Ce este curentul alternativ?
In curent alternativ, tensiunea si curentul isi schimba polaritatea; curentul continuu mentine tensiunea si curentul la o polaritate respectiv directie constanta in timp; Generatoarele electromecanice in curent alternativ, cunoscute sub numele de alternatoare, sunt mult mai simplu de construit decat generatoarele de curent continuu. Acelasi lucru este valabil si in cazul motoarelor electrice.
Definitie
Pe cat de folosit si usor de inteles este curentul continuu, acesta nu este „tipul” de electricitate folosit in general. Unele surse electrice, precum generatoarele electro-mecanice rotative, produc tensiuni a caror polaritate alterneaza, inversandu-se in acest caz polii pozitivi si negativi intre ei.
Fie ca vorbim de modificarea polaritatii unei tensiuni sau de modificarea directiei de deplasare a electronilor inainte si inapoi, acest gen de electricitate, poarta denumirea de curet alternativ.
Desi simbolul bateriei este folosit pentru a reprezenta orice sursa de curent continuu, in cazul curentului alternativ, simbolul unei surse de energie il reprezinta o linie sinusoidala intr-un cerc, precum in figura de mai jos:
Scopul curentului alternativ
Ne putem intreba pe buna dreptate, de ce ne-am bate capul si cu acest tip de electricitate. Este adevarat ca in unele cazuri, curentul alternativ nu prezinta nici un avantaj fata de cel continuu. In aplicatiile in care curentul electric este folosit doar pentru a genera energie sub forma de caldura (resou, bec, etc.), polaritatea sau directia curentului este irelevanta atata timp cat tensiunea si curentul existente in circuit sunt suficiente pentru a disipa puterea necesara elementelor din circuit. Totusi, cu ajutorul curentului alternativ se pot construi generatoare electrice, motoare electrice si sisteme de distributie a energiei electrice mult superioare din punct de vedere al eficientei fata de curentul continuu.
Generarea curentului alternativ
In cazul in care construim o masina ce roteste un camp magnetic in jurul unui set de infasurari stationare prin intermediul unui ax, vom constata producerea curentului alternativ pe infasurari, pe masura ce axul se roteste. Principiul se bazeaza pe legea inductiei electromagnetice a lui Faraday. Acesta este si principiul de baza a unui generator de curent alternativ, cunoscut si sub numele de alternator.
Putem observa ca polaritatea tensiunii pe infasurare se inverseaza atunci cand prin preajma acesteia trece polul opus al magnetului. Conectata la o sursa, aceasta inversare a polaritatii creeaza un curent invers (in directie opusa) prin circuit. Cu cat viteza de rotatie a axului generatorului este mai mare, cu atat mai repede se roteste si magnetul; rezultatul este o tensiune si un curent alternativ ce-si modifica directiile mult mai des in aceeasi perioada de timp.
Generarea curentului continuu
Desi generatoarele de curent continuu functioneaza pe baza aceluiasi principiu al inductantei electromagnetice ca si generatoarele de curent alternativ, constructia acestora nu este asa de simpla.
La un generator de curent continuu, infasurarea este montata pe ax, acolo unde la generatorul de curent alternativ se afla magnetul permanent, iar contactul dintre infasurarea rotativa si circuitul exterior se realizeaza cu ajutorul unor contacte stationare de carbon, numite perii, ce vin in contact cu fasii de carbon aflate pe infasurare.
Toate aceste elemente sunt necesare pentru schimbarea polaritatii de iesire spre circuitul exterior, pentru ca acesta „sa vada” o polaritate constanta (curent continuu).
Generatorul de mai sus produce doua pulsuri de tensiune la fiecare revolutie a axului, ambele pulsuri avand aceeasi directie (polaritate). Pentru ca un generator de curent continuu sa produca o tensiune constanta si nu o tensiune intermitenta, acesta trebuie echipat cu seturi multiple de infasurari pentru contactul cu periile. Diagrama de mai sus este prin urmare una simplificata.
