Curentul alternativ

Curentul alternativ

Rezumat

În eseul de fata este adus în discutie curentul alternativ si se face o dezbatere despre modul în care acesta este produs , despre generatoare de curent alternativ si despre determinarea si calculul puterii în acest curent . În partea de aplicatii sunt rezolvate doua probleme ale caror subiecte sunt des întâlnite în practica .

1.Introducere

Curentul electric se da 353d37d toreaza miscarii purtatorilor de sarcina . Curentul electric dintr-un conductor masoara sarcina ce trece printr-o sectiune oarecare a conductorului în unitatea de timp . Unitatea de curent este amperul care corespunde sarcinii de un coulomb transportata într-o secunda . Un curent de un amper este echivalent cu 6,2 ∙ 10 electroni pe secunda . Se tine cont de sarcina totala transportata , luând în consideratie semnul . Se poate spune ca miscarea unui corp neutru implica un transport de sarcini uluitor de mare (aproximativ 10coulombi pe gram de substanta ) , dar nu exista curent deoarece exact acelasi numar de particule elementare pozitive si negative se misca cu aceeasi viteza medie . un

2.Generarea curentului alternativ. Generatoare si puteri în curent alternativ

2.1. Generarea curentului alternativ

Generarea tensiunii electromotoare prin inductie electromagnetica folosind variatia suprafetei prin care trec liniile câmpului magnetic a intrat în practica industriala cu mult timp în urma . Cel mai simplu circuit care permite variatia fluxului magnetic în acest fel , îl constituie spira dreptunghiulara montata între polii unui magnet . Aceasta spira este rotita cu o frecventa ν în jurul unui ax care este perpendicular pe liniile câmpului si paralel cu laturile mari ale spirei . Prin rotirea spirei , fluxul magnetic depinde de timp :

Φ = BS cos Φ_m cos t ,

unde Φ_m este fluxul maxim , este unghiul între normala la cadru si directia liniilor de câmp , este viteza unghiulara , iar S = L∙l . Folosind legea lui Faraday tensiunea indusa este data de relatia :

_i (t) = = Φ_m sin t =ε_m sin ωt

Se observa ca în timp ce fluxul este maxim atunci când cadrul este perpendicular pe directia liniilor de câmp ( ) tensiunea indusa este 0 , în schimb atunci când spira este paralela cu liniile de câmp ( ) , tensiunea este maxima . Din punctul de vedere al variatiei fluxului , acest "defazaj" între flux si tensiunea indusa poate fi înteles daca tinem seama ca în unitatea de timp, variatia cea mai puternica a fluxului este înregistrata în pozitia cu a = π/2 , când la o rotatie infinitezimala fluxul sare brusc de la zero la o valoare diferita de zero , în timp ce pentru rotatii efectuate în jurul pozitiei , fluxul variaza putin de la valoarea maxima . Prin aplicarea regulii mâinii drepte gasim usor sensul curentilor indusi : ei sunt diferiti de zero in ramurile de lungime L (fig. 2.1) , dar sunt nuli în ramurile de lungime l , care sunt situate în planele paralele cu liniile de câmp . Din acest motiv ramurile inactive trebuie sa aiba o lungime cât mai mica . Nu este permisa însa o reducere la dimensiuni oricât de mici , deoarece apare un factor pe care îl putem deduce usor : forta electrodinamica repulsiva între ramurile în care circula curentul indus , care în cazurile practice are o intensitate enorma (este mai mare de 1000 A) .

Curentul indus trebuie "scos" din circuitul spirei si , de aceea , vom imagina o varianta în care spira prezinta doua terminatii spre doua borne exterioare printr-un colector . Dupa modul de constructie al colectorului , în circuitul exterior reprezentat de rezistenta R , vom înregistra un curent alternativ (fig. 2.1).

Fig. 2.1

Curentul alternativ întretinut de o tensiune alternativa este introdus în circuitul exterior prin colectorul format din doua inele , astfel ca fiecare ramura a spirei este tot timpul în contact cu un singur inel . Daca am avea doua spire care fac unghiul diedru , atunci tensiunile induse în ele sunt defazate :

ε_m sin ωt ε_m sin (ωt

În cazul unui rotor format din n spire , atunci unghiul diedru între doua spire succesive este 2 /n si tensiunile au forma :

ε_m sin ωt ε_m sin (ωt /n), . . . , ε_n ε_m sin (ωt π

Este evident ca în circuitul exterior , tensiunea rezultanta obtinuta prin însumarea celor "n" tensiuni , va fi tot o functie periodica de timp , dar cu o amplitudine proprie si o faza φ

ε_ext ε_mext sin (ωt

2.2. Generatoare de curent alternativ

Curentul alternativ studiat pâna în acest moment era generat de o spira dreptunghiulara care se rotea într-un câmp magnetic uniform . El era cules de la doua inele prin intermediul a doua perii . Acest colector prezinta însa neajunsuri legate de producerea curentilor de intensitate mare , când la colector pot sa apara scântei . Pe de alta parte , dupa un timp îndelungat de functionare , periile se uzeaza si necesita schimbate . De aceea , în tehnica este folosit generatorul de curent alternativ , pe scut , alternatorul , în care pe functia de stator este indusul , iar pe post de rotor este inductorul , adica miezul magnetic care genereaza câmpul ( fig. 2.2.a ) .

