Токът, който сменя посоката

Постоянно и променливо напрежение

Батерията дава постоянно напрежение: токът тече все в една посока. Генераторът и контактът дават променливо напрежение: то расте, стига върха, пада до нула, сменя знака и стига върха в обратната посока. Графиката му е синусоида:

u = U_max · sin(2π · f · t)

Как се вижда посоката? Светодиодът пропуска ток само в едната посока. Свържи два светодиода един до друг в противоположни посоки: при батерията свети само единият, а при генератора двата светват на смени. Значи токът тече ту в едната, ту в другата посока.

Период и честота

Периодът T е времето за едно цяло трептене. Честотата f = 1 : T е колко периода има в една секунда. В България мрежата е с честота 50 Hz: един период трае 20 ms.

В един период токът тече веднъж напред и веднъж назад, тоест посоката се сменя два пъти. При 50 Hz токът сменя посоката си 100 пъти в секунда.

Върхова и ефективна стойност

Най-голямото напрежение в контакта е около 325 V – това е върховата стойност. Числото 230 V на табелките е ефективната стойност: постоянното напрежение, което би нагряло същата лампа също толкова.

U_{ефективно} = U_max : √2

• 230 V · √2 ≈ 325 V: напрежението в контакта се мени от −325 V до +325 V.
• През половината от времето напрежението е над 230 V по големина: при 2,5 ms то вече е 230 V и продължава да расте.
• Лампа 60 W получава средно 60 W, а за миг – два пъти повече, 120 W.

Средното напрежение е нула, а лампата свети

За цял период напрежението е толкова време положително, колкото и отрицателно: средното му е 0 V. Но жичката се нагрява и при обратна посока на тока, затова мощността никога не е отрицателна. Тя пулсира два пъти в един период, а средната ѝ стойност е половината от върха.

Честотата не прави лампата по-ярка. Генератор с върхово напрежение 12 V дава на лампата средно 3 W и при 0,5 Hz, и при 50 Hz. Средната мощност зависи само от размаха.

Защо сцената е забавена

При 50 Hz светодиодите биха мигали 50 пъти в секунда – твърде бързо за окото и опасно за някои хора. Затова сцената е забавена (например „Забавено 100 пъти“) и нищо в нея не мига повече от 3 пъти в секунда. Графиката винаги е в истинско време. Истинската лампа с жичка не трепти при 50 Hz: жичката не успява да изстине за 10 ms.

Какво е опростено

• Напрежението е чиста синусоида с 230 V и 50 Hz. Истинското в мрежата е малко изкривено и се мени в рамките на около ±10 %.
• Лампата има постоянно съпротивление, а светодиодът свети от определено напрежение нагоре.
• Веригата е само с лампа и светодиоди; генераторът и батерията са идеални.