ไฟฟ้ากระแสสลับคืออะไรและแตกต่างจากไฟฟ้ากระแสตรงอย่างไร

กระแสสลับ, ตรงกันข้าม กระแสตรงมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องทั้งในด้านขนาดและทิศทาง และการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะเกิดขึ้นเป็นระยะๆ กล่าวคือ จะเกิดซ้ำในช่วงเวลาที่เท่ากันทุกประการ

ในการเหนี่ยวนำกระแสดังกล่าวในวงจรให้ใช้แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่สร้าง EMF สลับเปลี่ยนขนาดและทิศทางเป็นระยะ ๆ แหล่งที่มาดังกล่าวเรียกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

ในรูป 1 แสดงไดอะแกรมอุปกรณ์ (รุ่น) ที่ง่ายที่สุด เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ. 

โครงสี่เหลี่ยมทำจากลวดทองแดง ยึดกับแกนและหมุนในสนามโดยใช้สายพาน แม่เหล็ก… ปลายของเฟรมถูกบัดกรีเข้ากับวงแหวนทองแดง ซึ่งหมุนไปพร้อมกับเฟรม เลื่อนไปบนแผ่นสัมผัส (แปรง)

รูปที่ 1 ไดอะแกรมของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่ง่ายที่สุด

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ดังกล่าวเป็นแหล่งที่มาของตัวแปร EMF จริงๆ

สมมติว่าแม่เหล็กสร้างระหว่างขั้วของมัน สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอนั่นคือความหนาแน่นของเส้นสนามแม่เหล็กในแต่ละส่วนของสนามเท่ากันการหมุน กรอบจะข้ามเส้นแรงของสนามแม่เหล็กในแต่ละด้าน a และ b EMF เหนี่ยวนำ. 

ด้าน c และ d ของเฟรมไม่ทำงานเนื่องจากเมื่อเฟรมหมุน จะไม่ข้ามเส้นแรงของสนามแม่เหล็ก ดังนั้นจึงไม่มีส่วนร่วมในการสร้าง EMF

ในช่วงเวลาใดก็ตาม EMF ที่เกิดขึ้นในด้าน a จะมีทิศทางตรงกันข้ามกับ EMF ที่เกิดขึ้นในด้าน b แต่ในเฟรม EMF ทั้งสองทำหน้าที่ตามและเพิ่มไปยัง EMF ทั้งหมด นั่นคือ เหนี่ยวนำโดยทั้งเฟรม

นี่เป็นเรื่องง่ายที่จะตรวจสอบว่าเราใช้กฎมือขวาที่เราทราบเพื่อกำหนดทิศทางของ EMF หรือไม่

ในการทำเช่นนี้ให้วางฝ่ามือขวาให้หันเข้าหาขั้วเหนือของแม่เหล็กและนิ้วหัวแม่มือที่งอตรงกับทิศทางการเคลื่อนที่ของด้านนั้นของเฟรมที่เราต้องการกำหนดทิศทางของ EMF จากนั้นทิศทางของ EMF จะถูกระบุด้วยนิ้วมือที่ยื่นออกมา

สำหรับตำแหน่งใดก็ตามของเฟรม เรากำหนดทิศทางของ EMF ในด้าน a และ b พวกมันจะรวมกันและสร้าง EMF ทั้งหมดในเฟรมเสมอ ในเวลาเดียวกันเมื่อหมุนเฟรมแต่ละครั้งทิศทางของ EMF ทั้งหมดในนั้นจะเปลี่ยนไปในทางตรงกันข้ามเนื่องจากแต่ละด้านการทำงานของเฟรมในการหมุนรอบเดียวจะผ่านใต้ขั้วแม่เหล็กที่แตกต่างกัน

ขนาดของ EMF ที่เหนี่ยวนำในเฟรมจะเปลี่ยนไปเช่นกันเมื่ออัตราที่ด้านข้างของเฟรมข้ามเส้นสนามแม่เหล็กเปลี่ยนไป อันที่จริง ในขณะที่เฟรมเข้าใกล้ตำแหน่งแนวตั้งและผ่านมันไป ความเร็วในการข้ามเส้นแรงที่ด้านข้างของเฟรมจะสูงที่สุด และแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ใหญ่ที่สุดจะถูกเหนี่ยวนำในเฟรมในช่วงเวลาดังกล่าว เมื่อเฟรมเคลื่อนผ่านตำแหน่งในแนวนอน ด้านข้างของเฟรมดูเหมือนจะเลื่อนไปตามเส้นสนามแม่เหล็กโดยไม่ตัดผ่าน และไม่มี EMF เกิดขึ้น

