Bien que appareils électriques nous utilisons tous les jours Vie courante, tout le monde ne peut pas répondre en quoi le courant alternatif diffère du courant continu, malgré le fait que cela soit discuté dans le cadre programme scolaire. Il est donc logique de rappeler les principes de base.

Définitions générales

Le processus physique par lequel les particules chargées se déplacent de manière ordonnée (directionnelle) est appelé courant électrique. Il est généralement divisé en variable et constante. Pour le premier, la direction et l’ampleur restent inchangées, mais pour le second, ces caractéristiques changent selon un certain schéma.

Les définitions ci-dessus sont grandement simplifiées, même si elles expliquent la différence entre courant continu et alternatif. Pour mieux comprendre quelle est cette différence, il faut donner image graphique chacun d'eux, et expliquez également comment la variable est formée force électromotrice dans la source. Pour ce faire, tournons-nous vers le génie électrique, ou plutôt ses fondements théoriques.

Sources de CEM

Les sources de courant électrique de toute nature sont de deux types :

• primaire, avec leur aide, l'électricité est générée en convertissant de l'énergie mécanique, solaire, thermique, chimique ou autre en énergie électrique ;
• secondaires, ils ne produisent pas d'électricité, mais la convertissent, par exemple, de variable en constante ou vice versa.

La seule source principale de courant électrique alternatif est un générateur ; un schéma simplifié d'un tel dispositif est présenté sur la figure.

Désignations :

• 1 – sens de rotation ;
• 2 – aimant avec pôles S et N ;
• 3 – champ magnétique ;
• 4 – armature en fil de fer ;
• 5 – CEM ;
• 6 – contacts annulaires ;
• 7 – collecteurs de courant.

Principe d'opération

L'énergie mécanique est convertie par le générateur représenté sur la figure en énergie électrique comme suit :

En raison d'un phénomène tel que l'induction électromagnétique, lorsque le cadre « 4 » tourne, placé dans le champ magnétique « 3 » (survenant entre les différents pôles de l'aimant « 2 »), une force électromotrice « 5 » s'y forme. La tension est fournie au réseau via des collecteurs de courant « 7 » à partir de contacts annulaires « 6 », auxquels le châssis « 4 » est connecté.

Vidéo : courant continu et alternatif - différences

Quant à l'ampleur de l'EMF, elle dépend de la vitesse d'intersection les lignes électriques"3" encadré "4". En raison des fonctionnalités Champ électromagnétique la vitesse minimale de franchissement, et donc la valeur la plus basse de la force électromotrice, sera au moment où le châssis est en position verticale, respectivement, la valeur maximale - en position horizontale.

Compte tenu de ce qui précède, au cours du processus de rotation uniforme, une force électromotrice est induite, dont les caractéristiques d'ampleur et de direction changent avec une certaine période.

Images graphiques

Grâce à l'application méthode graphique, vous pouvez obtenir une représentation visuelle des changements dynamiques différentes tailles. Vous trouverez ci-dessous un graphique des variations de tension au fil du temps pour une cellule galvanique 3336L (4,5 V).

Comme vous pouvez le voir, le graphique est une ligne droite, c'est-à-dire que la tension source reste inchangée.

Nous présentons maintenant un graphique de la dynamique des changements de tension au cours d'un cycle (tour complet du châssis) du générateur.

L'axe horizontal affiche l'angle de rotation en degrés, l'axe vertical affiche l'ampleur de la force électromotrice (tension)

Pour plus de clarté, nous montrerons la position initiale du repère dans le générateur, correspondant au point de départ du rapport sur le graphique (0°)

Désignations :

• 1 – pôles magnétiques S et N ;
• 2 – cadre ;
• 3 – sens de rotation du châssis ;
• 4 – champ magnétique.

Voyons maintenant comment l'EMF va changer au cours d'un cycle de rotation du cadre. DANS position initiale L'EMF sera nul. Pendant le processus de rotation, cette valeur commencera à augmenter progressivement, atteignant un maximum au moment où le cadre se trouve à un angle de 90°. Une rotation ultérieure du cadre entraînera une diminution de la FEM, atteignant un minimum au moment de la rotation de 180°.

En poursuivant le processus, vous pouvez voir comment la force électromotrice change de direction. La nature des changements dans le FME qui a changé de direction sera la même. Autrement dit, il commencera à augmenter progressivement, atteignant un pic au point correspondant à une rotation de 270°, après quoi il diminuera jusqu'à ce que le cadre achève un cycle de rotation complet (360°).

