למתח חילופין ולזרם חילופין יש מספר מאפיינים עיקריים:
- צורת הגל
- התדר
- אורך הגל
- המשרעת
צורת הגל (Wave form)
יש כמה צורות גל (Wave forms) למתחי חילופין ולזרמי חילופין.
גל סינוס (Sine Wave)
אחת מצורות הגל הנפוצות ביותר של זרם חילופין ומתח חילופין היא גל סינוס. מתח אספקת החשמל של חברת החשמל הוא במקורו מתח בצורת סינוס. גם גלי רדיו לא מאופננים הם במקורם בצורת סינוס. האיור הבא מתאר מתח בעל גל בצורת סינוס:
גל מרובע (Square wave)
צורת גל נפוצה אחרת היא גל מרובע. אותות דיגיטאליים, למשל, הם במקורם בצורת גל מרובע. האיור הבא מתאר מתח בעל גל בצורת גל מרובע:
גל שיני מסור (Saw-tooth wave)
גל שיני מסור נפוץ בעיקר במקלטי ובמשדרי טלוויזיה וכן במכשירי מדידה מסוימים. האיור הבא מתאר מתח בעל גל בצורת שיני מסור:
גל משולש (Triangle wave)
גל משולש נפוץ בעיקר במכשירי מדידה מסוימים. האיור הבא מתאר מתח בעל גל בצורת משולש:
גלים בעלי צורה מורכבת (Complex waves)
יש גלים בעלי צורה מורכבת, כמו גלי קול (Sound waves), למשל. באיור הבא מתאר את צורת הגל של כלי הנגינה ויולה (Violla):
התדר או התדירות (Frequency)
התדר או התדירות של זרם חילופין, או של מתח בזרם חילופין, הוא מספר המחזורים בשנייה (cycles per second) של אותו זרם, או מתח. הגל של זרם חילופין חוזר על עצמו שוב ושוב, עם הזמן, או על ציר הזמן. בזרם חילופין מסוים יכולים להיות מעט מחזורים במשך שנייה אחת, בעוד בזרם חילופין אחר יכולים להיות מחזורים רבים מאד במשך שנייה אחת. התדר, שהוא מספר המחזורים בשנייה אחת, נמדד ביחידות הרץ (Hertz), על שם הפיזיקאי היהודי-גרמני היינריך רודולף הרץ (Heinrich Rudolf Hertz) שחי בין השנים 1894 - 1857. הרץ היה הראשון שהדגים והמחיש את קיומה של הקרינה האלקטרומגנטית, בשנת 1888, באמצעות מתקן המשדר גלי רדיו ומתקן הקולט את גלי הרדיו – אם כי הם לא היו משדר רדיו ומקלט רדיו כפי שהם קיימים היום. בעבר, באנגלית היה נהוג לסמן את התדר ביחידות של מחזורים לשנייה (Cycles per second).
אלפי הרץ מסומנים ביחידות של קילו-הרץ (Kilo Hertz), או, בראשי תיבות, קה"צ (KHz). מילוני הרץ מסומנים ביחידות של מגה-הרץ (Mega Hertz), או, בראשי תיבות, מה"צ (MHz). מיליארדי הרץ מסומנים ביחידות של ג'יגה-הרץ (Giga Hertz), ובראשי תיבות (GHz).
תדר מתח רשת החשמל בארץ ובאירופה הוא 50 הרץ, בעוד בארה"ב תדר מתח הרשת הוא 60 הרץ.
תחום תדרי הרדיו משתרע בין 30 קה"ץ (שלושים אלף הרץ) ועד 300 ג'יגה-הרץ (300 מיליארד הרץ).
אורך הגל (Wavelength)
אורך הגל הוא האורך של מחזור אחד בגל מחזורי הנמדד במטרים והוא מסומן באות היוונית למבדה, שסימנה באות קטנה הוא
. בגל סינוס ניתן למדוד את אורך הגל בין כל שתי נקודות בעלות מופע (פאזה) זהה של מחזור אחד:
המשרעת (Amplitude)
המשרעת (אמפליטודה) של זרם חילופין, או של מתח חילופין, היא גודל הטווח שעל פניו משתנה הזרם, או המתח. בזרם חילופין המשרעת של הזרם נמדדת ביחידות אמפר, בעוד המשרעת של המתח נמדדת ביחידות וולט. מבחינים בין שלושה סוגים של משרעת:
משרעת שיא (Peak amplitude),
משרעת שיא לשיא (Peak to Peak amplitude)
ומשרעת שורש ממוצע הריבועים, או משרעת RMS ובאנגלית Root Mean Square amplitude או RMS amplitude.
האיור הבא ממחיש את שלושת סוגי המשרעת בגל סינוס:
משרעת השיא (Vp) מסומנת במספר 1. משרעת השיא היא הערך המרבי של הגל, בערך מוחלט (דהיינו, מבלי להתחשב בכוון, או בקוטביות). משרעת השיא בגל סינוס היא בעצם מחצית המשרעת שיא לשיא.