ดังนั้นเมื่อมีการหมุนเฟรมอย่างสม่ำเสมอ EMF จะถูกเหนี่ยวนำเข้ามาโดยจะเปลี่ยนทั้งขนาดและทิศทางเป็นระยะ

EMF ที่เกิดขึ้นในเฟรมสามารถวัดได้โดยอุปกรณ์และใช้เพื่อสร้างกระแสในวงจรภายนอก

โดยใช้ ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าคุณจะได้รับ EMF สลับและกระแสสลับ

ไฟฟ้ากระแสสลับสำหรับอุตสาหกรรมและ เพื่อให้แสงสว่าง ผลิตโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทรงพลังที่ขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำหรือกังหันน้ำและเครื่องยนต์สันดาปภายใน

การแสดงกราฟิกของกระแส AC และ DC

วิธีการแบบกราฟิกช่วยให้เห็นภาพกระบวนการเปลี่ยนแปลงตัวแปรบางอย่างตามเวลา

การลงจุดตัวแปรที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาเริ่มต้นด้วยการลงจุดเส้นตั้งฉากสองเส้นซึ่งเรียกว่าแกนของกราฟ จากนั้นบนแกนนอนบนสเกลที่กำหนดช่วงเวลาจะถูกลงจุดและบนแกนตั้งและในสเกลที่กำหนด ค่าของปริมาณที่จะลงจุด (EMF, แรงดันหรือกระแส)

ในรูป 2 กราฟของกระแสตรงและกระแสสลับ ... ในกรณีนี้เราจะเลื่อนค่าปัจจุบันและค่าปัจจุบันของทิศทางเดียวซึ่งมักจะเรียกว่าบวกจะล่าช้าในแนวตั้งจากจุดตัดของแกน O และลงจากจุดนี้ ทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งมักจะเรียกว่าเป็นลบ

รูปที่ 2 การแสดงกราฟิกของ DC และ AC

จุด O ทำหน้าที่เป็นทั้งจุดกำเนิดของค่าปัจจุบัน (ขึ้นและลงในแนวตั้ง) และเวลา (ทางขวาในแนวนอน)กล่าวอีกนัยหนึ่ง จุดนี้สอดคล้องกับค่าศูนย์ของกระแสและจุดเริ่มต้นนี้ตามเวลาที่เราตั้งใจจะติดตามว่ากระแสจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรในอนาคต

ให้เราตรวจสอบความถูกต้องของสิ่งที่ลงจุดในรูป พล็อตกระแส DC 2 และ 50 mA

เนื่องจากกระแสนี้เป็นค่าคงที่ นั่นคือจะไม่เปลี่ยนขนาดและทิศทางเมื่อเวลาผ่านไป ค่าปัจจุบันเดียวกันจะสอดคล้องกับช่วงเวลาต่างๆ นั่นคือ 50 mA ดังนั้น ณ ช่วงเวลาหนึ่งเท่ากับศูนย์ นั่นคือ ณ ช่วงเวลาเริ่มต้นที่เราสังเกตกระแส มันจะเท่ากับ 50 มิลลิแอมป์ การวาดส่วนที่เท่ากับค่าปัจจุบัน 50 mA บนแกนตั้งขึ้นไป เราได้จุดแรกของกราฟ

เราต้องทำเช่นเดียวกันในช่วงเวลาถัดไปที่สอดคล้องกับจุดที่ 1 บนแกนเวลา นั่นคือ เลื่อนจากจุดนี้ในแนวตั้งขึ้นไปยังส่วนที่มีค่าเท่ากับ 50 mA จุดสิ้นสุดของส่วนจะกำหนดจุดที่สองของกราฟให้เรา

หลังจากสร้างสิ่งที่คล้ายกันสำหรับจุดต่อๆ มาหลายจุด เราได้รับชุดของจุด การเชื่อมต่อจะให้เส้นตรง ซึ่งเป็นการแสดงกราฟิกของค่าคงที่ปัจจุบัน 50 mA

