Ποια είναι η διαφορά μεταξύ συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος και πού χρησιμοποιούνται;

Στον σημερινό κόσμο, όλοι έρχονται αντιμέτωποι με τον ηλεκτρισμό από την παιδική τους ηλικία. Οι πρώτες αναφορές σε αυτό το φυσικό φαινόμενο χρονολογούνται από τους φιλοσόφους Αριστοτέλη και Θαλή, οι οποίοι ήταν γοητευμένοι από τις εκπληκτικές και μυστηριώδεις ιδιότητες του ηλεκτρικού ρεύματος. Όμως, μόλις τον 17ο αιώνα τα μεγάλα επιστημονικά μυαλά ξεκίνησαν μια σειρά από ανακαλύψεις σχετικά με την ηλεκτρική ενέργεια που συνεχίζονται μέχρι σήμερα.

Η ανακάλυψη του ηλεκτρικού ρεύματος και η δημιουργία της πρώτης γεννήτριας στον κόσμο από τον Michael Faraday το 1831 άλλαξαν ριζικά την ανθρώπινη ζωή. Είμαστε συνηθισμένοι σε συσκευές που χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια για να κάνουν τη ζωή μας ευκολότερη, αλλά μέχρι τώρα οι περισσότεροι άνθρωποι δεν έχουν κατανοήσει αυτό το σημαντικό φαινόμενο. Αρχικά, για να κατανοήσουμε τις βασικές αρχές του ηλεκτρισμού πρέπει να μελετήσουμε δύο βασικούς ορισμούς: Ηλεκτρικό ρεύμα και τάση.

Τι είναι το εναλλασσόμενο ρεύμα και η τάση

 

Ηλεκτρικό ρεύμα - είναι η ομαλή κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων (φορείς ηλεκτρικού φορτίου). Οι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι τα ηλεκτρόνια (σε μέταλλα και αέρια), κατιόντα και ανιόντα (σε ηλεκτρολύτες), οπές στην αγωγιμότητα ηλεκτρονίων-οπών. Το φαινόμενο αυτό εκδηλώνεται με τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου, τη μεταβολή της χημικής σύνθεσης ή τη θέρμανση των αγωγών. Τα κύρια χαρακτηριστικά του ρεύματος είναι:

• Η ένταση του ρεύματος, που καθορίζεται από το νόμο του Ohm και μετράται σε Αμπέρ (А), στους τύπους υποδεικνύεται με το γράμμα I,
• ισχύς, σύμφωνα με το νόμο Joule-Lenz, μετρούμενη σε Watt (W), συμβολίζεται με P,
• συχνότητα, μετρούμενη σε hertz (Hz).

Το ηλεκτρικό ρεύμα χρησιμοποιείται ως φορέας ενέργειας για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας με ηλεκτροκινητήρες, για την παραγωγή θερμικής ενέργειας σε συσκευές θέρμανσης, ηλεκτροσυγκόλλησης και θερμαντήρες, για την παραγωγή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων διαφόρων συχνοτήτων, για τη δημιουργία μαγνητικών πεδίων σε ηλεκτρομαγνήτες και για την παραγωγή φωτεινής ενέργειας σε συσκευές φωτισμού και λαμπτήρες κάθε είδους.

Τάση - είναι το έργο που επιτελείται από ένα ηλεκτρικό πεδίο για τη μετακίνηση ενός φορτίου 1 κουλόμπ (Coulomb) από ένα σημείο ενός αγωγού σε ένα άλλο. Ωστόσο, από αυτόν τον ορισμό, είναι δύσκολο να κατανοήσουμε τι είναι η τάση.

Για να μετακινηθεί ένα φορτισμένο σωματίδιο από τον ένα πόλο στον άλλο, πρέπει να δημιουργηθεί διαφορά δυναμικού μεταξύ των πόλων αυτών (αυτό ονομάζεται τάση). Η μονάδα μέτρησης της τάσης είναι το βολτ (В).

Για την οριστική κατανόηση του ορισμού του ηλεκτρικού ρεύματος και της τάσης, μπορεί να γίνει μια ενδιαφέρουσα αναλογία: φανταστείτε ότι το ηλεκτρικό φορτίο είναι νερό, τότε η πίεση του νερού στη στήλη είναι η τάση και ο ρυθμός ροής του νερού στο σωλήνα είναι η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος. Όσο υψηλότερη είναι η τάση, τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος.

