Формы сигналов переменного тока
Когда генератор переменного тока вырабатывает переменное напряжение, напряжение меняет полярность со временем, но делает это очень особым образом. На графике во времени «волна», отслеживаемая этим напряжением переменной полярности от генератора переменного тока, принимает отчетливую форму, известную как синусоидальная волна . :Рисунок ниже
График изменения напряжения переменного тока во времени (синусоида).
На графике напряжения электромеханического генератора переменного тока изменение одной полярности на другую происходит плавно, причем уровень напряжения изменяется наиболее быстро в нулевой точке («кроссовер») и наиболее медленно на пике. Если бы мы изобразили график тригонометрической функции «синуса» в диапазоне от 0 до 360 градусов по горизонтали, мы бы обнаружили точно такой же образец, как в таблице ниже.
Тригонометрическая функция «синус».
Причина, по которой электромеханический генератор переменного тока выдает синусоидальный переменный ток, связана с физикой его работы. Напряжение, создаваемое неподвижными катушками при движении вращающегося магнита, пропорционально скорости, с которой магнитный поток изменяется перпендикулярно катушкам (закон электромагнитной индукции Фарадея). Эта скорость максимальна, когда полюса магнита находятся ближе всего к катушкам, и меньше всего, когда полюса магнита находятся дальше всего от катушек. Математически скорость изменения магнитного потока из-за вращающегося магнита соответствует скорости изменения синусоиды, поэтому напряжение, создаваемое катушками, следует той же функции.
Период и частота
Если бы мы проследили за изменением напряжения, создаваемого катушкой в генераторе переменного тока от любой точки на графике синусоидальной волны до той точки, когда форма волны начинает повторяться, мы бы отметили ровно один цикл этой волны. Это легче всего показать, охватив расстояние между идентичными пиками, но его можно измерить между любыми соответствующими точками на графике. Отметки градусов на горизонтальной оси графика представляют область тригонометрической синусоидальной функции, а также угловое положение нашего простого двухполюсного вала генератора переменного тока при его вращении:Рисунок ниже
Напряжение генератора как функция от положения вала (времени).
Поскольку горизонтальная ось этого графика может отмечать ход времени, а также положение вала в градусах, размер, отмеченный для одного цикла, часто измеряется в единицах времени, чаще всего в секундах или долях секунды. В единицах измерения это часто называют периодом . волны.
Период волны в градусах всегда 360, но время, которое занимает один период, зависит от скорости колебаний напряжения взад и вперед.
Более популярная мера для описания частоты изменения переменного напряжения или волны тока, чем период . - скорость этого возвратно-поступательного колебания. Это называется периодичностью . . Современная единица измерения частоты - герцы (сокращенно Гц), которые представляют количество волновых циклов, завершенных за одну секунду времени.
В Соединенных Штатах Америки стандартная частота в электросети составляет 60 Гц, что означает, что напряжение переменного тока колеблется с частотой 60 полных возвратно-поступательных циклов каждую секунду. В Европе, где частота энергосистемы составляет 50 Гц, напряжение переменного тока составляет всего 50 циклов в секунду.
Передатчик радиостанции, вещающий на частоте 100 МГц, генерирует переменное напряжение, колеблющееся с частотой 100 миллионов циклы каждую секунду.
До канонизации единицы Герца частота выражалась просто как «количество циклов в секунду». В старых счетчиках и электронном оборудовании часто используются единицы измерения частоты «CPS» (циклов в секунду) вместо Гц. Многие люди считают, что переход от понятных единиц измерения, таких как CPS, на Hertz, представляет собой шаг назад в ясности.
Аналогичное изменение произошло, когда единица «Цельсий» заменила «Цельсия» для метрического измерения температуры. Название «Цельсия» было основано на 100-значной («Цельсия-») шкале («-градус»), представляющей точки плавления и кипения H 2 . O соответственно.
Название Celsius, с другой стороны, не дает намеков на происхождение или значение единицы измерения.
Период и частота являются математическими величинами, обратными друг другу. То есть, если волна имеет период 10 секунд, ее частота будет 0,1 Гц или 1/10 цикла в секунду:
Использование осциллографа
Инструмент под названием осциллограф Рисунок ниже используется для отображения изменения напряжения во времени на графическом экране. Возможно, вы знакомы с появлением ЭКГ или ЭКГ (электрокардиограф) аппарат, используемый врачами для построения графика колебаний сердца пациента с течением времени.
ЭКГ - это осциллограф специального назначения, специально разработанный для использования в медицине. Осциллографы общего назначения могут отображать напряжение практически от любого источника напряжения в виде графика со временем в качестве независимой переменной.
Связь между периодом и частотой очень полезно знать при отображении формы волны переменного напряжения или тока на экране осциллографа. Измеряя период волны на горизонтальной оси экрана осциллографа и возвращая это значение времени (в секундах), вы можете определить частоту в герцах.
Период времени синусоидальной волны отображается на осциллографе.
Как концепция переменного тока связана со звуком?
Напряжение и ток ни в коем случае не являются единственными физическими переменными, которые могут изменяться с течением времени. В повседневной жизни гораздо чаще встречается звук , который представляет собой не что иное, как чередующееся сжатие и декомпрессию (волны давления) молекул воздуха, воспринимаемое нашими ушами как физическое ощущение. Поскольку переменный ток - это волновое явление, он обладает многими свойствами других волновых явлений, таких как звук. По этой причине звук (особенно структурированная музыка) является отличной аналогией для соотнесения концепций переменного тока.
С музыкальной точки зрения частота эквивалентна высоте звука . . Низкие ноты, такие как звуки тубы или фагота, состоят из относительно медленных (низкочастотных) колебаний молекул воздуха. Высокие ноты, такие как звуки флейты или свистка, состоят из того же типа колебаний в воздухе, только с гораздо большей скоростью (более высокой частотой). На рисунке ниже представлена таблица, в которой показаны фактические частоты для ряда распространенных музыкальных нот.
523,25
Проницательные наблюдатели заметят, что все примечания в таблице с одинаковыми буквенными обозначениями связаны соотношением частот 2:1. Например, первая показанная частота (обозначенная буквой «A») составляет 220 Гц. Следующая по высоте нота «А» имеет частоту 440 Гц - ровно в два раза больше циклов звуковой волны в секунду.
То же соотношение 2:1 справедливо для первого ля-диеза (233,08 Гц) и следующего ля-диеза (466,16 Гц), а также для всех пар нот в таблице.
На слух, две ноты, чьи частоты точно вдвое превышают друг друга, звучат удивительно похоже. Это сходство в звуке признается музыкально, самый короткий промежуток в музыкальной шкале, разделяющий такие пары нот, называется октавой . . Следуя этому правилу, следующая самая высокая нота «А» (на одну октаву выше 440 Гц) будет составлять 880 Гц, следующая самая низкая «А» (на одну октаву ниже 220 Гц) будет составлять 110 Гц.
Вид на клавиатуру пианино помогает увидеть масштаб в перспективе:Рисунок ниже
На музыкальной клавиатуре отображается октава.
Как видите, одна октава равна семи расстояние между белыми клавишами на клавиатуре пианино. Знакомая музыкальная мнемоника (doe-ray-mee-fah-so-lah-tee) - да, тот же образец, увековеченный в причудливой песне Роджерса и Хаммерштейна, исполненной в The Sound of Music - охватывает одну октаву от C до C.
Другие формы чередующихся волн
Хотя электромеханические генераторы переменного тока и многие другие физические явления естественным образом производят синусоидальные волны, это не единственный существующий вид переменных волн. Другие «формы волны» переменного тока обычно производятся в электронных схемах. Вот лишь несколько примеров сигналов и их общие обозначения на рисунке ниже.
Некоторые распространенные формы волны (формы волны).
Эти формы сигналов ни в коем случае не являются единственными существующими формами сигналов. Это просто несколько достаточно обычных людей, которым были даны разные имена. Даже в схемах, которые должны проявлять «чистые» синусоидальные, квадратные, треугольные или пилообразные формы волны напряжения / тока, реальный результат часто является искаженной версией предполагаемой формы волны.
Некоторые формы волны настолько сложны, что не поддаются классификации как особый «тип» (включая формы волны, связанные со многими видами музыкальных инструментов). Вообще говоря, любая форма волны, имеющая близкое сходство с идеальной синусоидальной волной, называется синусоидальной . , все остальное будет помечено как несинусоидальный .
Поскольку форма волны переменного напряжения или тока имеет решающее значение для его воздействия в цепи, мы должны осознавать тот факт, что волны переменного тока бывают самых разных форм.
ОБЗОР:
- Переменный ток, производимый электромеханическим генератором переменного тока, повторяет графическую форму синусоидальной волны.
- Один цикл волны - это полное развитие ее формы до момента, когда она будет готова повторить себя.
- период волны - это время, необходимое для завершения одного цикла.
- Частота - количество полных циклов, которые волна завершает за заданный промежуток времени. Обычно измеряется в герцах (Гц), 1 Гц соответствует одному полному волновому циклу в секунду.
- Частота =1 / (период в секундах)
СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:
- Таблица форм сигналов переменного тока
- Базовый рабочий лист осциллографа
Промышленные технологии