Studiul generării curentului alternativ și al circuitelor de curent alternativ monofazat.
Totul pornește de la inducția electromagnetică: dacă fluxul magnetic printr-o spiră se modifică, în spiră apare o tensiune electromotoare. Legea lui Faraday: e = −ΔΦ/Δt, iar semnul minus este legea lui Lenz — curentul indus se opune întotdeauna cauzei care l-a produs.
Într-un alternator (generatorul de curent alternativ), o bobină cu N spire și aria S se rotește uniform cu viteza unghiulară ω într-un câmp magnetic de inducție B. Fluxul prin bobină variază după legea Φ = N·B·S·cos(ωt), iar tensiunea electromotoare indusă devine:
e = E_max · sin(ωt), cu E_max = N·B·S·ω.
De aici se citește direct de ce tensiunea este alternativă: își schimbă periodic sensul, pentru că sinusul trece prin valori pozitive și negative. Un detaliu care se cere frecvent: tensiunea indusă este maximă când planul bobinei este paralel cu liniile de câmp (fluxul e nul, dar viteza lui de variație e maximă) și este nulă când planul bobinei este perpendicular pe liniile de câmp (fluxul e maxim, dar variază cel mai lent). Este o inversare care surprinde mulți elevi, pentru că intuiția spune că flux maxim înseamnă tensiune maximă — fals: contează viteza de variație a fluxului, nu valoarea lui.
Părțile alternatorului: rotorul (partea mobilă) și statorul (partea fixă). În centralele reale, rotorul este un electromagnet rotit de o turbină (cu apă, abur sau vânt), iar bobinele fixe din stator produc tensiunea. Energia mecanică a turbinei se transformă astfel în energie electrică.
În rețeaua din România, tensiunea alternativă are frecvența f = 50 Hz, adică își schimbă sensul de 100 de ori pe secundă.
Un curent alternativ sinusoidal se scrie i = I_max · sin(ωt + φ), iar tensiunea u = U_max · sin(ωt).
Mărimile de descris:
Cea mai importantă noțiune practică este valoarea efectivă. Ea răspunde la întrebarea: ce curent continuu ar degaja aceeași căldură într-un rezistor, în același timp? Răspunsul:
I = I_max/√2 și U = U_max/√2
De aceea, când spunem că priza are 220 V, vorbim despre valoarea efectivă; valoarea maximă a tensiunii din priză este de fapt aproximativ 311 V (220·√2). Toate aparatele de măsură obișnuite — voltmetrele și ampermetrele de curent alternativ — indică valori efective, nu valori de vârf. Este exact confuzia pe care o testează itemii de BAC.
Puterea în curent alternativ are trei forme, iar diferența dintre ele se cere explicit:
Într-un circuit pur rezistiv cos φ = 1 și P = U·I; într-un circuit pur inductiv sau pur capacitiv cos φ = 0, deci puterea activă este nulă — bobina și condensatorul ideale nu consumă energie, ci doar o împrumută și o restituie sursei.
Fiecare element de circuit se comportă diferit când prin el trece curent alternativ. Cheia este defazajul dintre tensiune și intensitate.
Rezistorul ideal (R) - Opoziția la curent este chiar rezistența R, independentă de frecvență. - Tensiunea și intensitatea sunt în fază (φ = 0): ating maximul în același moment. - Consumă putere activă: P = U·I.
Bobina ideală (L) - Opoziția se numește reactanță inductivă: X_L = ω·L = 2πf·L, măsurată în ohmi. - Crește cu frecvența: la frecvențe mari bobina blochează practic curentul, iar în curent continuu (f = 0) se comportă ca un simplu fir. - Tensiunea este defazată înaintea intensității cu π/2 — formularea de manual: la bobină, tensiunea este în avans cu un sfert de perioadă.
Condensatorul ideal (C) - Opoziția se numește reactanță capacitivă: X_C = 1/(ω·C) = 1/(2πf·C), tot în ohmi. - Scade cu frecvența: la frecvențe mari lasă curentul să treacă ușor, iar în curent continuu (f = 0) blochează complet curentul, X_C devenind infinit. - Intensitatea este în avans față de tensiune cu π/2 — exact invers față de bobină.
Comportarea la extreme merită memorată separat, pentru că apare în itemi de tip raționament: bobina lasă să treacă componenta continuă și frânează frecvențele înalte, condensatorul face fix invers. Pe această diferență se construiesc filtrele electronice.
Atenție la o eroare fină: reactanțele se măsoară în ohmi, dar nu sunt rezistențe — pe ele nu se disipă energie sub formă de căldură, ci energia oscilează între câmpul magnetic al bobinei, câmpul electric al condensatorului și sursă.
Legăm în serie un rezistor R, o bobină L și un condensator C și alimentăm ansamblul de la o tensiune alternativă. Fiind în serie, intensitatea este aceeași prin toate elementele — de aceea ea se ia ca referință în diagrama fazorială.
Tensiunile nu se adună aritmetic, ci vectorial (fazorial), pentru că sunt defazate între ele:
U = √(U_R² + (U_L − U_C)²)
Împărțind prin I, se obține impedanța circuitului — opoziția totală la trecerea curentului alternativ:
Z = √(R² + (X_L − X_C)²), măsurată în ohmi
iar legea lui Ohm în curent alternativ devine I = U/Z.
Defazajul dintre tensiunea la borne și intensitate rezultă din tg φ = (X_L − X_C)/R, iar factorul de putere este cos φ = R/Z.
După semnul diferenței X_L − X_C, circuitul se numește predominant inductiv (X_L > X_C, tensiunea în avans), predominant capacitiv (X_L < X_C) sau rezistiv.
Rezonanța este cazul special X_L = X_C, adică ω·L = 1/(ω·C). De aici frecvența de rezonanță:
f₀ = 1/(2π·√(L·C))
La rezonanță se întâmplă simultan patru lucruri, toate întrebate la BAC:
Aplicația clasică: acordarea unui aparat de radio pe un post — se modifică C până când f₀ coincide cu frecvența emisiei dorite.
Transformatorul este format din două înfășurări, primarul (N₁ spire) și secundarul (N₂ spire), bobinate pe același miez de fier din tole izolate între ele. Primarul, alimentat în curent alternativ, produce un flux magnetic variabil pe care miezul îl conduce spre secundar, unde induce o tensiune electromotoare.
Relația fundamentală, pentru un transformator ideal:
U₁/U₂ = N₁/N₂ = k, unde k este raportul de transformare
La un transformator ideal puterea se conservă: P₁ = P₂, adică U₁·I₁ = U₂·I₂. Consecința se cere aproape mereu la examen: dacă tensiunea crește, intensitatea scade în aceeași proporție. Transformatorul nu creează energie, doar o redistribuie între tensiune și intensitate.
Detaliu esențial de reținut: transformatorul funcționează exclusiv în curent alternativ. Alimentat în curent continuu, fluxul prin miez ar fi constant, nu s-ar induce nimic în secundar, iar primarul s-ar comporta ca un fir aproape scurtcircuitat și s-ar arde.
Transportul energiei electrice explică de ce liniile de înaltă tensiune există. Pierderile pe linie sunt pierderi prin efect Joule: P_pierdut = R_linie·I². Fiind proporționale cu pătratul intensității, ele scad de 100 de ori dacă intensitatea scade de 10 ori. Pentru a transporta aceeași putere P = U·I cu intensitate mică, trebuie tensiune mare — de aceea la ieșirea din centrală un transformator ridicător urcă tensiunea la sute de kilovolți, iar lângă consumator transformatoare coborâtoare o readuc la 220 V.
Randamentul unui transformator real este ridicat (peste 95 %), pierderile venind din efectul Joule în înfășurări și din curenții Foucault și histerezisul din miez — motiv pentru care miezul se face din tole subțiri izolate, nu dintr-o bucată masivă de fier.