Si le graphique continue pendant plusieurs cycles de rotation, nous verrons une caractéristique sinusoïdale du courant électrique alternatif. Sa période correspondra à un tour de trame, et son amplitude correspondra à la valeur maximale de la FEM (avant et arrière).

Passons maintenant à un autre caractéristique importante courant alternatif - fréquence. La lettre latine « f » est utilisée pour le désigner et son unité de mesure est le hertz (Hz). Ce paramètre affiche le nombre de cycles complets (périodes) de changement de FEM en une seconde.

La fréquence est déterminée par la formule : . Le paramètre "T" affiche l'heure d'une cycle complet(période), mesurée en secondes. Ainsi, connaissant la fréquence, il est facile de déterminer l'heure de la période. Par exemple, dans la vie quotidienne, un courant électrique d'une fréquence de 50 Hz est utilisé. Sa période sera donc de deux centièmes de seconde (1/50 = 0,02).

Générateurs triphasés

Notez que le plus économiquement de manière rentable Pour obtenir du courant alternatif, un générateur triphasé sera utilisé. Un schéma simplifié de sa conception est présenté sur la figure.

Comme vous pouvez le constater, le générateur utilise trois bobines, placées avec un décalage de 120°, reliées entre elles par un triangle (en pratique, une telle connexion des enroulements du générateur n'est pas utilisée en raison de son faible rendement). Lorsqu'un des pôles de l'aimant passe devant la bobine, une force électromotrice y est induite.

Quelle est la raison de la variété des courants électriques ?

Beaucoup peuvent avoir une question bien fondée : pourquoi utiliser une telle variété de courants électriques si vous pouvez en choisir un et le rendre standard ? Le fait est que tous les types de courant électrique ne conviennent pas pour résoudre un problème particulier.

A titre d'exemple, nous donnons les conditions d'utilisation pression constante sera non seulement non rentable, mais parfois impossible :

• la tâche de transmission de tension sur des distances est plus facile à mettre en œuvre pour Tension alternative;
• il est quasiment impossible de convertir du courant électrique continu pour des circuits électriques hétérogènes ayant un niveau de consommation incertain ;
• maintenir le niveau de tension requis dans les circuits à courant continu est beaucoup plus difficile et coûteux que le courant alternatif ;
• les moteurs à tension alternative sont structurellement plus simples et moins chers que ceux à tension continue. A ce stade, il convient de noter que pour de tels moteurs (asynchrones) haut niveau courant d'appel, ce qui ne permet pas de les utiliser pour résoudre certains problèmes.

Nous donnons maintenant des exemples de problèmes pour lesquels il est plus approprié d'utiliser une tension constante :

• pour changer la vitesse de rotation moteurs asynchrones il est nécessaire de changer la fréquence du réseau d'alimentation électrique, ce qui nécessite des équipements complexes. Pour les moteurs fonctionnant en courant continu, il suffit de modifier la tension d'alimentation. C'est pourquoi ils sont installés dans les véhicules électriques ;
• nutrition circuits électroniques, les équipements de galvanoplastie et de nombreux autres appareils sont également réalisés au courant électrique continu ;
• La tension continue est beaucoup plus sûre pour les humains que la tension alternative.

Sur la base des exemples énumérés ci-dessus, il est nécessaire d'utiliser divers types tension.

Mouvement des électrons dans un conducteur

Pour comprendre ce qu'est le courant et d'où il vient, vous devez avoir un peu de connaissances sur la structure des atomes et les lois de leur comportement. Les atomes sont constitués de neutrons (charge neutre), de protons (charge positive) et d'électrons (charge négative).

Le courant électrique résulte du mouvement dirigé des protons et des électrons, ainsi que des ions. Comment pouvons-nous diriger le mouvement de ces particules ? Lors de toute opération chimique, les électrons sont « arrachés » et transférés d’un atome à un autre.

Les atomes dont un électron a été « retiré » deviennent chargés positivement (anions), et ceux auxquels il a été attaché deviennent chargés négativement et sont appelés cations. À la suite de ces « croisements » d’électrons, un courant électrique apparaît.

Naturellement, ce processus ne peut pas continuer éternellement ; le courant électrique disparaîtra lorsque tous les atomes du système se stabiliseront et auront une charge neutre (un excellent exemple quotidien est une batterie ordinaire qui « s'épuise » à la suite de la fin d'une réaction chimique. ).

Histoire de l'étude

Les Grecs de l'Antiquité ont été les premiers à remarquer un phénomène intéressant : si vous frottez une pierre d'ambre sur un tissu en laine, elle commence à attirer de petits objets. Les étapes suivantes ont été franchies par les scientifiques et les inventeurs de la Renaissance, qui ont construit plusieurs appareils intéressants démontrant ce phénomène.

