Producerea si utilizarea curentului alternativ

Definiţie

În primul capitol am luat în considerare doar curentul continuu, termen folosit în electricitate pentru a defini deplasarea electronilor într-o singură direcţie constantă şi/sau calitatea tensiunii de a deţine o singură polaritate. Curentul continuu este tipul de electricitate produsă de o baterie, de exemplu.

Pe cât de folosit şi uşor de înţeles este curentul continuu, acesta nu este „tipul” de electricitate folosit în general. Unele surse electrice, precum generatoarele electro-mecanice rotative, produc tensiuni a căror polaritate alternează, inversându-se în acest caz polii pozitivi şi negativi între ei. Fie că vorbim de modificarea polarităţii unei tensiuni sau de modificarea direcţiei de deplasare a electronilor înainte şi înapoi, acest gen de electricitatea poartă denumirea de curent alternativ.
Deşi simbolul bateriei este folosit pentru a reprezenta orice sursă de curent continuu, în cazul curentului alternativ, simbolul unei surse de energie îl reprezintă o linie sinusoidală într-un cerc, precum în figura de mai sus.

Scop

Ne putem întreba, pe bună dreptate, de ce ne-am bate capul şi cu acest tip de electricitate. Este adevărat că în unele cazuri, curentul alternativ nu prezintă niciun avantaj faţă de cel continuu. În aplicaţiile în care curentul electric este folosit doar pentru a genera energie sub formă de căldură (reşou, bec, etc.), polaritatea sau direcţia curentului este irelevantă atâta timp cât tensiunea şi curentul existente în circuit sunt suficiente pentru a disipa puterea necesară elementelor din circuit. Totuşi, cu ajutorul curentului alternativ se pot construi generatoare electrice, motoare electrice şi sisteme de distribuţie a energiei electrice mult superioare din punct de vedere al eficienţei faţă de curentul continuu.

Generarea curentului alternativ

În cazul în care construim o maşină ce roteşte un câmp magnetic în jurul unui set de înfăşurări staţionare prin intermediul unui ax, vom constata producerea curentului alternativ pe înfăşurări pe măsură ce axul se roteşte; principiul se bazează pe legea inducţiei electromagnetice a lui Faraday. Acesta este şi principiul de bază a unui generator de curent alternativ, cunoscut şi sub numele de alternator.
Putem observa că polaritatea tensiunii pe înfăşurare se inversează atunci când prin preajma acestea trece polul opus al magnetului. Conectată la o sursă, această inversare a polarităţii crează un curent invers (în direcţie opusă) prin circuit. Cu cât viteza de rotaţie a axului generatorului este mai mare, cu atât mai repede se roteşte şi magnetul; rezultatul este o tensiune şi curent alternativ ce-şi modifică direcţiile mult mai des în aceeaşi perioadă de timp.

Generarea curentului continuu

Deşi generatoarele de curent continuu funcţionează pe baza aceluiaşi principiu al inducţiei electromagnetice ca şi generatoarele de curent alternativ, construcţia acestora nu este aşa de simplă. La un generator de curent continuu, înfăşurarea este montată pe ax, acolo unde la generatorul de curent alternativ se află magnetul permanent, iar contactul dintre înfăşurarea rotativă şi circuitul exterior se realizează cu ajutorul unor contacte staţionare de carbon, numite perii, ce vin în contact cu fâşii de carbon aflate pe înfăşurare. Toate aceste elemente sunt necesare pentru schimbarea polarităţii de ieşire spre circuitul exterior, pentru ca acesta „să vadă” o polaritate constantă (curent continuu):
Generatorul de mai sus produce două pulsuri de tensiune la fiecare revoluţie a axului, ambele pulsuri având aceeaşi direcţie (polaritate). Pentru ca un generator de curent continuu să producă o tensiune constantă şi nu o tensiune intermitentă, acesta trebuie echipat cu seturi multiple de înfăşurări pentru contactul cu periile. Diagrama de mai sus este prin urmare una simplificată.
Problema ce se iveşte în cazul închiderii şi deschiderii contactelor între înfăşurările rotative şi perii este dezvoltarea căldurii excesive şi a scânteilor, în special la viteze mari. Dacă mediul ambiant în care funcţionează generatorul prezintă vapori inflamabili sau explozivi, problema folosirii unui astfel de generator este şi mai gravă. Pe de altă parte, un generator de curent alternativ nu necesită perii şi comutatoare pentru funcţionarea sa, şi este prin urmare imun la astfel de probleme. Avantajele curentului alternativ faţă de cel continuu se regăsesc şi în cazul confecţionării motoarelor electrice.

Transformatorul

Un alt domeniu de aplicare al curentului continuu se bazează pe un efect al electromagnetismului cunoscut sub denumirea de inducţie mutuală: două sau mai multe înfăşurări plasate una în vecinătatea celeilalte, astfel încât câmpul magnetic variabil creat de o înfăşurare induce o tensiune electrică în cealaltă. Dacă avem două înfăşurări mutual inductive şi alimentăm una dintre ele în curent alternativ, cea de a doua înfăşurare va fi şi ea străbătută de curent alternativ. O astfel de utilizare a înfăşurătorilor dă naştere unui dispozitiv numit transformator:
Transformatorul este utilizat în principal pentru ridicarea sau coborârea valorii tensiunii de la înfăşurarea alimentată la cea nealimentată. Prima înfăşurare, cea care este alimentată în curent alternativ, poartă denumirea de primar; cea de a doua înfăşurare, cea în care se induce un curent alternativ dinspre primar, poartă denumirea de secundar.

Valoarea tensiunii induse în secundar este egală cu produsul dintre valoarea tensiunii din primar şi raportul dintre numărul de spire din secundar şi numărul de înfăşurări din primar:

 

Analogie

Această relaţie poate fi reprezentată printr-o analogie mecanică, folosind cuplul şi viteza pentru reprezentarea tensiunii şi respectiv a curentului.
Dacă inversăm raportul numărului de spire dintre primar şi secundar, astfel încât primarul va avea mai puţine spire decât secundarul, atunci transformatorul va „ridica” tensiune de la nivelul existent în primar la un nivel mai mare în secundar.

Reţele de distribuţie a energiei electrice

Abilitatea transformatoarelor de a ridica tensiunea sau de a o coborî este extrem de utilă în proiectare reţelelor de distribuţie a energiei electrice. Atunci când se transportă energie electrică pe distanţe lungi, este mult mai eficient dacă aceasta se realizează la tensiuni înalte şi curenţi mici (diametrul conductorilor este mai mic, prin urmare şi pierderile sunt mai mici), şi coborârea acesteia pentru utilizarea de către consumatori.
Tehnologia proiectării transformatoarelor face posibilă existenţa sistemelor de distribuţie. Fără capacitatea de ridicare şi coborâre a tensiuni, sistemele de distribuţie ar fi mult prea scumpe pentru a fi practice, decât poate, doar pe distanţe scurte, de câţiva kilometri.

Observaţie

Pe cât sunt de folositoare, transformatoarele funcţionează doar în curent alternativ, deoarece fenomenul de inducţie mutuală se bazează pe câmpuri magnetice variabile, iar curentul continuu nu poate produce decât câmpuri magnetice constante. Desigur, curentul continuu poate fi folosit sub formă de impulsuri prin înfăşurarea primară pentru crearea unui câmp magnetic variabil, dar acest curent pulsatoriu nu este foarte diferit până la urmă de curentul alternativ.