O que é corrente alternada e como ela difere da corrente contínua

Corrente alternada, em contraste corrente contínua, está constantemente mudando tanto em magnitude quanto em direção, e essas mudanças ocorrem periodicamente, ou seja, elas se repetem em intervalos exatamente iguais.

Para induzir essa corrente no circuito, use fontes de corrente alternada que criam um EMF alternado, mudando periodicamente de magnitude e direção.Essas fontes são chamadas de alternadores.

Na fig. 1 mostra um diagrama de dispositivo (modelo) do mais simples alternador. 

Uma estrutura retangular feita de fio de cobre, fixada no eixo e girada no campo usando um acionamento por correia magnético… As extremidades da armação são soldadas a anéis de cobre, que, girando com a armação, deslizam nas placas de contato (escovas).

Figura 1. Diagrama do alternador mais simples

Vamos nos certificar de que tal dispositivo seja realmente uma fonte de EMF variável.

Suponha que um ímã crie entre seus pólos campo magnético uniforme, ou seja, aquele em que a densidade das linhas do campo magnético em cada parte do campo é a mesma.girando, o quadro atravessa as linhas de força do campo magnético em cada um de seus lados a e b EMF induzido. 

Os lados c e d do quadro não funcionam, porque quando o quadro gira, eles não cruzam as linhas de força do campo magnético e, portanto, não participam da criação do EMF.

Em qualquer instante de tempo, a EMF que ocorre no lado a é oposta na direção da EMF que ocorre no lado b, mas no quadro ambas as EMFs agem de acordo e se somam à EMF total, ou seja, induzida por todo o quadro.

Isso é fácil de verificar se usarmos a regra da mão direita que conhecemos para determinar a direção da EMF.

Para fazer isso, coloque a palma da mão direita de forma que fique voltada para o pólo norte do ímã, e o polegar dobrado coincida com a direção do movimento daquele lado do quadro em que queremos determinar a direção do EMF. Então a direção do EMF nele será indicada pelos dedos estendidos da mão.

Para qualquer posição do quadro, determinamos a direção da EMF nos lados a e b, eles sempre se somam e formam um EMF total no quadro. Ao mesmo tempo, a cada rotação do quadro, a direção do EMF total nele muda para o oposto, já que cada um dos lados de trabalho do quadro em uma revolução passa sob diferentes pólos do ímã.

A magnitude da EMF induzida no quadro também muda à medida que a taxa na qual os lados do quadro cruzam as linhas do campo magnético muda. De fato, no momento em que o quadro se aproxima de sua posição vertical e passa por ela, a velocidade de cruzamento das linhas de força nas laterais do quadro é a mais alta e a maior fem é induzida no quadro.Nesses momentos, quando o quadro passa de sua posição horizontal, seus lados parecem deslizar ao longo das linhas do campo magnético sem cruzá-las, e nenhuma CEM é induzida.

Portanto, com rotação uniforme do quadro, um EMF será induzido nele, mudando periodicamente tanto em magnitude quanto em direção.

A EMF que ocorre no quadro pode ser medida por um dispositivo e usada para criar uma corrente no circuito externo.

Usando fenômeno da indução eletromagnética, você pode obter EMF alternado e, portanto, corrente alternada.

Corrente alternada para fins industriais e para iluminação produzido por geradores potentes acionados por turbinas a vapor ou hidráulicas e motores de combustão interna.

Representação gráfica de correntes AC e DC

O método gráfico permite visualizar o processo de mudança de uma determinada variável em função do tempo.

A plotagem de variáveis ​​que mudam ao longo do tempo começa por plotar duas linhas mutuamente perpendiculares chamadas de eixos do gráfico. Em seguida, no eixo horizontal, em uma determinada escala, são plotados os intervalos de tempo, e no eixo vertical, também em uma determinada escala, os valores da grandeza a ser plotada (EMF, tensão ou corrente).

Na fig. 2 corrente contínua e corrente alternada representadas graficamente ... Nesse caso, atrasamos os valores de corrente e os valores de corrente de uma direção, que geralmente é chamada de positiva, são atrasados ​​​​verticalmente a partir do ponto de interseção dos eixos O , e para baixo a partir deste ponto, a direção oposta, que geralmente é chamada de negativa.

Figura 2. Representação gráfica de DC e AC

O próprio ponto O serve tanto como origem dos valores atuais (verticalmente para baixo e para cima) quanto para o tempo (horizontalmente certo).Em outras palavras, este ponto corresponde ao valor zero da corrente e este ponto de partida no tempo a partir do qual pretendemos traçar como a corrente mudará no futuro.