Fig. 2.2.a

Daca în cazul indusului-rotor fluxul este modificat prin taierea suprafetei , de data aceasta el este modificat prin rotirea câmpului magnetic . Bobinele inductorului sunt alimentate din exterior de la un generator de curent continuu prin intermediul a doua perii . El este format de obicei dintr-o coroana cu mai multe perechi de poli . Indusul formeaza un cadru circular în jurul inductorului si este confectionat din tole feromagnetice pentru a micsora efectul curentilor Foucault . În acest cadru circular exista sapate canale în care se afla îngropati conductori care se leaga între ei în asa fel încât curentii generati în fiecare conductor sa se adune ( fig. 2.2.b ) . La sfârsit ramân doua capete libere care constituie bornele de livrare în circuitul exterior . Curentul produs de un asemenea generator este numit curent monofazat .

Fig. 2.2.b

În modelul descris mai sus , energia electrica apare în forma unui consum de energie mecanica produsa de o cadere de apa , sau de o turbina cu vapori . Deoarece nu toata energia mecanica consumata este transformata în energie electrica , se defineste , astfel , un randament al generatorului , ca fiind raportul dintre puterea electrica furnizata (P_el) si puterea mecanica consumata (P_mc) . Pierderi de energie au loc prin frecari , prin efect Joule în bobinajele indusului sau prin curenti Foucault .

2.3. Puterea în curent alternativ

Puterea în curent alternativ are o expresie diferita de cea a curentului continuu . Daca circuitul este format numai din rezistente ohmice , atunci puterea este egala cu U_if∙I_if = U_m∙I_m/2 , unde U_if este tensiunea între faze , I_if este intensitatea curentului între faze , U_m este tensiunea maxima , iar I_m intensitatea maxima a curentului . Când însa circuitul contine si elemente reactive , atunci puterea consumata prin efect Joule este data de caderea de tensiune pe rezistenta :

U_R = U cos φ = (U_m cos φ) sin t

În acest caz , produsul U_mI_m/2 poarta numele de putere aparenta (P_a) , iar puterea disipata pe rezistenta este numita reala (P_real) si este exprimata de caderea de tensiune pe rezistenta :

Factorul cos φ poarta numele de factor de putere si arata ce fractiune este disipata prin efect Joule . Cealalta parte a puterii descrisa de caderea de tensiune pe elementele reactive ( U_m sin φ sin t ) este numita putere reactiva (P_reactiv) si este egala cu :

.

3.Aplicatii

Daca într-o retea de curent alternativ exista un numar mare de motoare si de transformatoare care lucreaza multa vreme în gol , factorul de putere ( cos φ) este mic . Explicati pentru ce acest lucru constituie un inconvenient .

Raspuns Se stie ca relatia care da puterea în curent alternativ este : P = UI cos φ. Daca se lucreaza cu un factor de putere mic , atunci nu se va putea obtine o putere P necesara sub o tensiune data U decât trimitând în linia de alimentare un curent de intensitatea I mai mare . Dar prin aceasta se vor produce pierderi prin efect Joule în înfasurarile generatoarelor , în linia de transport , transformatoare . Un remediu simplu este acela de a conecta în circuit condensatoare care , decalând curentul înaintea tensiunii (invers decât motoarele si transformatoarele) reduc unghiul de decalaj φ , adica maresc factorul de putere si deci micsoreaza curentul necesar pentru a dispune de o anumita putere activa P .

De ce ne curenteaza doar una dintre bornele prizei monofazice de curent alternativ?

Raspuns În instalatiile electrice de alimentare cu curent alternativ monofazat se folosesc doua fire din cele patru ale sistemului stea cu fir negru ; unul dintre aceste este un fir de faza , iar altul este un fir nul - legat la pamânt . Când atingem firul de nul , corpului nostru nu i se aplica nici o tensiune , deoarece atât mâinile cât si picioarele se afla în legatura cu pamântul . Când însa atingem firul de faza , atunci supunem corpul la o tensiune egala cu tensiunea dintre de faza si pamânt ( firul de nul ) ; valoarea acestei tensiuni este pentru unele retele de 120 V , iar pentru altele de 220 V . Prin corp trece un curent I ; daca intensitatea acestuia depaseste o anumita limita , atingerea firului de faza poate fi mortala .

4.Concluzii

Curentul alternativ are un domeniu foarte vast în care este aplicat , întrebuintarile sale fiind multiple , cea mai importanta fiind alimentarea populatiei cu energie electrica pentru ca aceasta sa-si poata desfasura diferitele activitati cotidiene .