Prąd przemienny ma zastosowanie w życiu codziennym. Prawie wszystkie urządzenia elektryczne i elektroniczne, jak żarówka, grzejnik, pralka, wywietrznik, radio, telewizor czy komputer, są zwykle zasilane prądem przemiennym czerpanym z sieci domowej. Przede wszystkim dlatego powinniśmy poznać podstawowe prawa nim rządzące. Aby wytworzyć prąd elektryczny przemienny, należy – zgodnie z prawem indukcji Faradaya – zmieniać strumień pola magnetycznego przechodzący przez obwód, w którym chcemy wytworzyć prąd. Oto podstawa budowy wszelkiego typu prądnic.

W doświadczeniu pokazowym (rozdz. 4.2. Prawo indukcji Faradaya) pokazaliśmy, że podczas wsuwania magnesu do zwojnicy i wysuwania go indukuje się w niej prąd. Jeżeli będziemy poruszać magnesem raz w jedną, raz w drugą stronę, to prąd zaindukowany w obwodzie zwojnicy i galwanometru będzie zmieniał swoją wartość i zwrot, w zależności od tego, w którą stronę poruszamy magnesem. Można powiedzieć, że dzięki pracy mechanicznej w obwodzie został wzbudzony zmienny prąd elektryczny. Zatem mieliśmy do czynienia z bardzo prostą prądnicą – urządzeniem, które produkuje prąd elektryczny kosztem jakiejś innej energii (np. mechanicznej).

Łatwiej niż ruch posuwisto-zwrotny jest jednak wytworzyć ruch obrotowy, dlatego w zwykłych prądnicach mamy do czynienia z takim właśnie ruchem – bądź to magnesu (elektromagnesu), bądź to zwojnicy w stałym polu magnesów (elektromagnesów). Zasada działania jednej z takich prądnic widoczna jest na il. 6.1, gdzie zwojnicę dla przejrzystości przedstawiono w postaci tylko jednej ramki. Ramka ta obraca się ze stałą prędkością kątową $\omega$ w zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji $\overrightarrow{B}$. W chwili $t$ wektor $\overrightarrow{S}$ (prostopadły do płaszczyzny ramki) tworzy z wektorem $\overrightarrow{B}$ kąt $\alpha =\omega t$. Na skutek obrotu ramki przepływa przez nią okresowo zmieniający się strumień pola magnetycznego, który wyraża się za pomocą wzoru:

Zgodnie z prawem indukcji Faradaya, zmienny strumień pola magnetycznego wywołuje w ramce zmienną siłę elektromotoryczną (wzór (4.7)):

Można wykazać matematycznie (a doświadczenie to potwierdza), że jeżeli strumień ${\Phi }_B$ zmienia się zgodnie z funkcją minus kosinus, to siła elektromotoryczna zmienia się zgodnie z funkcją sinus według wzoru:

Właśnie takiej wartości siła elektromotoryczna, zmieniająca się okresowo, pojawia się na szczotkach prądnicy oznaczonych na il. 6.1 symbolem $sz$. Właściwości siły elektromotorycznej, danej wzorem (6.3), przedstawiono na il. 6.2.

Wielkość $E_{\max }$ nazywamy amplitudą tej siły elektromotorycznej; można wykazać, że $E_{\max }=BS\omega$. Amplituda to największa wartość, jaką osiąga ta siła elektromotoryczna:

Okres zmian $T$ siły elektromotorycznej oraz częstotliwość tych zmian $\nu$ związane są z częstością kołową $\omega$, zgodnie ze znanymi wzorami:

Jeżeli do przewodów doprowadzających do szczotek podłączymy jakiś odbiornik elektryczny (np. opornik elektryczny, którym jest włókno żarówki), to popłynie przez niego prąd zmieniający się w czasie według funkcji harmonicznej (jest to określenie dla dowolnej spośród funkcji $\pm$sinus lub $\pm$kosinus). Taki prąd nazywamy prądem przemiennym.

Źródło prądu o sile elektromotorycznej zmieniającej się według funkcji harmonicznej (np. sinus, jak we wzorze (6.3)) nazywamy źródłem napięcia przemiennego. Takie źródła występują w elektrowniach, z takich źródeł są zasilane zakłady przemysłowe i prywatne mieszkania. Częstotliwość standardowa źródeł napięcia przemiennego w Europie wynosi $\nu =50\text{Hz}$ (czyli $\omega \approx 314{\text{s}}^{-1}$). Z kolei amplituda źródeł napięcia przemiennego, powszechnie wykorzystywanego w mieszkaniach, wynosi ok. 325 V.

Dynamo rowerowe to nic innego jak małych rozmiarów prądnica. Częstotliwość siły elektromotorycznej wytwarzanej przez dynamo zależy od jego obrotów, a to zależy od prędkości jazdy rowerem. Warto wspomnieć, że w takiej prądnicy stosuje się obracający się magnes. W stojanie zawierającym uzwojenie wzbudza się siła elektromotoryczna indukcji. Oczywiście, zasada pracy jest taka sama jak opisana na początku tego podrozdziału, gdyż liczy się ruch względny zwojnicy w stosunku do magnesu i nie jest ważne, czy magnes jest w spoczynku, a zwojnica się obraca, czy na odwrót.

Pytania i problemy

1. Wyjaśnij, jak powstaje prąd przemienny w prądnicy. Przedstaw na rysunku zasadę działania prądnicy.
2. Podaj treść prawa, które zastosujesz, by wyjaśnić zasadę działania prądnicy prądu przemiennego. Zapisz w postaci wzoru zależność, która z tego prawa wynika. Przedstaw zależność od czasu przemiennej SEM uzyskanej z prądnicy.
3. Oblicz okres zmian napięcia przemiennego stosowanego w Europie.
4. Powszechnie wiadomo, że gdy rowerzysta wykorzystujący dynamo do zasilania żarówek zwalnia, to lampki na rowerze przygasają. Wyjaśnij powód tego zjawiska.