AC-Wellenformen
Wenn eine Lichtmaschine Wechselspannung erzeugt, ändert sich die Polarität der Spannung im Laufe der Zeit, jedoch auf ganz besondere Weise. Im zeitlichen Verlauf nimmt die „Welle“, die von dieser Spannung mit wechselnder Polarität von einer Lichtmaschine verfolgt wird, eine unterschiedliche Form an, die als Sinuswelle bekannt ist :Abbildung unten
Diagramm der Wechselspannung über die Zeit (die Sinuswelle).
In der Spannungskurve eines elektromechanischen Generators ist der Wechsel von einer Polarität zur anderen glatt, wobei sich der Spannungspegel am schnellsten am Nullpunkt ("Durchgangspunkt") und am langsamsten an seinem Spitzenwert ändert. Wenn wir die trigonometrische Funktion von „Sinus“ über einen horizontalen Bereich von 0 bis 360 Grad grafisch darstellen würden, würden wir genau das gleiche Muster wie in der folgenden Tabelle finden.
Trigonometrische „Sinus“-Funktion.
Der Grund, warum ein elektromechanischer Generator Sinuswellen-Wechselstrom ausgibt, liegt in der Physik seines Betriebs. Die von den stationären Spulen durch die Bewegung des rotierenden Magneten erzeugte Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit, mit der sich der magnetische Fluss senkrecht zu den Spulen ändert (Faradaysches Gesetz der elektromagnetischen Induktion). Diese Rate ist am größten, wenn die Magnetpole den Spulen am nächsten sind, und am geringsten, wenn die Magnetpole am weitesten von den Spulen entfernt sind. Mathematisch folgt die Änderungsrate des magnetischen Flusses aufgrund eines rotierenden Magneten der einer Sinusfunktion, sodass die von den Spulen erzeugte Spannung derselben Funktion folgt.
Periode vs. Häufigkeit
Wenn wir die sich ändernde Spannung, die eine Spule in einer Lichtmaschine erzeugt, von einem beliebigen Punkt auf dem Sinuskurvendiagramm bis zu dem Punkt verfolgen würden, an dem sich die Wellenform zu wiederholen beginnt, hätten wir genau einen Zyklus markiert dieser Welle. Dies lässt sich am einfachsten zeigen, indem man den Abstand zwischen identischen Peaks überspannt, kann aber zwischen allen entsprechenden Punkten im Diagramm gemessen werden. Die Gradmarkierungen auf der horizontalen Achse des Diagramms repräsentieren den Bereich der trigonometrischen Sinusfunktion und auch die Winkelposition unserer einfachen zweipoligen Lichtmaschinenwelle bei ihrer Drehung:Abbildung unten
Generatorspannung als Funktion der Wellenposition (Zeit).
Da die horizontale Achse dieses Diagramms sowohl den Zeitverlauf als auch die Wellenposition in Grad markieren kann, wird die für einen Zyklus markierte Dimension oft in einer Zeiteinheit gemessen, meistens in Sekunden oder Sekundenbruchteilen. Als Maß ausgedrückt wird dies oft als Periode bezeichnet einer Welle.
Die Periode einer Welle in Grad ist immer 360, aber die Zeit, die eine Periode einnimmt, hängt von der Frequenz ab, die die Spannung hin und her schwingt.
Ein beliebteres Maß zur Beschreibung der Wechselfrequenz einer Wechselspannungs- oder Stromwelle als Periode ist die Geschwindigkeit dieser Hin- und Her-Schwingung. Dies nennt man Häufigkeit . Die moderne Einheit für die Frequenz ist Hertz (abgekürzt Hz), die die Anzahl der Wellenzyklen darstellt, die während einer Sekunde abgeschlossen wurden.
In den Vereinigten Staaten von Amerika beträgt die Standard-Netzfrequenz 60 Hz, was bedeutet, dass die Wechselspannung jede Sekunde mit einer Rate von 60 vollständigen Hin- und Her-Zyklen schwingt. In Europa, wo die Netzfrequenz 50 Hz beträgt, durchläuft die Wechselspannung nur 50 Zyklen pro Sekunde.
