Hogy halad előre a váltakozó áram, ha oda-vissza mozog a vezetékben?

Értem.

A legyet sorozatvetővel, gépfegyverrel, nyílpuskával és még sok mindennel lehet kiirtani. De a legegyszerűbb, ha tenyérrel agyoncsapod. Nem kell vesződni a golyók sebességével, célzással, ballisztikával, ami mind bonyolítja a helyzetet. Röviden: a célnak megfelelő eszköztárt kell használni.

A villany felkapcsolása a világosság megteremtéséhez (villanyfúróval fúráshoz, sütéshez, stb.) kell. Azaz energiát kívánsz igénybe venni. Attól függően, hogy milyen célra, mindhez jól kialakított céleszközök vannak, például egy villanykörte (abból is sokféle van, mind másképp működik, de most nem ez a te problémád, ezért azzal ne foglalkozzunk).

Az elektromos áram a fizika törvényeinek megfelelően energiatovábbítás, amelyet egy céleszköz a saját funkciójához fel tud használni. Az elektromos áram felhasználásához áramkörre van szükség (hagyjuk a 3 fázist, az egy másik problémakör!). Ebben szerepel egy energiaforrás, a vezeték, és bizonyos ellenállások (köztük a lámpád). Az energiaforrás ez esetben egy generátor, amely másodpercenként 100-szor változtatja két pont között a töltési potenciálját (hogy hogyan, az megint egy másik problémakör, most nem tartozik ide). Ennek hatására a vezeték elektronjai mozgásba jönnek, így elektromágneses teret hoznak létre. A túlvégen a lámpa így van megalkotva, hogy ennek hatására a speciális izzón (ha így jobban tetszik oda-vissza) elektromos áram folyik, csakhogy ennek hatására az izzó anyagában hő keletkezik (elektromágneses energia hőenergiává alakul). A hő melegíti az izzószálat (elég magas hőmérsékletre), amelynek hatásra az izzani kezd (innen a neve), vagyis világít. A lámpa tehát egy speciális energiaátalakító: a benne váltakozva keletkező elektromos potenciál elektronáramlást (elektromágneses energiát) kelt, az átalakul hőenergiává, annak hatására fényenergia is keletkezik, na ez világít neked.

Persze vannak más világítótestek is, de mindnek ez a lényege. Csak az átalakítás más anyagokkal, abból következően más fizikai törvények szerint és más értékekkel és tulajdonságokkal, de végül fényt gerjeszt.

Egyébként a példádban szereplő állítás hamis, mert nem jól alkalmaztad a fizikai törvényeket. De nagyon is csináltál valamit. Jól elfáradtál. Ugyanis ha előre lépsz, a tested tömegét elmozdítod (először gyorsítod, aztán halad ellenállva a súrlódásnak, majd lassítod, hogy a lépés végére megállhass. Aztán visszalépésnél ugyanez. Minden esetben energiát veszel igénybe a végrehajtáshoz. Ez az energia a táplálékból keletkezik a tested bonyolult vegykonyhájában. Ugyanez a helyzet a robbanómotornál, és a villanyégőnél is, csak mind más formában használja fel az energiát.

A fűrész jó példa!

Ha megfogod a fűrészt a végénél, és lassan elkezded ide-oda rángatni, akkor a fűrész nem megy semerre, de teljes hosszában munkát végez. A rántás pedig gyorsan, szinte azonnal elterjed a fűrész másik végéig, akkor is, ha maga a mozdulatod lassú. Ha leállsz a mozgással, akkor is azonnal leáll a fűrész a teljes hosszában.

Ugyanígy, az elektromos áram baromi gyorsan, közel fénysebességgel terjed, míg a vezetékben maguk az elektronok csak csigalassúsággal mozognak, egyébként egyenáram esetén is.

Ugyanis nem az elektronok megléte végez munkát, hanem azok mozgása (ahogy nem a fűrész fogai magukban vágják a fát, hanem csak mozogva).

Az egyenáram létrehozásához leginkább kémiai, míg a váltakozó áram létrehozásához fizikai hatásokat használunk.

