Şiddeti ve yönü eşit zaman araklıklarında sürekli değişen akımlara alternatif akım (AC) denir. Alternatif akımın elde edilmesi için kullanılan araçlara da alternatif akım kaynakları denir. Alternatif akım kaynaklarında akım, manyetik alan içinde eşit zaman araklarında dönen bobinlerle (tel sarım) elde edilir.
Alternatif akımın nasıl elde edildiğini şekildeki animasyona bakarak inceleyelim. Manyetik alan içinde sürekli dönen tel çerçeveden geçen akı (manyetik alan çizgi sayısı) sürekli değişir. Akının sürekli değişmesi tel çerçeve üzerinde indüksiyon akımının oluşmasını sağlar. Animasyon göre, tel çerçevenin dönmesi sırasında manyetik alana dik olduğunda maksimum akı geçerken, manyetik alana paralel olduğunda manyetik akı sıfıra düşer.
Bu durumda tel çerçevenin bir turluk ilk çeyreğinde (yani 900 lik dönüşünde), manyetik akı maksimumdan sıfıra düşer, ikinci çeyreğindede de tam tersi durum yani akı sıfırdan maxsimuma çıkar. Dolayısıyla tel çerçevede ilk çeyrek turda azalan akıyı arttırıcı yönde indüksiyon akımı üretirken, ikinci çeyrek turda akıyı azaltıcı yönde indüksiyon akımı üretir. Üçüncü ve dördüncü çeyrektede benzer şekilde ancak ters yönde indüksiyon akımları üretilir. Yani çerçeve üzerinde yarımşar turlara karşılık gelen sürelerde sürekli yön değiştiren akım elde edilir.
Tel çerçeve sürekli bir şekilde sabit süratle döndürüldüğünde, çerçevedeki akı değişimi ve oluşan indüksiyon akımı sinüzoidal olur. Yani çerçevede oluşan akımın yönü ile birlikte şiddetide değişir. Akımın değeri pozitif (+İmax) ve negatif (-İmax) arasında sürekli artar ve azalır.
Manyetik alandaki tel çerçeve sabit "f" frekansıyla döndürüldüğünde çerçevede oluşan gerilimin anlık değeri;
ε = εmax.sin2π.f.t bağıntısıyla hesaplanır.
Yukardaki denklemde eşitliğin her iki tarafı çerçeve ile irtibatlı kapalı devrenin eşdeğer direncine bölündüğündeakımın anlık değeri olan;
i = imax.sin2π.f.t bağıntı elde edilir.
Alternatif gerilim ve bir dirençle oluşturulan devrede bir periyotluk (T) sürede oluşan akımın zamana ve gerilimin zamana bağlı grafiği şekildeki gibi olur.
T/2 lik sürede akım ve gerilim maksimum ve sıfır değerini alır.
Gerilim maksimum değerini aldığında akımda maksimum değerini alır. Gerilim sıfır olduğunda, akımda sıfır olur.
Alternatif akım ve gerilim değerinin bir periyotluk sürede sürekli değiştiğini gördük. Ancak enerji ve güç hesaplamalarında akımın ve gerilimin hangi değerinin kullanılacağı bir karmaşa gibi gözükebilir. Bu tür hesaplamalar yapılırken akımın veya gerilimin maksimum değerine bağlı bir değer kullanılır. Bedeğere etkin değer adı verilir.
Başka ifadeyle etkin değer, doğru akım kaynağına bağlı bir direncten akım geçirildiğinde belirli bir miktardaki suya ısı enerjisi verir, aynı direnci alternatif akım kaynağına bağlandığında aynı miktardaki suya aynı ısı enerjisini vermesi için dirençten geçen akım değerine etkin akım denir.
Alternatif akım devrelerine bağlanan ampermetre ve voltmerelerinin gösterdiği değerler, etkin akım ve etkin gerilim değerleridir. Aksi durumda voltmetre ve ampermetre saniyede 100 defa maksimum ve sıfır değerini göstermeye çılışırdı. (Ülkemizde kullanılan elektriğin gerilimi 220 volt ve 50 hertz'dir. Bu da akım ve gerilimin 100 er defa maksimum ve minimu değer alacağı anlamına gelir.)
Bu durumda akımın etkin değeri; 
ile hesaplanırken, gerlimin etkin değeri; 
ile hesaplanır.
Alternatif akım kaynağına bağlı sadece dirençli devrede, direncinüzerinden geçen akım ve direncin uçları arasında ki gerilim;
V = Vm.sin2π.f.t ile İ = İm.sin2π.f.t bağıntısı ile hesaplanır.