Verifiquemos a veracidade do que está traçado na fig. 2 e um gráfico de corrente DC de 50 mA.

Como essa corrente é constante, ou seja, não muda de magnitude e direção ao longo do tempo, os mesmos valores de corrente corresponderão a diferentes momentos de tempo, ou seja, 50 mA. Portanto, no instante de tempo igual a zero, ou seja, no momento inicial de nossa observação da corrente, ela será igual a 50 mA. Desenhando um segmento igual ao valor atual de 50 mA no eixo vertical para cima, obtemos o primeiro ponto do nosso gráfico.

Devemos fazer o mesmo para o próximo momento no tempo correspondente ao ponto 1 no eixo do tempo, ou seja, adiar deste ponto verticalmente para cima um segmento também igual a 50 mA. O final do segmento definirá o segundo ponto do gráfico para nós.

Tendo feito uma construção semelhante para vários pontos subsequentes no tempo, obtemos uma série de pontos, cuja conexão dará uma linha reta, que é uma representação gráfica de um valor de corrente constante de 50 mA.

Traçando uma EMF variável

Passemos ao estudo do gráfico variável de EMF... Na fig. 3, um quadro girando em um campo magnético é mostrado na parte superior e uma representação gráfica da variável EMF resultante é fornecida abaixo.

Figura 3. Plotando a variável EMF

Começamos a girar uniformemente o quadro no sentido horário e seguimos o curso das mudanças de EMF nele, tomando a posição horizontal do quadro como o momento inicial.

Neste momento inicial, o EMF será zero porque os lados do quadro não cruzam as linhas do campo magnético.No gráfico, esse valor zero de EMF correspondente ao instante t = 0 é representado pelo ponto 1.

Com mais rotação do quadro, o EMF começará a aparecer nele e aumentará até que o quadro atinja sua posição vertical. No gráfico, esse aumento de EMF será representado por uma curva ascendente suave que atinge seu pico (ponto 2).

À medida que o quadro se aproxima da posição horizontal, o EMF nele diminuirá e cairá para zero. No gráfico, isso será representado como uma curva suave descendente.

Portanto, durante o tempo correspondente a meia revolução do quadro, o EMF nele foi capaz de aumentar de zero até o valor máximo e diminuir novamente para zero (ponto 3).

Com mais rotação do quadro, o EMF reaparecerá nele e aumentará gradativamente de magnitude, mas sua direção já mudará para o oposto, como pode ser visto pela aplicação da regra da mão direita.

O gráfico leva em consideração a mudança na direção da EMF, de modo que a curva que representa a EMF cruza o eixo do tempo e agora fica abaixo desse eixo. A EMF aumenta novamente até que o quadro assuma uma posição vertical.

Então o EMF começará a diminuir e seu valor se tornará igual a zero quando o quadro retornar à sua posição original após completar uma volta completa. No gráfico, isso será expresso pelo fato de que a curva EMF, atingindo seu pico na direção oposta (ponto 4), encontrará o eixo do tempo (ponto 5)

Isso completa um ciclo de mudança do EMF, mas se você continuar a rotação do quadro, o segundo ciclo começa imediatamente, repetindo exatamente o primeiro, que por sua vez será seguido pelo terceiro, depois pelo quarto e assim por diante até pararmos o quadro de rotação.

Assim, para cada rotação do quadro, o EMF que ocorre nele completa um ciclo completo de sua mudança.

Se o quadro estiver fechado para algum circuito externo, uma corrente alternada fluirá através do circuito, cujo gráfico terá a mesma aparência do gráfico EMF.

A forma de onda resultante é chamada de onda senoidal, e a corrente, EMF ou tensão variando de acordo com essa lei é chamada de senoidal.

A própria curva é chamada de senóide porque é uma representação gráfica de uma quantidade trigonométrica variável chamada seno.

A natureza senoidal da mudança de corrente é a mais comum na engenharia elétrica, portanto, falando em corrente alternada, na maioria dos casos eles significam corrente senoidal.

Para comparar diferentes correntes alternadas (EMFs e tensões), existem valores que caracterizam uma determinada corrente. Estes são chamados de parâmetros AC.

Período, amplitude e frequência - parâmetros AC

A corrente alternada é caracterizada por dois parâmetros - ciclo mensal e amplitude, sabendo que podemos estimar que tipo de corrente alternada é e construir um gráfico da corrente.

