Apa itu arus bolak-balik dan apa bedanya dengan arus searah
Arus bolak-balik, Sebaliknya Arus DC, terus berubah baik dalam besaran maupun arah, dan perubahan ini terjadi secara berkala, yaitu, berulang pada interval yang persis sama.
Untuk menginduksi arus seperti itu di sirkuit, gunakan sumber arus bolak-balik yang menciptakan EMF bolak-balik, yang besarnya dan arahnya berubah secara berkala.Sumber semacam itu disebut alternator.
Dalam gambar. 1 menunjukkan diagram perangkat (model) yang paling sederhana alternator.
Bingkai persegi panjang yang terbuat dari kawat tembaga, dipasang pada sumbu dan diputar di lapangan menggunakan penggerak sabuk magnet… Ujung bingkai disolder ke cincin tembaga, yang berputar dengan bingkai, meluncur pada pelat kontak (sikat).
Gambar 1. Diagram alternator paling sederhana
Mari kita pastikan perangkat semacam itu benar-benar merupakan sumber EMF variabel.
Misalkan sebuah magnet tercipta di antara kutubnya medan magnet seragam, yaitu, di mana kerapatan garis medan magnet di setiap bagian medan adalah sama.berputar, bingkai melintasi garis gaya medan magnet di masing-masing sisinya a dan b diinduksi EMF.
Sisi c dan d bingkai tidak berfungsi, karena ketika bingkai berputar, mereka tidak melewati garis gaya medan magnet dan oleh karena itu tidak ikut serta dalam pembuatan EMF.
Setiap saat, EMF yang terjadi di sisi a berlawanan arah dengan EMF yang terjadi di sisi b, tetapi dalam bingkai kedua EMF bertindak sesuai dengan dan menambah total EMF, yaitu, yang diinduksi oleh seluruh bingkai.
Ini mudah untuk diperiksa jika kita menggunakan aturan tangan kanan yang kita ketahui untuk menentukan arah EMF.
Untuk melakukan ini, letakkan telapak tangan kanan sehingga menghadap ke kutub utara magnet, dan ibu jari yang tertekuk bertepatan dengan arah pergerakan sisi bingkai yang ingin kita tentukan arah EMF. Kemudian arah EMF di dalamnya akan ditunjukkan dengan jari-jari tangan yang terulur.
Untuk posisi bingkai apa pun kami menentukan arah EMF di sisi a dan b, mereka selalu menjumlahkan dan membentuk total EMF di bingkai. Pada saat yang sama, dengan setiap putaran bingkai, arah total EMF di dalamnya berubah menjadi berlawanan, karena setiap sisi kerja bingkai dalam satu putaran melewati kutub magnet yang berbeda.
Magnitudo EMF yang diinduksi dalam bingkai juga berubah seiring dengan perubahan kecepatan sisi bingkai melintasi garis medan magnet. Memang, pada saat bingkai mendekati posisi vertikalnya dan melewatinya, kecepatan melintasi garis gaya di sisi bingkai adalah yang tertinggi, dan ggl terbesar diinduksi dalam bingkai.Pada saat-saat itu, ketika bingkai melewati posisi horizontalnya, sisi-sisinya tampak meluncur di sepanjang garis medan magnet tanpa melintasinya, dan tidak ada EMF yang diinduksi.
Oleh karena itu, dengan rotasi bingkai yang seragam, EMF akan diinduksi di dalamnya, secara berkala berubah baik dalam besaran maupun arah.
EMF yang terjadi dalam bingkai dapat diukur dengan perangkat dan digunakan untuk membuat arus di sirkuit eksternal.
Menggunakan fenomena induksi elektromagnetik, Anda bisa mendapatkan EMF bolak-balik dan karenanya arus bolak-balik.
Arus bolak-balik untuk keperluan industri dan untuk penerangan diproduksi oleh generator bertenaga yang digerakkan oleh turbin uap atau air dan mesin pembakaran internal.
Representasi grafis arus AC dan DC
Metode grafis memungkinkan untuk memvisualisasikan proses mengubah variabel tertentu tergantung waktu.
Plotting variabel yang berubah dari waktu ke waktu dimulai dengan memplot dua garis yang saling tegak lurus yang disebut sumbu grafik. Kemudian, pada sumbu horizontal, pada skala tertentu, interval waktu diplot, dan pada sumbu vertikal, juga pada skala tertentu, nilai besaran yang akan diplot (EMF, tegangan atau arus).
Dalam gambar. 2 grafik arus searah dan arus bolak-balik ... Dalam hal ini kita menunda nilai arus dan nilai arus satu arah, yang biasanya disebut positif, ditunda secara vertikal dari titik perpotongan sumbu O , dan turun dari titik ini, berlawanan arah, yang biasanya disebut negatif.
Gambar 2. Representasi grafis dari DC dan AC
Titik O sendiri berfungsi baik sebagai asal nilai arus (vertikal ke bawah dan ke atas) maupun waktu (kanan horizontal).Dengan kata lain, titik ini sesuai dengan nilai nol arus dan titik awal waktu yang ingin kita telusuri bagaimana arus akan berubah di masa depan.
Mari kita verifikasi kebenaran dari apa yang diplot pada gambar. 2 dan plot arus DC 50 mA.
Karena arus ini konstan, yaitu tidak mengubah besaran dan arahnya dari waktu ke waktu, nilai arus yang sama akan sesuai dengan momen waktu yang berbeda, yaitu 50 mA. Oleh karena itu, pada saat waktu sama dengan nol, yaitu pada saat awal pengamatan kita terhadap arus, akan sama dengan 50 mA. Menggambar segmen yang sama dengan nilai arus 50 mA pada sumbu vertikal ke atas, kita mendapatkan titik pertama dari grafik kita.
Kita harus melakukan hal yang sama untuk saat berikutnya dalam waktu yang sesuai dengan titik 1 pada sumbu waktu, yaitu, tunda dari titik ini secara vertikal ke atas segmen yang juga sama dengan 50 mA. Akhir segmen akan menentukan titik kedua dari grafik untuk kita.
Setelah membuat konstruksi serupa untuk beberapa titik waktu berikutnya, kami memperoleh serangkaian titik, yang sambungannya akan menghasilkan garis lurus, yang merupakan representasi grafis dari nilai arus konstan 50 mA.
Merencanakan EMF variabel
Mari kita lanjutkan mempelajari grafik variabel EMF... Pada gambar. 3, bingkai yang berputar dalam medan magnet ditampilkan di bagian atas, dan representasi grafis dari variabel EMF yang dihasilkan diberikan di bawah ini.
Gambar 3. Merencanakan variabel EMF
Kami mulai memutar bingkai secara seragam searah jarum jam dan mengikuti arah perubahan EMF di dalamnya, mengambil posisi horizontal bingkai sebagai momen awal.
Pada momen awal ini, EMF akan menjadi nol karena sisi bingkai tidak melewati garis medan magnet.Pada grafik, nilai nol EMF yang sesuai dengan t instan = 0 diwakili oleh titik 1.
Dengan rotasi bingkai lebih lanjut, EMF akan mulai muncul di dalamnya dan akan meningkat hingga bingkai mencapai posisi vertikalnya. Pada grafik, peningkatan EMF ini akan diwakili oleh kurva naik mulus yang mencapai puncaknya (titik 2).
Saat bingkai mendekati posisi horizontal, EMF di dalamnya akan berkurang dan turun menjadi nol. Pada grafik, ini akan digambarkan sebagai kurva mulus jatuh.
Oleh karena itu, selama waktu yang sesuai dengan setengah putaran frame, EMF di dalamnya mampu meningkat dari nol ke nilai maksimum dan turun lagi menjadi nol (poin 3).
Dengan rotasi bingkai lebih lanjut, EMF akan muncul kembali di dalamnya dan secara bertahap meningkat besarnya, tetapi arahnya akan berubah ke arah yang berlawanan, seperti yang dapat dilihat dengan menerapkan aturan tangan kanan.
Grafik memperhitungkan perubahan arah EMF, sehingga kurva yang mewakili EMF melintasi sumbu waktu dan sekarang berada di bawah sumbu itu. EMF meningkat lagi hingga bingkai mengambil posisi vertikal.
Kemudian EMF akan mulai berkurang dan nilainya akan menjadi sama dengan nol saat bingkai kembali ke posisi semula setelah menyelesaikan satu putaran penuh. Pada grafik, hal ini akan diungkapkan oleh fakta bahwa kurva EMF yang mencapai puncaknya dengan arah berlawanan (titik 4), kemudian akan bertemu dengan sumbu waktu (titik 5)
Ini menyelesaikan satu siklus perubahan EMF, tetapi jika Anda melanjutkan rotasi bingkai, siklus kedua segera dimulai, persis mengulangi yang pertama, yang pada gilirannya akan diikuti oleh yang ketiga, lalu yang keempat, dan seterusnya hingga kita berhenti kerangka rotasi.
Jadi, untuk setiap putaran bingkai, EMF yang terjadi di dalamnya menyelesaikan satu siklus penuh perubahannya.
Jika bingkai ditutup ke beberapa rangkaian eksternal, maka arus bolak-balik akan mengalir melalui rangkaian tersebut, grafiknya akan terlihat sama dengan grafik EMF.
Bentuk gelombang yang dihasilkan disebut gelombang sinus, dan arus, EMF, atau tegangan yang bervariasi menurut hukum ini disebut sinusoidal.
Kurva itu sendiri disebut sinusoid karena merupakan representasi grafis dari besaran trigonometri variabel yang disebut sinus.
Sifat sinusoidal dari perubahan arus adalah yang paling umum dalam teknik kelistrikan, oleh karena itu, berbicara tentang arus bolak-balik, dalam banyak kasus yang dimaksud adalah arus sinusoidal.
Untuk membandingkan berbagai arus bolak-balik (EMF dan voltase), ada nilai yang mencirikan arus tertentu. Ini disebut parameter AC.
Periode, Amplitudo, dan Frekuensi — parameter AC
Arus bolak-balik dicirikan oleh dua parameter - siklus bulanan dan amplitudo, mengetahui yang mana kita dapat memperkirakan jenis arus bolak-balik itu dan membuat grafik arus.
Gambar 4. Kurva arus sinusoidal
Periode waktu di mana siklus lengkap perubahan saat ini terjadi disebut periode. Periode dilambangkan dengan huruf T dan diukur dalam detik.
Periode waktu di mana setengah dari siklus penuh perubahan arus terjadi disebut setengah siklus Oleh karena itu, periode perubahan arus (EMF atau tegangan) terdiri dari dua setengah periode. Sangat jelas bahwa semua periode arus bolak-balik yang sama adalah sama satu sama lain.
Seperti dapat dilihat dari grafik, selama satu periode perubahannya, arus mencapai dua kali nilai maksimumnya.
Nilai maksimum arus bolak-balik (EMF atau tegangan) disebut amplitudo atau nilai arus puncaknya.
Im, Em, dan Um adalah sebutan umum untuk amplitudo arus, EMF, dan tegangan.
Pertama-tama, kami memperhatikan arus puncak, bagaimanapun, seperti yang dapat dilihat dari grafik, ada nilai antara yang tak terhitung jumlahnya yang lebih kecil dari amplitudo.
Nilai arus bolak-balik (EMF, tegangan) yang sesuai dengan momen waktu tertentu yang dipilih disebut nilai sesaatnya.
i, e dan u adalah sebutan yang diterima secara umum dari nilai sesaat arus, ggl dan tegangan.