Dirençli devrelerde akım ile gerilimin zamanla değişim grafiği şekil-2 deki gibi olur. şekilden akımla gerilimin aynı fazda(Ф=0) olduğu görülmektedir.
Şekil-2 deki grafik R>1 için çizilmiştir. R = 1 olduğunda Vm = İm, R < 1 olduğunda Vm < İm olur.
Düz bir iletken teli doğru akım kaynağına bağlandığında telin değeri "R" kadar oluyorsa, aynı teli alternatif akım kaynağına bağladığımızda, telin akıma karşı gösterdiği direnç yine "R" kadar olur. Ancak teli bobin haline getirdiğimizde, telin akıma karşı gösterdiği direnç "R" direncinden başka;
XL = w.L = 2π.f.L kadar daha direnç uygular.
XL; Bobinin direnci (İndüktans). Birimi - ohm.
f; Alternatif akımın frekansı. Birimi - s-1 (hertz)
L; Bobinin öz indüksiyon katsayısı. Birimi - Henry
Alternatif akıma bağlanan bobinin iki ucu arasındaki gerilim değeri; VL = Vm.sinw.t (w = 2π.f) bağıntısı ile hesaplanır.
Alternatif akımda akımın sürekli değişmesi bobinde bir özindüksiyon akımının oluşmasına neden olur. Bundan dolayı bobinin bulunduğu devrede elektrik akımının değişmesi belirli bir gecikmeye uğrar. Bu durumda alternatif gerilimin maksimum olduğu durumda alternatif akım maksimum olmaz. Akım ile gerilim arasında 900 lik faz farkı oluşur. Bobinli devrelerde akım, gerilime göre 900 (π/2) kadar geridedir. Bu durumda bobinden geçen akım değeri;
İL = İm.sin(w.t - π/2) olur. Eksi (-) işareti akımın gerilime göre π/2 kadar geriden gelmesinden kaynaklanır.
Doğru akım devresine bağlanan kondansatörler doluncaya kadar devreden anlık bir akım geçişi olur. Kondansatör dolduktan sonra sonsuz büyüklükte bir direnç gibi davranır, bu durumda devrden akım geçmez. Kondansatör boşalma anında da devreden akım geçişi gözlenir.
Alternatif akımda akımın yönü ve şiddeti sürekli değiştiğinden, aynı kondansatör alternatif akım devresine bağlandığında, kondansatör sürekli dolar ve boşalır. Bu durumda devreden sürekli bir akım geçişi gözlenir.
Kondansatörlü devrelerde, kondansatörün uçları arasındaki gerilim, kondansatörden geçen akıma göre 900 öndedir. Bu durumda kondansatörden geçen akım değeri;
İC = İm.sin(w.t + π/2) olur. Artı (+) işareti akımın gerilime göre π/2 kadar önden gelmesinden kaynaklanır.
Kondansatörün alternatif akım devrelerinde akıma karşı gösterdiği dirence "kapasitans (kapasitif reaktans)" denir. Bobinde indüktans (XL) frekansla doğru orantılı iken, kondansatörde kapasitans frekansla ters orantılıdır. Bu durumda kondansatörlü devrede kapasitans değeri;
bağıntısı ile hesaplanır.
Kapasitans kondansatörün akıma karşı gösterdiği direnç ılduğundan "SI" da birimi "ohm" dur.
Alternatif akım devresine dirençle birlikte bobinde bağlandığında bu devre RL devresi olarak adlandırılır. Bu devrelerde direnç üzerindeki gerilimle bobin üzerindeki gerilim arasında faz açısı olduğundan, akıma karşı gösterilen eşdeğer direnç yani EMPEDANS (Z);
bağıntısı ile hesaplanır.
Devredeki alternatif gerilimin etkin değeri;
şeklinde bulunur.
Devredeki etkin akım değeri;
şeklindedir. Bağıntıdaki "φ" gerilim ile akım arasındaki faz açısıdır.
Alternatif akım devresine dirençle birlikte sığaç (kondansatör) bağlandığında bu devre RC devresi olarak adlandırılır. Bu devrelerde direnç üzerindeki gerilimle sığaç üzerindeki gerilim arasında faz açısı olduğundan, akıma karşı gösterilen eşdeğer direnç yani EMPEDANS (Z);
bağıntısı ile hesaplanır.
Devredeki alternatif gerilimin etkin değeri;
şeklinde bulunur.
Devredeki etkin akım değeri;
şeklindedir. Bağıntıdaki "φ" gerilim ile akım arasındaki faz açısıdır.
