Váltakozó áram Alapfogalmak.

Az előadások a következő témára: "Váltakozó áram Alapfogalmak."— Előadás másolata:

1 Váltakozó áram Alapfogalmak

2 Elektrosztatikus és mágneses tér
Elektrosztatikus tér: Forrásos erőtér Mágneses tér: Örvényes erőtér + I B

3 Mágneses tér Hosszú egyenes vezető mágneses tere
A mágneses teret mozgó, áramló villamos töltések hozzák létre. A gyakorlatban a mágneses teret állandó (permanens) mágnessel vagy elektromágnessel hozzák létre. Permeabilitás: μ0 Relatív permeabilitás: μr

4 Mágneses indukció Az elektromos áram mágneses mezőt kelt maga körül. A mágneses és az elektromos jelenségek tehát kapcsolatban vannak egymással. Egy vezetőre ható erő egyenesen arányos a vezetőben folyó áramerősséggel és a vezető mágneses térben lévő hosszával. F= B*I*l B [T] – mágneses indukció

5 Mágneses indukció II. Ha egyenes vezetőt állandó homogén mágneses térben az indukcióvonalakra merőlegesen állandó sebességgel mozgatunk, akkor a vezető két végére kapcsolt galvanométer mutatója kitér, jelezve, hogy a körben áram folyik. Ha a vezetőt ellentétesen mozgatjuk, vagy a mágnes sarkait felcseréljük, a galvanométer kitérése is az előzőhöz képest ellentétes lesz.

6 Mágneses tér III. Ha a vezetőt a mágneses térben az indukcióvonalakkal párhuzamosan mozgatjuk, a galvanométer mutatója nem mozdul el, a körben áram nincs. Állandó mágneses térben az indukcióvonalakkal nem párhuzamosan mozgó vezető végei között feszültség keletkezik. A jelenséget mozgási indukciónak, az így kapott feszültséget indukált feszültségnek nevezzük.

7 Mágneses mező értelmezés
A vezető mozgatásával a benne levő szabad elektronok is mozognak a mágneses térben. A mágneses tér a benne mozgó töltésekre a vezető mozgási sebességére és a tér mágneses indukciójára merőleges erővel hat. Ezért a szabad elektronok a vezető egyik végében felhalmozódnak, a másik végén elektronhiány lép fel, tehát feszültség keletkezik. Ha a mozgatott vezető két végét vezetővel összekötjük, a vezetőben áram folyik mindaddig, amíg a feszültség, illetve a mozgás tart.

8 A mágneses fluxus Egységnyi A felületre merőleges mágneses tér B indukciója a felület minden pontjában legyen azonos értékű (egyenletes eloszlású). Ebben az esetben az A felület fluxusán a F=B*A szorzatot értjük. Abban az esetben, ha az erővonalak szöget zárnak ba az A felülettel: F=B·A·cos j = B·A·cos(wt)

9 Mágneses gerjesztés A mágneses gerjesztés zárt erővonalon belül folyó áramok irány szerinti összegét értjük. Q=SI Tekercseknél a menetek árama. Egyenlő. Így a tekercsek gerjesztése Q=I*N (N - menetszám)

10 Mágneses térerősség A mágneses térerősség az egységnyi erővonalhosszra jutó gerjesztés H=Q/l [A/m] Áramjárta vezetőtől r távolságú P pontban a térerősség H=l/2Pr Tekercs esetén H=I*N/lk

11 Mágneses anyagok I. A mágnesség eredete az elektronok atommag körül végzett, illetve spin mozgásán, valamint egymás közötti kölcsönhatásukon alapul. A legjobb módszer a különböző típusú mágnesek megismerésére az, ha megnézzük, miként reagálnak az anyagok a mágneses tér jelenlétére.

12 Mágneses anyagok II. Diamágnesek (mágnesesen nem rendezett)
Paramágnesek (mágnesesen nem rendezett) Ferromágnesek (mágnesesen rendezett, "mágnes") Ferrimágnesek (mágnesesen rendezett, "mágnes") Antiferromágnesek (mágnesesen rendezett)

13 Ferromágnesek I. A ferromágnesek párhuzamosan beálló elemi mágneses momentumokat tartalmaznak, ami igen jelentős eredő mágnesezettséget eredményez még a külső mágneses tér jelenléte nélkül is. A tipikus ferromágneses anyagok közé tartoznak az elemi vas, nikkel, kobalt, gadolínium (Fe, Ni, Co, Gd) és ezek ötvözetei.