Τι είναι το εναλλασσόμενο ρεύμα

Αν αλλάξετε την πολικότητα των δυναμικών, αλλάζει η κατεύθυνση της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτό το είδος ρεύματος ονομάζεται εναλλασσόμενο ρεύμα. Το μέγεθος της αλλαγής κατεύθυνσης σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα ονομάζεται συχνότητα και μετριέται, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, σε Hertz (Hz). Για παράδειγμα, σε ένα τυπικό ηλεκτρικό δίκτυο στη χώρα μας, η συχνότητα είναι 50 Hz, πράγμα που σημαίνει ότι η κατεύθυνση του ρεύματος αλλάζει 50 φορές ανά δευτερόλεπτο.

Τι είναι το συνεχές ρεύμα

Όταν η διατεταγμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων έχει πάντα μόνο μία κατεύθυνση, το ρεύμα αυτό ονομάζεται συνεχές ρεύμα. Το συνεχές ρεύμα εμφανίζεται σε ένα δίκτυο συνεχούς τάσης όταν η πολικότητα των φορτίων στη μία πλευρά και στην άλλη πλευρά είναι σταθερή με την πάροδο του χρόνου. Χρησιμοποιείται πολύ συχνά σε διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές και τεχνικές όταν δεν απαιτείται μετάδοση ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις.

Πηγές ηλεκτρικού ρεύματος

Μια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος Γενικά αναφέρεται σε μια συσκευή ή διάταξη με την οποία μπορεί να δημιουργηθεί ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα κύκλωμα. Τέτοιες συσκευές μπορούν να παράγουν εναλλασσόμενο ρεύμα καθώς και συνεχές ρεύμα. Διακρίνονται σε μηχανικές, φωτεινές, θερμικές και χημικές γεννήτριες ρεύματος ανάλογα με τον τρόπο που δημιουργούν ηλεκτρική ενέργεια.

Μηχανική Οι πηγές ηλεκτρικού ρεύματος μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Ο εν λόγω εξοπλισμός περιλαμβάνει διάφορους τύπους γεννήτριεςοι οποίοι παράγουν εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα περιστρέφοντας έναν ηλεκτρομαγνήτη γύρω από ένα πηνίο επαγωγικών κινητήρων.

Φως οι πηγές μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων (φωτεινή ενέργεια) σε ηλεκτρική ενέργεια. Χρησιμοποιούν την ιδιότητα των ημιαγωγών να παράγουν τάση όταν εκτίθενται σε φωτεινή ροή. Οι ηλιακοί συλλέκτες μπορούν να θεωρηθούν ως τέτοιος εξοπλισμός.

Θερμική - Μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική μέσω της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ δύο ζευγών ημιαγωγών που έρχονται σε επαφή - θερμοζεύγη. Η ποσότητα του ρεύματος σε τέτοιες συσκευές σχετίζεται άμεσα με τη διαφορά θερμοκρασίας: όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά, τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση του ρεύματος. Τέτοιες πηγές χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, στους γεωθερμικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας.

Χημική ουσία Παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέσω χημικών αντιδράσεων. Για παράδειγμα, διάφοροι τύποι γαλβανικών μπαταριών και συσσωρευτών μπορούν να ταξινομηθούν ως τέτοιες συσκευές. Οι πηγές γαλβανικού ρεύματος χρησιμοποιούνται συνήθως σε αυτόνομες συσκευές, οχήματα, συσκευές και είναι πηγές συνεχούς ρεύματος.

Μετατροπή εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές

Οι ηλεκτρικές συσκευές σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιούν τόσο συνεχές όσο και εναλλασσόμενο ρεύμα. Επομένως, υπάρχει ανάγκη μετατροπής ενός ρεύματος σε άλλο ή αντίστροφα.

Ένα εναλλασσόμενο ρεύμα μπορεί να μετατραπεί σε συνεχές ρεύμα με τη χρήση μιας γέφυρας διόδων ή ενός "ανορθωτή". Το κύριο μέρος του ανορθωτή είναι μια δίοδος ημιαγωγού, η οποία άγει το ηλεκτρικό ρεύμα προς μία μόνο κατεύθυνση. Μετά από αυτή τη δίοδο, το ρεύμα δεν αλλάζει την κατεύθυνσή του, αλλά υπάρχουν κυματισμοί, οι οποίοι εξαλείφονται με πυκνωτές και άλλα φίλτρα. Οι ανορθωτές διατίθενται σε μηχανικές εκδόσεις, εκδόσεις κενού ή ημιαγωγών.