Bbin, sığaç ve direncin bir arada bulunduğu alternatif akım devrelerine RLC devreleri denir. RLC devrelerinde, bobible sığaç üzerindeki gerilim, dolayısıyla dirençleri birbirine zıt yönlü olduğundan, akıma karşı gösterilen eşdeğer direnç yani EMPEDANS (Z);
bağıntısı ile hesaplanır.
Devredeki alternatif gerilimin etkin değeri;
şeklinde bulunur.
Akım ile gerilim arasındaki faz farkı (φ);
Rezonans durumunda devrenin frekansı;
olur.
Rezonans olayı teknolojide; tıpta görüntüleme cihazlarında, radyolarda dinleyeceğimiz yayının frekansını bulmada, cep telefonlarında sinyalin alınabilmesi için kullanılan operatörün baz istasyonun sinyali ile rezonansa gelmesi gerekir.
Akım iletken içinden akarken dirençle karşılaşır, bu durumda elektrik enerjisinin bir kısmı ısı enerjisi olarak kaybolur. Barajlarda üretilen alternatif akımın kilometrelerce kadar uzaktaki evlerimize dirençten dolayı ortaya çıkan ısı enerjisini en az seviyelere düşürmek için gerlimi maksumum yapıp akımın minimum seviyelere düşürmek gerekmektedir. Bu iş için kullanılan araçlara Transformatör (trafo) denir. Transformatörler aynı zamanda telefonlarımızı şarj (yüklemek) için kullandığımız adaptörlerde de kullanılmaktadır.
Genel anlamda transformatörler, elektrik veya elektronik devrelerde istenilen gerilim ve akım değerlerini elde etmek için kullanılan araçlardır.
Şekildeki demir çekirdekli Transformatörü incelediğimizde, yapısı genel olarak en az iki kısımdan oluşması gerekir. Değiştirilmek istenen voltajın verildiği devre kısmına primer devre olarak adlandırılır. Elde edilmek istenen voltaj veya akımın alındığı devre kısmına sekonder devre olarak adlandırılır. Primer ve sekonder devre kısımlarındaki demir çekirdek etrafına sarılı telin sarım sayısına bağlı olarak, sekonder devreden istenilen akım ve gerlim değerleri elde edilir.
Primer ve sekonder devredeki gerilim değeri sarım sayısıyla doğru orantılı olarak değişirken, akım değeri sarım sayısıyla ters orantılı olarak değişir.
Np: Primer (giriş) devredeki sarım sayısı
Ns: Sekonder (çıkış) devredeki sarım sayısı
Vp: Primer (giriş) devredeki gerilim (voltaj) değeri
Vs: Sekonder (çıkış) devredeki gerilim (voltaj) değeri
ip: Primer (giriş) devredeki akım değeri
is: Sekonder (çıkış) devredeki akım değeri
Transformatörler esasen elektrik enerjisini bir uçtan diğer uca elektromanyetik indüksiyonla taşır. Tel sarımlara akım verdiğimizde, içinde ve etrafında manyetik alan oluştururlar. Aynı zamanada tel sarımların içinde veya etrafında manyetik alan değişimi sağlandığında, akı değişimi buna bağlı olarak tel sarımda indüksiyon akımının oluşması sağlanır. Transformatörün primer (giriş) ucuna bağlı alternatif akım kaynağının akım değeri ve yönü sürekli değiştiğinden demir çekirdekte yönü ve büyüklüğü sürekli değişen manyetik alanın oluşmasını sağlar. Bu değişim sekonderde indüksiyon akımının oluşmasına neden olur.
100% verimle çalışan bir transformatörün primer ve sekonderindeki enerji değeri aynıdır. Değişşen sadece akım ve gerilim değeridir. Aynı zamanda gerilim frekans değeride sabit kalır.
Günlük teknolojide demir çekirdekli transformatörlerden başka, hava çekirdekli transformatörlerde kullanılmaktadır. Bu transformatörler, demir çekirdekli transformatörlerdekine benzer şekilde, iki plastik boru etrafına sarılı tel sarımlardan oluşmuştur.
Primer devredeki tel sarımın içinde ve etrafında oluşan manyetik alan değişimi ikinci yani sekonder boruya sarılmış sarımda indüksiyon akımının oluşmasına neden olur.
Demir çekirdekli transformatör hava çekirdekli transformatörlere nazaran daha verimli çalışır. Demir çekirdek uygun manyetik özelliğinden dolayı, manyetik alanı sekondere daha yoğun bir şekilde aktarılmasını sağlayarak, enerji kaybını minimumda tutar.