Une nouvelle étape dans l'étude de l'électricité fut les travaux de l'Américain Benjamin Franklin, notamment ses expériences avec le pot de Leyde - le premier condensateur électrique au monde.

C'est Franklin qui a introduit les concepts de charges positives et négatives, et il a également inventé le paratonnerre. Finalement, l'étude du courant électrique est devenue une science exacte après la description de la loi de Coulomb.

Modèles de base et forces du courant électrique

Loi d'Ohm - sa formule décrit la relation entre la force, la tension et la résistance. Découvert au 19ème siècle par le scientifique allemand Georg Simon Ohm. L'unité de résistance électrique porte son nom. Ses découvertes étaient très utiles directement pour une utilisation pratique.

La loi Joule-Lenz dit que dans n'importe quel domaine circuit électrique des travaux sont en cours. À la suite de ce travail, le conducteur s'échauffe. Cet effet thermique est souvent utilisé dans la pratique en ingénierie et en technologie (un excellent exemple est une lampe à incandescence).

Le mouvement des charges entraîne l'exécution d'un travail

Ce modèle tire son nom du fait que deux scientifiques, approximativement simultanément et indépendamment, l'ont déduit à travers des expériences.
.

Au début du XIXe siècle, le scientifique britannique Faraday réalisa qu'en modifiant le nombre de lignes d'induction qui pénètrent dans une surface délimitée par une boucle fermée, un courant induit pouvait être créé. Les forces étrangères agissant sur les particules libres sont appelées force électromotrice(fém d'induction).

Variétés, caractéristiques et unités de mesure

Le courant électrique peut être soit variables, ou permanent.

Un courant électrique constant est un courant qui ne change pas de direction ni de signe avec le temps, mais il peut changer d'amplitude. Le courant électrique constant utilise le plus souvent des cellules galvaniques comme source.

Une variable est une variable qui change de direction et de signe selon la loi du cosinus. Sa caractéristique est la fréquence. Les unités SI sont le Hertz (Hz).

Au cours des dernières décennies, elle est devenue très répandue. Il s'agit d'un type de courant alternatif qui comprend 3 circuits. Dans ces circuits, il y a des forces électromotrices alternées de même fréquence, mais déphasées les unes par rapport aux autres d'un tiers de la période. Chaque circuit électrique individuel est appelé une phase.

Presque tous les générateurs modernes produisent du courant électrique triphasé.

• Force et quantité de courant

L'intensité du courant dépend de la quantité de charge circulant dans le circuit électrique par unité de temps. L'intensité du courant est le rapport entre la charge électrique traversant la section transversale d'un conducteur et le temps de son passage.

Dans le système SI, l'unité de mesure de la force de charge est le coulomb (C) et l'unité de temps est la ou les secondes. En conséquence, nous obtenons C/s, cette unité s’appelle Ampère (A). La force du courant électrique est mesurée à l'aide d'un appareil - un ampèremètre.

• Tension

La tension est le rapport entre le travail et la charge. Le travail se mesure en joules (J), la charge en coulombs. Cette unité appelé Volt (V).

• Résistance électrique

Les lectures de l'ampèremètre sur les différents conducteurs donnent différentes significations. Et pour mesurer la puissance du circuit électrique il faudrait utiliser 3 appareils. Le phénomène s'explique par le fait que chaque conducteur a une conductivité différente. L'unité de mesure s'appelle Ohm et est désignée par la lettre latine R. La résistance dépend également de la longueur du conducteur.

• Capacité électrique

Deux conducteurs isolés l'un de l'autre peuvent s'accumuler charges électriques. Ce phénomène est caractérisé par des quantité appelée capacité électrique. Son unité de mesure est le farad (F).

• Puissance et travail du courant électrique

Le travail du courant électrique sur une section spécifique du circuit est égal à la multiplication de la tension actuelle par la force et le temps. La tension est mesurée en volts, la puissance en ampères et le temps en secondes. L'unité de mesure du travail était le joule (J).

La puissance du courant électrique est le rapport entre le travail et la durée de son exécution. La puissance est symbolisée par la lettre P et mesurée en watts (W). La formule de puissance est très simple : courant multiplié par la tension.

Il existe également une unité appelée wattheure. Il ne faut pas le confondre avec les watts, ce sont 2 différents grandeurs physiques. Les watts mesurent la puissance (le taux de consommation ou de transmission d’énergie) et les wattheures expriment l’énergie produite au cours d’une période donnée. Cette mesure est souvent utilisée en relation avec appareils électroménagers.

