V dnešním světě se s elektřinou setkává každý již od dětství. První zmínky o tomto přírodním jevu pocházejí od filozofů Aristotela a Thalese, které zaujaly úžasné a záhadné vlastnosti elektrického proudu. Teprve v 17. století však velké vědecké mozky zahájily řadu objevů týkajících se elektrické energie, které pokračují dodnes.
Objev elektrického proudu a vytvoření prvního generátoru na světě Michaelem Faradayem v roce 1831 zásadně změnily lidský život. Jsme zvyklí na spotřebiče, které využívají elektrickou energii a usnadňují nám život, ale většina lidí dosud tomuto důležitému jevu nerozuměla. Abychom pochopili základní principy elektřiny, musíme si nejprve nastudovat dvě základní definice: elektrický proud a napětí.
Obsah
Co je to střídavý proud a napětí
Elektrický proud - je uspořádaný pohyb nabitých částic (nosiče elektrického náboje). Nosiči elektrického proudu jsou elektrony (v kovech a plynech), kationty a anionty (v elektrolytech), díry při vedení elektronů a děr. Tento jev se projevuje vytvořením magnetického pole, změnou chemického složení nebo zahřátím vodičů. Hlavní charakteristiky proudu jsou:
- Ampér, určený podle Ohmova zákona a měřený v ampérech (А), ve vzorcích se označuje písmenem I;
- výkon podle Jouleova-Lenzova zákona, měřený ve wattech (W) se označuje P;
- frekvence měřená v hertzích (Hz).
Elektrický proud se používá jako nosič energie pro výrobu mechanické energie v elektromotorech, pro výrobu tepelné energie v topných zařízeních, při elektrickém svařování a ohřívání, pro generování elektromagnetických vln různých frekvencí, pro vytváření magnetických polí v elektromagnetech a pro výrobu světelné energie v osvětlovacích zařízeních a lampách všeho druhu.
Napětí - je práce vykonaná elektrickým polem při přemístění náboje o velikosti 1 coulombu (Coulomb) z jednoho bodu vodiče do druhého. Z této definice je však obtížné pochopit, co je to napětí.
Aby se nabitá částice přesunula z jednoho pólu na druhý, musí se mezi těmito póly vytvořit rozdíl potenciálů (tomu se říká napětí). Jednotkou měření napětí je volt (В).
Pro definitivní pochopení definice elektrického proudu a napětí lze použít zajímavou analogii: představte si, že elektrickým nábojem je voda, pak tlak vody ve sloupci je napětí a rychlost proudění vody v potrubí je síla elektrického proudu. Čím vyšší je napětí, tím větší je síla elektrického proudu.
Co je střídavý proud
Změníte-li polaritu potenciálů, změní se směr toku elektrického proudu. Tento druh proudu se nazývá střídavý proud. Velikost změny směru v daném časovém intervalu se nazývá frekvence a měří se, jak bylo uvedeno výše, v hertzích (Hz). Například ve standardní elektrické síti v naší zemi je frekvence 50 Hz, což znamená, že směr proudu se mění 50krát za sekundu.
Co je stejnosměrný proud
Pokud má uspořádaný pohyb nabitých částic vždy jen jeden směr, nazývá se tento proud stejnosměrný. Stejnosměrný proud vzniká v síti stejnosměrného napětí, když je polarita nábojů na jedné a druhé straně v čase konstantní. Velmi často se používá v různých elektronických zařízeních a technikách, kde není nutný přenos energie na velké vzdálenosti.
Zdroje elektrického proudu
Zdroj elektrického proudu Obecně označuje přístroj nebo zařízení, pomocí kterého lze v obvodu vytvořit elektrický proud. Tato zařízení mohou vyrábět střídavý i stejnosměrný proud. Podle způsobu výroby elektřiny se dělí na mechanické, světelné, tepelné a chemické generátory proudu.
Mechanické Zdroje elektrického proudu přeměňují mechanickou energii na elektrickou. Mezi tato zařízení patří různé typy generátorykteré generují střídavý elektrický proud otáčením elektromagnetu kolem cívky indukčních motorů.
Světlo zdroje přeměňují energii fotonů (světelná energie) na elektrickou energii. Využívají vlastnosti polovodičů vytvářet napětí při vystavení světelnému toku. Za takové zařízení lze považovat solární panely.
Thermal - Převádí tepelnou energii na elektrickou prostřednictvím rozdílu teplot mezi dvěma dvojicemi dotýkajících se polovodičů - termočlánků. Velikost proudu v těchto zařízeních je přímo závislá na rozdílu teplot: čím větší je rozdíl, tím větší je intenzita proudu. Takové zdroje se používají například v geotermálních elektrárnách.
Chemické Vyrábí elektřinu prostřednictvím chemických reakcí. Mezi taková zařízení lze zařadit například různé typy galvanických baterií a akumulátorů. Galvanické zdroje proudu se obvykle používají v samostatných zařízeních, vozidlech, spotřebičích a jsou to zdroje stejnosměrného proudu.
Převod střídavého proudu na stejnosměrný
Elektrická zařízení na celém světě používají stejnosměrný i střídavý proud. Proto je třeba převést jeden proud na jiný nebo naopak.
Střídavý proud lze převést na stejnosměrný pomocí diodového můstku nebo "usměrňovače". Hlavní součástí usměrňovače je polovodičová dioda, která vede elektrický proud pouze jedním směrem. Za touto diodou proud nemění svůj směr, ale dochází k vlnění, které je eliminováno pomocí kondenzátory a další filtry. Usměrňovače se vyrábějí v mechanickém, vakuovém nebo polovodičovém provedení.
V závislosti na kvalitě výroby takového zařízení bude mít zvlnění proudu na výstupu různé hodnoty, zpravidla čím dražší a lépe vyrobené zařízení, tím menší zvlnění a čistší proud. Příklady takových zařízení jsou napájecí zdroje různé spotřebiče a nabíječky, usměrňovače elektrických pohonných jednotek v různých dopravních prostředcích, stejnosměrné svářečky a další.
Střídače se používají k přeměně stejnosměrného proudu na střídavý. Tato zařízení generují střídavé napětí se sinusovým průběhem. Existuje několik typů těchto zařízení: motorové měniče, reléové měniče a elektronické měniče. Všechny se liší kvalitou vyráběného střídavého proudu, cenou a velikostí. Příkladem jsou zdroje nepřerušovaného napájení, střídače v automobilech nebo například v solárních elektrárnách.
Kde se používá střídavý a stejnosměrný proud a jaké jsou jeho výhody
Různé úlohy mohou vyžadovat použití střídavého i stejnosměrného proudu. Každý typ proudu má své výhody a nevýhody.
Střídavý proud se používá hlavně tehdy, když je třeba přenášet proudy na velké vzdálenosti. Tento typ proudu má větší smysl z hlediska možných ztrát a nákladů na zařízení. Proto většina spotřebičů a strojů používá pouze tento typ proudu.
Domy a podniky, infrastruktura a dopravní zařízení jsou vzdáleny od elektráren, takže všechny elektrické sítě jsou střídavé. Tyto sítě napájejí všechny domácí spotřebiče, průmyslová zařízení a vlakové lokomotivy. Existuje neuvěřitelné množství zařízení napájených střídavým proudem a je mnohem snazší popsat ta, která používají stejnosměrný proud.
Stejnosměrný proud se používá v autonomních systémech, jako jsou palubní systémy vozidel, letadel, námořních plavidel a elektrických vlaků. Je široce používán při napájení mikroobvodů v různých elektronických, komunikačních a dalších aplikacích, kde je třeba minimalizovat nebo eliminovat rušení a zvlnění. V některých případech se takový proud používá při elektrickém svařování pomocí invertorů. Existují dokonce železniční lokomotivy, které jezdí na stejnosměrný proud. V medicíně se tento proud používá k zavádění léků do těla pomocí elektroforézy a pro vědecké účely k separaci různých látek (elektroforéza proteinů atd.).
Symboly na elektrických přístrojích a obvodech
Často je nutné zjistit, s jakým proudem spotřebič pracuje. Připojení zařízení se stejnosměrným napájením k elektrické síti se střídavým proudem totiž nevyhnutelně povede k nepříjemným následkům: poškození zařízení, požáru nebo úrazu elektrickým proudem. Existují pro to mezinárodně uznávané symboly kódy pro tyto systémy a dokonce i barevně odlišené kabely.
Například spotřebiče napájené stejnosměrným proudem jsou označeny jednou čarou, dvěma plnými čarami nebo plnou čarou spolu s přerušovanou čarou pod sebou. Tyto proudy se také označují těmito latinskými písmeny DC. Izolace elektrických vodičů ve stejnosměrných systémech je pro kladný proud zbarvena červeně a pro záporný proud modře nebo černě.
Na elektrických přístrojích a strojích se střídavý proud označuje anglickou zkratkou AC nebo vlnovkou. Ve schématech a popisech zařízení se také označuje dvěma čarami: plnou čarou a vlnovkou pod sebou. Vodiče jsou většinou označeny takto: fáze hnědou nebo černou barvou, nulový vodič modrou barvou a zem zelenožlutou barvou.
Proč se častěji používá střídavý proud
Výše jsme již hovořili o tom, proč se v současnosti častěji používá střídavý proud než stejnosměrný. Přesto se na tuto otázku podívejme blíže.
O tom, který proud je lepší používat, se vedou debaty již od objevu elektřiny. Existuje dokonce takzvaná "válka proudů" - soupeření mezi Thomasem Edisonem a Nikolou Teslou o použití jednoho typu proudu. Boj mezi stoupenci těchto významných vědců trval až do roku 2007, kdy město New York přešlo ze stejnosměrného proudu na střídavý.
Nejdůležitějším důvodem, proč se častěji používá střídavý proud, je to. je schopnost přenášet jej na velké vzdálenosti s minimálními ztrátami.. Čím větší je vzdálenost mezi zdrojem proudu a koncovým spotřebičem, tím větší je odpor. drátů a tepelné ztráty z vodičů.
Pro dosažení maximálního výkonu je nutné zvýšit buď tloušťku kabelů (a snížit tak odpor) nebo zvýšit napětí.
U střídavých systémů je možné zvýšit napětí při minimální tloušťce vodičů, čímž se sníží náklady na elektrické vedení. Pro stejnosměrné systémy neexistují cenově dostupné a účinné způsoby, jak zvýšit napětí, a proto takové sítě vyžadují buď větší tloušťku vodičů, nebo výstavbu velkého počtu malých elektráren. Obě tyto metody jsou nákladné a výrazně zvyšují náklady na elektřinu ve srovnání se střídavými sítěmi.
U elektrických transformátorů je střídavé napětí efektivně (s účinností až 99 %) lze měnit v obou směrech od minimálních po maximální hodnoty, což je také jedna z důležitých výhod střídavých sítí. Použití třífázového střídavého systému dále zvyšuje účinnost a stroje, jako jsou motory pracující na střídavé síti, jsou mnohem menší, levnější a snadněji se udržují než stejnosměrné motory.
Z výše uvedeného vyplývá, že použití střídavého proudu je výhodné v rozsáhlých sítích a při přenosu elektrické energie na velké vzdálenosti, zatímco pro přesný a efektivní provoz elektronických zařízení a pro autonomní zařízení je vhodné používat stejnosměrný proud.
Související články:
