Przeczytaj
Warto przeczytać
Prąd przemienny wytwarzany jest za pomocą generatora synchronicznego, czyli takiego rodzaju prądnicyprądnicy, w którym obracającą się częścią (wirnikiem) jest źródło pola magnetycznego (zobacz Rys. 1.).
Napięcie wytworzone w ramce zależy od czasu. Zależność ma postać:
gdzie jest prędkością kątową obracającego się wirnika i jednocześnie częstością zmian napięcia; maksymalna wartość napięcia , gdzie jest liczbą zwojów w uzwojeniu generatora, – wartością indukcji zastosowanego pola magnetycznego, – jest polem powierzchni rozpiętej na pojedynczym zwoju.
Natężenie prądu będzie też miało taki sam charakter:
gdzie . Skorzystaliśmy tu z prawa Ohma, przypisując obwodowi całkowity opór R. Pominęliśmy przy tym zjawisko samoindukcji, o którym możesz przeczytać w e‑materiale „Czym jest zjawisko samoindukcji?”.
Zależność natężenia prądu przemiennego od czasu przedstawiona jest na Rys. 2.
Częstość kołowa (kątowa) powiązana jest z częstotliwością w następujący sposób:
W Europie napięcie sieciowe musi spełniać ściśle określone normy: częstotliwość zmian napięcia = 50 Hz, natomiast maksymalna wartość napięcia = 325 V.
Jeśli w opisany sposób – sinusoidalnie zmienia się w czasie napięcie na końcach przewodnika, to w identyczny sposób będzie zmieniało się natężenie pola elektrycznego wewnątrz tego przewodnika (te wielkości są do siebie wprost proporcjonalne). W konsekwencji, tak samo będzie zmieniała się siła działająca na ładunki wewnątrz przewodnika, w szczególności na posiadające swobodę ruchu elektrony swobodne. Będzie ona wymuszała drgania harmoniczne tych ładunków. Elektrony będą drgały z tą samą częstotliwością, co siła elektryczna wymuszająca te drgania.
Tak więc, pod wpływem przemiennego pola elektrycznego elektrony drgają – poruszają się w ciągu czasu w jedną stronę i w następnym półokresie w drugą stronę. Zmiana kierunku ruchu odbywa się co 0,01 s!
Warto być może wyjaśnić tutaj jeszcze jedną kwestię. Czy w gniazdku elektrycznym zawsze płynie prąd? Zdecydowanie nie! Gniazdko elektryczne jest tylko źródłem napięcia. Póki nie zamkniesz obwodu, nie połączysz obu „dziurek”, włączając jakiś odbiornik energii elektrycznej np. opornik (żelazko, grzałka), to nie ma mowy o przepływie prądu.
Gniazdko ma dwa otworki – zaciski, do których doprowadzone są biegnące w ścianie przewody. A biegną one od transformatora, a przedtem od generatora w elektrowni. Jeden przewód jest przewodem zerowym, ma potencjał zero. Jeśli do zacisku zerowego przyłożysz wskaźnik napięcia tzw. próbówkę (zobacz Rys. 3.), to nie zaświeci. Drugi zacisk jest połączony z przewodem fazowym generatora (tak zwanym przewodem gorącym). Nie wolno go pod żadnym pozorem dotykać bezpośrednio, bo wtedy między ciałem ludzkim połączonym z ziemią (o zerowym potencjale) a przewodem fazowym pojawi się napięcie przemienne i przez człowieka popłynie prąd, co grozi porażeniem a nawet śmiercią. Jeśli umieszczasz próbówkę w zacisku fazowym, to również zamykasz obwód, ale nic Ci nie grozi, ponieważ prąd, który przez Ciebie płynie jest bardzo mały (poniżej 30 A).
Wewnątrz próbówki znajduje się neonówka. Jeden jej styk połączony jest z metalową końcówką, którą wkładasz do otworu gniazdka, a drugi styk neonówki połączony jest poprzez kilkumegaomowy opornik z metalową końcówką na główce wskaźnika oraz z metalową skuwką (Rys. 4.). Tych przewodzących części dotykamy i mają one wraz z naszym ciałem potencjał zerowy. Przyłożenie zmiennego potencjału do drugiego styku neonówki powoduje powstanie na końcach neonówki zmiennego napięcia i przepływ prądu widoczny w postaci świecenia (zobacz Rys. 5.).
Czy prąd przemienny wykonuje pracę? Oczywiście. Chociaż mocmoc prądu przemiennego nie jest stała. Przypomnijmy, że mocmoc powiązana jest z napięciem następująco: . Wobec tego, ze względu na zmienność napięcia w czasie, występuje zmienność mocy w czasie. Wprowadza się pożyteczne pojęcie napięcia skutecznegonapięcia skutecznego , które definiuje się jako takie napięcie źródła prądu stałego, aby zasilane nim urządzenie (np. żelazko) działało tak, jak przy danym napięciu przemiennym. W naszym europejskim standardzie, gdzie maksymalne napięcie sieciowe = 325 V, napięcie skutecznenapięcie skuteczne wynosi 230 V, bowiem . Więcej o napięciu skutecznym dowiesz się z e‑materiału „Jak obliczyć napięcie i natężenie skuteczne dla przebiegu sinusoidalnego”.
Słowniczek
(ang. electromagnetic induction) wytwarzanie prądu indukcyjnego (SEM indukcji) w obwodzie zamkniętym podczas zmiany strumienia pola magnetycznego przechodzącego przez ten obwód.
(ang. electric power) energia elektryczna przypadająca na jednostkę czasu; tutaj: moc, czyli energia w jednostce czasu wydzielana w oporniku.
ang. effective voltage) dotyczy okresowo zmiennego napięcia – taka wartość napięcia stałego, które przyłożone do danego oporu spowoduje wydzielenie się w tym oporze takiej samej ilości energii, jak przy napięciu zmiennym.
(ang. alternator) urządzenie przekształcające energię mechaniczną w energię elektryczną. Jest rodzajem maszyny elektrycznej i generatora elektrycznego. Wytwarzanie energii elektrycznej odbywa się w prądnicach dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.