Poniższy post jest częścią serii o elektronice i elektrotechnice. Zajmuję się w nich opisem zasady działania radia. Listę wszystkich wpisów z powyższych kategorii można znaleźć tutaj.

W pierwszym wpisie z tej serii opisałem charakterystykę prądu stałego, tj. prądu, który płynie zawsze w tym samym kierunku i z tym samym natężeniem.

Jedyną stałą jest zmiana

Wyobraź sobie, że prądnica prądu zmiennego zmienia okresowo biegunowość końców przewodnika. Tym samym oba jego końce stają się na pewien czas dodatnie, po czym ich potencjały zmniejszają się, przechodzą przez wartość zerową i stają się ujemne. Po osiągnięciu maksymalnych skrajnych wartości potencjał maleje/rośnie i cały cykl powtarza się. Wykres przebiegu takiego prądu jest sinusoidalny i a prąd taki nazywamy zmiennym.

Prąd, który wytworzy się w przewodniku pod wpływem zmiennego napięcia, będzie również zmienny – to znaczy – będzie okresowo zmieniał kierunek, a jego natężenie będzie zmieniało się w zależności od zmian napięcia. Elektrony będą wędrować cyklicznie od jednego końca przewodnika do drugiego – czas trwania takiej wędrówki nazywamy okresem T.

Okres zmian prądu może wahać się od ułamków mikrosekund do setnych sekund. Jest to uzależnione od częstotliwości prądu, czyli liczbie okresów na sekundę. Przykładowo, jeśli okres trwa 1/100 s to w ciągu sekundy mamy 100 okresów. Mówimy wówczas, że częstotliwość takiego prądu wynosi 100 Hz (herców).

W Europie prąd w sieci elektrycznej płynie z częstotliwością 50 Hz, natomiast w USA - 60 Hz.

Fale elektromagnetyczne

W radiu do wytwarzania fal służących do przenoszenia audycji używa się prądów wysokiej częstotliwości, czyli takich w których częstotliwość jest większa niż 10 000 Hz. Przy przepływie tego typu prądów występują zjawiska związane z magnetyzmem.

Prądy te, płynąc w przewodniku wytwarzają wokół niego fale elektromagnetyczne. Rozchodzą się one z prędkością 300 000 000 m/s – taką samą z jaką rozchodzi się światło. Natura fal radiowych i światła widzialnego jest ta sama – obie z nich to fale elektromagnetyczne. Stąd prędkość ich rozchodzenia się również jest identyczna. Istotna różnica między nimi jest taka, że fale światła widzialnego mają dużo większą częstotliwość – tym samym są krótsze.

Długością fali nazywamy odległość między dwoma wyimaginowanymi kręgami fali, które kolejno odrywają się od źródła promieniowania elektromagnetycznego. W ciągu każdego okresu prądu oderwie się jeden taki krąg. W chwili, gdy przepływ prądu spowoduje wytworzenie kolejnej fali, poprzednia przebędzie już pewną odległość – tym właśnie dystansem nazywamy długość fali. Możemy ją obliczyć poprzez pomnożenie prędkości fali przez czas trwania jednego okresu.

Pole magnetyczne

Tworzenie przez prąd elektryczny fal elektromagnetycznych jest jednym z objawów jaki łączy zjawiska elektryczności i magnetyzmu. Każdy ruch elektronów wywołuje w ich pobliżu wytworzenie się pola magnetycznego.

Namagnesowana igła busoli umieszczona w tuż przy przewodniku będącym pod napięciem, skieruje się do niego prostopadle. Jeżeli kierunek prądu zmieni się, igła obróci się o 180 stopni. Oznacza to, że pole magnetyczne wytworzone przez przepływający prąd ma polaryzację (biegunowość) zależną od kierunku płynięcia prądu.

Zwinięty drut aka cewka

Pole magnetyczne przewodnika (np miedzianego przewodu) można zwielokrotnić, zwijając go w spiralę. W wyniku takiej operacji powstanie jeden z podstawowych elementów spotykanych w elektronice – cewka.

Zwijając przewód w powyższy sposób, pola magnetyczne poszczególnych zwojów dodadzą się, zatem układ zacznie zachowywać się podobnie jak magnes. Działanie takiego magnesu może być zwielokrotnione, przez wsunięcie rdzenia do środka cewki. W przypadku rdzenia stalowego, po przepuszczeniu napięcia przez niego i odłączeniu, otrzymamy magnes stały. Jeżeli rdzeń będzie wykonany z żelaza, powstanie elektromagnes – straci on jednak swoje właściwości magnetyczne po odłączeniu od niego napięcia.

Indukcja elektromagnetyczna

Zmiany prądu elektrycznego wywołują odpowiednie zmiany pola magnetycznego wokół przewodnika i odwrotnie: zmiany pola magnetycznego w pobliżu przewodnika indukują w nich prądy zmienne. Dlatego zbliżając i oddalając magnes od cewki będziemy mogli zaobserwować przepływ prądu w jej obwodzie.

Należy zaznaczyć, że wzbudzanie prądu w przewodniku następuje nie przez samą obecność pola magnetycznego, lecz przez jego ciągłe zmiany. W przypadku przyłożenia magnesu do cewki, napięcie pojawi się tylko podczas przykładania magnesu(zmianie pola magnetycznego). Chwilę później napięcie spadnie.

Cewkę przez którą przepływa prąd zmienny możemy ustawić w pobliżu innej cewki, podłączonej np. do multimetru. Wówczas prąd zmienny płynący w pierwszej z cewek wzbudzi prąd w drugiej z nich, co zaobserwujemy na wyświetlaczu multimetru. Zjawisko to, nazywane indukcją, wykorzystywane jest m.in. w kuchenkach indukcyjnych. W kuchni jednak rolę drugiej cewki przejmuje ferromagnetyczne (przyciągające magnes) dno naczynia z żywnością.

Indukcyjność cewek wyraża się w Henrach [H]

Wiemy już, że prąd jest niejako przenoszony niewidzialną drogą na drugą z cewek – lecz jakie on będzie miał parametry po przejściu? Prąd indukowany – gdyż tak on się właśnie nazywa – będzie przeciwstawiał się zmianom prądu pierwotnego (tego, który płynie w cewce podłączonej do źródła prądu). Gdy prąd pierwotny wzrasta, prąd wtórny płynie w kierunku przeciwnym. Gdy prąd pierwotny maleje – prąd wtórny zaczyna płynąć w tym samym kierunku.

Samoindukcja

Skoro prąd płynący w cewce indukuje prąd w sąsiadujących cewkach, to również na niej samej musi odbywać się ten proces. Zjawisko samoindukcji podlega tym samym prawom co opisana wyżej indukcja. A zatem, gdy w cewce pojawia się prąd, stanowi ona sama dla siebie barierę i osłabia wzrost prądu pierwotnego. Z tego powodu, gdy do cewki zostanie przyłożony prąd stały, będzie potrzebował chwili, aby uzyskać swoją wartość nominalną. Tym dłużej będzie to trwało, im większa będzie rzeczywista indukcyjność cewki.

Jeśli postąpimy przeciwnie i zmniejszymy napięcie na zaciskach cewki, spadek wartości napięcia będzie również następował z opóźnieniem – prąd samoindukcji przybierze ten sam kierunek co zmniejszający się prąd pierwotny i będzie go poniekąd utrzymywał dłużej, niż było do cewki podpięte źródło zasilania.

Indukcyjność cewki zależy od liczby i średnicy zwojów oraz sposobu ich ułożenia. Umieszczenie rdzenia w jej środku znacząco zwiększa zagęszczenie pola elektromagnetycznego, a co za tym idzie indukcyjność.

Podsumowanie

W tym odcinku zajęliśmy się podstawowymi pojęciami związanymi z prądem elektrycznym zmiennym. Dowiedzieliśmy się, że prąd o wysokiej częstotliwości ma wiele wspólnego z magnesem. Opisałem również jeden z fundamentalnych elementów, który znajduje się w dużej części urządzeń elektrycznych, czyli cewkę. W następnym wpisie zajmę się kolejnym z ważnych elementów używanych w elektronice – będzie nim kondensator.