14 Ferromágnesek II. A ferromágnesek két igen fontos tulajdonsága a sontán mágnesezettség, illetve a mágnesezettségük határát jelentő, kritikus hőmérsékleti érték megléte. A spontán mágnesezettség az az eredő mágnesezettség érték, ami a külso tér hiányában egy homogén módon mágnesezett, mikroszkopikusan kis térfogatban jelen van.

15 Lenz törvénye Az indukált feszültség iránya olyan, hogy az általa létrehozott áram mágneses tere az indukciót létrehozó okot, azaz a mozgást gátolni igyekszik.

16 Faraday indukció törvénye
A tekercsben indukált feszültség egyenesen arányos a fluxusváltozás sebességével és a tekercs menetszámával. Ui= N*DF/Dt

17 Mozgási indukció Ha homogén mágneses mezőben az indukcióvonalakra merőlegesen mozgatunk egy vezetőt, akkor a vezető két vége közé kapcsolt mérőműszer feszültséget jelez. Ezt a fezsültséget indukált feszültségnek nevezzük. Ha egy tekercs belsejébe mágnes rudat tolunk, akkor a tekercsben feszültség indukálódik. A mágnes kihúzásakor ezzel ellentétes feszültség keletkezik. A keletkezett indukált feszültség nagysága függ: - A tekercs menetszámától - A mozgatás sebességétől - A mágnes erősségétől Ui= N*DF/Dt = B*l*v*Dt / Dt = B*l*v

18 A NYUGALMI INDUKCIÓ Két egymás közelében (esetleg közös vasmagra) helyezett tekercseknél az egyikben folyó áram erősségének megváltozása a másik tekercsben feszültséget indukál. Ilyenkor azonban nincs mechanikai mozgatás, ezért ezt a jelenséget nyugalmi indukciónak nevezzük. A mozgási és a nyugalmi indukciót közös elnevezéssel elektromágneses indukciónak nevezzük. A mágneses mező változása tehát elektromos mezőt kelt. A vezeték két vége között mérhető áram az indukált áram. Az indukált áramnak az iránya mindig olyan, hogy akadályozni igyekszik az őt létrehozó hatást.

19 AZ ÖNINDUKCIÓ Az önindukció is nyugalmi indukció. Akkor lép fel, ha egy vezetőkörben - egy vagy többmenetű tekercsben – az áramerősség időbeli változása folytán magában a tekercsben indukálódik elektromos mező. Az önindukció jelenségét Henry amerikai fizikus fedezte fel 1832-ben. Ha egy zárt vasmagos tekercsből, egy áramforrásból, egy izzólámpából és egy kapcsolóból zárt áramkört készítünk, akkor a kapcsoló zárásakor az izzó nem kezd el azonnal világítani.

20 AZ ÖNINDUKCIÓ Ha a vasmagot kivesszük a tekercsből, akkor nem tapasztalunk ilyen jelenséget. Az áram ki és bekapcsolásakor ugrásszerűen megváltozik a tekercsben az áram erőssége, így a mágneses fluxus is. A Faraday-féle indukciós törvény alapján a tekercsben feszültség indukálódik. Lentz törvénye miatt ez a feszültség olyan áramot kelt, melynek iránya akadályozza a fluxus változását. Bekapcsoláskor ez az indukált áram gátolja a hirtelen áramnövekedést, ezért az áram késve és kevésbé hirtelen indul meg. Kikapcsoláskor ez az indukált áram a hirtelen áramcsökkenést akadályozza. Az áram így késve és kevésbé hirtelen szűnik meg.

21 VÁLTAKOZÓ ÁRAM Az olyan elektromos áramot, ahol a változás az időnek szinuszos függvénye, szinuszosan váltakozó áramnak nevezzük. Váltakozó áram effektív értékén annak az egyenáramnak az értékét értjük, amely ugyanazon a fogyasztón, ugyanannyi idő alatt, ugyanannyi hőt termel, mint a kérdéses váltakozó áram. Az 1990-es évek közepétől Magyarországon 230 V a hálózati feszültség. Ez effektív értéket jelent. A csúcsérték: 325V Ueff = Umax/√2 ; Ieff = Imax/√2

22 Háromfázisú elektromos generátor
Minden háromfázisú generátor forgó mágneses mezőt használ Minden egyes fázis feszültségének a fluktuálása pontosan megegyezik a mágneses mező fluktuálásával. Mikor az egyik fázis a csúcson van, akkor a másik kettőben az áram ellentétes irányba folyik fél feszültségen. Mivel a három elektromágnes időzítése olyan, hogy 1/3 ciklussal térnek el egymástól, ezért a mágneses mező egy teljes fordulatot tesz egy ciklus alatt.

23 A szinkron generátor működési elve
Ha elkezdjük körbeforgatni az ábrán látható mágnest, akkor azt tapasztaljuk, hogy ez váltakozó áramot indukál a tekercsekben. Ha a mágnes mágneses mezeje erősebb, vagy ha nagyobb a forgató nyomaték, akkor több elektromos áramot kapunk, bár a generátor ugyanazzal a sebességgel forog. Az állandó mágneses szinkron generátort a gyakorlatban nem sok helyen használják, mivel az állandó mágnesek egy idő után elveszítik a mágnesességüket, másrészt pedig az igazán erős mágnesek, melyek ritka földfémekből készültek, elég drágák még manapság is, pedig az áruk már sokat csökkent. Ebből kifolyólag az állandó mágnes helyett egyenárammal gerjesztett elektromágneseket használnak a szinkron generátorokban. Azonban az igazán elterjedt generátorok az aszinkron generátorok.

24 A háromfázisú rendszer jellemzői
A háromfázisú rendszert alapvetően négy vezeték alkotja. Ebből három vezeték az úgynevezett fázisvezeték (R, S, T), ezek feszültségei a referencia- vagy nulla vezetékhez (N) képest 230V effektív értékűek, és csak fázisban térnek el egymástól (120°-kal). A fázisvezetők egymáshoz képest 400V effektív értékű feszültségben különböznek. Ezeket vonali feszültségeknek nevezzük, és igaz, hogy ezek a feszültségek is 120°-kal térnek el egymástól. A fázisfeszültséget mindig valamelyik fázisvezető és nulla vezeték- a vonali feszültséget pedig mindig két fázisvezető között értjük. A vonali áramnak a fázisvezetőben folyó áramot nevezzük.

25 Csillagkapcsolás A csillagkapcsolású fogyasztó esetén mindhárom fázisvezető árama a fogyasztó impedanciáin áthaladva a nulla vezetékhez csatlakozik. Gondolhatnánk, hogy ha a három fázisvezetőn a fogyasztóba egyenként I áram folyik, akkor a nulla vezetéknek 3I nagyságú áramot kell elbírnia. Ez azonban nem így van, ugyanis az egyes fázisfeszültségekhez hasonlóan a megfelelő áramok is 120°-kal különböznek fázisban, s mint az könnyen belátható, ez esetben a három fázis összege mindig 0. A nulla vezetéken emiatt nem folyik különösebb áram. (Persze, mivel a gyakorlatban nem pont 120°-os eltolással érkeznek a nulla vezetőre a fázisok, valamennyi áram jelenléte mindig kimutatható a nulla vezetéken is, de ez elhanyagolhatóan kicsiny.) Ezért többnyire a nulla vezetéket szokták kitüntetni földpontként is.

26 Csillagkapcsolás A fogyasztó oldalon mindhárom fázist azonos nagyságú impedancia (Z) terheli, ezért nevezzük a kapcsolást szimmetrikusnak. Egyfázisú fogyasztók is beköthetők a háromfázisú hálózatba, ekkor nincs garancia arra, hogy az egyes vezetékek egyformán lesznek terheltek, ezért az egyfázisú fogyasztók összességére tekinthetünk úgy is, mintha egy darab aszimmetrikus háromfázisú fogyasztónk lenne.