การพล็อตตัวแปร EMF

เรามาศึกษากราฟแปรผันของ EMF... ในรูป 3 เฟรมที่หมุนในสนามแม่เหล็กจะแสดงที่ด้านบน และการแสดงกราฟิกของตัวแปร EMF ที่เป็นผลลัพธ์แสดงไว้ด้านล่าง

รูปที่ 3 การพล็อตตัวแปร EMF

เราเริ่มหมุนเฟรมตามเข็มนาฬิกาอย่างสม่ำเสมอและติดตามการเปลี่ยนแปลง EMF ในนั้นโดยรับตำแหน่งแนวนอนของเฟรมเป็นช่วงเวลาเริ่มต้น

ในช่วงเวลาเริ่มต้นนี้ EMF จะเป็นศูนย์เนื่องจากด้านข้างของกรอบไม่ข้ามเส้นสนามแม่เหล็กบนกราฟ ค่าศูนย์ของ EMF ที่สอดคล้องกับค่าทันที t = 0 จะแสดงด้วยจุดที่ 1

ด้วยการหมุนเฟรมเพิ่มเติม EMF จะเริ่มปรากฏขึ้นและจะเพิ่มขึ้นจนกว่าเฟรมจะถึงตำแหน่งแนวตั้ง บนกราฟ การเพิ่มขึ้นของ EMF นี้จะแสดงด้วยเส้นโค้งที่เพิ่มขึ้นอย่างราบรื่นซึ่งถึงจุดสูงสุด (จุดที่ 2)

เมื่อเฟรมเข้าใกล้ตำแหน่งแนวนอน EMF ในนั้นจะลดลงและลดลงเป็นศูนย์ บนกราฟ จะแสดงเป็นเส้นโค้งเรียบที่ตกลงมา

ดังนั้นในช่วงเวลาที่สอดคล้องกับครึ่งรอบของเฟรม EMF ในนั้นจึงสามารถเพิ่มจากศูนย์เป็นค่าสูงสุดและลดลงเป็นศูนย์อีกครั้ง (จุดที่ 3)

เมื่อหมุนเฟรมต่อไป EMF จะปรากฏขึ้นอีกครั้งและค่อยๆ เพิ่มขนาด แต่ทิศทางจะเปลี่ยนเป็นตรงกันข้าม ดังที่เห็นได้จากการใช้กฎมือขวา

กราฟจะพิจารณาการเปลี่ยนแปลงในทิศทางของ EMF เพื่อให้เส้นโค้งที่แสดงถึง EMF ตัดกับแกนเวลาและตอนนี้อยู่ด้านล่างแกนนั้น EMF จะเพิ่มขึ้นอีกครั้งจนกว่าเฟรมจะอยู่ในตำแหน่งแนวตั้ง

จากนั้น EMF จะเริ่มลดลงและค่าของมันจะกลายเป็นศูนย์เมื่อเฟรมกลับสู่ตำแหน่งเดิมหลังจากเสร็จสิ้นการหมุนรอบเดียว บนกราฟ สิ่งนี้จะแสดงด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าเส้นโค้ง EMF ซึ่งถึงจุดสูงสุดในทิศทางตรงกันข้าม (จุดที่ 4) จะพบกับแกนเวลา (จุดที่ 5)

การดำเนินการนี้จะทำให้การเปลี่ยน EMF ครบหนึ่งรอบ แต่ถ้าคุณยังคงหมุนเฟรมต่อไป รอบที่สองจะเริ่มขึ้นทันที ซ้ำกับครั้งแรกทุกประการ ซึ่งจะตามมาด้วยรอบที่สาม จากนั้นรอบที่สี่ ไปเรื่อยๆ จนกว่าเราจะหยุด กรอบการหมุน

ดังนั้นสำหรับการหมุนเฟรมแต่ละครั้ง EMF ที่เกิดขึ้นจะทำให้วงจรการเปลี่ยนแปลงสมบูรณ์

หากเฟรมปิดกับวงจรภายนอก กระแสสลับจะไหลผ่านวงจร ซึ่งกราฟจะมีลักษณะเหมือนกับกราฟ EMF

รูปคลื่นที่เกิดขึ้นเรียกว่าคลื่นไซน์ และกระแส EMF หรือแรงดันไฟฟ้าที่แปรผันตามกฎนี้เรียกว่าคลื่นไซน์

เส้นโค้งนี้เรียกว่าไซน์ซอยด์เนื่องจากเป็นการแสดงกราฟิกของปริมาณตรีโกณมิติผันแปรที่เรียกว่าไซน์

ลักษณะไซน์ของการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันเป็นสิ่งที่พบได้บ่อยที่สุดในวิศวกรรมไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อพูดถึงกระแสสลับ ในกรณีส่วนใหญ่จึงหมายถึงกระแสไซน์

ในการเปรียบเทียบกระแสสลับที่แตกต่างกัน (EMF และแรงดันไฟฟ้า) มีค่าที่กำหนดลักษณะเฉพาะของกระแส สิ่งเหล่านี้เรียกว่าพารามิเตอร์ AC

ระยะเวลา แอมพลิจูด และความถี่ — พารามิเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ

ไฟฟ้ากระแสสลับมีพารามิเตอร์สองตัว ได้แก่ วงจรรายเดือนและแอมพลิจูด ซึ่งเราสามารถประมาณค่าของกระแสสลับได้และสร้างกราฟของกระแส

รูปที่ 4 เส้นโค้งกระแสไซน์

ระยะเวลาที่วัฏจักรของการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันเกิดขึ้นเรียกว่าช่วงเวลา ระยะเวลาจะแสดงด้วยตัวอักษร T และวัดเป็นวินาที

ระยะเวลาที่ครึ่งหนึ่งของวงจรการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันเกิดขึ้นเรียกว่า ครึ่งรอบ ดังนั้นระยะเวลาของการเปลี่ยนแปลงของกระแส (EMF หรือแรงดันไฟฟ้า) ประกอบด้วยสองช่วงครึ่ง เห็นได้ชัดว่าทุกช่วงเวลาของกระแสสลับเดียวกันมีค่าเท่ากัน

ดังที่เห็นได้จากกราฟ ในช่วงหนึ่งของการเปลี่ยนแปลง กระแสจะมีค่าสูงสุดเป็นสองเท่า

ค่าสูงสุดของกระแสสลับ (EMF หรือแรงดันไฟฟ้า) เรียกว่าค่าแอมพลิจูดหรือค่ากระแสสูงสุด

Im, Em และ Um เป็นการกำหนดทั่วไปสำหรับแอมพลิจูดของกระแส EMF และแรงดันไฟฟ้า

ก่อนอื่นเราให้ความสนใจ กระแสสูงสุดอย่างไรก็ตาม ดังที่เห็นได้จากกราฟ มีค่ากลางจำนวนนับไม่ถ้วนที่น้อยกว่าแอมพลิจูด

ค่าของกระแสสลับ (EMF, แรงดันไฟฟ้า) ที่สอดคล้องกับช่วงเวลาที่เลือกใด ๆ เรียกว่าค่าทันที

ผม, e และ u เป็นที่ยอมรับกันทั่วไปในการกำหนดค่าปัจจุบัน, แรงเคลื่อนไฟฟ้าและแรงดัน

ค่าชั่วขณะของกระแสตลอดจนค่าสูงสุดนั้นสามารถระบุได้ง่ายด้วยความช่วยเหลือของกราฟ ในการทำเช่นนี้ จากจุดใดๆ บนแกนนอนที่ตรงกับเวลาที่เราสนใจ ให้ลากเส้นแนวตั้งไปยังจุดตัดกับเส้นโค้งปัจจุบัน ส่วนที่เป็นผลลัพธ์ของเส้นแนวตั้งจะกำหนดค่าของกระแส ณ เวลาที่กำหนด นั่นคือค่าที่เกิดขึ้นทันที

เห็นได้ชัดว่าค่าปัจจุบันหลังจากเวลา T / 2 จากจุดเริ่มต้นของกราฟจะเป็นศูนย์และหลังจากเวลา T / 4 ค่าแอมพลิจูดของมัน กระแสก็ถึงค่าสูงสุดเช่นกัน แต่อยู่ในทิศทางตรงกันข้ามหลังจากเวลาเท่ากับ 3/4 T

