זרם חילופין

זרם חילופין (ז"ח, באנגלית AC) הוא זרם חשמלי שהופך את כיוונו באופן מחזורי. זה שונה מזרם ישר (DC), שבו הזרם נשאר בכיוון אחד. בדרך כלל זרם חילופין אינו מיוצב, ושימושיו שונים מאלו של ה-DC: חשמל בבית הוא בדרך כלל AC, בעוד שסוללות מספקות DC.


מתח חילופין נפוץ במיוחד כאשר רוצים להעביר חשמל למרחקים או לעבוד במתח גבוה. ברוב אירופה ובישראל המתח הביתי הוא כ-220, 230 וולט. בארצות הברית המתח המקובל קרוב ל-110, 120 וולט. את חוזק המחזורים של ה-AC מודדים בתדירות ביחידות הרץ (Hz). תדירות של 50 הרץ אומרת שיש 50 מחזורים בשנייה, כלומר החלפת כיוון 100 פעמים בכל שנייה. בארה"ב התדירות הנהוגה היא 60 הרץ.


במערכות החשמל הנפוצות צורת גל המתח והזרם היא סינוסית, גל חלק וחוזר על עצמו. כדי לתאר את הגל משתמשים בגדלים כמו משרעת (גובה המתח), תדירות (כמה מחזורים בשנייה) וזמן מחזור (משך מחזור אחד). יש גם יישומים עם צורת גל אחרת, כמו גל ריבועי או משולש; אלה פשוט מתנהגים אחרת מבחינת ניתוח ויישום.


הגנרטור החשמלי הראשון שהמיר תנועה מכנית לחשמל חילופין נבנה על ידי איווט פיקסי בשנת 1832. פיקסי הוסיף לאחר מכן קומוטטור כדי להמיר את ה-AC ל-DC לצורך שימושים של אותה תקופה. בסוף המאה ה-19 חברות ומהנדסים באירופה ובארה"ב פיתחו את טכנולוגיית ה-AC המסחרית. מפעלי גנז באוסטרו-הונגריה קידמו מערכות תאורה על בסיס AC. בארצות הברית ויליאם סטיינלי פיתח שנאיים (transformer, מכשיר שמעלה או מנמיך מתח) ומערכות להעברה למרחקים, ואילו ניקולה טסלה פיתח מנועי AC והדגים את היכולת להאיר נורות בעזרת זרם חילופין.

חשוב לציין שזרם חילופין יכול להיות מסוכן יותר מזרם ישר במקרים מסוימים, והמתח שבו עלול להתרחש נזק או חשמול נמוך יותר ב-AC.


כאשר התדירות עולה, הזרם נוטה לזרום יותר על פני המוליך ופחות בתוך החומר. תופעה זו נקראת "אפקט העור" (skin effect), כלומר הזרם מתרכז בקצה הכבל. בתדירויות מאוד גבוהות הזרם עלול "לקרון" ולקרון כזה יש קרינה אלקטרומגנטית. כדי לצמצם הקרינה וההפסד משתמשים בחיווט זוגי משוזר, שבו כיוון הזרם במוליך אחד הפוך ביחס לשני, וכך ההשפעות האלקטרומגנטיות מתבטלות.

זרם חילופין (AC) הוא חשמל שמחליף כיוון שוב ושוב. זרם ישר (DC) זורם בכיוון אחד.


החשמל שמגיע לשקעים בבית בדרך כלל הוא AC. סוללות נותנות DC. בישראל המתח הוא כ-220 וולט. בארצות הברית המתח הוא כ-110 וולט. תדירות (כמה מחזורים בשנייה) נקראת הרץ. בישראל התדירות היא 50 הרץ. זה אומר שהכיוון משתנה 100 פעמים בשנייה.


במרבית הרשתות צורת הגל היא סינוסית. משמעות הדבר היא שהמתח עולה ויורד בצורה חלקה. יש גם צורות גל אחרות, כמו גל ריבועי.


בשנת 1832 איווט פיקסי בנה גנרטור שהפיק AC. מאוחר יותר חברות ומהנדסים פיתחו טכנולוגיות לשימוש בעיר. ניקולה טסלה המציא מנוע שעובד על AC והדגים נורות ב-1888.


ככל שהתדירות גדולה יותר, הזרם זורם יותר על פני החוט ופחות בתוך החוט. זה נקרא אפקט העור. בתדירויות גבוהות החוט יכול לקרון ולהקרין אנרגיה. כדי למנוע את זה משתמשים בכבלים מיוחדים עם שני מוליכים שמפחיתים קרינה.

חשמל יכול להיות מסוכן. לכן יש להיזהר ולעבוד איתו רק באופן בטוח.