente da una curva sinusoidale.

I processi reali possono solo approssimare le oscillazioni armoniche. Tuttavia, se le oscillazioni riflettono le caratteristiche più caratteristiche del processo, allora tale processo è considerato armonico, il che facilita notevolmente la soluzione di molti problemi fisici e tecnici.

I movimenti vicini alle oscillazioni armoniche si verificano in vari sistemi: meccanici (oscillazioni di un pendolo), acustici (oscillazioni di una colonna d'aria in una canna d'organo), elettromagnetici (oscillazioni in un circuito LC), ecc.La teoria delle oscillazioni considera questi fenomeni, diversi per natura fisica, da un punto di vista unitario e ne determina le proprietà comuni.

È conveniente rappresentare graficamente le oscillazioni armoniche utilizzando un vettore che ruota a velocità angolare costante attorno a un asse perpendicolare a questo vettore e passante per la sua origine. La velocità angolare di rotazione del vettore corrisponde alla frequenza circolare dell'oscillazione armonica.

Diagramma vettoriale di una vibrazione armonica

Un processo periodico di qualsiasi forma può essere scomposto in una serie infinita di semplici oscillazioni armoniche con frequenze, ampiezze e fasi diverse.

Armonioso - una vibrazione armonica la cui frequenza è un numero intero di volte maggiore della frequenza di qualche altra vibrazione, chiamata tono fondamentale. Il numero dell'armonica indica quante volte la sua frequenza è maggiore della frequenza del tono fondamentale (ad esempio, la terza armonica è una vibrazione armonica con una frequenza tre volte superiore alla frequenza del tono fondamentale).

Eventuali oscillazioni periodiche ma non armoniche (cioè di forma diversa da quelle sinusoidali) possono essere rappresentate come una somma di oscillazioni armoniche: il tono fondamentale e un numero di armoniche. Quanto più l'oscillazione considerata differisce nella forma da una sinusoidale, tanto più armoniche contiene.

Valore istantaneo di u e i

Il valore dell'EMF o della corrente in un determinato momento è chiamato valore istantaneo, sono indicati dalle lettere minuscole u e i. Ma poiché questi valori cambiano continuamente, è scomodo stimare le correnti CA e gli EMF da essi.

Valori RMS di I, E e U

La capacità della corrente alternata di eseguire un lavoro utile, come la rotazione meccanica del rotore di un motore o la produzione di calore su un dispositivo di riscaldamento, è opportunamente stimata dai valori effettivi di fem e correnti.

COSÌ, valore attuale effettivo è chiamato il valore di tale corrente continua che, attraversando un conduttore durante un periodo della corrente alternata considerata, produce lo stesso lavoro meccanico o la stessa quantità di calore di questa corrente alternata.

I valori RMS di tensioni, fem e correnti sono indicati con le lettere maiuscole I, E e U. Per la corrente alternata sinusoidale e per la tensione alternata sinusoidale i valori effettivi sono:

Per descrivere le reti elettriche, è conveniente utilizzare il valore effettivo di corrente e tensione. Ad esempio, un valore di 220-240 volt è il valore effettivo della tensione nelle moderne prese domestiche e l'ampiezza è molto più elevata, da 311 a 339 volt.

Lo stesso con la corrente, per esempio quando si dice che in un dispositivo di riscaldamento domestico scorre una corrente di 8 ampere, si intende un valore effettivo, mentre l'ampiezza è di 11,3 ampere.

In un modo o nell'altro, il lavoro meccanico e l'energia elettrica negli impianti elettrici sono proporzionali ai valori effettivi di tensioni e correnti. Una parte significativa dei dispositivi di misurazione mostra esattamente i valori effettivi di tensioni e correnti.