V modernom svete je každý človek od detstva vystavený elektrine. Prvá zmienka o tomto prírodnom jave pochádza z čias filozofov Aristotela a Thalesa, ktorých zaujali úžasné a tajomné vlastnosti elektrického prúdu. Ale až v 17. storočí veľké vedecké mysle začali sériu objavov týkajúcich sa elektrickej energie, ktorá trvá dodnes.
Objav elektrického prúdu a vytvorenie prvého generátora na svete, ktoré vytvoril Michael Faraday v roku 1831, radikálne zmenili ľudský život. Zvykli sme si na to, že nám uľahčujú život zariadenia využívajúce elektrickú energiu, no doteraz väčšina ľudí nechápe tento dôležitý jav. Na začiatok, aby sme pochopili základné princípy elektriny, je potrebné naštudovať si dve základné definície: elektrický prúd a napätie.
Obsah
Čo je elektrický prúd a napätie
Elektrina je usporiadaný pohyb nabitých častíc (nosiče elektrického náboja). Nosičmi elektrického prúdu sú elektróny (v kovoch a plynoch), katióny a anióny (v elektrolytoch), diery pri vodivosti elektrónových dier. Tento jav sa prejavuje vytvorením magnetického poľa, zmenou chemického zloženia alebo zahrievaním vodičov. Hlavné charakteristiky prúdu sú:
- prúdová sila, určená Ohmovým zákonom a meraná v ampéroch (ALE), vo vzorcoch sa označuje písmenom I;
- výkon, podľa Joule-Lenzovho zákona, meraný vo wattoch (Ut), označené písmenom P;
- frekvencia, meraná v hertzoch (Hz).
Elektrický prúd ako nosič energie sa používa na získavanie mechanickej energie pomocou elektromotorov, na získavanie tepelnej energie vo vykurovacích spotrebičoch, elektrickom zváraní a ohrievačoch, na budenie elektromagnetických vĺn rôznych frekvencií, na vytvorenie magnetického poľa v elektromagnetoch a na získanie svetla energie v svietidlách a rôznych druhoch lámp.
Napätie je práca vykonaná elektrickým poľom na pohyb náboja 1 prívesku (Cl) z jedného bodu vodiča do druhého. Na základe tejto definície je stále ťažké pochopiť, čo je stres.
Aby sa nabité častice mohli pohybovať z jedného pólu na druhý, je potrebné vytvoriť potenciálny rozdiel medzi týmito pólmi (Tomu sa hovorí napätie.). Jednotkou napätia je volt (AT).
Aby sme konečne pochopili definíciu elektrického prúdu a napätia, môžeme uviesť zaujímavú analógiu: predstavte si, že elektrický náboj je voda, potom tlak vody v stĺpci je napätie a rýchlosť prúdenia vody v potrubí. je sila elektrického prúdu. Čím vyššie napätie, tým väčší elektrický prúd.
Čo je to striedavý prúd
Ak zmeníte polaritu potenciálov, zmení sa smer toku elektrického prúdu. Práve tento prúd sa nazýva premenlivý. Počet zmien smeru za určité časové obdobie sa nazýva frekvencia a meria sa, ako je uvedené vyššie, v hertzoch (Hz). Napríklad v bežnej elektrickej sieti v našej krajine je frekvencia 50 Hz, to znamená, že smer pohybu prúdu sa mení 50-krát za sekundu.
Čo je jednosmerný prúd
Keď má usporiadaný pohyb nabitých častíc vždy len jeden smer, potom sa takýto prúd nazýva konštantný. Jednosmerný prúd sa vyskytuje v sieti s konštantným napätím, keď je polarita nábojov na jednej a druhej strane v priebehu času konštantná. Veľmi často sa používa v rôznych elektronických zariadeniach a technológiách, kde nie je potrebný prenos energie na veľkú vzdialenosť.
Zdroje elektrického prúdu
Zdroj elektrického prúdu zvyčajne nazývané zariadenie alebo zariadenie, pomocou ktorého môže byť v obvode vytvorený elektrický prúd. Takéto zariadenia môžu vytvárať striedavý aj jednosmerný prúd. Podľa spôsobu vytvárania elektrického prúdu sa delia na mechanické, svetelné, tepelné a chemické.
