Příjem střídavého elektrického proudu

Co všechno kolem nás funguje? Telefon, televize, tablet, notebook, dokonce i žárovka. To vše by se samozřejmě nestalo bez elektrického proudu. Ale ne obyčejný, totiž střídavý elektrický proud.

<strong>Střídavý elektrický proud</strong>

Elektrický proud je generován proudem nabitých částic, které se pohybují dráty.

Elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic.

Tento pohyb se může měnit – zrychlovat, zpomalovat, dokonce měnit směr. Pokud se toto vše provádí s určitou frekvencí, bude se to nazývat proměnná.

Nyní trochu formálně:

Střídavý proud – jedná se o vynucené elektromagnetické kmity způsobené v elektrickém obvodu zdrojem střídavého napětí.

Definice střídavého proudu se týká zdroje střídavého napětí. Je to on, kdo způsobuje, že se proud chová tak neobvykle. Vezměme zdroj, jehož svorkové napětí se mění podle zákona:

Tento zdroj napětí se nazývá sinusový a zde můžeme mluvit o napětí. Volá se hodnota napětí U(t) v čase t okamžitá hodnota napětí.

<strong>Rezistor ve střídavém obvodu</strong>

Vezměme si nejjednodušší obvod střídavého proudu. Pro jeho získání ke zdroji střídavého napětí U = Usin(wt) připojíme běžný rezistor R.

Protože proud může téci různými směry, je nutné určit kladný a záporný směr. Fyzici se shodli, že pozitivní směr si můžete zvolit sami, a pokud proud poteče podle něj, pak bude pozitivní.

Vzorec podobný Ohmovu zákonu byl experimentálně odvozen:

Z toho vyplývá, že proudová síla v rezistoru se také mění podle sinusového zákona I = I0sinwt. Volá se aktuální hodnota v daném čase okamžitá hodnota proudu.

Připomeňme, že podle definice (I = frac) je [A].

Ze dvou výše uvedených vzorců vyplývá, že (I_0 = frac) .

Vezmeme-li v úvahu dostupné vzorce, můžeme vykreslit grafy proudu a napětí na rezistoru v závislosti na čase.

Na grafu, kde červená čára označuje proud a modrá čára napětí, můžete vidět, že proud rezistorem a napětí na něm se mění synchronně, to znamená, že jejich maxima a minima se shodují. Vědecky řečeno, proud a napětí se mění ve fázi.

<strong>Napájení střídavým proudem</strong>

Proud nese energii a také střídavý proud, takže otázce výkonu se nelze vyhnout.

Nechť U a I jsou okamžité hodnoty napětí a proudu v uvažovaném úseku obvodu. Vezměme si velmi krátký časový interval Δt, tak malý, že se proud během této doby nestihne změnit. V tomto případě lze hodnoty U a I považovat za konstantní. Potom během doby Δt stihne náboj Δq = IΔt projít naším řezem.

V důsledku toho elektrické pole vykoná práci ΔA = UΔq = UIΔt a aktuální výkon P je poměr práce k době, během které byla tato práce vykonána:

(P = frac = UI) – tato veličina se také nazývá okamžitá síla.

Vzhledem k tomu, že času bylo velmi málo a můžeme říci, že vše proběhlo okamžitě.

<strong>Proudový výkon přes odpor</strong>

Nechť střídavý proud I = Isin(wt) se pohybuje přes odpor s odporem R.

Napětí na rezistoru, jak víme, kmitá ve fázi s proudem: U = IR = IRsin(ωt) = Usin(ωt).

Pro okamžitý výkon tedy získáme:
P=UI=UIsin 2 (ωt).

Ze vzorců vidíme, že síla je neustále kladná.

Maximální výkon snadno zjistíme tím, že vezmeme maximální U a já:
P =UI

V praxi nás zpravidla nezajímá maximum, ale průměrný výkon.

Vezměme si třeba obyčejnou žárovku, která nám doma hoří. Protéká jím proud o frekvenci 50 Hz, to znamená, že za sekundu dochází k 50 výkyvům proudu a napětí. Je jasné, že za docela dlouhou dobu se z žárovky uvolní určitý průměrný výkon. Jaký je tento průměrný výkon? Intuitivně se zdá, že průměrný výkon spadá mezi maximální a minimální hodnoty výkonu a nabývá hodnoty P / 2. A skutečně, pocity nás nezklamou.

Ukazuje se, že průměrná hodnota (bar) aktuálního výkonu na rezistoru je:

A tady vstupují do hry. efektivní (nebo efektivní) hodnoty napětí a proudu:

Právě tyto vzorce určují průměrné hodnoty napětí a proudu. Nyní můžeme vyjádřit napětí pomocí těchto vzorců a dostat (bar = bar bar).

(bar, bar) – efektivní napětí a efektivní proud.

To se ukazuje jako zajímavý fakt. Připojíme-li žárovku na konstantní napětí U, a poté na zdroj střídavého napětí se stejnou efektivní hodnotou U, bude žárovka svítit stejným jasem. Těch stejných dobře známých 220 voltů ze zásuvky je přesně efektivní napětí.

Neméně zajímavé je, že téměř všechna zařízení měří efektivní hodnoty proudu. Takže až příště uvidíte hodnotu na voltmetru, vzpomeňte si, co to je. efektivní napětí.

<strong>Kontrola faktů</strong>

• Střídavý proud – jedná se o vynucené elektromagnetické kmity způsobené v elektrickém obvodu zdrojem střídavého napětí.
• Efektivní výkon se rovná polovině okamžitého výkonu, jehož prostřednictvím můžete najít efektivní proud и efektivní napětí (bar = frac, bar = frac , bar = frac ).
• Proud a napětí rezistorem se mění ve fázi.
• Elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic.

<strong>zkontroluj se</strong>

1 úloha.
Jaká je efektivní síla?

1. (bar = frac)
2. (bar = frac )
3. (bar = P_0 sin (hmotn.))
4. (bar = 2P_0)

2 úloha.
Co vidíme na ampérmetru a voltmetru?

1. efektivní hodnoty
2. okamžité hodnoty

3 úloha.
Vyberte správná tvrzení:

1. Amplituda proudu je vždy větší než amplituda napětí.
2. Amplituda napětí je vždy větší než amplituda proudu.
3. Efektivní proud je: (bar = frac>).
4. Proud přes odpor a napětí se ve fázi nemění.

Odpovědi: 1. – šestnáct; 2. – šestnáct; 3. – 2, 3.

Střídavý proud, v tradičním smyslu, je proud získaný v důsledku střídavého, harmonicky se měnícího (sinusového) napětí. V elektrárně se generuje střídavé napětí, které je neustále přítomno v jakékoli zásuvce.

Pro přenos elektřiny na velké vzdálenosti se také používá střídavý proud, protože střídavé napětí lze snadno zvýšit pomocí transformátoru, a tak lze elektrickou energii přenést na vzdálenost s minimálními ztrátami a poté ji pomocí transformátoru snížit na hodnotu přijatelnou pro domácí síť.

Generování střídavého napětí (a tedy proudu) se provádí v elektrárně, kde jsou průmyslové generátory střídavého proudu poháněny turbínami poháněnými vysokotlakou párou. Pára se vyrábí z vody, která je vysoce ohřátá teplem vznikajícím při jaderné reakci nebo spalováním fosilních paliv, v závislosti na typu elektrárny. V každém případě je rotace alternátoru tím, co způsobuje vznik střídavého napětí a proudu.

K zodpovězení otázky, jak vzniká střídavý proud v generátoru, stačí uvažovat o elementárním modelu sestávajícím z kusu drátu a magnetu, který současně připomíná Lorentzovu sílu a zákon elektromagnetické indukce. Řekněme, že na stole leží drát o délce 10 cm a my máme v ruce silný neodymový magnet, jehož velikost je o něco menší než drát. Na konce drátu připojíme citlivý galvanometr nebo ukazatelový voltmetr.

Přibližme magnet jedním z pólů k drátu na vzdálenost menší než 1 cm a rychle magnetem po drátu přes něj posouváme zleva doprava – zkřížíme vodič s magnetickým polem magnetu . Jehla galvanometru se prudce vychýlí v určitém směru a poté se vrátí do své původní polohy.

Otočme magnet druhým pólem směrem k drátu. A opět pohybem ruky zleva doprava rychle zkřížíme experimentální vodič s magnetickým polem. Ručička galvanometru se prudce odchýlila opačným směrem a pak se vrátila do původní polohy. Místo otáčení magnetu se můžete nejprve pohybovat zleva doprava a poté zprava doleva, účinek změny směru generovaného proudu bude podobný.

Experiment ukázal, že abychom získali střídavé napětí, musíme buď pohybovat magnetem po drátu doprava a doleva, nebo křížit vodič se střídavými magnetickými póly. Generátor elektrárny (a všechny tradiční alternátory) využívá druhou možnost.

Principem činnosti generátoru je produkovat proměnnou elektromotorickou sílu (napětí)

Střídavé sinusové napětí

Generátor střídavého proudu v elektrárně se skládá z rotoru a statoru. Mechanická energie rotující turbíny se přenáší na rotor. Magnetické pole rotoru je soustředěno na jeho pólových nástavcích a je vytvářeno buď permanentními magnety, které jsou k němu připevněny, nebo stejnosměrným napěťovým proudem protékajícím měděným vinutím rotoru.

Typicky se vinutí statoru skládá ze tří samostatných vinutí vzájemně posunutých v prostoru, což má za následek střídavé napětí a proud v každém ze tří vinutí. Každé ze tří statorových vinutí je tedy zdrojem střídavého napětí a okamžité hodnoty napětí jsou vzájemně fázově posunuty o 120 stupňů. Toto se nazývá třífázový střídavý proud.

Získání třífázového střídavého napětí a proudu

Rotor generátoru se dvěma magnetickými póly, otáčející se frekvencí 3000 otáček za minutu, vytváří 50 přechodů každé fáze statorového vinutí za sekundu. A protože mezi magnetickými póly je nulový bod, tedy místo, kde je indukce magnetického pole nulová, tak při každé celé otáčkě rotoru projde napětí indukované ve vinutí nulou a následně změní polaritu. Výsledkem je, že výstupní napětí má sinusový tvar a frekvenci 50 Hz.

Když je zdroj střídavého napětí připojen k zátěži, v obvodu vzniká střídavý proud. Napětí a maximální přípustný proud statoru jsou tím větší, čím silnější je magnetické pole rotoru, tzn. tím větší proud teče ve vinutí rotoru. U synchronních generátorů s vnějším buzením je napětí a proud ve vinutí rotoru vytvářen tyristorovým budicím systémem neboli budičem – malým generátorem na hřídeli hlavního generátoru.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře