Střídavý proud

Jestliže se hodnota napětí na svorkách zdroje nemění, obvodem protéká stálý, tzv. stejnosměrný proud. Bude–li se polarita obou svorek rychle a periodicky měnit, bude se ve stejném rytmu měnit i směr elektrického napětí, získáme tzv. střídavé elektrické napětí. Připojíme–li ke svorkám zdroje střídavého napětí elektrický obvod, bude jím procházet proud, který periodicky mění směr i velikost, tzv. střídavý elektrický proud.

Pohybuje–li se vodič v magnetickém poli po kruhové dráze, můžeme jeho pohyb rozdělit na jednotlivé úseky a sledovat, kolik indukčních čar vodič protne za stejnou dobu. Z obrázku je zřejmé, že nejméně čar protne v prvním případě a nejvíce čar v posledním případě. Čím více indukčních čar vodič protne, tím větší napětí se v něm indukuje. Je tedy zřejmé, že při pohybu znázorněném na obrázku bude velikost indukovaného napětí vzrůstat.

Vodič pohybující se v magnetickém poli po kruhové dráze.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Jestliže konce vodiče spojíme, získáme tak elektrický obvod, kterým bude protékat elektrický proud. Jaký bude mít směr?

Určení směru proudu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Podle Ampérova pravidla pravé ruky určíme, že v první polovině pohybu bude proud směřovat od nás a v druhé polovině pohybu k nám.

Z předchozích úvah jsme zjistili, že když se vodič pohybuje v magnetickém poli, indukuje se v něm proměnné napětí a v uzavřeném obvodu proměnný proud. Znázorníme–li celou situaci do jednoho obrázku, můžeme znázornit časovou závislost napětí.

Sinusový průběh indukovaného proudu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

V času 0 s se vodič pohybuje ve směru indukčních čar, neprotíná téměř žádné magnetické indukční čáry a ve vodiči žádné napětí nevzniká. V čase 0,25 s už vodič protíná více magnetických indukčních čar, a proto se ve vodiči indukuje napětí a jemu odpovídají proud směřující od nás. V čase 0,5 s protíná vodič nejvíce indukčních čar, a proto se indukuje největší napětí tzv. amplituda napětí. Podobně projdeme celou jednu otočku vodiče.

Průběh napětí indukovaného ve vodiči se pravidelně opakuje, jde o periodický děj. Grafem závislosti střídavého napětí indukovaného ve smyčce na čase (tzv. časový diagram) je sinusoida. Napětí indukované ve smyčce je sinusové nebo také harmonické střídavé napětí. Ve smyčce se však indukuje jen velmi malé střídavé napětí. Graf závislosti střídavého napětí na čase může mít i jiný než sinusový průběh, např. obdélníkový. Dále se budeme zabývat jen sinusovým střídavým napětím, které se užívá v rozvodné síti.

Obdélníkový a trojúhelníkový průběh proudu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Pomocí komutátoru (kolektoru) lze střídavý proud převést k jednomu kovovému otáčivému prstenci, který je izolační vložkou rozdělen na dvě části, dovnitř vedou konce smyčky. Proud se indukuje jako střídavý, ale odvádí se jako stejnosměrný.

Pro střídavé napětí platí podobný vztah jako pro harmonický pohyb. Okamžitá hodnota střídavého napětí u je vyjádřena vztahem

v němž U_m je amplituda střídavého napětí a ω je úhlová frekvence. Podobně jako při mechanickém kmitání měříme i při střídavém napětí a střídavém proudu okamžitou hodnotu, amplitudu, periodu T a frekvenci f střídavého napětí, popř. proudu. Pro frekvenci platí

Jednotkou frekvence střídavého napětí, popř. proudu je hertz (Hz). Podle frekvence dělíme střídavé proudy na nízkofrekvenční (do 20 kHz, které lze přeměnit na slyšitelný zvuk) a vysokofrekvenční (nad 20 kHz). V tabulce jsou uvedeny hodnoty a použití střídavých proudů.