14 STŘÍDAVÝ PROUD

14.1 ZÁVIT OTÁČEJÍCÍ SE V MAGNETICKÉM POLI
Závit otáčející se konstantní úhlovou rychlostí:
Podle Faradayova zákona:
Okamžité napětí v čase t:

14.2 OKAMŽITÝ PROUD

14.2.1 Obvod střídavého proudu s odporem
Pro střídavý proud platí Ohmův zákon. Odpor rezistoru je stejný jako ve stejnosměrném obvodu a nazývá se rezistance. Fázový rozdíl proudu a napětí je roven 0.

Proud:
14.2.2 Obvod střídavého proudu s indukčností
Střídavý proud procházející cívkou vytváří proměnné magnetické pole, které způsobuje, že se v cívce indukuje napětí opačné polarity než napětí zdroje. Proud se za napětím zpožďuje o čtvrtinu periody, tomu odpovídá fázový posun .

Induktance:
Skutečné cívky mají také odpor. Pokud je mnohem menší než indukčnost, můžeme ho zanedbat, jinak má obvod vlastnosti složeného obvodu s rezistorem a cívkou zapojenými v sérii.

14.2.3 Obvod střídavého proudu s kapacitou
Kondenzátor se periodicky nabíjí a vybíjí, mezi deskami kondenzátoru se mění intenzita elektrického pole, dielektrikum se střídavě polarizuje. Proud je největší v okamžiku, kdy je kondenzátor vybitý. Proud předbíhá napětí o čtvrtinu periody, tomu odpovídá fázový posun .

Kapacitance:
14.2.4 Sériový obvod RLC se střídavým proudem
Jednotlivými prvky obvodu prochází stejný proud, ale napětí na nich se liší velikostí a vzájemnou fází.

fázový posun:
Pokud nastane rezonance ( ), proud v obvodu dosahuje největší hodnoty a fázový posun je 0.

14.2.5 Paralelní obvod RLC se střídavým proudem
Prochází stejné napětí, ale proud se liší vzájemnou fází.

fázový posun:
14.3 VÝKON STŘÍDAVÉHO PROUDU

14.3.1 Obvod s odporem
V obvodu střídavého proudu se i výkon mění v závislosti na čase.

Efektivní hodnota proudu:
Efektivní hodnota napětí:
Efektivní hodnoty střídavého proudu a napětí odpovídají hodnotám stejnosměrného proudu a napětí, při nichž je výkon v obvodu s odporem stejný jako výkon daného střídavého proudu.

14.3.2 Obvod s impedancí
Výkon je ovlivněn fázovým rozdílem mezi proudem a napětím. V první části periody se mění energie elektrická na magnetickou a v druhé části periody se magnetická energie přemění na energii elektrického proudu opačného směru. Tento děj není spojen s konáním užitečné práce.
, kde je účinník.
Činný výkon odpovídá té části energie, která se změní v teplo nebo užitečnou práci.
Zdánlivý výkon je součin efektivních hodnot proudu a napětí.

14.4 GENERÁTOR STŘÍDAVÉHO PROUDU (TROJFÁZOVÝ ALTERNÁTOR)
Ve statoru je soustava tří cívek a rotor je silný elektromagnet. Zpravidla o frekvenci 50 Hz.
Trojfázové napětí bychom museli rozvádět šesti vodiči, ale z úsporných důvodů používáme vhodné propojení. Založeno na poznatku, že součet okamžitých hodnot střídavých napětí indukovaných na cívkách alternátoru je nulový. Jeden konec každé cívky vedeme do společného bodu (0), k druhému konci jsou připojeny fázové vodiče. Mezi fázovými vodiči a nulovacím vodičem jsou fázová napětí u1, u2, u3. Napětí mezi dvěma fázovými vodiči se nazývá sdružené napětí. Efektivní hodnota sdruženého napětí je krát větší než efektivní hodnota fázového napětí.
U nás je ve spotřebitelské síti fázové napětí 220 V a sdružené 380 V. Spotřebitelská síť je provedena tak, že jednotlivé fázové vodiče jsou zatěžovány téměř rovnoměrně. V praxi proud in není nulový, ale má mnohem menší hodnotu než proud ve fázových vodičích.
Pokud potřebujeme větší výkon (např. elektromotory), připojíme spotřebič současně ke všem fázovým vodičům.
Používáme spojení do hvězdy (fázové napětí 220 V) nebo do trojúhelníku (sdružené napětí 380 V).

14.5 ELEKTROMOTOR NA TROJFÁZOVÝ PROUD
Stator má podobnou konstrukci jako stator alternátoru, rotor je tvořen válcem z ocelových plechů, v nichž je uloženo klecové vinutí (klec ze silných vodivých tyčí na koncích vodivě spojených prstenci). Vinutí rotoru (kotvy) má zanedbatelně malý odpor. Takový motor se nazývá motor s kotvou nakrátko, k rotoru nevedou žádné přívodní vodiče. Točivé magnetické pole indukuje v rotoru velké proudy, vzniká magnetická síla, která uvede rotor do otáčivého pohybu. Rotor se neotáčí s frekvencí točivého pole (jinak by nedocházelo ke změnám magnetického indukčního toku ve vinutí a zanikl by indukovaný proud) – rotor se otáčí asynchronně. Veličina, která charakterizuje chod motoru se nazývá skluz: , kde fr je frekvence rotoru a fp je frekvence otáčení otáčivého magnetického pole. Skluz zatíženého elektromotoru bývá 2–5%.

14.6 TRANSFORMÁTOR
Používá se ke zvyšování nebo snižování napětí.

14.6.1 Jednofázový
Tvoří ho dvě cívky na společném jádře. Jedna je připojena ke zdroji napětí. V jádře vzniká proměnné magnetické pole, v závitech cívek se indukuje napětí . Celkové napětí na každé cívce bude . Pokud má primární cívka zanedbatelný odpor, pak indukované napětí je stejně velké jako napětí zdroje, ale s opačnou fází.
, kde k je transformační poměr. Pokud je větší než jedna, jedná se o transformaci nahoru, jinak jde o transformaci dolů (na nižší napětí). V praxi bývá sekundární napětí zatíženého transformátoru vlivem ztrát o 2–10% menší než odpovídá transformačnímu poměru.
Proudy se při malých ztrátách transformují v opačném poměru než napětí ( ).
Používají se v elektrospotřebičích.

14.6.2 Trojfázový
Jádro transformátoru má 3 magnetické větve, každá má vlastní primární a sekundární vinutí. Cívky vinutí jsou spojeny do hvězdy nebo do trojúhelníka.
Transformátory pro velké napětí se značně zahřívají a musí se proto chladit.
Využití v energetice.

14.7 PŘENOS ELEKTRICKÉ ENERGIE
Dálkový přenos se uskutečňuje při napětí 110 kV, 220 kV nebo 400 kV. Vysoké napětí je nutné pro snížení ztrát elektrické energie vedením.
Při vysokém napětí prochází nižší proud a ztráty jsou menší. Přenosovou soustavu zakončují transformační stanice, ve kterých se získává trojfázové napětí, které se dále rozvádí ke spotřebitelům většinou pomocí kabelů.

14.8 ELEKTRÁRNY
Elektrická energie se zde získává přeměnou z jiných forem energie.

14.8.1 Tepelná a jaderná
Spalováním paliva (uhlí nebo jaderné palivo) vzniká horká pára o vysokém tlaku a teplotě. Její energie se mění na mechanickou energii rotoru turbíny, který je spojen s rotorem alternátoru, kde se mechanická energie mění na elektrickou.

14.8.2 Vodní
Alternátor je poháněn vodní turbínou. Frekvence otáčení vodní turbínou je menší než frekvence potřebná pro výrobu proudu 50 Hz, proto se používá mechanický převod mezi turbínou a alternátorem nebo rotor je elektromagnet s více póly.