זרם חילופין

זרם חילופין (או בראשי תיבות "ז"ח"; באנגלית "Alternating Current" ובראשי תיבות, "AC") הוא זרם חשמלי ההופך 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 בשקע הוא בזרם חילופין, בעוד שהחשמל המסופק על ידי סוללות חשמליות הוא 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.

זרם חילופין נפוץ מאוד ביישומים הדורשים מתח גבוה. בשיטה האירופית (המשמשת גם בישראל) מתח זרם החילופין הביתי הוא כ-220^[1] או 230 וולט, ואילו בשיטה הצפון-אמריקנית הוא 110 או 120 וולט.

מקובל למדוד את תדירות הזרם ביחידות של הרץ (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.

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

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

כאשר:

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

מתוך גדלים אלו, ניתן להגדיר גם גדלים אחרים:

T, זמן המחזור: $T={\frac {1}{f}}$
$\omega =2\pi f$ : כש- $\omega$ היא התדירות הזוויתית הנמדדת ברדיאן ליחידת 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, $V_{\mathrm {RMS} }={\frac {V_{0}}{\sqrt {2}}}$ .

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.

ערך מורחב – מלחמת הזרמים

המחולל החשמלי הראשון, שמעביר מתנועה מכנית לזרם חילופין נבנה בידי איווט פיקסי ב-1832, והתבסס על עבודתו של מייקל פאראדיי. למרות שהזרם שנוצר בעזרת סיבוב הדינאמו היה חילופי, באותה תקופה השימוש הידוע בחשמל היה על בסיס זרם ישר, ולכן פיקסי הוסיף קומוטטור הממיר 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 ההונגרי אברהם 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 1876 פאבל יבלוקוב הציע נורה שלה קרא בשם נר יבלוקוב (אנ') שעבדה 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, בערי אוסטרו-הונגריה.

ויליאם סטיינלי פיתח את הטכנולוגיה הלאה בארצות הברית, על בסיס הטכנולוגיה האירופאית. ב-1885 הצליח סטיינלי לבנות שנאי מסחרי. ב-1886 הייתה לו מערכת עובדת מקצה לקצה, שכללה גנרטור, שנאי, יכולת העברה למרחקים ארוכים, מייצב מתח והגנה לרשת מפני קצרים, היה זה סממן לבשלות המסחרית של הטכנולוגיה. באחד הניסויים המוצלחים שלו בשנת 1886 בעיר פיטסבורג, הועברה אנרגיה חשמלית למרחק של כ-5 קילומטר, בעזרת שימוש בזרם חילופי במתח גבוה, בעקבות הניסוי המוצלח עשרות מפעלים עשו הזמנות לרכוש את הטכנולוגיה. ממציא אמריקני נוסף (ממוצא סרבי) ניקולה טסלה המציא 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 נציגי עיתונות במעבדתו שבמנהטן, 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 להתחשמלות בזרם חילופין נמוך בהרבה מהמקביל לו בזרם ישר.

זרם בעל תדירות של 0 (אפס) הרץ הוא זרם ישר. זרם ישר זורם באופן שווה בתוך חתך-רוחב המוליך (חוט החשמל). כאשר מגדילים את התדירות, התפלגות צפיפות הזרם בתוך המוליך משתנה, כך שככל שהתדירות גדלה יותר הזרם עובר אל פני המוליך - אפקט העור. בתדירויות גבוהות מאוד (מיליארדי הרץ, או גיגה הרץ) הזרם למעשה מפסיק לזרום בתוך המוליך, וזורם כמעט רק על פני המוליך, והמוליך מתחיל לקרון, כמו אנטנה משדרת. קרינה זו אינה רצויה, כיוון שהיא צורכת אנרגיה מהמערכת; לכן, כדי למנוע הפסדים של הקרינה, נהוג לחווט מוליכים (לדוגמה כבלים לחיבורי אינטרנט) כך שבמוליך אחד כיוון הזרם הפוך מבמוליך השני (זוג שזור). בצורה זאת סכום הזרמים הוא אפס, וכך גם ההשראה האלקטרומגנטית.