Circuite de curent alternativ - Surse de curent alternativ

(Curentul pe care îl aducem în casele noastre este un curent alternativ (ca). Liniile electrice transmit curent alternativ în cartierele noastre, unde centralele electrice locale și transformatoarele îl distribuie în casele noastre.)

Energia electrică este livrată în casele noastre prin curent alternativ (ca) prin linii de transmisie de înaltă tensiune. După cum se explică în Transformatoare, transformatoarele pot schimba apoi amplitudinea diferenței de potențial alternativ într-o formă mai utilă. Acest lucru ne permite să transmitem energie la tensiuni foarte înalte, minimizând pierderile de încălzire rezistive în linii și apoi să furnizăm acea energie caselor la tensiuni mai mici și mai sigure. Deoarece diferențele constante de potențial nu sunt afectate de transformatoare, această capacitate este mai dificil de realizat cu transmisia în curent continuu.

În acest capitol, folosim legile lui Kirchhoff pentru a analiza patru circuite simple prin care curge curent alternativ. Am discutat despre utilizarea rezistorului, condensatorului și inductorului în circuitele cu baterii. Aceste componente fac, de asemenea, parte din circuitele de curent alternativ. Cu toate acestea, deoarece ca este necesar, sursa constantă de tem furnizată de o baterie este înlocuită cu o sursă de tensiune alternativă, care produce o tem oscilantă.

15.1 Surse de CA

Cele mai multe exemple tratate până acum în această carte, în special cele care folosesc baterii, au surse de tensiune constantă. Astfel, odată ce curentul este stabilit, acesta este constant. Curentul continuu (cc) este fluxul de sarcină electrică într-o singură direcție. Este starea staționară a unui circuit cu tensiune constantă.

Cu toate acestea, cele mai cunoscute aplicații folosesc o sursă de tensiune variabilă în timp. Curentul alternativ (ca) este fluxul de sarcină electrică care inversează periodic direcția. Un ca este produs de o tem alternativă, care este generată într-o centrală electrică, așa cum este descris în Câmpuri electrice induse. Dacă sursa de curent alternativ variază periodic, în special sinusoidal, circuitul este cunoscut ca circuit de curent alternativ. Exemplele includ energia electrică comercială și rezidențială care servește atât de multe dintre nevoile noastre.

Tensiunile și frecvențele de curent alternativ utilizate în mod obișnuit în afaceri și case variază în întreaga lume. Într-o casă tipică, diferența de potențial dintre cele două părți ale unei prize electrice alternează sinusoidal cu o frecvență de 60 sau 50 Hz și o amplitudine de 170 sau 311 V, în funcție de faptul că locuiți în Statele Unite sau, respectiv, în Europa. Majoritatea oamenilor știu că diferența de potențial pentru prizele electrice este de 120 V sau 220 V în SUA sau Europa, dar așa cum se explică mai târziu în capitol, aceste tensiuni nu sunt valorile de vârf indicate aici, ci mai degrabă sunt legate de tensiunile comune pe care le vedem în prize electrice. Figura 15.2 prezintă grafice ale tensiunii și curentului în funcție de timp pentru curent continuu și ca obișnuit în Statele Unite.

((a) Tensiunea și curentul continuu sunt constante în timp, odată ce curentul este stabilit. (b) Tensiunea și curentul în funcție de timp sunt destul de diferite pentru puterea de curent alternativ. În acest exemplu, care arată puterea ca de 60 Hz și timpul t în milisecunde, tensiunea și curentul sunt sinusoidale și sunt în fază pentru un circuit de rezistență simplu. Frecvențele și tensiunile de vârf ale surselor de curent alternativ diferă foarte mult.)

Să presupunem că conectăm un rezistor la o sursă de tensiune alternativă și determinăm modul în care tensiunea și curentul variază în timp pe rezistor. Figura 15.3 prezintă o schemă a unui circuit simplu cu o sursă de tensiune alternativă. Tensiunea fluctuează sinusoid în timp la o frecvență fixă, așa cum se arată, fie pe bornele bateriei, fie pe rezistor. Prin urmare, tensiunea de curent alternativ sau „tensiunea la o priză” poate fi dată de

(15.1) v = V₀sinωt,

unde v este tensiunea la momentul t, V₀ este tensiunea de vârf și ω este frecvența unghiulară în radiani pe secundă. Pentru o casă tipică din Statele Unite, V₀ = 170 V și ω = 120π rad/s, în timp ce în Europa, V₀ = 311 V și ω = 100π rad/s.

Pentru acest circuit de rezistență simplu, I = V/R, deci curentul de curent alternativ, adică curentul care fluctuează sinusoid în timp la o frecvență fixă, este

(15.2) i = I₀sinωt,

unde i este curentul la momentul t și I₀ este curentul de vârf și este egal cu V₀/R. Pentru acest exemplu, se spune că tensiunea și curentul sunt în fază, ceea ce înseamnă că formele lor funcționale sinusoidale au vârfuri, jgheaburi și noduri în același loc. Ele oscilează sincron între ele, așa cum se arată în Figura 15.2(b). În aceste ecuații și pe parcursul acestui capitol, folosim litere mici (cum ar fi i) pentru a indica valori instantanee și litere mari (cum ar fi I) pentru a indica valorile maxime sau de vârf.

(Diferența de potențial V dintre bornele unei surse de tensiune alternativă fluctuează, astfel încât sursa și rezistorul au unde sinusoidale ca una peste alta. Expresia matematică pentru v este dată de v = V₀sinωt.)

Curentul din rezistor alternează înainte și înapoi la fel ca tensiunea de antrenare, deoarece I = V/R. Dacă rezistorul este un bec fluorescent, de exemplu, lumina acestuia crește și scade de 120 de ori pe secundă pe măsură ce curentul trece în mod repetat prin zero. O pâlpâire de 120 Hz este prea rapidă pentru ca ochii să o detecteze, dar dacă fluturați mâna înainte și înapoi între față și o lumină fluorescentă, veți vedea efectul stroboscopic al ca.

EXERCIȚIUL 15.1

Dacă se ia în considerare o sursă europeană de tensiune alternativă, care este diferența de timp dintre trecerile prin zero pe un grafic tensiune alternativă în funcție de timp?

CLIC AICI PENTRU RĂSPUNS