Par exemple, une lampe d'une puissance de 100 W a fonctionné pendant une heure, puis elle a consommé 100 Wh, et une lampe d'une puissance de 40 watts consommera la même quantité d'électricité en 2,5 heures.

Un wattmètre permet de mesurer la puissance d'un circuit électrique.

Quel type de courant est le plus efficace et quelle est la différence entre eux ?

Le courant continu est facile à utiliser dans le cas de connexion en parallèle de générateurs ; le courant alternatif nécessite une synchronisation du générateur et du système électrique.

Dans l’histoire, un événement appelé « Guerre des courants » a eu lieu. Cette « guerre » a eu lieu entre deux brillants inventeurs – Thomas Edison et Nikola Tesla. Le premier soutenait et favorisait activement le courant électrique constant, et le second le courant alternatif. La « guerre » s'est terminée avec la victoire de Tesla en 2007, lorsque New York est finalement passée à la vitesse variable.

La différence dans l'efficacité de la transmission de l'énergie à distance s'est avérée énorme en faveur du courant alternatif. Le courant électrique constant ne peut pas être utilisé si la station est située loin du consommateur.

Mais le permanent a encore trouvé un champ d'application : il est largement utilisé en électrotechnique, en galvanisation et dans certains types de soudage. Aussi, le courant électrique constant est devenu très répandu dans le domaine des transports urbains (trolleybus, tramways, métro).

Naturellement, il n'y a pas de mauvais ou de bons courants, chaque type a ses propres avantages et inconvénients, le plus important est de les utiliser correctement.

Introduire une maison l'homme moderne sans prises électriques impossible. Et c’est pourquoi beaucoup veulent en savoir plus sur la force qui apporte chaleur et lumière à la civilisation, qui fait fonctionner tous nos appareils électriques. Et ils commencent par la question : quel est le courant dans notre prise, direct ou alternatif ? Et lequel est le meilleur ? Pour répondre à la question de savoir quel courant circule dans la prise et ce qui détermine ce choix, découvrons en quoi ils diffèrent.

Sources de tension continue

Toutes les expériences menées par des scientifiques avec choc électrique, a commencé avec lui. Les premières sources d’électricité, encore primitives, semblables aux batteries modernes, étaient capables de fournir du courant continu.

Sa principale caractéristique est la valeur actuelle constante à tout moment. Les sources, en plus des cellules galvaniques, sont des générateurs et des batteries spéciaux. L'électricité atmosphérique - les décharges de foudre - est une source puissante de tension constante.

Sources de tension alternative

Contrairement à la tension continue, l’amplitude de la tension alternative évolue dans le temps selon une loi sinusoïdale. Pour lui, il existe le concept de période - le temps pendant lequel une oscillation complète se produit, et la fréquence - l'inverse de la période.

DANS réseaux électriques La Russie a adopté une fréquence de courant alternatif de 50 Hz. Mais dans certains pays, cette valeur est de 60 Hz. Ceci doit être pris en compte lors de l'achat d'appareils électroménagers et d'équipements industriels, même si la plupart fonctionnent bien dans les deux cas. Mais il vaut mieux s'en assurer en lisant le mode d'emploi.

Avantages de la climatisation

Nos prises sont alimentées en courant alternatif. Mais pourquoi exactement cela, pourquoi est-ce mieux qu'un permanent ?

Le fait est que seule la valeur de la tension alternative peut être modifiée à l'aide de dispositifs de conversion - des transformateurs. Et vous devez le faire plusieurs fois.

Les centrales thermiques, hydroélectriques et nucléaires sont situées loin des consommateurs. Il est nécessaire de transmettre de grandes puissances sur des distances de plusieurs centaines, voire milliers de kilomètres. Les fils des lignes électriques ont une faible résistance, mais elle est toujours présente. Par conséquent, le courant qui les traverse chauffe les conducteurs. De plus, en raison de la différence de potentiel au début et à la fin de la ligne, moins de tension atteint le consommateur qu'elle ne l'était à la centrale électrique.

Vous pouvez lutter contre ce phénomène soit en réduisant la résistance des fils, soit en réduisant la valeur du courant. La réduction de la résistance n'est possible qu'en augmentant la section des fils, ce qui est coûteux et parfois techniquement impossible.

Mais vous pouvez réduire le courant en augmentant la tension de ligne. Ensuite, lors de la transmission de la même puissance, moins de courant circulera dans les fils. Réduisez les pertes de chaleur des fils.

Techniquement, cela ressemble à ceci. À partir des générateurs de courant alternatif de la centrale électrique, la tension est fournie au transformateur élévateur. Par exemple, 6/110 kV. Plus loin le long de la ligne électrique 110 kV (en abrégé ligne de transmission 110 kV), l'énergie électrique est envoyée à la sous-station de distribution suivante.

Si cette sous-station est destinée à alimenter un groupe de villages de la zone, alors la tension est réduite à 10 kV. S'il est nécessaire d'envoyer une partie importante de la puissance reçue à un consommateur énergivore (par exemple, une usine ou une usine), des lignes de 35 kV peuvent être utilisées. Aux sous-stations nodales pour diviser la tension entre les consommateurs situés à des distances différentes et consommant différents pouvoirs, des transformateurs à trois enroulements sont utilisés. Dans notre exemple, il s'agit de 110/35/6 kV.

Aujourd’hui, la tension reçue au poste rural subit une nouvelle transformation. Sa valeur doit être acceptable pour le consommateur. A cet effet, la puissance passe par un transformateur 10/0,4 kV. La tension entre phase et neutre de la ligne allant au consommateur devient égale à 220 V. Elle atteint nos prises.

Pensez-vous que c'est tout ? Non. Pour la technologie des semi-conducteurs, qui remplit nos téléviseurs, nos ordinateurs, centres de musique cette valeur ne fonctionnera pas. À l'intérieur d'eux, 220 V est réduit à une valeur encore plus petite. Et il est converti en courant continu.

C’est la métamorphose : il vaut mieux transmettre du courant alternatif sur de longues distances, mais on a surtout besoin de courant continu.

Autre avantage du courant alternatif : il est plus facile d'éteindre l'arc électrique qui se produit inévitablement entre les contacts d'ouverture des appareils de commutation. La tension d'alimentation change et passe périodiquement par la position zéro. À ce stade, l’arc s’éteint tout seul si certaines conditions sont remplies. Pour une tension constante, une protection plus sérieuse contre les contacts brûlés sera nécessaire. Mais quand des courts-circuits En courant continu, les dommages aux équipements électriques dus à l'action d'un arc électrique sont plus graves et plus destructeurs qu'en courant alternatif.

Avantages du DC

L'énergie provenant de sources de tension alternative ne peut pas être stockée. Il peut être utilisé pour charger une batterie, mais il ne produira que du courant continu. Que se passe-t-il si, pour une raison quelconque, le générateur de la centrale électrique s'arrête ou si la ligne électrique du village tombe en panne ? Ses habitants devront utiliser des lampes de poche à piles pour éviter de se retrouver dans le noir.

Mais les centrales électriques disposent également de sources de tension constante – des sources puissantes. batteries rechargeables. Après tout, pour démarrer un équipement arrêté en raison d'un accident, il faut de l'électricité. Les mécanismes, sans lesquels il est impossible de démarrer les équipements de la centrale électrique, disposent de moteurs électriques alimentés par des sources de tension continue. Et aussi tous les dispositifs de protection, d'automatisation et de contrôle.

Les transports électrifiés fonctionnent également à tension constante : tramways, trolleybus, métro. Moteurs électriques courant continu avoir plus de couple basses vitesses rotation, nécessaire au bon démarrage d'un train électrique. Et la régulation du régime moteur, et, par conséquent, de la vitesse de déplacement du train, est plus facile à mettre en œuvre grâce au courant continu.

Il est désormais impossible d’imaginer une civilisation humaine sans électricité. Téléviseurs, ordinateurs, réfrigérateurs, sèche-cheveux, machines à laver- tous appareils électroménagers travaille dessus. Sans parler de l’industrie et des grandes entreprises. La principale source d’énergie des récepteurs électriques est le courant alternatif. Et c'est quoi? Quels sont ses paramètres et caractéristiques ? Quelle est la différence entre le courant continu et alternatif ? Peu de gens connaissent les réponses à ces questions.

Variable ou constante

À la fin du XIXe siècle, grâce aux découvertes dans le domaine de l'électromagnétisme, un débat a éclaté sur le type de courant à utiliser au mieux pour satisfaire les besoins humains. Comment tout a commencé ? Thomas Edison a fondé son entreprise en 1878, qui deviendra plus tard célèbre General Electric. L’entreprise est rapidement devenue riche et a gagné la confiance des investisseurs et des citoyens ordinaires des États-Unis d’Amérique, puisque plusieurs centaines de centrales électriques à courant continu ont été construites dans tout le pays. Le mérite d'Edison réside dans l'invention du système à trois fils. Le courant continu fonctionnait très bien avec les premiers moteurs électriques et ampoules à incandescence. C’étaient en fait les seuls récepteurs d’énergie à cette époque. Le comptoir, qui était également inventé par Edison, fonctionnait exclusivement en courant continu. Cependant, la société en développement d'Edison s'est heurtée à l'opposition d'entreprises et d'inventeurs compétitifs qui voulaient opposer le courant continu au courant alternatif.

Inconvénients de l'invention d'Edison

George Westinghouse, ingénieur et homme d'affaires, a remarqué un maillon faible dans le brevet d'Edison : d'énormes pertes de conducteurs. Cependant, il n’a pas été en mesure de développer un modèle capable de rivaliser avec cette invention. Quel est l'inconvénient du courant continu d'Edison ? Le principal problème réside dans le transport de l’électricité sur de longues distances. Et comme à mesure qu'elle augmente, la résistance des conducteurs augmente également, cela signifie que les pertes de puissance vont également augmenter. Pour abaisser ce niveau, il faut soit augmenter la tension, ce qui entraînera une diminution de l'intensité du courant lui-même, soit épaissir le fil (c'est-à-dire réduire la résistance du conducteur). Il n'existait aucun moyen d'augmenter efficacement la tension continue à cette époque, c'est pourquoi les centrales électriques d'Edison maintenaient la tension proche de deux cents volts. Malheureusement, les flux d’énergie ainsi transmis ne pouvaient pas répondre aux besoins des entreprises industrielles. Le courant continu ne pouvait pas garantir la production d'électricité aux consommateurs puissants situés à une distance considérable de la centrale électrique. Et il était trop coûteux d’augmenter l’épaisseur des câbles ou de construire davantage de stations.

CA ou CC

Grâce au transformateur développé en 1876 par l'ingénieur Pavel Yablochkov, il était très simple de changer la tension du courant alternatif, ce qui permettait de le transmettre sur des centaines et des milliers de kilomètres. Cependant, à cette époque, il n’existait aucun moteur fonctionnant au courant alternatif. Il n’y avait donc ni centrales électriques ni réseaux de transport.

Inventions de Nikola Tesla

L’avantage incontestable de la constante n’a pas duré longtemps. Nikola Tesla, travaillant comme ingénieur dans la société Edison, s'est rendu compte que le courant continu ne pouvait pas fournir d'électricité à l'humanité. Déjà en 1887, Tesla avait obtenu plusieurs brevets pour des appareils à courant alternatif. Toute une lutte a commencé pour plus des systèmes efficaces. Les principaux concurrents de Tesla étaient Thomson et Stanley. Et en 1888, un ingénieur serbe a remporté une nette victoire en fournissant un système capable de transporter énergie électrique sur des distances de plusieurs centaines de kilomètres. Le jeune inventeur est rapidement repris par Westinghouse. Cependant, une confrontation a immédiatement commencé entre les sociétés Edison et Westinghouse. Déjà en 1891, Tesla développait un système à courant alternatif triphasé, qui permettait de remporter l'appel d'offres pour la construction d'une immense centrale électrique. Depuis, le courant alternatif a clairement pris la première place. Le permanent perdait du terrain sur tous les fronts. Surtout lorsque sont apparus des redresseurs capables de convertir le courant alternatif en courant continu, ce qui est devenu pratique pour tous les récepteurs.

Définition du courant alternatif

Un exemple de générateur simple

La source la plus simple est un cadre rectangulaire en cuivre, monté sur un axe et tournant dans un champ magnétique à l'aide d'un entraînement par courroie. Les extrémités de ce cadre sont soudées avec des bagues collectrices en cuivre, qui glissent sur les balais. Un aimant crée un champ magnétique uniformément réparti dans l'espace. La densité des lignes de force magnétique ici est la même dans n’importe quelle pièce. Le cadre rotatif traverse ces lignes et une force électromotrice alternative (FEM) est induite sur ses côtés. À chaque rotation, la direction de la FEM totale s'inverse, puisque les côtés actifs du cadre passent par différents pôles de l'aimant par tour. Étant donné que la vitesse d'intersection des lignes de force change, l'ampleur de la force électromotrice devient également différente. Par conséquent, si vous faites pivoter le cadre de manière uniforme, la force électromotrice induite changera périodiquement à la fois en direction et en ampleur ; elle peut être mesurée en utilisant appareils externes et, par conséquent, utilisé pour créer un courant alternatif dans des circuits externes.

Sinusoïdalité

Ce que c'est? Courant alternatif caractérisé graphiquement par une courbe en forme d'onde - une sinusoïde. En conséquence, la FEM, le courant et la tension, qui changent selon cette loi, sont appelés paramètres sinusoïdaux. La courbe est ainsi nommée car c'est une image d'une variable trigonométrique - le sinus. C'est la nature sinusoïdale du courant alternatif qui est la plus courante dans tout le génie électrique.

Paramètres et caractéristiques

Le courant alternatif est un phénomène caractérisé par certains paramètres. Ceux-ci incluent l'amplitude, la fréquence et la période. Cette dernière (notée par la lettre T) est la période de temps pendant laquelle la tension, le courant ou la FEM termine un cycle. changement complet. Plus le rotor du générateur tourne vite, plus la période sera courte. La fréquence (f) est le nombre de périodes complètes de courant, de tension ou de force électromotrice. Il se mesure en Hz (hertz) et indique le nombre de périodes dans une seconde. Ainsi, plus la période est longue, plus la fréquence est faible. L'amplitude d'un phénomène tel que le courant alternatif est sa plus grande valeur. L'amplitude de la tension, du courant ou de la force électromotrice est écrite en lettres avec l'indice « t » - U t I t, E t, respectivement. Souvent, les paramètres et caractéristiques du courant alternatif incluent valeur effective. Tension, courant ou force électromotrice qui agit dans le circuit à chaque instant - valeur instantanée (marquée minuscules- je, toi, e). Cependant, il est difficile d'évaluer le courant alternatif, le travail qu'il effectue et la chaleur créée par la valeur instantanée, car celle-ci change constamment. On utilise donc le courant qui caractérise l'intensité du courant continu, qui dégage autant de chaleur lors du passage à travers le conducteur que le courant alternatif.

Bien que nous utilisions quotidiennement des appareils électriques, tout le monde ne peut pas comprendre la différence entre le courant alternatif et le courant continu, malgré le fait que cela soit enseigné dans le programme scolaire. Il est donc logique de rappeler les principes de base.

Définitions générales

Le processus physique par lequel les particules chargées se déplacent de manière ordonnée (directionnelle) est appelé courant électrique. Il est généralement divisé en variable et constante. Pour le premier, la direction et l’ampleur restent inchangées, mais pour le second, ces caractéristiques changent selon un certain schéma.

Les définitions ci-dessus sont grandement simplifiées, même si elles expliquent la différence entre courant continu et alternatif. Pour mieux comprendre quelle est cette différence, il est nécessaire de fournir une représentation graphique de chacun d'eux, ainsi que d'expliquer comment la force électromotrice alternative est générée dans la source. Pour ce faire, tournons-nous vers le génie électrique, ou plutôt ses fondements théoriques.

Sources de CEM

Les sources de courant électrique de toute nature sont de deux types :

• primaire, avec leur aide, l'électricité est générée en convertissant de l'énergie mécanique, solaire, thermique, chimique ou autre en énergie électrique ;
• secondaires, ils ne produisent pas d'électricité, mais la convertissent, par exemple, de variable en constante ou vice versa.

La seule source principale de courant électrique alternatif est un générateur ; un schéma simplifié d'un tel dispositif est présenté sur la figure.

Désignations :

• 1 – sens de rotation ;
• 2 – aimant avec pôles S et N ;
• 3 – champ magnétique ;
• 4 – armature en fil de fer ;
• 5 – CEM ;
• 6 – contacts annulaires ;
• 7 – collecteurs de courant.

Principe d'opération

L'énergie mécanique est convertie par le générateur représenté sur la figure en énergie électrique comme suit :

En raison d'un phénomène tel que l'induction électromagnétique, lorsque le cadre « 4 » tourne, placé dans le champ magnétique « 3 » (survenant entre les différents pôles de l'aimant « 2 »), une force électromotrice « 5 » s'y forme. La tension est fournie au réseau via des collecteurs de courant « 7 » à partir de contacts annulaires « 6 », auxquels le châssis « 4 » est connecté.

Vidéo : courant continu et alternatif - différences

Quant à l'ampleur de la FEM, elle dépend de la vitesse d'intersection des lignes électriques « 3 » par le cadre « 4 ». En raison des caractéristiques du champ électromagnétique, la vitesse minimale de franchissement, et donc la valeur la plus basse de la force électromotrice, sera au moment où le cadre est en position verticale, respectivement, la valeur maximale - en position horizontale.

Compte tenu de ce qui précède, au cours du processus de rotation uniforme, une force électromotrice est induite, dont les caractéristiques d'ampleur et de direction changent avec une certaine période.

Images graphiques

Grâce à l'utilisation de la méthode graphique, il est possible d'obtenir une représentation visuelle des changements dynamiques en différentes quantités. Vous trouverez ci-dessous un graphique des variations de tension au fil du temps pour une cellule galvanique 3336L (4,5 V).

Comme vous pouvez le voir, le graphique est une ligne droite, c'est-à-dire que la tension source reste inchangée.

Nous présentons maintenant un graphique de la dynamique des changements de tension au cours d'un cycle (tour complet du châssis) du générateur.

L'axe horizontal affiche l'angle de rotation en degrés, l'axe vertical affiche l'ampleur de la force électromotrice (tension)

Pour plus de clarté, nous montrerons la position initiale du repère dans le générateur, correspondant au point de départ du rapport sur le graphique (0°)

Désignations :

• 1 – pôles magnétiques S et N ;
• 2 – cadre ;
• 3 – sens de rotation du châssis ;
• 4 – champ magnétique.

Voyons maintenant comment l'EMF va changer au cours d'un cycle de rotation du cadre. À la position initiale, l'EMF sera nul. Pendant le processus de rotation, cette valeur commencera à augmenter progressivement, atteignant un maximum au moment où le cadre se trouve à un angle de 90°. Une rotation ultérieure du cadre entraînera une diminution de la FEM, atteignant un minimum au moment de la rotation de 180°.

En poursuivant le processus, vous pouvez voir comment la force électromotrice change de direction. La nature des changements dans le FME qui a changé de direction sera la même. Autrement dit, il commencera à augmenter progressivement, atteignant un pic au point correspondant à une rotation de 270°, après quoi il diminuera jusqu'à ce que le cadre achève un cycle de rotation complet (360°).

Si le graphique continue pendant plusieurs cycles de rotation, nous verrons une caractéristique sinusoïdale du courant électrique alternatif. Sa période correspondra à un tour de trame, et son amplitude correspondra à la valeur maximale de la FEM (avant et arrière).

Passons maintenant à une autre caractéristique importante du courant électrique alternatif : la fréquence. La lettre latine « f » est utilisée pour le désigner et son unité de mesure est le hertz (Hz). Ce paramètre affiche le nombre de cycles complets (périodes) de changement de FEM en une seconde.

La fréquence est déterminée par la formule : . Le paramètre « T » affiche le temps d'un cycle complet (période), mesuré en secondes. Ainsi, connaissant la fréquence, il est facile de déterminer l'heure de la période. Par exemple, dans la vie quotidienne, un courant électrique d'une fréquence de 50 Hz est utilisé. Sa période sera donc de deux centièmes de seconde (1/50 = 0,02).

Générateurs triphasés

Notez que le moyen le plus rentable d’obtenir du courant électrique alternatif est d’utiliser un générateur triphasé. Un schéma simplifié de sa conception est présenté sur la figure.

Comme vous pouvez le constater, le générateur utilise trois bobines, placées avec un décalage de 120°, reliées entre elles par un triangle (en pratique, une telle connexion des enroulements du générateur n'est pas utilisée en raison de son faible rendement). Lorsqu'un des pôles de l'aimant passe devant la bobine, une force électromotrice y est induite.

Quelle est la raison de la variété des courants électriques ?

Beaucoup peuvent avoir une question bien fondée : pourquoi utiliser une telle variété de courants électriques si vous pouvez en choisir un et le rendre standard ? Le fait est que tous les types de courant électrique ne conviennent pas pour résoudre un problème particulier.

A titre d'exemple, nous donnons les conditions dans lesquelles l'utilisation d'une tension constante sera non seulement non rentable, mais parfois impossible :

• la tâche de transmission de tension sur des distances est plus facile à mettre en œuvre pour une tension alternative ;
• il est quasiment impossible de convertir du courant électrique continu pour des circuits électriques hétérogènes ayant un niveau de consommation incertain ;
• maintenir le niveau de tension requis dans les circuits à courant continu est beaucoup plus difficile et coûteux que le courant alternatif ;
• les moteurs à tension alternative sont structurellement plus simples et moins chers que ceux à tension continue. À ce stade, il convient de noter que de tels moteurs (asynchrones) ont un courant de démarrage élevé, ce qui ne permet pas de les utiliser pour résoudre certains problèmes.

Nous donnons maintenant des exemples de problèmes pour lesquels il est plus approprié d'utiliser une tension constante :

• Pour modifier la vitesse de rotation des moteurs asynchrones, il faut modifier la fréquence du réseau d'alimentation, ce qui nécessite des équipements complexes. Pour les moteurs fonctionnant en courant continu, il suffit de modifier la tension d'alimentation. C'est pourquoi ils sont installés dans les véhicules électriques ;
• l'alimentation électrique des circuits électroniques, des équipements galvaniques et de nombreux autres appareils s'effectue également par courant électrique continu ;
• La tension continue est beaucoup plus sûre pour les humains que la tension alternative.

Sur la base des exemples énumérés ci-dessus, il est nécessaire d'utiliser différents types de tension.