Figura 4. Curva de corrente senoidal

O período de tempo durante o qual ocorre um ciclo completo de mudança de corrente é chamado de período. O período é indicado pela letra T e é medido em segundos.

O período de tempo durante o qual ocorre metade de um ciclo completo de mudança de corrente é chamado de meio ciclo.Portanto, o período de mudança de corrente (EMF ou tensão) consiste em dois meios períodos. É bastante óbvio que todos os períodos da mesma corrente alternada são iguais entre si.

Como pode ser visto no gráfico, durante um período de sua mudança, a corrente atinge o dobro de seu valor máximo.

O valor máximo de uma corrente alternada (EMF ou tensão) é chamado de amplitude ou valor de corrente de pico.

Im, Em e Um são designações comuns para amplitudes de corrente, EMF e tensão.

Em primeiro lugar, prestamos atenção corrente de pico, porém, como pode ser visto no gráfico, existem inúmeros valores intermediários menores que a amplitude.

O valor da corrente alternada (EMF, tensão) correspondente a qualquer momento selecionado no tempo é chamado de valor instantâneo.

i, e e u são designações comumente aceitas dos valores instantâneos de corrente, fem e tensão.

O valor instantâneo da corrente, assim como seu valor de pico, é fácil de determinar com a ajuda do gráfico. Para fazer isso, de qualquer ponto do eixo horizontal correspondente ao ponto no tempo que nos interessa, desenhe uma linha vertical até o ponto de interseção com a curva atual; o segmento resultante da linha vertical determinará o valor da corrente em um determinado momento, ou seja, seu valor instantâneo.

Obviamente, o valor instantâneo da corrente após o tempo T / 2 do ponto inicial do gráfico será zero e, após o tempo T / 4, seu valor de amplitude. A corrente também atinge seu valor máximo; mas já no sentido contrário, após um tempo igual a 3/4 T.

Portanto, o gráfico mostra como a corrente no circuito muda ao longo do tempo e que apenas um valor específico de magnitude e direção da corrente corresponde a cada instante de tempo. Nesse caso, o valor da corrente em um determinado ponto no tempo em um ponto do circuito será exatamente o mesmo em qualquer outro ponto desse circuito.

É chamado o número de períodos completos cumpridos pela corrente em 1 segundo de frequência AC e é denotado pela letra latina f.

Para determinar a frequência de uma corrente alternada, ou seja, para saber quantos períodos de sua mudança a corrente fez em 1 segundo, é necessário dividir 1 segundo pelo tempo de um período f = 1 / T. Conhecendo a frequência da corrente alternada, você pode determinar o período: T = 1 / f

frequência AC é medido em uma unidade chamada hertz.

Se tivermos uma corrente alternada cuja frequência é igual a 1 hertz, o período dessa corrente será igual a 1 segundo. Por outro lado, se o período de mudança da corrente for de 1 segundo, a frequência dessa corrente é de 1 hertz.

Portanto, definimos parâmetros AC — período, amplitude e frequência — que permitem distinguir entre diferentes correntes AC, EMFs e tensões e plotar seus gráficos quando necessário.

Ao determinar a resistência de vários circuitos à corrente alternada, use outro valor auxiliar que caracterize a corrente alternada, o chamado frequência angular ou angular.

Frequência circular denotada em relação à frequência f pela razão 2 pif

Vamos explicar essa dependência. Ao plotar o gráfico EMF variável, vimos que uma rotação completa do quadro resulta em um ciclo completo de mudança EMF. Ou seja, para o quadro fazer uma revolução, ou seja, girar 360°, leva um tempo igual a um período, ou seja, T segundos. Então, em 1 segundo, o quadro faz uma revolução de 360°/T. Portanto, 360 ° / T é o ângulo pelo qual o quadro gira em 1 segundo e expressa a velocidade de rotação do quadro, que geralmente é chamada de velocidade angular ou circular.

Mas como o período T está relacionado à frequência f pela razão f = 1 / T, a velocidade circular também pode ser expressa como uma frequência e será igual a 360 ° f.

Então concluímos que 360 ​​° f. No entanto, para a conveniência de usar a frequência circular para qualquer cálculo, o ângulo de 360 ​​​​° correspondente a uma revolução é substituído por uma expressão radial igual a 2pi radianos, onde pi = 3,14. Então finalmente obtemos 2pif. Portanto, para determinar a frequência angular da corrente alternada (EMF ou tensão), você deve multiplicar a frequência em hertz por um número constante 6,28.