Curentul electric alternativ

Rezumat

În eseul de faţă este adus în discuţie curentul alternativ şi se face o dezbatere despre modul în care acesta este produs , despre generatoare de curent alternativ şi despre determinarea şi calculul puterii în acest curent . În partea de aplicaţii sunt rezolvate două probleme ale căror subiecte sunt des întâlnite în practică .

1.Introducere

Curentul electric se datorează mişcării purtătorilor de sarcină . Curentul electric dintr-un conductor măsoară sarcina ce trece printr-o secţiune oarecare a conductorului în unitatea de timp . Unitatea de curent este amperul care corespunde sarcinii de un coulomb transportată într-o secundă . Un curent de un amper este echivalent cu 6,2 ∙ 10 electroni pe secundă . Se ţine cont de sarcina totală transportată , luând în consideraţie semnul . Se poate spune că mişcarea unui corp neutru implică un transport de sarcini uluitor de mare (aproximativ 10 coulombi pe gram de substanţă ) , dar nu există curent deoarece exact acelaşi număr de particule elementare pozitive şi negative se mişcă cu aceeaşi viteză medie . un

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

2.1. Generarea curentului alternativ

Generarea tensiunii electromotoare prin inducţie electromagnetică folosind variaţia suprafeţei prin care trec liniile câmpului magnetic a intrat în practica industrială cu mult timp în urmă . Cel mai simplu circuit care permite variaţia fluxului magnetic în acest fel , îl constituie spira dreptunghiulară montată între polii unui magnet . Această spiră este rotită cu o frecvenţă ν în jurul unui ax care este perpendicular pe liniile câmpului şi paralel cu laturile mari ale spirei . Prin rotirea spirei , fluxul magnetic depinde de timp :

Φ = BS cos α = Φm cos ωt ,

unde Φm este fluxul maxim , α este unghiul între normala la cadru şi direcţia liniilor de câmp , ω este viteza unghiulară , iar S = L∙l . Folosind legea lui Faraday tensiunea indusă este dată de relaţia :

εi(t) = - dΦ/dt = ω Φm sin ωt =εm sin ωt .

Se observă că în timp ce fluxul este maxim atunci când cadrul este perpendicular pe direcţia liniilor de câmp (α = 0) tensiunea indusă este 0 , în schimb atunci când spira este paralelă cu liniile de câmp (α = π/2) , tensiunea este maximă . Din punctul de vedere al variaţiei fluxului , acest „defazaj” între flux şi tensiunea indusă poate fi înţeles dacă ţinem seama că în unitatea de timp, variaţia cea mai puternică a fluxului este înregistrată în poziţia cu a = π/2 , când la o rotaţie infinitezimală fluxul sare brusc de la zero la o valoare diferită de zero , în timp ce pentru rotaţii efectuate în jurul poziţiei α = 0 , fluxul variază puţin de la valoarea maximă . Prin aplicarea regulii mâinii drepte găsim uşor sensul curenţilor induşi : ei sunt diferiţi 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 să aibă o lungime cât mai mică . Nu este permisă însă o reducere la dimensiuni oricât de mici , deoarece apare un factor pe care îl putem deduce uşor : forţa electrodinamică repulsivă între ramurile în care circulă curentul indus , care în cazurile practice are o intensitate enormă (este mai mare de 1000 A) .
Curentul indus trebuie „scos” din circuitul spirei şi , de aceea , vom imagina o variantă în care spira prezintă două terminaţii spre două borne exterioare printr-un colector . După modul de construcţie al colectorului , în circuitul exterior reprezentat de rezistenţa R , vom înregistra un curent alternativ (fig. 2.1).





Curentul alternativ întreţinut de o tensiune alternativă este introdus în circuitul exterior prin colectorul format din două inele , astfel că fiecare ramură a spirei este tot timpul în contact cu un singur inel . Dacă am avea două spire care fac unghiul diedru α , atunci tensiunile induse în ele sunt defazate :
ε1 = εm sin ωt , ε2 = εm sin (ωt + α) .

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

ε1 = εm sin ωt , ε2 = εm sin (ωt + 2π/n), . . . , εn = εm sin (ωt + 2π*(n-1)/n)


Este evident că în circuitul exterior , tensiunea rezultantă obţinută prin însumarea celor „n” tensiuni , va fi tot o funcţie periodică de timp , dar cu o amplitudine proprie şi o fază φ
εext = εmext sin (ωt + φ).