Ανάλογα με την ποιότητα κατασκευής μιας τέτοιας συσκευής, το ρεύμα κυμάτωσης στην έξοδο θα έχει διαφορετικές τιμές, κατά κανόνα, όσο πιο ακριβή και καλύτερα κατασκευασμένη είναι μια συσκευή, τόσο μικρότερη κυμάτωση και καθαρότερο ρεύμα. Παραδείγματα τέτοιων συσκευών είναι τροφοδοτικά διάφορες συσκευές και φορτιστές, ανορθωτές μονάδων ηλεκτρικής ενέργειας σε διάφορα μέσα μεταφοράς, μηχανές συγκόλλησης συνεχούς ρεύματος και άλλα.

Οι αντιστροφείς χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα. Τέτοιες συσκευές παράγουν εναλλασσόμενη τάση με ημιτονοειδές μοτίβο. Υπάρχουν διάφοροι τύποι αυτών των συσκευών: μετατροπείς κινητήρα, μετατροπείς ρελέ και ηλεκτρονικοί μετατροπείς. Όλα διαφέρουν ως προς την ποιότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που παράγουν, το κόστος και το μέγεθός τους. Παραδείγματα αποτελούν, για παράδειγμα, τα τροφοδοτικά αδιάλειπτης λειτουργίας, οι μετατροπείς σε αυτοκίνητα ή σε ηλιακούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας.

Πού χρησιμοποιείται η ισχύς εναλλασσόμενου και συνεχούς ρεύματος και ποια είναι τα πλεονεκτήματα

Διαφορετικές εργασίες μπορεί να απαιτούν τη χρήση τόσο εναλλασσόμενου όσο και συνεχούς ρεύματος. Κάθε τύπος ρεύματος έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του.

Εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιείται κυρίως όταν πρέπει να μεταδοθούν ρεύματα σε μεγάλες αποστάσεις. Αυτός ο τύπος ρεύματος έχει περισσότερο νόημα από την άποψη των πιθανών απωλειών και του κόστους του εξοπλισμού. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι περισσότερες συσκευές και μηχανήματα χρησιμοποιούν μόνο αυτόν τον τύπο ρεύματος.

Τα σπίτια και οι επιχειρήσεις, οι υποδομές και οι εγκαταστάσεις μεταφορών βρίσκονται σε απόσταση από τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, οπότε όλα τα ηλεκτρικά δίκτυα είναι εναλλασσόμενου ρεύματος. Τα δίκτυα αυτά τροφοδοτούν όλες τις οικιακές συσκευές, τον βιομηχανικό εξοπλισμό και τις ατμομηχανές των τρένων. Υπάρχει ένας απίστευτος αριθμός συσκευών που λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα και είναι πολύ πιο εύκολο να περιγράψουμε εκείνες που χρησιμοποιούν συνεχές ρεύμα.

 

Άμεσο ρεύμα χρησιμοποιείται σε αυτόνομα συστήματα, όπως συστήματα επί του οχήματος για οχήματα, αεροσκάφη, θαλάσσια σκάφη και ηλεκτρικά τρένα. Χρησιμοποιείται ευρέως για την τροφοδοσία μικροκυκλωμάτων σε διάφορες ηλεκτρονικές, επικοινωνιακές και άλλες εφαρμογές όπου πρέπει να ελαχιστοποιηθούν ή να εξαλειφθούν οι παρεμβολές και η κυμάτωση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το ρεύμα αυτό χρησιμοποιείται σε εργασίες ηλεκτροσυγκόλλησης μέσω αντιστροφέων. Υπάρχουν ακόμη και σιδηροδρομικές μηχανές που λειτουργούν με συστήματα συνεχούς ρεύματος. Στην ιατρική, το ρεύμα αυτό χρησιμοποιείται για την εισαγωγή φαρμάκων στον οργανισμό μέσω της ηλεκτροφόρησης και για επιστημονικούς σκοπούς για το διαχωρισμό διαφορετικών ουσιών (ηλεκτροφόρηση πρωτεϊνών κ.λπ.).

Σύμβολα σε ηλεκτρικές συσκευές και κυκλώματα

Συχνά είναι απαραίτητο να προσδιορίσετε με τι ρεύμα λειτουργεί η συσκευή. Εξάλλου, η σύνδεση μιας συσκευής που λειτουργεί με συνεχές ρεύμα σε δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος θα οδηγήσει αναπόφευκτα σε δυσάρεστες συνέπειες: βλάβη της συσκευής, πυρκαγιά ή ηλεκτροπληξία. Υπάρχουν διεθνώς αποδεκτά σύμβολα γι' αυτό τυποποιημένες ονομασίες για τέτοια συστήματα και ακόμη και χρωματικά κωδικοποιημένα καλώδια.

