זרם חילופין: הגדרה, תכונות ומשתמשים
מהו זרם חילופין?
זרם חילופין (AC) הוא זרם חשמלי שמשתנה בכיוון ומגמה באופן מחזורי. בניגוד ל-זרם ישר (DC), שזורם רק בכיוון אחד, זרם חילופין יכול לשמש להעברת כוח על פני מרחקים ארוכים עם אובדן אנרגיה מועט יותר. זרם חילופין הוא גם הצורה של אנרגיה חשמלית שמוצבת ברוב מכשירי הבית והמכשירים כאשר הם מחוברים לשקע חשמל.
הצורה של גל ה-AC יכולה להשתנות בהתאם למקור ולמטען. הצורה הנפוצה ביותר היא גל סינוסואידלי, שיש לו צורה חלקה וסימטרית. צורות גלים אחרות כוללות גלי ריבוע, גלי משולש וגלי שיניים, המחזיקים בתכונות ושימושים שונים.
איך מודדים זרם חילופין?
דרך אחת למדוד זרם חילופין היא באמצעות ערכו הריבועי הממוצע (RMS). ערך ה-RMS של גל AC הוא הערך השקול של DC שהייתה מייצרת את אותה כמות חום ב-נגד. ערך ה-RMS ניתן לחישוב על ידי העלאה בריבוע של הערכים הרגעיים של גל ה-AC, קבלת ממוצע לאורך מחזור אחד ולאחר מכן חישוב השורש הריבועי.
ערך ה-RMS של גל AC סינוסואידלי שווה לערכו השיא חלקי שורש שתיים:
ערך ה-RMS של גל AC מרובע שווה לערכו השיא:
ערך ה-RMS של גל AC משולש שווה לערכו השיא חלקי שורש שלוש:
ערך ה-RMS של גל AC בצורת שן מסור שווה לערכו השיא חלקי שורש שש:
דרך נוספת למדוד זרם חילופין היא באמצעות תדירותו. תדירות גל AC היא מספר המחזורים או התקופות שמתרחשים בשנייה אחת. יחידת התדירות היא הרץ (Hz), שמשמעותה מחזורים לשנייה. למשל, גל AC בתדירות של 60 הרץ משלים 60 מחזורים בשנייה אחת.
התדירות של גל AC קשורה לתקופתו, שהיא הזמן הנדרש כדי להשלים מחזור אחד. התקופה ניתנת לחישוב על ידי חלוקת שנייה אחת בתדירות:
התדירות ניתנת לחישוב על ידי חלוקת שנייה אחת בתקופה:
למה משתמשים בזרם חילופין?
זרם חילופין יש לו הרבה יתרונות על זרם ישר עבור העברת ופיזור כוח. כמה מהיתרונות הללו הם:
קל לייצור: זרם חילופין ניתן לייצר בקלות על ידי סיבוב סליל של חוט במגנטית או על ידי סיבוב מגנט סביב סליל של חוט. אין צורך בקומוטטורים או רקטיפיקטורים, שהם נדרשים לייצור זרם ישר.
מתח טרנספורמציה: זרם חילופין ניתן להעלות או להוריד בקלות באמצעות טרנספורמרים, שהם מכשירים שמשתמשים באינדוקציה אלקטרומגנטית כדי לשנות את מתח ואנרגיית הזרם של מעגל AC. זה מאפשר להעביר זרם חילופין במתח גבוה וזרם נמוך, מה שמתיר להפחית את האובדן של כוח עקב ההתנגדות של החוטים. זה גם מאפשר לספק זרם חילופין במתח וזרם שונים עבור יישומים ומכשירים שונים.
גורם כוח תיקון: זרם חילופין ניתן להתאים כדי לשפר את גורם הכוח שלו, שהוא מדד לאופן בו מעגל AC משתמש באנרגיה בצורה יעילה. גורם כוח מוגדר כיחס בין כוח אמיתי (הכוח שעושה עבודה שימושית) לכוח מראה (מכפלת המתח והזרם). גורם כוח נמוך אומר שאנרגיה מסוימת מתבזבזת ככוח ריאקטיבי (הכוח שנע בין המקור למטען). כוח ריאקטיבי יכול לגרום לשינויים במתח, חימום והגדלת האובדן במעגל AC. גורם כוח ניתן לשיפור על ידי הוספת kondensatorim או אינדוקטור למעגל AC, שיכולים לבטל חלק מהכוח הריאקטיבי.
העברת מידע: זרם חילופין ניתן להשתמש בו להעברת מידע כגון קול או תמונות על ידי מודולציה של האמפליטודה, התדירות או הפאזה שלו. כך מעבירים אותות רדיו, טלוויזיה וסלולריים דרך חוטים חשמליים או דרך האוויר.
מהן כמה היישומים של זרם חילופין?
זרם חילופין יש לו הרבה יישומים בתחומים ובתעשיות שונות. כמה דוגמאות הן:
