Formas de onda AC
Quando um alternador produz tensão CA, a tensão muda de polaridade ao longo do tempo, mas o faz de uma maneira muito particular. Quando representada graficamente ao longo do tempo, a "onda" traçada por esta voltagem de polaridade alternada de um alternador assume uma forma distinta, conhecida como onda senoidal :Figura abaixo
Gráfico da tensão CA ao longo do tempo (a onda senoidal).
No gráfico de tensão de um alternador eletromecânico, a mudança de uma polaridade para a outra é suave, o nível de tensão mudando mais rapidamente no ponto zero (“crossover”) e mais lentamente em seu pico. Se fôssemos representar graficamente a função trigonométrica de “seno” em um intervalo horizontal de 0 a 360 graus, encontraríamos exatamente o mesmo padrão da Tabela abaixo.
Função trigonométrica de “seno”.
A razão pela qual um alternador eletromecânico emite CA de onda senoidal é devido à física de seu funcionamento. A tensão produzida pelas bobinas estacionárias pelo movimento do ímã em rotação é proporcional à taxa na qual o fluxo magnético está mudando perpendicularmente às bobinas (Lei da Indução Eletromagnética de Faraday). Essa taxa é maior quando os pólos magnéticos estão mais próximos das bobinas e menos quando os pólos magnéticos estão mais distantes das bobinas. Matematicamente, a taxa de mudança do fluxo magnético devido a um ímã giratório segue a de uma função seno, de modo que a voltagem produzida pelas bobinas segue a mesma função.
Período vs frequência
Se fôssemos seguir a mudança de voltagem produzida por uma bobina em um alternador de qualquer ponto no gráfico de onda senoidal até aquele ponto quando a forma de onda começa a se repetir, teríamos marcado exatamente um ciclo dessa onda. Isso é mais facilmente mostrado medindo a distância entre picos idênticos, mas pode ser medido entre quaisquer pontos correspondentes no gráfico. As marcas de grau no eixo horizontal do gráfico representam o domínio da função seno trigonométrica e também a posição angular do eixo do alternador bipolar simples conforme ele gira:Figura abaixo
Tensão do alternador em função da posição do eixo (tempo).
Uma vez que o eixo horizontal deste gráfico pode marcar a passagem do tempo, bem como a posição do eixo em graus, a dimensão marcada para um ciclo é frequentemente medida em uma unidade de tempo, na maioria das vezes segundos ou frações de segundo. Quando expresso como uma medida, geralmente é chamado de período de uma onda.
O período de uma onda em graus é sempre 360, mas a quantidade de tempo que um período ocupa depende da taxa de oscilação da tensão para frente e para trás.
Uma medida mais popular para descrever a taxa alternada de uma tensão CA ou onda de corrente do que período é a taxa dessa oscilação para frente e para trás. Isso é chamado de frequência . A unidade moderna de frequência é o Hertz (abreviado Hz), que representa o número de ciclos de onda completados durante um segundo de tempo.
Nos Estados Unidos da América, a frequência padrão da linha de energia é 60 Hz, o que significa que a tensão CA oscila a uma taxa de 60 ciclos completos de ida e volta a cada segundo. Na Europa, onde a frequência do sistema de energia é 50 Hz, a tensão CA completa apenas 50 ciclos a cada segundo.
Um transmissor de estação de rádio transmitindo a uma frequência de 100 MHz gera uma voltagem CA oscilando a uma taxa de 100 milhões ciclos a cada segundo.
Antes da canonização da unidade Hertz, a frequência era simplesmente expressa como "ciclos por segundo". Medidores e equipamentos eletrônicos mais antigos costumavam ter unidades de frequência de “CPS” (ciclos por segundo) em vez de Hz. Muitas pessoas acreditam que a mudança de unidades autoexplicativas como CPS para Hertz constitui um retrocesso na clareza.
Uma mudança semelhante ocorreu quando a unidade de “Celsius” substituiu a de “Centígrados” para a medição da temperatura métrica. O nome Centígrado foi baseado em uma escala de contagem de 100 (“Centi-”) (“-grau”) que representa os pontos de fusão e ebulição de H 2 O, respectivamente.
O nome Celsius, por outro lado, não dá nenhuma dica quanto à origem ou significado da unidade.
Período e frequência são recíprocos matemáticos um do outro. Ou seja, se uma onda tem um período de 10 segundos, sua frequência será de 0,1 Hz, ou 1/10 de um ciclo por segundo:
Uso de um osciloscópio
Um instrumento chamado osciloscópio , Figura abaixo, é usado para exibir uma tensão variável ao longo do tempo em uma tela gráfica. Você deve estar familiarizado com a aparência de um ECG ou EKG (eletrocardiógrafo), usado por médicos para representar graficamente as oscilações do coração de um paciente ao longo do tempo.
O ECG é um osciloscópio de uso especial expressamente projetado para uso médico. Os osciloscópios de uso geral têm a capacidade de exibir a tensão de praticamente qualquer fonte de tensão, plotada como um gráfico com o tempo como variável independente.
A relação entre período e frequência é muito útil para saber ao exibir uma tensão CA ou forma de onda de corrente em uma tela de osciloscópio. Medindo o período da onda no eixo horizontal da tela do osciloscópio e alternando esse valor de tempo (em segundos), você pode determinar a frequência em Hertz.
O período de tempo da onda senoidal é mostrado no osciloscópio.
Como o conceito de CA está relacionado ao som?
A tensão e a corrente não são de forma alguma as únicas variáveis físicas sujeitas a variações ao longo do tempo. Muito mais comum em nossa experiência cotidiana é o som , que nada mais é do que compressão e descompressão (ondas de pressão) alternadas de moléculas de ar, interpretadas por nossos ouvidos como uma sensação física. Como a corrente alternada é um fenômeno de onda, ela compartilha muitas das propriedades de outros fenômenos de onda, como o som. Por esse motivo, o som (especialmente a música estruturada) oferece uma excelente analogia para relacionar os conceitos de CA.
Em termos musicais, a frequência é equivalente a altura . As notas graves, como as produzidas por uma tuba ou fagote, consistem em vibrações de moléculas de ar que são relativamente lentas (baixa frequência). Notas agudas, como aquelas produzidas por uma flauta ou apito, consistem no mesmo tipo de vibrações no ar, apenas vibrando em uma taxa muito mais rápida (frequência mais alta). A figura abaixo é uma tabela que mostra as frequências reais para uma gama de notas musicais comuns.
523,25
Os observadores astutos notarão que todas as notas na tabela com a mesma designação de letra estão relacionadas por uma relação de frequência de 2:1. Por exemplo, a primeira frequência mostrada (designada com a letra “A”) é 220 Hz. A próxima nota “A” mais alta tem uma frequência de 440 Hz - exatamente o dobro de ciclos de ondas sonoras por segundo.
A mesma proporção de 2:1 é verdadeira para o primeiro Lá sustenido (233,08 Hz) e o próximo Lá sustenido (466,16 Hz), e para todos os pares de notas encontrados na tabela.
Audivelmente, duas notas cujas frequências são exatamente o dobro entre si soam notavelmente semelhantes. Essa semelhança no som é reconhecida musicalmente, o intervalo mais curto em uma escala musical que separa esses pares de notas sendo chamado de oitava . Seguindo esta regra, a próxima nota “A” mais alta (uma oitava acima de 440 Hz) será de 880 Hz, a próxima nota “A” mais baixa (uma oitava abaixo de 220 Hz) será 110 Hz.
Uma visão do teclado de um piano ajuda a colocar essa escala em perspectiva:Figura abaixo
Uma oitava é mostrada em um teclado musical.
Como você pode ver, uma oitava é igual a sete distância das teclas brancas em um teclado de piano. O familiar mnemônico musical (doe-ray-mee-fah-so-lah-tee) - sim, o mesmo padrão imortalizado na canção caprichosa de Rodgers e Hammerstein cantada em The Sound of Music - cobre uma oitava de C a C.
Outras formas de ondas alternadas
Embora alternadores eletromecânicos e muitos outros fenômenos físicos produzam naturalmente ondas senoidais, esse não é o único tipo de onda alternada que existe. Outras “formas de onda” de CA são comumente produzidas em circuitos eletrônicos. Aqui estão apenas alguns exemplos de formas de onda e suas designações comuns na figura abaixo.
Algumas formas de onda comuns (formas de onda).
Essas formas de onda não são, de forma alguma, os únicos tipos de formas de onda existentes. Eles são apenas alguns que são comuns o suficiente para receberem nomes distintos. Mesmo em circuitos que supostamente manifestam formas de onda senoidais, quadradas, triangulares ou dente de serra de tensão / corrente “puras”, o resultado na vida real costuma ser uma versão distorcida da forma de onda pretendida.
Algumas formas de onda são tão complexas que desafiam a classificação como um “tipo” particular (incluindo formas de onda associadas a muitos tipos de instrumentos musicais). De um modo geral, qualquer forma de onda que se assemelha a uma onda senoidal perfeita é denominada senoidal , qualquer coisa diferente sendo rotulada como não senoidal .
Sendo que a forma de onda de uma tensão ou corrente CA é crucial para seu impacto em um circuito, precisamos estar cientes do fato de que as ondas CA vêm em uma variedade de formatos.
REVER:
- CA produzida por um alternador eletromecânico segue a forma gráfica de uma onda senoidal.
- Um ciclo de uma onda é uma evolução completa de sua forma até o ponto em que está pronta para se repetir.
- O período de uma onda é a quantidade de tempo que leva para completar um ciclo.
- Frequência é o número de ciclos completos que uma onda completa em um determinado período de tempo. Normalmente medido em Hertz (Hz), 1 Hz sendo igual a um ciclo de onda completo por segundo.
- Frequência =1 / (período em segundos)
PLANILHAS RELACIONADAS:
- Planilha de formas de onda AC
- Planilha de operação básica do osciloscópio
Tecnologia industrial