Ein Sender eines Radiosenders, der auf einer Frequenz von 100 MHz sendet, erzeugt eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 100 Millionen Zyklen jede Sekunde.
Vor der Kanonisierung der Hertz-Einheit wurde die Frequenz einfach als „Zyklen pro Sekunde“ ausgedrückt. Ältere Zähler und elektronische Geräte trugen oft die Frequenzeinheiten „CPS“ (Cycles Per Second) statt Hz. Viele Leute glauben, dass der Wechsel von selbsterklärenden Einheiten wie CPS zu Hertz einen Rückschritt in Bezug auf die Klarheit darstellt.
Eine ähnliche Änderung trat ein, als die Einheit „Celsius“ die von „Centigrade“ für die metrische Temperaturmessung ersetzte. Der Name Centigrade basierte auf einer 100-Punkte („Centi-“) Skala („-grade“), die die Schmelz- und Siedepunkte von H2 . darstellt O bzw.
Der Name Celsius hingegen gibt keinen Hinweis auf die Herkunft oder Bedeutung der Einheit.
Periode und Frequenz sind mathematische Kehrwerte voneinander. Das heißt, wenn eine Welle eine Periode von 10 Sekunden hat, beträgt ihre Frequenz 0,1 Hz oder 1/10 eines Zyklus pro Sekunde:
Verwendung eines Oszilloskops
Ein Instrument namens Oszilloskop , Abbildung unten, wird verwendet, um eine zeitliche Änderung der Spannung auf einem grafischen Bildschirm anzuzeigen. Vielleicht kennen Sie das Aussehen eines EKG oder EKG (Elektrokardiograph) Gerät, das von Ärzten verwendet wird, um die Schwingungen des Herzens eines Patienten im Laufe der Zeit aufzuzeichnen.
Das EKG ist ein Spezialoszilloskop, das ausdrücklich für den medizinischen Gebrauch entwickelt wurde. Allzweck-Oszilloskope können die Spannung von praktisch jeder Spannungsquelle anzeigen, die als Graph mit der Zeit als unabhängige Variable dargestellt wird.
Die Beziehung zwischen Periode und Frequenz ist sehr nützlich, wenn Sie eine Wechselspannungs- oder Stromwellenform auf einem Oszilloskopbildschirm anzeigen. Indem Sie die Periode der Welle auf der horizontalen Achse des Oszilloskopbildschirms messen und diesen Zeitwert (in Sekunden) reziprozieren, können Sie die Frequenz in Hertz bestimmen.
Zeitraum der Sinuswelle wird auf dem Oszilloskop angezeigt.
Wie hängt das Konzept von Wechselstrom mit Schall zusammen?
Spannung und Strom sind keineswegs die einzigen physikalischen Größen, die zeitlichen Schwankungen unterliegen. Viel häufiger in unserer alltäglichen Erfahrung ist Klang , das ist nichts anderes als die abwechselnde Kompression und Dekompression (Druckwellen) von Luftmolekülen, die von unseren Ohren als körperliche Empfindung interpretiert werden. Da Wechselstrom ein Wellenphänomen ist, hat er viele Eigenschaften anderer Wellenphänomene, wie zum Beispiel Schall. Aus diesem Grund bietet Klang (insbesondere strukturierte Musik) eine hervorragende Analogie, um AC-Konzepte in Beziehung zu setzen.
Musikalisch entspricht die Frequenz der Tonhöhe . Tiefe Töne, wie sie von einer Tuba oder einem Fagott erzeugt werden, bestehen aus relativ langsamen (niedrigen Frequenzen) Luftmolekülschwingungen. Hohe Töne, wie sie von einer Flöte oder einer Pfeife erzeugt werden, bestehen aus der gleichen Art von Schwingungen in der Luft, die nur viel schneller (höhere Frequenz) vibrieren. Die folgende Abbildung zeigt eine Tabelle mit den tatsächlichen Frequenzen für eine Reihe gängiger Musiknoten.