Για παράδειγμα, οι συσκευές που λειτουργούν με συνεχές ρεύμα επισημαίνονται με μία γραμμή, δύο συνεχείς γραμμές ή μία συνεχή γραμμή μαζί με μία διακεκομμένη γραμμή κάτω από την άλλη. Τα ρεύματα αυτά χαρακτηρίζονται επίσης με τα ακόλουθα λατινικά γράμματα DC. Η μόνωση των ηλεκτρικών καλωδίων στα συστήματα συνεχούς ρεύματος έχει κόκκινο χρώμα για το θετικό ρεύμα και μπλε ή μαύρο για το αρνητικό ρεύμα.

Στις ηλεκτρικές συσκευές και μηχανές, το εναλλασσόμενο ρεύμα δηλώνεται με την αγγλική συντομογραφία AC ή με μια κυματιστή γραμμή. Σε διαγράμματα και περιγραφές συσκευών, υποδεικνύεται επίσης με δύο γραμμές: μια συνεχής γραμμή και μια κυματιστή γραμμή η μία κάτω από την άλλη. Οι αγωγοί στις περισσότερες περιπτώσεις επισημαίνονται ως εξής: φάση με καφέ ή μαύρο χρώμα, ουδέτερος με μπλε χρώμα και γείωση με πράσινο/κίτρινο χρώμα.

Γιατί το εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιείται συχνότερα

Έχουμε ήδη μιλήσει παραπάνω για τον λόγο για τον οποίο το εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιείται σήμερα συχνότερα από το συνεχές ρεύμα. Και όμως, ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε αυτό το ερώτημα.

Από την ανακάλυψη του ηλεκτρισμού υπάρχει μια συζήτηση σχετικά με το ποιο ρεύμα είναι καλύτερο να χρησιμοποιείται. Υπάρχει ακόμη και ο "πόλεμος των ρευμάτων" - μια αντιπαλότητα μεταξύ του Τόμας Έντισον και του Νίκολα Τέσλα για τη χρήση ενός τύπου ρεύματος. Ο αγώνας μεταξύ των οπαδών αυτών των μεγάλων επιστημόνων διήρκεσε μέχρι το 2007, όταν η πόλη της Νέας Υόρκης άλλαξε το ρεύμα από το συνεχές στο εναλλασσόμενο.

Ο σημαντικότερος λόγος για τον οποίο το εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιείται συχνότερα είναι είναι η δυνατότητα μετάδοσης σε μεγάλες αποστάσεις με ελάχιστες απώλειες.. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ της πηγής ρεύματος και του τελικού καταναλωτή, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση των καλωδίων και την απώλεια θερμότητας από τα καλώδια.

Για να επιτευχθεί η μέγιστη ισχύς είναι απαραίτητο να αυξηθεί είτε το πάχος των καλωδίων (και έτσι μειώνουν την αντίσταση), ή να αυξήσετε την τάση.

Στα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος, είναι δυνατή η αύξηση της τάσης με ελάχιστο πάχος καλωδίων, μειώνοντας έτσι το κόστος των ηλεκτρικών γραμμών. Για τα συστήματα συνεχούς ρεύματος, δεν υπάρχουν προσιτοί και αποτελεσματικοί τρόποι αύξησης της τάσης και, επομένως, τα δίκτυα αυτά απαιτούν είτε αύξηση του πάχους των αγωγών είτε κατασκευή μεγάλου αριθμού μικρών σταθμών παραγωγής ενέργειας. Και οι δύο αυτές μέθοδοι είναι ακριβές και αυξάνουν σημαντικά το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας σε σύγκριση με τα δίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος.

Με τους ηλεκτρικούς μετασχηματιστές, η τάση εναλλασσόμενου ρεύματος είναι αποτελεσματικά (με αποδοτικότητα έως και 99%) μπορεί να μεταβάλλεται προς οποιαδήποτε κατεύθυνση από τις ελάχιστες έως τις μέγιστες τιμές, γεγονός που αποτελεί επίσης ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα των δικτύων εναλλασσόμενου ρεύματος. Η χρήση ενός τριφασικού συστήματος εναλλασσόμενου ρεύματος αυξάνει περαιτέρω την αποδοτικότητα, ενώ μηχανήματα όπως οι κινητήρες που λειτουργούν σε δίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος είναι πολύ μικρότερα, φθηνότερα και ευκολότερα στη συντήρηση από τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος.

Από όλα τα παραπάνω μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η χρήση του εναλλασσόμενου ρεύματος είναι επωφελής σε μεγάλα δίκτυα και στη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, ενώ για την ακριβή και αποδοτική λειτουργία των ηλεκτρονικών συσκευών και για αυτόνομες συσκευές είναι σκόπιμο να χρησιμοποιείται συνεχές ρεύμα.

Σχετικά άρθρα: