AC-golfvormen
Wanneer een dynamo wisselspanning produceert, verandert de spanning in de loop van de tijd van polariteit, maar dit op een heel bijzondere manier. Wanneer ze in de loop van de tijd in een grafiek worden weergegeven, neemt de "golf" die wordt getraceerd door deze spanning van wisselende polariteit van een dynamo een duidelijke vorm aan, bekend als een sinusgolf :Afbeelding hieronder
Grafiek van wisselspanning in de tijd (de sinusgolf).
In de spanningsgrafiek van een elektromechanische dynamo is de verandering van de ene polariteit naar de andere soepel, het spanningsniveau verandert het snelst bij het nulpunt ("crossover") en het langzaamst bij zijn piek. Als we de trigonometrische functie van "sinus" zouden plotten over een horizontaal bereik van 0 tot 360 graden, zouden we exact hetzelfde patroon vinden als in de onderstaande tabel.
Trigonometrische "sinus"-functie.
De reden waarom een elektromechanische dynamo sinusvormige wisselstroom levert, is te wijten aan de fysica van zijn werking. De spanning die door de stationaire spoelen wordt geproduceerd door de beweging van de roterende magneet is evenredig met de snelheid waarmee de magnetische flux loodrecht op de spoelen verandert (de wet van elektromagnetische inductie van Faraday). Die snelheid is het grootst wanneer de magneetpolen zich het dichtst bij de spoelen bevinden, en het minst wanneer de magneetpolen het verst van de spoelen verwijderd zijn. Wiskundig volgt de snelheid van magnetische fluxverandering als gevolg van een roterende magneet die van een sinusfunctie, dus de spanning die door de spoelen wordt geproduceerd, volgt diezelfde functie.
Periode versus frequentie
Als we de veranderende spanning zouden volgen die wordt geproduceerd door een spoel in een dynamo vanaf een willekeurig punt op de sinusgolfgrafiek tot het punt waarop de golfvorm zichzelf begint te herhalen, zouden we precies één cyclus hebben gemarkeerd van die golf. Dit wordt het gemakkelijkst weergegeven door de afstand tussen identieke pieken te overspannen, maar kan worden gemeten tussen alle overeenkomstige punten in de grafiek. De gradenmarkeringen op de horizontale as van de grafiek vertegenwoordigen het domein van de trigonometrische sinusfunctie, en ook de hoekpositie van onze eenvoudige tweepolige dynamo-as terwijl deze draait:Afbeelding hieronder
Alternatorspanning als functie van aspositie (tijd).
Aangezien de horizontale as van deze grafiek zowel het verstrijken van de tijd als de aspositie in graden kan markeren, wordt de maat die voor één cyclus is gemarkeerd vaak gemeten in een tijdseenheid, meestal seconden of fracties van een seconde. Uitgedrukt als een meting, wordt dit vaak de periode . genoemd van een golf.
De periode van een golf in graden is altijd 360, maar de hoeveelheid tijd die een periode in beslag neemt, hangt af van de snelheid die de spanning heen en weer oscilleert.
Een meer populaire maatstaf voor het beschrijven van de wisselstroom van een wisselspanning of stroomgolf dan periode is de snelheid van die heen en weer oscillatie. Dit heet frequentie . De moderne eenheid voor frequentie is de Hertz (afgekort Hz), die staat voor het aantal voltooide golfcycli gedurende één seconde.
In de Verenigde Staten van Amerika is de standaard frequentie van de voedingslijn 60 Hz, wat betekent dat de wisselspanning oscilleert met een snelheid van 60 volledige heen-en-weer cycli per seconde. In Europa, waar de frequentie van het voedingssysteem 50 Hz is, voltooit de wisselspanning slechts 50 cycli per seconde.
Een zender van een radiostation die uitzendt op een frequentie van 100 MHz genereert een wisselspanning die oscilleert met een snelheid van 100 miljoen cycli elke seconde.
Voorafgaand aan de heiligverklaring van de Hertz-eenheid werd de frequentie eenvoudig uitgedrukt als "cycli per seconde". Oudere meters en elektronische apparatuur droegen vaak frequentie-eenheden van "CPS" (Cycles Per Second) in plaats van Hz. Veel mensen geloven dat de verandering van zelfverklarende eenheden zoals CPS naar Hertz een stap terug is in duidelijkheid.
Een soortgelijke verandering deed zich voor toen de eenheid van "Celsius" die van "Celsius" verving voor metrische temperatuurmeting. De naam Celsius was gebaseerd op een schaal van 100 ("Centi-") ("-grade") die het smelt- en kookpunt van H2 weergeeft O, respectievelijk.
De naam Celsius daarentegen geeft geen enkele aanwijzing over de oorsprong of betekenis van de eenheid.
Periode en frequentie zijn wiskundige reciprocals van elkaar. Dat wil zeggen, als een golf een periode van 10 seconden heeft, zal zijn frequentie 0,1 Hz zijn, of 1/10 van een cyclus per seconde:
Gebruik van een oscilloscoop
Een instrument dat een oscilloscoop . wordt genoemd , Afbeelding hieronder, wordt gebruikt om een veranderende spanning in de loop van de tijd op een grafisch scherm weer te geven. U bent misschien bekend met het uiterlijk van een ECG of EKG (elektrocardiograaf) machine, gebruikt door artsen om de oscillaties van het hart van een patiënt in de loop van de tijd in kaart te brengen.
De ECG is een speciale oscilloscoop die speciaal is ontworpen voor medisch gebruik. Oscilloscopen voor algemeen gebruik hebben de mogelijkheid om de spanning van vrijwel elke spanningsbron weer te geven, uitgezet als een grafiek met de tijd als onafhankelijke variabele.
De relatie tussen periode en frequentie is erg handig om te weten bij het weergeven van een AC-spanning of stroomgolfvorm op een oscilloscoopscherm. Door de periode van de golf op de horizontale as van het oscilloscoopscherm te meten en die tijdwaarde heen en weer te bewegen (in seconden), kun je de frequentie in Hertz bepalen.
Tijdsperiode van sinusgolf wordt weergegeven op oscilloscoop.
Hoe is het concept van AC gerelateerd aan geluid?
Spanning en stroom zijn zeker niet de enige fysieke variabelen die in de loop van de tijd kunnen variëren. Veel gebruikelijker in onze dagelijkse ervaring is geluid , wat niets meer is dan de afwisselende compressie en decompressie (drukgolven) van luchtmoleculen, door onze oren geïnterpreteerd als een fysieke sensatie. Omdat wisselstroom een golfverschijnsel is, deelt het veel van de eigenschappen van andere golfverschijnselen, zoals geluid. Om deze reden biedt geluid (vooral gestructureerde muziek) een uitstekende analogie voor het relateren van AC-concepten.
In muzikale termen is frequentie gelijk aan toonhoogte . Lage tonen, zoals die van een tuba of fagot, bestaan uit trillingen van luchtmoleculen die relatief langzaam zijn (lage frequentie). Hoge tonen, zoals die van een fluit of fluit, bestaan uit hetzelfde type trillingen in de lucht, alleen trillen ze veel sneller (hogere frequentie). De onderstaande afbeelding is een tabel met de werkelijke frequenties voor een reeks veelvoorkomende muzieknoten.
523,25
Scherpzinnige waarnemers zullen opmerken dat alle noten op de tafel met dezelfde letteraanduiding gerelateerd zijn door een frequentieverhouding van 2:1. De eerste weergegeven frequentie (aangeduid met de letter "A") is bijvoorbeeld 220 Hz. De op één na hoogste "A"-noot heeft een frequentie van 440 Hz - precies twee keer zoveel geluidsgolfcycli per seconde.
Dezelfde 2:1-verhouding geldt voor de eerste A-scherp (233,08 Hz) en de volgende A-scherp (466,16 Hz), en voor alle notenparen in de tabel.
Hoorbaar klinken twee noten waarvan de frequenties precies het dubbele zijn, opmerkelijk veel op elkaar. Deze gelijkenis in geluid wordt muzikaal erkend, de kortste spanwijdte op een toonladder die dergelijke notenparen scheidt, wordt een octaaf genoemd. . Volgens deze regel is de volgende hoogste "A"-noot (een octaaf boven 440 Hz) 880 Hz, en de volgende laagste "A" (een octaaf onder 220 Hz) is 110 Hz.
Een weergave van een pianotoetsenbord helpt om deze schaal in perspectief te plaatsen:Afbeelding hieronder
Een octaaf wordt weergegeven op een muzikaal toetsenbord.
Zoals je kunt zien, is één octaaf gelijk aan zeven afstand van witte toetsen op een pianotoetsenbord. Het bekende muzikale geheugensteuntje (doe-ray-mee-fah-so-lah-tee) - ja, hetzelfde patroon vereeuwigd in het grillige Rodgers en Hammerstein-lied gezongen in The Sound of Music - beslaat één octaaf van C tot C.
Andere vormen van afwisselende golven
Terwijl elektromechanische dynamo's en vele andere fysische verschijnselen van nature sinusgolven produceren, is dit niet de enige soort alternerende golf die er bestaat. Andere "golfvormen" van AC worden gewoonlijk geproduceerd in elektronische circuits. Hier zijn slechts enkele voorbeeldgolfvormen en hun gebruikelijke aanduidingen in de onderstaande afbeelding.
Enkele veelvoorkomende golfvormen (golfvormen).
Deze golfvormen zijn zeker niet de enige soorten golfvormen die er zijn. Het zijn gewoon een paar die vaak genoeg zijn om verschillende namen te hebben gekregen. Zelfs in circuits die verondersteld worden "pure" sinus-, vierkant-, driehoek- of zaagtandspannings-/stroomgolfvormen te vertonen, is het werkelijke resultaat vaak een vervormde versie van de beoogde golfvorm.
Sommige golfvormen zijn zo complex dat ze de classificatie als een bepaald "type" tarten (inclusief golfvormen die worden geassocieerd met vele soorten muziekinstrumenten). Over het algemeen wordt elke golfvorm die sterk lijkt op een perfecte sinusgolf, sinusvormig genoemd. , iets anders wordt bestempeld als niet-sinusvormig .
Omdat de golfvorm van een AC-spanning of -stroom cruciaal is voor de impact ervan in een circuit, moeten we ons bewust zijn van het feit dat AC-golven in verschillende vormen voorkomen.
BEOORDELING:
- AC geproduceerd door een elektromechanische dynamo volgt de grafische vorm van een sinusgolf.
- Eén cyclus van een golf is één volledige evolutie van zijn vorm tot het punt dat hij klaar is om zichzelf te herhalen.
- De periode van een golf is de hoeveelheid tijd die nodig is om één cyclus te voltooien.
- Frequentie is het aantal volledige cycli dat een golf in een bepaalde tijd voltooit. Gewoonlijk gemeten in Hertz (Hz), waarbij 1 Hz gelijk is aan één volledige golfcyclus per seconde.
- Frequentie =1/(periode in seconden)
GERELATEERDE WERKBLAD:
- Werkblad AC-golfvormen
- Werkblad basisbediening oscilloscoop
Industriële technologie