משרעת שיא לשיא (Vp-p) מסומנת במספר 2. המשרעת שיא לשיא היא ההפרש בין הערך המרבי (מקסימאלי) של הגל לבין הערך המזערי (מינימאלי) של הגל. לדוגמא, אם גל סינוס נע בין פלוס 2 וולט (2V+) בשיא החיובי שלו לבין מינוס 2 וולט (2V-) בשיא השלילי שלו, המשרעת שיא לשיא של גל זה היא 4 וולט, בעוד משרעת השיא של גל זה היא 2 וולט.
משרעת שורש ממוצע הריבועים, או משרעת RMS באנגלית RMS amplitude או (Vrms), מסומנת במספר 3. בגל סינוס, משרעת RMS או (Vrms) היא משרעת השיא (Vp) חלקי שורש ריבועי של 2.
משרעת RMS היא הערך בו נוהגים להשתמש בדרך כלל. למשל, כאשר מדובר על מתח רשת החשמל בישראל שהוא 230 וולט, הכוונה היא ל- 230 וולט RMS. בארה"ב מתח רשת החשמל הוא 115 וולט RMS.
משרעת שורש ממוצע הריבועים, או משרעת RMS היא ממוצע המשרעת לאורך זמן.
לדוגמא, נורה חשמלית של 12 וולט תאיר בעוצמה זהה במעגל זרם ישר בעל מתח של 12 וולט ובמעגל זרם חילופין בעל מתח של 12 וולט RMS. מתח חילופין (וזרם חילופין) משנה את עוצמתו ואת הקוטביות שלו כל הזמן - ובאופן מחזורי. בכל נקודת זמן נתונה, למתח חילופין משרעת שונה וקוטביות שונה. בממוצע, לאורך זמן, מתח חילופין RMS שקול בערכו למתח ישר באותו ערך, או למתח ישר בעל משרעת זהה. דהיינו, מתח של (1Vrms), בממוצע הזמן, שקול בערכו למתח של (1Vdc). בדומה, בממוצע, לאורך זמן, זרם חילופין RMS שקול בערכו לזרם ישר באותו ערך. דהיינו, זרם של (1Arms), בממוצע הזמן, שקול בערכו למתח של (1Adc).
המרה בין משרעת שיא למשרעת שיא לשיא
משרעת שיא היא חצי מערכה של המשרעת שיא לשיא. זה נכון לכל צורות הגל.
המרה בין משרעת שיא למשרעת RMS
היחס בין משרעת השיא למשרעת RMS משתנה בהתאם לצורת הגל.
בגל סינוס, המשרעת RMS או (Vrms) היא בסביבות שליש (1/3) מהמשרעת שיא לשיא (Vp-p). ליתר דיוק, נוסחת ההמרה בין משרעת שיא לשיא (Vp-p)) לבין משרעת RMS או (Vrms) היא:
.
בגל סינוס, בהמרת משרעת שיא (Vp) למשרעת RMS או (Vrms) הנוסחה היא:
.
בגל משולש, הממורכז סביב נקודת האפס, נוסחת ההמרה היא:
.
בגל מרובע, הממורכז סביב נקודת האפס, מתח RMS או (Vrms) שווה למתח השיא (Vp):
.
במתח רשת החשמל בארץ, שהוא 230 וולט RMS או (230Vrms), מתח השיא (Vp) יהיה (
), דהיינו, בסביבות 325 וולט (325Vp~). המתח שיא לשיא (
) יהיה כפול ממתח השיא, בסביבות 650 וולט (650Vp-p~).
גלי קול
גלי קול, בפרט אלה של מוסיקה, הם, ברובם, מספר גלים משולבים, אשר כל אחד מהם הוא במקור גל סינוס בתדר יסוד, בצירוף הרמוניות של תדר היסוד. לכן, מבחינת חישובים, מתייחסים אל גלי קול כאל גלי סינוס – למרות שהם בעלי צורה מורכבת, הם לא גלים של גל מרובע, או גל משולש, או גל שיני משור. בדומה, למתח וזרם חשמליים המתייחסים לגלי קול, או לאותות חשמליים הנושאים מידע של גלי קול (Audio signal), מבחינת החישובים, מתייחסים כאל מתחים וזרמים בגלי סינוס. דהיינו, המרה בין מתח שיא (Vp) לבין מתח ממוצע (Vrms) של אותות שמע (Audio signals) מתבצעת לפי הנוסחה המתייחסת לגלי סינוס.
הרחבות נוספות ניתן לראות בקישורים הבאים:
זרם חילופין – ויקיפידיה
זרם חילופין – ויקיפידיה באנגלית
גל – ויקיפידיה
גל סינוס – ויקיפידיה באנגלית
אורך גל – ויקיפידיה
אורך גל – ויקיפידיה באנגלית
תדירות – ויקיפידיה
תדר – ויקיפידיה באנגלית
מחשבון באנגלית להמרה בין תדר לאורך גל
משרעת – ויקיפידיה
משרעת (אמפליטודה) – ויקיפידיה באנגלית
שורש ממוצע הריבועים – ויקיפידיה
RMS – ויקיפידיה באנגלית