Nilai arus sesaat, serta nilai puncaknya, mudah ditentukan dengan bantuan grafik. Untuk melakukan ini, dari titik mana pun pada sumbu horizontal yang sesuai dengan titik waktu yang kita minati, gambar garis vertikal ke titik perpotongan dengan kurva saat ini; segmen garis vertikal yang dihasilkan akan menentukan nilai arus pada waktu tertentu, yaitu nilai sesaatnya.
Jelas, nilai sesaat arus setelah waktu T / 2 dari titik awal grafik akan menjadi nol, dan setelah waktu T / 4 nilai amplitudonya. Arus juga mencapai nilai puncaknya; tapi sudah berlawanan arah, selang waktu sama dengan 3/4 T.
Jadi grafik menunjukkan bagaimana arus dalam rangkaian berubah dari waktu ke waktu dan bahwa hanya satu nilai tertentu dari besaran dan arah arus yang sesuai dengan setiap saat waktu. Dalam hal ini, nilai arus pada titik waktu tertentu di satu titik di sirkuit akan sama persis di titik lain mana pun di sirkuit itu.
Ini disebut jumlah periode lengkap yang dipenuhi oleh arus dalam 1 detik frekuensi AC dan dilambangkan dengan huruf Latin f.
Untuk menentukan frekuensi arus bolak-balik, yaitu untuk mengetahui berapa periode perubahan arus yang dilakukan dalam 1 detik, perlu membagi 1 detik dengan waktu satu periode f = 1 / T. Mengetahui frekuensi dari arus bolak-balik, Anda dapat menentukan periode: T = 1 / f
frekuensi AC itu diukur dalam satuan yang disebut hertz.
Jika kita memiliki arus bolak-balik yang frekuensinya sama dengan 1 hertz, maka periode arus tersebut akan sama dengan 1 detik. Sebaliknya, jika periode perubahan arus adalah 1 detik, maka frekuensi arus tersebut adalah 1 hertz.
Jadi kami telah menentukan parameter AC—periode, amplitudo, dan frekuensi—yang memungkinkan Anda membedakan antara berbagai arus AC, EMF, dan voltase, dan memplot grafiknya jika diperlukan.
Saat menentukan resistansi berbagai rangkaian terhadap arus bolak-balik, gunakan nilai tambahan lain yang mencirikan arus bolak-balik, yang disebut frekuensi sudut atau sudut.
Frekuensi melingkar dilambangkan dengan frekuensi f dengan rasio 2 pif
Mari kita jelaskan ketergantungan ini. Saat memplot grafik EMF variabel, kami melihat bahwa satu putaran penuh dari bingkai menghasilkan siklus perubahan EMF yang lengkap. Dengan kata lain, agar rangka melakukan satu putaran, yaitu untuk berputar 360 °, dibutuhkan waktu yang sama dengan satu periode, yaitu T detik. Kemudian, dalam 1 detik, bingkai melakukan revolusi 360 ° / T. Oleh karena itu, 360 ° / T adalah sudut yang dilalui bingkai berputar dalam 1 detik, dan menyatakan kecepatan putaran bingkai, yang biasanya disebut kecepatan sudut atau melingkar.
Tetapi karena periode T terkait dengan frekuensi f dengan perbandingan f = 1 / T, maka kecepatan melingkar juga dapat dinyatakan sebagai frekuensi dan akan sama dengan 360 ° f.
Jadi kami menyimpulkan bahwa 360 ° f. Namun, untuk kemudahan penggunaan frekuensi melingkar untuk perhitungan apa pun, sudut 360 ° yang sesuai dengan satu putaran diganti dengan ekspresi radial yang sama dengan radian 2pi, di mana pi = 3,14. Jadi kita akhirnya mendapatkan 2pif. Oleh karena itu, untuk menentukan frekuensi sudut arus bolak-balik (EMF atau tegangan), Anda harus mengalikan frekuensi dalam hertz dengan angka konstanta 6,28.