ดังนั้น กราฟจึงแสดงให้เห็นว่ากระแสในวงจรเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป และมีเพียงค่าเฉพาะค่าเดียวของทั้งขนาดและทิศทางของกระแสที่สอดคล้องกับช่วงเวลาแต่ละช่วงเวลา ในกรณีนี้ ค่าของกระแส ณ เวลาที่กำหนด ณ จุดหนึ่งในวงจรจะเท่ากันเป๊ะๆ ณ จุดอื่นๆ ในวงจรนั้น

เรียกว่าจำนวนรอบระยะเวลาที่สมบูรณ์โดยปัจจุบันใน 1 วินาทีของความถี่ AC และเขียนแทนด้วยตัวอักษรละติน f

ในการกำหนดความถี่ของกระแสสลับนั่นคือเพื่อหาจำนวนช่วงเวลาของการเปลี่ยนแปลงของกระแสที่เกิดขึ้นใน 1 วินาทีจำเป็นต้องแบ่ง 1 วินาทีด้วยช่วงเวลาหนึ่ง f = 1 / T รู้ความถี่ ของกระแสสลับคุณสามารถกำหนดช่วงเวลาได้: T = 1 / f

ความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับ มีหน่วยวัดเป็นเฮิรตซ์

หากเรามีกระแสสลับที่มีความถี่เท่ากับ 1 เฮิรตซ์ ระยะเวลาของกระแสดังกล่าวจะเท่ากับ 1 วินาที ในทางกลับกัน หากระยะเวลาของการเปลี่ยนแปลงของกระแสคือ 1 วินาที ความถี่ของกระแสดังกล่าวคือ 1 เฮิรตซ์

ดังนั้นเราจึงกำหนดพารามิเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ ได้แก่ ระยะเวลา แอมพลิจูด และความถี่ ซึ่งช่วยให้คุณแยกความแตกต่างระหว่างกระแสไฟฟ้ากระแสสลับ EMF และแรงดันไฟฟ้าต่างๆ และเขียนกราฟเมื่อจำเป็น

เมื่อพิจารณาความต้านทานของวงจรต่าง ๆ กับกระแสสลับให้ใช้ค่าเสริมอื่นที่แสดงลักษณะของกระแสสลับซึ่งเรียกว่า ความถี่เชิงมุมหรือเชิงมุม

ความถี่แบบวงกลมแสดงที่เกี่ยวข้องกับความถี่ f โดยอัตราส่วน 2 pif

ลองอธิบายการพึ่งพานี้ เมื่อพล็อตกราฟ EMF แบบแปรผัน เราพบว่าการหมุนเฟรมครบหนึ่งรอบส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลง EMF ครบรอบหนึ่งรอบ กล่าวอีกนัยหนึ่งสำหรับเฟรมที่จะทำการปฏิวัติหนึ่งครั้งนั่นคือการหมุน 360 °จะใช้เวลาเท่ากับหนึ่งช่วงเวลานั่นคือ T วินาที จากนั้นใน 1 วินาที เฟรมจะทำการหมุน 360° / T ดังนั้น 360 ° / T คือมุมที่เฟรมหมุนผ่านใน 1 วินาที และแสดงความเร็วของการหมุนของเฟรม ซึ่งโดยปกติเรียกว่าความเร็วเชิงมุมหรือความเร็ววงกลม

แต่เนื่องจากช่วงเวลา T เกี่ยวข้องกับความถี่ f โดยอัตราส่วน f = 1 / T ดังนั้นความเร็ววงกลมจึงสามารถแสดงเป็นความถี่ได้ และจะเท่ากับ 360 ° f

ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่า 360 ° f. อย่างไรก็ตาม เพื่อความสะดวกในการใช้ความถี่วงกลมสำหรับการคำนวณใดๆ มุม 360° ที่สอดคล้องกับการหมุนหนึ่งครั้งจะถูกแทนที่ด้วยการแสดงออกในแนวรัศมีเท่ากับ 2pi เรเดียน โดยที่ pi = 3.14 ในที่สุดเราก็ได้ 2pif ดังนั้นเพื่อกำหนดความถี่เชิงมุมของกระแสสลับ (EMF หรือแรงดันไฟฟ้า) คุณต้องคูณความถี่เป็นเฮิรตซ์ด้วยค่าคงที่ 6.28