A generátor sematikusan nem más, mint egy szál drót, és egy mágnes, amelyik úgy forog, hogy a pólusai felváltva legyenek hol közelebb, hol távolabb a dróthoz. A drót két vége egymáshoz van kapcsolva, tehát gyakorlatilag egy kör alakú drótról van szó. Ez a legegyszerűbb felépítésű generátor. Ha a mágnest megforgatod, akkor a mágneses erőterének erővonalai forgás közben elmetszik a drótszálat, ennek hatására pedig feszültség indukálódik a vezetékben. Ha a mágnes északi pólusa indukálja a feszültséget, akkor az egyik irányba, ha a déli pólusa, akkor a másik irányba indul meg a töltések, elektronok áramlása, vagyis az áram folyása. Ez a mágneses indukció jelensége, Faraday bácsi egyik törvénye.

A generátor mágnese forgómozgást végez. Amikor a mágnes északi pólusa közelít a dróthoz, akkor az indukálódó feszültség értéke a maximumhoz közelít, és akkor éri el azt, amikor az északi pólus a legközelebb van a vezetékhez (itt a legsűrűbbek a mágneses erővonalak, vagyis a legnagyobb a mágneses fluxus). Utána ahogy távolodik a pólus a vezetéktől, a feszültség egyre csökken, mert egyre kevesebb erővonal metszi azonos idő alatt a vezetéket. Amikor a mágnes két pólusa egyenlő távolságra kerül a vezetéktől (a mágnes a vezetékkel párhuzamos helyzetbe kerül), akkor lesz 0 a pillanatnyi feszültség. Aztán jön a déli pólus, ami ugyancsak emeli az indukálódó feszültség mértékét ahogy közelít a drótszálhoz, és az indukálódó feszkó mértéke ismét csökkenni kezd, ahogy a mágnes pólusa távolodni kezd tőle. Ez ugye egy körmozgás, hol egyik, hol másik pólus kerül közelebb a vezetékhez. Ha ezen folyamat során keletkező feszültségértékeket egy olyan grafikonon ábrázolod, amelyiknek x tengelye az időt, y tengelye az indukálódó feszültség mértékét mutatja, akkor megkapod a jól ismert váltakozó áram szinuszgörbéjét.

[link]

Amit Te az oda-vissza reszelő mozgásként azonosítottál a kérdésben analógiaként, az itt megfelel a vertikális (függőleges irányú) kitérésnek, vagyis a szinuszhullám amplitúdójának.

Na most ezt képzeld el fordítva: van egy szál drótod, mellette egy mágnes, amely el tud fordulni úgy, hogy hol az északi, hol a déli pólusa kerül közelebb a drótszálhoz. Ha a vezetékbe áramot vezetsz, akkor az azon átfolyó áram a feszültségével arányos mágneses mezőt fog gerjeszteni a vezeték körül. Ez pedig maga felé fogja vonzani a mágnes valamelyik pólusát, a másik pólust pedig eltaszítja magától.

Most fogjuk ezt a drótot, és mindkét vége mellé tegyünk egy-egy ilyen forgó mágnest! Ha elfordítom az egyik mágnest, akkor a mágneses erővonalai metszeni fogják a vezetéket - következésképp abban feszültség fog indukálódni. A feszültség végigszalad a dróton, és mialatt ezt teszi, elhalad a vezeték túlvégén lévő mágnes mellett is. Azt is tudjuk, hogy a mozgó töltés mágneses mezőt generál maga körül. Tehát a vezetékben végigszaladó töltés a vezeték túlvégén lévő mágnest ki fogja billenteni a nyugalmi helyzetéből, valamelyik pólusát magához vonzza. Ha az emez oldali mágnest tovább tekerem, akkor a túlvégi mágnes még inkább kibillen, majd át is fordul. Tehát ha emez oldalt tekerem a mágnesem, a túlvégén is forogni fog a mágnes. De ugyanez visszafelé is működik: ha azt a mágnest tekerem meg, akkor emez mágnes fog fordulni. Ebből az egyszerű, sematikus ábrából jól érzékelhető, hogy a generátor és a villanymotor gyakorlatilag ugyanaz a szerkentyű; hogy mikor melyik látja el a villanymotor vagy a generátor szerepét, az attól függ, hogy melyiket forgatom én, és melyiket a vezeték körül indukálódó mágnesesség. Ha egy villanymotornak megtekered a forgórészét, akkor generátorként tud üzemelni, ha egy generátornak a bemeneteire váltakozó áramot kapcsolsz, akkor villanymotorként működve forgatónyomatékot fejt ki a forgórészre, tehát villanymotorként tud üzemelni. (Nem teljesen így van a gyakorlatban, de az állandó mágneses legegyszerűbb generátor valóban képes villanymotorként is üzemelni - csak ilyet már nem igazán gyártanak. A mai villanymotorokba és generátorokba egy sor egyéb alkatrészt is beépítenek, ami pl. növeli a teljesítményt, az üzembiztosságot, stb., de ezektől viszont egy villanymotor már képtelen generátorként funkcionálni, és fordítva.)