2.2. Generatoare de curent alternativ

Curentul alternativ studiat până în acest moment era generat de o spiră dreptunghiulară care se rotea într-un câmp magnetic uniform . El era cules de la două inele prin intermediul a două perii . Acest colector prezintă însă neajunsuri legate de producerea curenţilor de intensitate mare , când la colector pot să apară scântei . Pe de altă parte , după un timp îndelungat de funcţionare , periile se uzează şi necesită schimbate . De aceea , în tehnică este folosit generatorul de curent alternativ , pe scut , alternatorul , în care pe funcţia de stator este indusul , iar pe post de rotor este inductorul , adică miezul magnetic care generează câmpul ( fig. 2.2.a ) .


Dacă în cazul indusului-rotor fluxul este modificat prin tăierea suprafeţei , 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 două perii . El este format de obicei dintr-o coroană cu mai multe perechi de poli . Indusul formează un cadru circular în jurul inductorului şi este confecţionat din tole feromagnetice pentru a micşora efectul curenţilor Foucault . În acest cadru circular există săpate canale în care se află îngropaţi conductori care se leagă între ei în aşa fel încât curenţii generaţi în fiecare conductor să se adune ( fig. 2.2.b ) . La sfârşit rămân două capete libere care constituie bornele de livrare în circuitul exterior . Curentul produs de un asemenea generator este numit curent monofazat .


În modelul descris mai sus , energia electrică apare în forma unui consum de energie mecanică produsă de o cădere de apă , sau de o turbină cu vapori . Deoarece nu toată energia mecanică consumată este transformată în energie electrică , se defineşte , astfel , un randament al generatorului , ca fiind raportul dintre puterea electrică furnizată (Pel) şi puterea mecanică consumată (Pmc) . Pierderi de energie au loc prin frecări , prin efect Joule în bobinajele indusului sau prin curenţi Foucault .

2.3. Puterea în curent alternativ

Puterea în curent alternativ are o expresie diferită de cea a curentului continuu . Dacă circuitul este format numai din rezistenţe ohmice , atunci puterea este egală cu Uif∙Iif = Um∙Im/2 , unde Uif este tensiunea între faze , Iif este intensitatea curentului între faze , Um este tensiunea maximă , iar Im intensitatea maximă a curentului . Când însă circuitul conţine şi elemente reactive , atunci puterea consumată prin efect Joule este dată de căderea de tensiune pe rezistenţă :
UR = U cos φ = (Um cos φ) sin ωt .

În acest caz , produsul UmIm/2 poartă numele de putere aparentă (Pa) , iar puterea disipată pe rezistenţă este numită reală (Preal) şi este exprimată de căderea de tensiune pe rezistenţă :
P real = Im Um/ 2 * cosφ = P a * sinφ

Factorul cos φ poartă numele de factor de putere şi arată ce fracţiune este disipată prin efect Joule . Cealaltă parte a puterii descrisă de căderea de tensiune pe elementele reactive ( Um sin φ sin ωt ) este numită putere reactivă (Preactiv) şi este egală cu :
P reactiv = Um Im /2 * sinφ = P a * sinφ


3.Aplicaţii

Dacă într-o reţea de curent alternativ exista un număr mare de motoare şi de transformatoare care lucrează multă vreme în gol , factorul de putere ( cos φ) este mic . Explicaţi pentru ce acest lucru constituie un inconvenient .

Răspuns: Se ştie că relaţia care dă puterea în curent alternativ este : P = UI cos φ. Dacă se lucrează cu un factor de putere mic , atunci nu se va putea obţine o putere P necesară sub o tensiune dată U decât trimiţând în linia de alimentare un curent de intensitatea I mai mare . Dar prin aceasta se vor produce pierderi prin efect Joule în înfăşurările 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 şi transformatoarele) reduc unghiul de decalaj φ , adică măresc factorul de putere şi deci micşorează curentul necesar pentru a dispune de o anumită putere activă P .

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

Răspuns: În instalaţiile electrice de alimentare cu curent alternativ monofazat se folosesc două fire din cele patru ale sistemului stea cu fir negru ; unul dintre aceste este un fir de fază , iar altul este un fir nul – legat la pământ . Când atingem firul de nul , corpului nostru nu i se aplică nici o tensiune , deoarece atât mâinile cât şi picioarele se află în legătură cu pământul . Când însă atingem firul de fază , atunci supunem corpul la o tensiune egală cu tensiunea dintre de fază şi pământ ( firul de nul ) ; valoarea acestei tensiuni este pentru unele reţele de 120 V , iar pentru altele de 220 V . Prin corp trece un curent I ; dacă intensitatea acestuia depăşeşte o anumită limită , atingerea firului de fază poate fi mortală .

4.Concluzii

Curentul alternativ are un domeniu foarte vast în care este aplicat , întrebuinţările sale fiind multiple , cea mai importantă fiind alimentarea populaţiei cu energie electrică pentru ca aceasta să-şi poată desfăşura diferitele activităţi cotidiene .