523,25
Scharfe Beobachter werden feststellen, dass alle Notizen auf der Tabelle mit der gleichen Buchstabenbezeichnung in einem Frequenzverhältnis von 2:1 zueinander stehen. Die erste angezeigte Frequenz (mit dem Buchstaben „A“ gekennzeichnet) beträgt beispielsweise 220 Hz. Die nächsthöhere „A“-Note hat eine Frequenz von 440 Hz – genau doppelt so viele Schallwellenzyklen pro Sekunde.
Das gleiche 2:1-Verhältnis gilt für das erste As (233,08 Hz) und das nächste As (466,16 Hz) sowie für alle in der Tabelle gefundenen Notenpaare.
Hörbar klingen zwei Töne, deren Frequenzen sich genau verdoppeln, bemerkenswert ähnlich. Diese Klangähnlichkeit wird musikalisch erkannt, wobei die kürzeste Spanne auf einer Tonleiter, die solche Notenpaare trennt, als Oktave bezeichnet wird . Nach dieser Regel ist die nächsthöhere „A“-Note (eine Oktave über 440 Hz) 880 Hz, die nächsttiefste „A“ (eine Oktave unter 220 Hz) 110 Hz.
Ein Blick auf eine Klaviertastatur hilft, diese Skala ins rechte Licht zu rücken:Abbildung unten
Eine Oktave wird auf einer Musiktastatur angezeigt.
Wie Sie sehen, entspricht eine Oktave sieben Abstand der weißen Tasten auf einer Klaviertastatur. Die bekannte musikalische Gedächtnisstütze (doe-ray-mee-fah-so-lah-tee) – ja, das gleiche Muster, das in dem skurrilen Rodgers- und Hammerstein-Lied in The Sound of Music verewigt ist – umfasst eine Oktave von C bis C.
Andere Formen alternierender Wellen
Während elektromechanische Generatoren und viele andere physikalische Phänomene auf natürliche Weise Sinuswellen erzeugen, ist dies nicht die einzige Art von Wechselwelle, die es gibt. Andere „Wellenformen“ von Wechselstrom werden üblicherweise in elektronischen Schaltungen erzeugt. Hier sind nur einige Beispielwellenformen und ihre gemeinsamen Bezeichnungen in der Abbildung unten.
Einige gängige Wellenformen (Wellenformen).
Diese Wellenformen sind keineswegs die einzigen existierenden Wellenformen. Sie sind nur einige wenige, die häufig genug sind, um unterschiedliche Namen zu erhalten. Selbst in Schaltkreisen, die „reine“ Sinus-, Rechteck-, Dreieck- oder Sägezahn-Spannungs-/Strom-Wellenformen aufweisen sollen, ist das reale Ergebnis oft eine verzerrte Version der beabsichtigten Wellenform.
Einige Wellenformen sind so komplex, dass sie sich einer Klassifizierung als ein bestimmter „Typ“ entziehen (einschließlich Wellenformen, die mit vielen Arten von Musikinstrumenten verbunden sind). Im Allgemeinen wird jede Wellenform, die einer perfekten Sinuswelle sehr ähnlich ist, als sinusförmig bezeichnet , alles andere wird als nicht-sinusförmig bezeichnet .
Da die Wellenform einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms entscheidend für deren Auswirkung in einem Stromkreis ist, müssen wir uns der Tatsache bewusst sein, dass Wechselstromwellen eine Vielzahl von Formen haben.
RÜCKBLICK:
- Wechselstrom, der von einer elektromechanischen Lichtmaschine erzeugt wird, folgt der grafischen Form einer Sinuswelle.
- Ein Zyklus einer Welle ist eine vollständige Entwicklung ihrer Form bis zu dem Punkt, an dem sie bereit ist, sich zu wiederholen.
- Die Periode einer Welle ist die Zeit, die für einen Zyklus benötigt wird.
- Häufigkeit ist die Anzahl der vollständigen Zyklen, die eine Welle in einer bestimmten Zeit abschließt. Normalerweise in Hertz (Hz) gemessen, wobei 1 Hz einem vollständigen Wellenzyklus pro Sekunde entspricht.
- Frequenz =1/(Periode in Sekunden)
VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:
- AC-Wellenform-Arbeitsblatt
- Arbeitsblatt zum grundlegenden Betrieb des Oszilloskops
Industrietechnik