זרם חילופין

זרם חילופין(או בראשי תיבות"ז "ח";באנגלית"Alternating Current"ובראשי תיבות,"AC") הואזרם חשמליההופך את כיוונו באופן מחזורי. מונח זה נבדל מזרם ישר(DC, Direct Current), אשר שומר על כיוונו. הבדל נוסף הוא שלעומת זרם ישר הוא אינו מיוצב. ברוב העולם, החשמל המסופק לבתים בשקעהוא בזרם חילופין, בעוד שהחשמל המסופק על ידיסוללות חשמליותהוא בזרם ישר.

ברוב המקרים, מתח חילופין (כלומר, מתח ההופך את כיוונו באופן מחזורי) נלווה לזרם חילופין, ולפעמים אף יוצר אותו. לכן, לעיתים נוח יותר לנתח מערכת AC במונחי המתח שלה,ללא הגבלת הכלליות.

יישומים

זרם חילופין נפוץ מאוד ביישומים הדורשיםמתחגבוה. בשיטה האירופית(המשמשת גם בישראל) מתח זרם החילופין הביתי הוא כ-220או 230וולט,ואילו בשיטה הצפון-אמריקנית הוא 110 או 120 וולט.

מקובל למדוד אתתדירותהזרם ביחידות שלהרץ(מספר מחזורים בשנייה). הזרם בישראל מיוצר בתדירות 50 הרץ. משמעות הדבר שהוא משלים 50 מחזורים בשנייה, ולכן מחליף את כיוונו 100 פעמים בשנייה. בשיטה האמריקנית התדירות היא 60 הרץ, כלומר 60 מחזורים לשנייה, שהם 120 החלפות כיוון בשנייה.

תיאור מתמטי

גדלים אופייניים של מתח סינוסי: 1. המשרעת (או: האמפליטודה). 2. מתח שיא לשיא (Vpp). ‏3. ערך אפקטיבי (ממוצע RMS).‏ 4. זמן המחזור.

ברוב המוחלט של רשתות החשמל הארציות צורת הגל היא שלסינוס.במצב כזה, המתח כתלות בזמן נתון במשוואה:

$v(t)=V_{0}\cdot \sin(2\pi ft)$

כאשר:

• $t$הוא הזמן,
• $V_{0}$הואמשרעתהגל, שהיא הערך המקסימלי בכיוון אחד של הזרם.
• $f$היא תדירות הגל, היינו מספר המחזורים ליחידת זמן (בדרך כלל שנייה, ובמקרה זה, יחידת המדידה היאהרץ).

מתוך גדלים אלו, ניתן להגדיר גם גדלים אחרים:

• T, זמן המחזור:$T={\frac {1}{f}}$
• $\omega =2\pi f$:כש-$\omega$היא התדירות הזוויתיתהנמדדת ברדיאןליחידת זמן.
• Vpp, מתח "שיא לשיא" (peak-to-peak):‏$Vpp=2V_{0}$
• מתח אפקטיבי (או מתח Root Mean Square:RMS):‏$V_{\mathrm {eff} }=V_{\mathrm {RMS} }={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}\ v^{2}dt}}$.

  עבור מתח סינוסי,$V_{\mathrm {RMS} }={\frac {V_{0}}{\sqrt {2}}}$.

צורות שונות של גלים

ישנם שימושים בהם נוח יותר לבחור צורת גל (כלומר, הדרך שבה המתח והזרם תלויים בזמן) שאינה סינוסית, למשל גל ריבועי, משולש, או "שן-מסור". ניתן להגדיר גם עבורם את כל הגדלים שהוגדרו לעיל, אבל הזיהוי שלהם בנוסחה עשוי להיות יותר מורכב.

היסטוריה

ערך מורחב –מלחמת הזרמים

המחולל החשמלי הראשון, שמעביר מתנועה מכנית לזרם חילופין נבנה בידיאיווט פיקסיב-1832, והתבסס על עבודתו שלמייקל פאראדיי.למרות שהזרם שנוצר בעזרת סיבוב הדינאמו היה חילופי, באותה תקופה השימוש הידוע בחשמל היה על בסיס זרם ישר, ולכן פיקסי הוסיףקומוטטורהממיר את הזרם המתחלף בישר. בשנות ה-70 של המאה ה-19, התפתחה הטכנולוגיה של זרם החילופין בידי חברה הונגרית בשם "מפעלי גנז", שהוקמה בידי המהנדס והיזם ההונגריאברהם גנז,שהבין ראשון את הפוטנציאל השימושי והמסחרי של זרם החילופין על פני הישר. בשנים אלו כמה חוקרים פיתחו פתרונות טכנולוגיים ליישם את זרם החילופין לשימוש מסחרי, ביניהם:סיבסטיאן זיאני דה פרנטי,לוסיאן גולארד,גלילאו פרריס,אוטו בלת'י,מחקר שנעשה בחסות מפעלי גנז. בשנת 1876פאבל יבלוקובהציע נורה שלה קרא בשםנר יבלוקובשעבדה על זרם חילופין, וסיפקה תאורה מאוד יציבה. בזכות תגלית זו, מפעלי גנז ב-1878 התחילו ביצור חלקים וערכות תאורה עירונית בטכנולוגיה של זרם חילופין תוך שימוש בנר יבלוקוב, וב-1883 כבר היו כחמישים מוקדי תאורה פעילים כאלה, בעריאוסטרו-הונגריה.

ויליאם סטיינליפיתח את הטכנולוגיה הלאה בארצות הברית, על בסיס הטכנולוגיה האירופאית. ב-1885 הצליח סטיינלי לבנותשנאימסחרי. ב-1886 הייתה לו מערכת עובדת מקצה לקצה, שכללהגנרטור,שנאי, יכולת העברה למרחקים ארוכים, מייצב מתח והגנה לרשת מפני קצרים, היה זה סממן לבשלות המסחרית של הטכנולוגיה. באחד הניסויים המוצלחים שלו בשנת 1886 בעירפיטסבורג,הועברהאנרגיה חשמליתלמרחק של כ-5 קילומטר, בעזרת שימוש בזרם חילופי במתח גבוה, בעקבות הניסוי המוצלח עשרות מפעלים עשו הזמנות לרכוש את הטכנולוגיה. ממציאאמריקנינוסף (ממוצאסרבי)ניקולה טסלההמציא מנוע על בסיס זרם חילופין ב-1888. הטכנולוגיה אף זכתה לפרסום ולהכרה ציבורית רחבה בזכותו, בסוף שנות ה-90 של המאה ה-19. טסלה העביר זרם זה דרך גופו בתדירות גבוהה, בפני נציגיעיתונותבמעבדתושבמנהטן,תוך שהוא מציג בפניהם הארת נורות כדי להפריך שמועות כי זרם זה מסוכן יותר מזרם ישר.בפועל זרם חילופין אכן מסוכן בהרבה מזרם ישר ומתח הסף להתחשמלותבזרם חילופין נמוך בהרבה מהמקביל לו בזרם ישר.

השפעה של תדירות

זרם בעל תדירות של 0 (אפס) הרץ הואזרם ישר.זרם ישר זורם באופן שווהבתוךחתך-רוחב המוליך (חוט החשמל). כאשר מגדילים את התדירות, התפלגותצפיפות הזרםבתוך המוליך משתנה, כך שככל שהתדירות גדלה יותר הזרם עובר אלפניהמוליך -אפקט העור.בתדירויות גבוהות מאוד (מיליארדי הרץ, או גיגה הרץ) הזרם למעשה מפסיק לזרוםבתוךהמוליך, וזורם כמעט רקעל פניהמוליך, והמוליך מתחיללקרון,כמואנטנהמשדרת. קרינה זו אינה רצויה, כיוון שהיא צורכת אנרגיה מהמערכת; לכן, כדי למנוע הפסדים של הקרינה, נהוגלחווט מוליכים(לדוגמה כבלים לחיבוריאינטרנט) כך שבמוליך אחד כיוון הזרם הפוך מבמוליך השני (זוג שזור). בצורה זאת סכום הזרמים הוא אפס, וכך גםההשראה האלקטרומגנטית.

ראו גם

• מלחמת הזרמים
• זרם ישר

קישורים חיצוניים

• זרם חילופין,באתראנציקלופדיה בריטניקה(באנגלית)
• זרם חשמל חילופי,דף שער בספרייה הלאומית

• "AC/DC מה ההבדל - אנימציה שמסבירה את ההבדל בין הזרמים השונים".
• נס האור של אדיסון,באתר American Experience שלPBS(באנגלית)
• מאיר ברק,מדוע חברת החשמל מייצרת מתח גבוה וממירה אותו ליד הבית?,במדור "שאל את המומחה"באתר שלמכון דוידסון לחינוך מדעי,8 באוקטובר 2017
• מכונת פיקסי,והזרם החילופי הראשון.