Mechanický Zdroje elektrického prúdu premieňajú mechanickú energiu na elektrickú energiu.Tieto zariadenia sú rôzneho druhu. generátory, ktoré v dôsledku otáčania elektromagnetu okolo cievky asynchrónnych motorov produkujú striedavý elektrický prúd.
svetlo zdroje premieňajú fotónovú energiu (svetelná energia) do elektriny. Využívajú vlastnosť polovodičov na vytváranie napätia pri vystavení svetelnému toku. Jedným z takýchto zariadení sú solárne panely.
Termálne - premieňajú tepelnú energiu na elektrickú v dôsledku teplotného rozdielu medzi dvoma pármi kontaktných polovodičov - termočlánkov. Veľkosť prúdu v takýchto zariadeniach priamo súvisí s teplotným rozdielom: čím väčší je rozdiel, tým väčšia je sila prúdu. Takéto zdroje sa využívajú napríklad v geotermálnych elektrárňach.
Chemický zdroj prúdu vyrába elektrinu v dôsledku chemických reakcií. Medzi takéto zariadenia patria napríklad rôzne druhy galvanických batérií a akumulátorov. Prúdové zdroje na báze galvanických článkov sa zvyčajne používajú v samostatných zariadeniach, automobiloch, technike a sú to zdroje jednosmerného prúdu.
Konverzia AC na DC
Elektrické zariadenia vo svete používajú jednosmerný a striedavý prúd. Preto je potrebné previesť jeden prúd na druhý alebo naopak.
Zo striedavého prúdu je možné získať jednosmerný prúd pomocou diódového mostíka alebo, ako sa tiež nazýva, „usmerňovač“. Jadrom usmerňovača je polovodičová dióda, ktorá vedie elektrinu iba v jednom smere. Po tejto dióde prúd nemení svoj smer, ale vznikajú vlnky, ktoré sú eliminované pomocou kondenzátory a ďalšie filtre. Usmerňovače sú dostupné v mechanickej, elektrovákuovej alebo polovodičovej verzii.
V závislosti od kvality výroby takéhoto zariadenia bude mať zvlnenie prúdu na výstupe inú hodnotu, spravidla čím drahšie a lepšie je zariadenie vyrobené, tým menšie zvlnenie a čistejší prúd. Príkladom takýchto zariadení sú Napájacie zdroje rôzne prístroje a nabíjačky, usmerňovače elektrární v rôznych druhoch dopravy, jednosmerné zváračky a iné.
Invertory sa používajú na premenu jednosmerného prúdu na striedavý prúd. Takéto zariadenia vytvárajú striedavé napätie so sínusoidom. Existuje niekoľko typov takýchto zariadení: invertory s elektromotormi, relé a elektronické. Všetky sa navzájom líšia v kvalite výstupného striedavého prúdu, nákladoch a veľkosti. Príkladom takéhoto zariadenia sú zdroje neprerušiteľného napájania, meniče v automobiloch alebo napríklad v solárnych elektrárňach.
Kde sa používa a aké sú výhody striedavého a jednosmerného prúdu
Rôzne úlohy môžu vyžadovať použitie striedavého aj jednosmerného prúdu. Každý typ prúdu má svoje výhody a nevýhody.
Striedavý prúd najčastejšie sa používa, keď je potrebné prenášať prúd na veľké vzdialenosti. Prenášať takýto prúd je účelnejšie z hľadiska možných strát a nákladov na zariadenie. To je dôvod, prečo väčšina elektrických spotrebičov a mechanizmov používa iba tento typ prúdu.
Obytné domy a podniky, infraštruktúra a dopravné zariadenia sa nachádzajú vo vzdialenosti od elektrární, takže všetky elektrické siete sú striedavé. Takéto siete napájajú všetky domáce spotrebiče, priemyselné zariadenia, vlakové lokomotívy. Existuje neskutočné množstvo zariadení pracujúcich na striedavý prúd a je oveľa jednoduchšie popísať tie zariadenia, ktoré používajú jednosmerný prúd.
D.C používané v autonómnych systémoch, ako sú palubné systémy áut, lietadiel, lodí alebo elektrických vlakov. Je široko používaný pri napájaní mikroobvodov rôznej elektroniky, v komunikačných a iných zariadeniach, kde je potrebné minimalizovať množstvo rušení a zvlnenie alebo ich úplné odstránenie. V niektorých prípadoch sa takýto prúd používa pri elektrickom zváraní pomocou meničov. Existujú dokonca železničné lokomotívy, ktoré jazdia na jednosmerných systémoch. V medicíne sa takýto prúd používa na zavádzanie liekov do tela pomocou elektroforézy a na vedecké účely na oddelenie rôznych látok (elektroforéza proteínov atď.).
Označenia na elektrických spotrebičoch a schémach
Často je potrebné určiť, pri akom prúde zariadenie pracuje. Koniec koncov, pripojenie zariadenia pracujúceho na jednosmerný prúd k elektrickej sieti so striedavým prúdom nevyhnutne povedie k nepríjemným následkom: poškodenie zariadenia, požiar, úraz elektrickým prúdom. Na to sú všeobecne akceptované dohovorov pre takéto systémy a dokonca aj farebné označenie vodičov.
Na elektrických spotrebičoch na jednosmerný prúd sa zvyčajne uvádza jedna čiara, dve plné čiary alebo plná čiara spolu s bodkovanou čiarou umiestnenou pod sebou. Takýto prúd je tiež označený latinkou DC. Elektrická izolácia vodičov v DC systémoch pre kladný vodič je zafarbená na červeno, záporný vodič na modro alebo čierno.
Na elektrických prístrojoch a strojoch je striedavý prúd označený anglickou skratkou AC alebo vlnovka. Na schémach a v popise zariadení je to tiež označené dvoma čiarami: plnými a zvlnenými, umiestnenými pod sebou. Vodiče sú vo väčšine prípadov označené nasledovne: fáza je hnedá alebo čierna, nula je modrá a zem je žltozelená.
Prečo sa striedavý prúd používa častejšie
Vyššie sme už hovorili o tom, prečo sa striedavý prúd v súčasnosti používa častejšie ako jednosmerný. A predsa sa pozrime na tento problém podrobnejšie.
Debata o tom, ktorý prúd je lepšie použiť, prebieha už od objavov v oblasti elektriny. Existuje dokonca niečo ako „vojna prúdov“ – konfrontácia medzi Thomasom Edisonom a Nikolom Teslom za použitie jedného z typov prúdu. Boj medzi nasledovníkmi týchto veľkých vedcov trval až do roku 2007, kedy mesto New York prešlo na striedavý prúd z jednosmerného prúdu.
Najväčší dôvod, prečo sa AC používa častejšie, je ten schopnosť prenášať ho na veľké vzdialenosti s minimálnymi stratami. Čím väčšia je vzdialenosť medzi zdrojom prúdu a koncovým spotrebiteľom, tým väčší je odpor drôty a tepelné straty na ich vykurovanie.
Aby ste dosiahli maximálny výkon, je potrebné zvýšiť buď hrúbku drôtov (a tým znížiť odpor), alebo zvýšte napätie.
V AC systémoch môžete zvýšiť napätie s minimálnou hrúbkou drôtov, čím sa znížia náklady na elektrické vedenie. Pre systémy s jednosmerným prúdom neexistujú cenovo dostupné a efektívne spôsoby zvýšenia napätia, a preto je pre takéto siete potrebné buď zväčšiť hrúbku vodičov, alebo postaviť veľké množstvo malých elektrární. Obe tieto metódy sú drahé a výrazne zvyšujú náklady na elektrickú energiu v porovnaní so sieťami striedavého prúdu.
Pomocou elektrických transformátorov je efektívne striedavé napätie (s účinnosťou až 99%) je možné meniť v ľubovoľnom smere od minimálnych po maximálne hodnoty, čo je tiež jedna z dôležitých výhod AC sietí. Použitie trojfázového striedavého systému ďalej zvyšuje účinnosť a stroje, ako sú motory, ktoré bežia na striedavý prúd, sú oveľa menšie, lacnejšie a ľahšie sa udržiavajú ako jednosmerné motory.
Na základe vyššie uvedeného môžeme konštatovať, že použitie striedavého prúdu je výhodné vo veľkých sieťach a pri prenose elektrickej energie na veľké vzdialenosti a pre presnú a efektívnu prevádzku elektronických zariadení a pre autonómne zariadenia je vhodné použiť jednosmerný prúd.
Podobné články:
