تعریف جریان متناوب و جریان مستقیم

جریان متناوب و جریان مستقیم دو نوع جریان الکتریسیته‌ی متفاوت هستند. ماهیت جریان مستقیم بصورت حرکت الکترونها تنها در یک جهت است. اما حرکت الکترونها در جریان متناوب بشکل پیوسته و منظم در حال تغییر مسیر است. ولتاژ نیز در جریان AC بطور منظم معکوس می‌شود، بدلیل اینکه این جریان مرتبا مسیر خود را عوض می‌کند.

بیشتر بُردهای الکترونیکی که ساخته می‌شود از جریان DC استفاده می‌کنند. اما اکثر خانه‌ها از جریان AC استفاده می‌کنند، از این رو، اگر بخواهید آن بُردهای الکترونیکی را با یک پریز تست کنید، باید جریان AC را به DC تبدیل کنید. جریان AC دارای خصوصیات و جزییاتی نیز هست، مانند ولتاژ، وات، آمپر، که در آینده در موردشان توضیح می‌دهیم.

جریان متناوب (AC)

جریان متناوب جریانی است که به طور منظم تغییر جهت می‌دهد. نتیجه‌ی این تغییرات این است که سطح ولتاژ نیز همزمان با تغییر جهت جریان، معکوس می‌شود. از جریان AC برای رساندن برق به خانه‌ها و سایر مکان‌ها استفاده می‌شود. جریان AC توسط دستگاهی به نام مولد جریان متناوب (alternator) تولید می‌شود. این دستگاه یک نوع خاصی از ژنراتور برق است که برای تولید جریان متناوب ساخته شده‌است.

مکانیزم به این صورت است که هسته‌ای از سیم‌ها در یک مدار مغناطیسی می‌چرخند که این مدار مغناطیسی جریان را درون این سیم‌ها القا می‌کند. چرخش هسته‌ی سیمها می‌تواند با استفاده از یک توربین بادی، توربین بخار، آب جاری و روش‌های دیگر ایجاد شود. از آنجایی که هسته همواره در حال چرخش است و به طور منظم در قطب‌های مغناطیسی متفاوت قرار می‌گیرند، جریان و ولتاژ نیز تغییر می‌کنند. انیمیشن روبرو این مکانیزم را توضیح می‌دهد:

شکل موج جریان AC

جریان AC می‌تواند چندین شکل و حالت داشته باشد؛ درواقع هر موقع جریان و ولتاژ متناوب باشند آن جریان AC است، حال به هر شکلی که باشد. اگر یک اسیلوسکوپ به یک مدار با جریان AC وصل کنیم و ولتاژ آن را دنبال کنیم، ممکن است به چندین شکل موجی متفاوت برخورد کنیم. در بیشتر اوقات جریان AC موج سینوسی تولید می‌کند. جریان AC که در اکثر خانه‌ها وجود دارد، دارای یک ولتاژ نوسان‌دار است که مانند شکل روبرو، موج سینوسی تولید می‌کند.

 

 

 

 

سایر اشکالی که در جریان متناوب AC دیده می‌شوند، موج‌های مربعی و مثلثی هستند:

امواج مثلثی بیشتر در مباحث صوتی استفاده می‌شوند و بیشتر برای آزمایش قطعات الکترونیکی خطی نظیر تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شوند.

تعریف موج سینوسی

معمولا شکل موج AC را بصورت ریاضی تعریف می‌کنیم. برای اینکار، از موج سینوسی استفاده می‌کنیم. هر موج سینوسی سه بخش دارد: دامنه، فرکانس و فاز. فقط با دیدن ولتاژ می‌توانیم یک موج سینوسی را با توابع ریاضی تعریف کنیم:

توضیح فرمول:

(V(t ولتاژ ما در تابع زمان است که درواقع به این معناست که ولتاژ ما با تغییر زمان، تغییر می‌کند. معادله‌ای که در سمت راست علامت مساوی قرار دارد نشان می‌دهد که ولتاژ چگونه در طول زمان تغییر می‌کند.

Vp دامنه است. این مقدار مشخص می‌کند که حداکثر ولتاژی که موج سینوسی ما می‌تواند دریافت کند (در هر جهتی)، چقدر است. یعنی ولتاژ ما یا می‌تواند Vp+ ولت، یا Vp- ولت، و یا یک مقدار در بین این دو باشد.

تابع ()sin مشخص می‌کند که ولتاژ ما باید در شکل یک موج سینوسی باشد، که یک فرم نوسان نرم حول محور 0 ولت است.
مقدار 2Π یک ثابت است که فرکانس هر دوره (هرتز) را به فرکانس زاویه‌ای (رادیان بر ثانیه) تبدیل می‌کند.

f فرکانس موج سینوسی را تعریف می‌کند. این مقدار بر حسب «هرتز» یا «واحد بر ثانیه» داده می‌شود. فرکانس مشخص می‌کند که در هر ثانیه چند طول موج (یک بار اوج گرفتن و سقوط کردن موج) شکل می‌گیرد.

t متغیر وابستگی ما است: زمان (در ثانیه). با تغییر زمان، شکل موج ما نیز تغییر می‌کند.

Φ فاز موج سینوسی ما را مشخص می‌کند. فاز، اندازه‌ی تغییر شکل موج در هر زمان است. این مقدار معمولا بین 0 تا 360 است و به صورت درجه محاسبه می‌شود. از آنجایی که موج سینوسی ساختاری منظم دارد، اگر موج ما 360 درجه تغییر کرده باشد، دوباره به همان شکل موج قبلی تبدیل می‌شود، یعنی انگار که صفر درجه تغییر کرده‌است. برای سادگی مطلب، در ادامه‌ی این آموزش ما فاز را صفر در نظر می‌گیریم.

برای یک مثال خوب می‌توانیم از پریز منزل کمک بگیریم. در ایالات متحده، برق منازل دارای جریان AC با حدود 170 ولت (مقدار دامنه) و فرکانس 60 هرتز است. از این اعداد در فرمول استفاده می‌کنیم (به یاد داشته باشید که فاز را صفر در نظر گرفته‌ایم):

می‌توانیم از یک ماشین حساب نموداری برای طراحی نمودار این معادله استفاده کنیم. اگر ماشین حساب نموداری در دسترس نداشتید می‌توانید از یک نرم‌افزار رسم نمودار رایگان و آنلاین نظیر Desmos استفاده کنید (توجه داشته باشید که شاید برای دیدن پاسخ مجبور باشید به جای «v» از «y» در معادله استفاده کنید).

تکرار امواج سینوسی در هر 60 ثانیه

توجه کنید که همانطور که پیش‌بینی کرده بودیم، ولتاژ به طور منظم بین 170 ولت تا 170- ولت در حال تغییر است. علاوه‌بر‌این، در هر ثانیه 60 بار این موج سینوسی تکرار می‌شود. اگر ولتاژ پریز برق خانه را با یک اسیلوسکوپ اندازه بگیریم، این شکل را خواهیم دید (هشدار: سعی نکنید ولتاژ خانه را با یک اسیلوسکوپ اندازه‌گیری کنید! این کار باعث آسیب دیدن دستگاه شما می‌شود).
نکته: شاید شنیده باشید که جریان برق در ایالات متحده 120 ولت است. این حرف نیز درست است. وقتی حرف از جریان AC می‌زنیم، با توجه به تغییر دائمی ولتاژ، معمولا آسان‌تر است که فقط یک میانگین یا یک ریشه را مد نظر بگیریم. برای این کار، از یک متد به نام «ریشه‌ میانگین مربعی» استفاده کنیم. معمولا استفاده از مقدار RMS برای جریان AC به محاسبات برقی کمک می‌کند. حتی با اینکه در مثال ما ولتاژ از 170- ولت تا 170 ولت متناوب بود، ولی ریشه میانگین مربعی آن 120 ولت است.

کاربردهای جریان AC

تقریبا تمام پریز‌های خانه‌ها و ادارات دارای جریان AC هستند، به این دلیل که تولید و انتقال جریان AC در مسیرهای طولانی راحت‌تر است. در ولتاژهای بالاتر (بالای 110هزار ولت)، انرژی کمتری در هنگام انتقال برق تلف می‌شود. ولتاژهای بالاتر یعنی جریان کمتر، و جریان کمتر یعنی گرمای حاصل از مقاومت در سیم برق کمتر است. جریان AC را به راحتی می‌توان توسط مبدل‌ها از ولتاژهای بالا تولید و یا به ولتاژهای بالا تبدیل کرد.

همچنین جریان AC قادر به برق‌رسانی به موتورهای الکتریکی نیز می‌باشد. موتور و ژنراتور دستگاه‌های دقیقا یکسانی هستند، ولی موتورها انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند (اگر دسته‌ی یک موتور بچرخد، یعنی که یک ولتاژ در ترمینال آن تولید شده‌است). از این ویژگی در خیلی جاها نظیر ماشین‌های ظرفشویی، یخچال‌ها و خیلی موارد دیگر که با جریان AC کار می‌کنند، استفاده می‌شود. مخترع جریان AC، نیکلا تسلا، نابغه‌ و مهندس برق اهل کروواسی است که در جوانی به ایالات متحده مهاجرت کرد و در آنجا به اختراع آن پرداخت.

جریان مستقیم (DC)

فهم جریان مستقیم کمی ساده‌تر از جریان متناوب است. به جای اینکه به عقب و جلو نوسان داشته باشد، جریان DC یک ولتاژ یا جریان ثابت را تولید می‌کند. به چندین روش می‌توان جریان DC تولید کرد:

• یک ژنراتور AC که به دستگاهی به نام کموتاتور (commutator) مجهز شده باشد، می‌تواند جریان مستقیم تولید کند.
• استفاده از یک وسیله به نام «یکسو کننده» (rectifier) که جریان AC را به DC تبدیل می‌کند.
• باتری‌ها جریان DC تولید می‌کنند که این جریان از یک واکنش شیمیایی درون باتری تولید می‌شود.

دوباره از مثال آب استفاده می‌کنیم. جریان DC شبیه یک مخزن آب است که در ته آن یک شلنگ متصل شده است.

این مخزن فقط می‌تواند آب را به یک جهت فشار دهد: به بیرون از شلنگ. همانند یک باتری، وقتی مخزن خالی باشد، دیگر آبی در لوله‌ها جریان نمی‌گیرد.

تعریف جریان DC

جریان DC جریانی یک جهته است، یعنی که جریان آن فقط در یک جهت حرکت می‌کند. ولتاژ و جریان آن می‌توانند در زمان متفاوت باشند، ولی جهت آن باید همواره مستقیم باشد و تغییری نکند. برای سادگی مساله، فرض می‌کنیم ولتاژ ثابت است. برای مثال، فرض می‌کنیم یک باتری AA داریم که 1.5 ولت جریان دارد، این مساله را به صورت ریاضی زیر تعریف می‌کنیم:

اگر این جریان را در طول زمان دنبال کنیم، یک ولتاژ ثابت را خواهیم دید:

این به چه معنا است؟ به این معنا که ما می‌توانیم به منابع DC اعتماد کنیم که در طول زمان یک ولتاژ ثابت را به ما می‌دهند. البته در واقعیت، یک باتری کم کم شارژ خود را از دست می‌دهد، یعنی که با گذر زمان، ولتاژ آن افت می‌کند. ولی برای بیشتر اهداف می‌توانیم ولتاژ را ثابت فرض کنیم.

کاربردهای جریان DC

هر وسیله‌ای که از باتری استفاده می‌کند یا به وسیله‌ی یک آداپتور AC به پریز وصل می‌شود، یا از کابل USB برای برق‌رسانی خود استفاده می‌کند، با جریان DC کار می‌کند. از دستگاه‌های الکترونیکی که با جریان مستقیم کار می‌کنند می‌توان موارد زیر را نام برد:

• تلفن‌های همراه
• تلویزیون‌های فلت اسکرین (Flat-Screen) (جریان AC وارد تلویزیون می‌شود، و سپس به DC تبدیل می‌گردد)
• چراغ‌قوه‌ها
• اتومبیل‌های هیبرید و الکتریکی

 

این نوشتار از وبسایت فرادرس آورده شده است.

https://blog.faradars.org