Problema ce se iveste in cazul inchiderii si deschiderii contactelor intre infasurarile rotative si perii, este dezvoltarea caldurii excesive si a scanteilor, in special la viteze mari. Daca mediul ambiant in care functioneaza generatorul prezinta vapori inflamabili sau explozivi, problema folosirii unui astfel de generator este si mai grava. Pe de alta parte, un generator de curent alternativ nu necesita perii si comutatoare pentru functionarea sa, si este prin urmare imun la astfel de probleme. Avantajele curentului alternativ fata de cel continuu se regasesc si in cazul confectionarii motoarelor electrice.
Transformatorul
Un alt domeniu de aplicare al curentului continuu se bazeaza pe un efect al electromagnetismului cunoscut sub denumirea de inductie mutuala: doua sau mai multe infasurari plasate una in vecinatatea celeilalte, astfel incat campul magnetic variabil creat de o infasurare induce o tensiune electrica in cealalta.
Daca avem doua infasurari mutual inductive si alimentam una dintre ele in curent alternativ, cea de a doua infasurare va fi si ea strabatuta de curent alternativ. O astfel de utilizare a infasurarilor da nastere unui dispozitiv numit transformator.
Transformatorul este utilizat in principal pentru ridicarea sau coborarea valorii tensiunii de la infasurarea alimentata la cea nealimentata. Prima infasurare, cea care este alimentata in curent alternativ, poarta denumirea de primar; cea de-a doua infasurare, cea in care se induce un curent alternativ dinspre primar, poarta denumirea de secundar.
Valoarea tensiunii induse in secundar este egala cu produsul dintre valoarea tensiunii din primar si raportul dintre numarul de spire din secundar si numarul de infasurari din primar:
U2 = U1 x (n1 / n2)
Analogie
Aceasta relatie poate fi reprezentata printr-o analogie mecanica, folosind cuplul si viteza pentru reprezentarea tensiunii si respectiv a curentului.
Daca inversam raportul numarului de spire dintre primar si secundar, astfel incat primarul va avea mai putine spire decat secundarul, atunci transformatorul va „ridica” tensiune de la nivelul existent in primar la un nivel mai mare in secundar.
Retelele de distributie a energiei electrice
Abilitatea transformatoarelor de a ridica tensiunea sau de a o cobori este extrem de utila in proiectarea retelelor de distributie a energiei electrice. Atunci cand se transporta energie electrica pe distante lungi, este mult mai eficient daca aceasta se realizeaza la tensiuni inalte si curenti mici (diamtreul conductorilor este mai mic, prin urmare si pierderile sunt mai mici).
Tehnologia proiectarii transformatoarelor face posibila existenta sistemelor de distributie. Fara capacitatea de ridicare si coborare a tensiuni, sistemele de distributie ar fi mult prea scumpe pentru a fi practice, decat poate doar pe distante scurte, de cativa kilometri.
Observatie
Pe cat sunt de folositoare, transformatoarele functioneaza doar in curent alternativ, deoarece fenomenul de inductie mutuala se bazeaza pe campuri magnetice variabile, iar curentul continuu nu poate produce decat campuri magnetice constante. Desigur, curentul continuu poate fi folosit sub forma de impulsuri prin infasurarea primara pentru crearea unui camp magnetic variabil, dar acest curent pulsatoriu nu este foarte diferit pana la urma de curentul alternativ.
Bibliografie / Surse:
Tony R. Kuphaldt – Introducere in circuite electrice si electronice
Articolul de fata, face parte din varianta romaneasca a volumului de „Curent alternativ”, al doilea din seria lucrarilor „Lessons in Electric Circuits” scrise de Tony R. Kuphaldt.
Excelentă realizare grafică și documentare. O inițiativă demnă de lăudat. Mulțumiri!