Ez a legegyszerűbb felépítésű, egyfázisú generátor és villanymotor sematikus ábrázolása. A korábban felrajzolt szinuszhullám vízszintes felezővonala maga az x tengely (ami tulajdonképpen a földelés is egyben). Amikor a szinuszhullám metszi ezt a tengelyt, akkor a feszültség értéke 0V a vezetékben, a szinuszhullám csúcsán pedig a legnagyobb. A hálózati áram effektív értéke 230V, szinuszos váltakozó áramnál az effektív érték a csúcsértéknek a 0,7x-ese. Vagyis a 230V-os hálózati feszültség csúcsértéke (a szinuszhullám x tengelytől mért legnagyobb távolsága) 230/0,7~325V.

Namost, Te viszont a háromfázisú rendszerre vagy kíváncsi.

Tegyük fel, hogy nem egy, hanem három ilyen vezetékünk van, mindegyiknek mindkét végén van egy-egy forgatható mágnes. Elkezdem tekerni az egyik mágnest, a drót végén lévő másik mágnes ugye forogni kezd. Egy teljes fordulat az ugye 360 fok. Három fázis esetén 360/3=120 fok eltérés van a fázisok között. Ez azt jelenti, hogy elkezdem tekerni az egyik mágnest, amikor elér a teljes fordulat egyharmadáig, akkor elkezdem tekerni a második mágnest, amikor az elér a teljes fordulat egyharmadáig (az első mágnes már a teljes fordulat kétharmadáig), akkor kezdem el tekerni a harmadik mágnest. Mikor a harmadik mágnes elér a teljes fordulat egyharmadáig, az első épp akkor fejezi be a teljes fordulatot. Ha ezen a módon egyszerre, azonos sebességgel (periódusidővel), egymással szinkronban tudom tekerni a három mágnest, akkor kapok mindegyiken azonos frekvenciájú szinuszhullámot, melyeknek egyenként külön-külön 230V az indukált effektív feszültsége.

Rajzoljuk be ugyanabba az előző grafikonba mindhárom szinuszgörbénket egyszerre! Ha megrajzolod, akkor három egyforma, de egymástól egyharmad időben eltolt szinuszhullám lesz a végeredmény.

[link]

Ha megnézed, mindegyik fázis az x tengelyvonaltól (a nullától, vagyis a földtől) azonos mértékben tér ki (függőleges távolság). Ám az egyes szinuszvonalak közti távolság már ennél nagyobb. Nézd meg az L1 hullám amikor csúcson van, akkor metszi egymást a másik két hullám a 0 alatt - a 0 és a metszéspont közti távolság hozzáadódik az L1 hullám csúcsértékéhez, így lesz az egyfázisú 230V effektív feszültségéből a háromfázisú 400V effektív feszültségérték, feszültség-különbség (ugye a feszültség mértékét a függőleges távolság adja meg). És valóban, a három vezetékünk közül bármelyik kettő közötti feszültségkülönbséget nézed, több lesz, mint amennyi bármelyik szál és a föld közötti feszültségkülönbség.

Ha még mindig nem vili valami, tanulmányozd át ezt az oldalt, itt elég jól leírják a dolgokat:

[link]