Tänapäeva maailmas on kõik elektriga kokku puutunud lapsepõlvest saati. Esimesed mainimised selle loodusnähtuse kohta pärinevad filosoofide Aristotelese ja Thalese aegadest, keda huvitasid elektrivoolu hämmastavad ja salapärased omadused. Kuid alles 17. sajandil alustasid suured teadlased elektrienergiat puudutavate avastuste seeriat, mis jätkuvad tänapäevani.
Elektrivoolu avastamine ja Michael Faraday maailma esimese generaatori loomine 1831. aastal muutis radikaalselt inimelu. Oleme harjunud, et meie elu hõlbustavad seadmed, mis kasutavad elektrienergiat, kuid siiani pole enamik inimesi sellest olulisest nähtusest aru saanud. Alustuseks, et mõista elektri põhiprintsiipe, peame uurima kahte põhimääratlust: elektrivoolu ja pinget.
Sisu
Mis on elektrivool ja pinge
Elektrivool - on laetud osakeste järjestatud liikumine (elektrilaengu kandjad).Elektrivoolu kandjad on elektronid (metallides ja gaasides), katioonid ja anioonid (elektrolüütides), augud elektron-auk juhtivuses. See nähtus avaldub magnetvälja tekkes, keemilise koostise muutumises või juhtide kuumenemises. Voolu peamised omadused on järgmised:
- voolutugevus, määratud Ohmi seadusega ja mõõdetud amprites (Аvalemites tähistatakse tähega I;
- võimsus vastavalt Joule-Lenzi seadusele, mõõdetuna vattides (W), tähistatakse tähega P;
- sagedus, mõõdetuna hertsides (Hz).
Elektrivoolu kui energiakandjat kasutatakse elektrimootorite abil mehaanilise energia saamiseks, soojusenergia saamiseks kütteseadmetes, elektrikeevitamisel ja küttekehades, erineva sagedusega elektromagnetlainete ergastamiseks, elektromagnetides magnetvälja tekitamiseks ja valgusenergia saamiseks. valgustusseadmetes ja mitmesugustes lampides.
Pinge - on töö, mida elektriväli teeb 1 kuloni suuruse laengu liigutamiseks (kl) juhi ühest punktist teise. Selle määratluse põhjal on endiselt raske aru saada, mis pinge on.
Laetud osakese liigutamiseks ühelt poolilt teisele tuleb pooluste vahel tekitada potentsiaalide erinevus (seda nimetatakse pingeks). Pinge mõõtühik on volt (В).
Elektrivoolu ja pinge määratluse lõplikuks mõistmiseks võib teha huvitava analoogia: kujutage ette, et elektrilaeng on vesi, siis vee rõhk kolonnis on pinge ja vee voolu kiirus torus on elektrivoolu tugevus. Mida kõrgem on pinge, seda suurem on elektrivoolu tugevus.
Mis on vahelduvvool
Kui muudate potentsiaalide polaarsust, muutub elektrivoolu suund. Just sellist voolu nimetatakse vahelduvvooluks.Suuna muutust teatud aja jooksul nimetatakse sageduseks ja seda mõõdetakse, nagu eespool mainitud, hertsides (Hz). Näiteks meie riigis tavalises elektrivõrgus on sagedus 50 Hz, mis tähendab, et voolu suund muutub 50 korda sekundis.
Mis on alalisvool
Kui laetud osakeste järjestatud liikumisel on alati ainult üks suund, nimetatakse sellist voolu alalisvooluks. Alalisvool tekib alalispingevõrgus, kui ühe ja teise poole laengute polaarsus on ajas konstantne. Seda kasutatakse väga sageli mitmesugustes elektroonilistes seadmetes ja tehnikates, kui pole vaja energiat pikkade vahemaade taha üle kanda.
Elektrivoolu allikad
Elektrivoolu allikas on tavaliselt seade või seade, mida saab kasutada ahelas elektrivoolu tekitamiseks. Sellised seadmed võivad tekitada nii vahelduvvoolu kui ka alalisvoolu. Need jagunevad elektrivoolu tekitamise järgi mehaanilisteks, kergeteks, termilisteks ja keemilisteks.
Mehaaniline Elektrivooluallikad muudavad mehaanilise energia elektrienergiaks. Selliseid seadmeid esindavad erinevad tüübid generaatoridmis genereerivad vahelduvat elektrivoolu, pöörates elektromagneti ümber asünkroonmootorite pooli.
Valgus allikad muudavad footonite energiat (valguse energia) elektrienergiaks. Nad kasutavad pooljuhtide omadust valgusvooga kokkupuutel pinge tekitamiseks. Sellistele seadmetele võib viidata päikesepaneelidele.
Soojus - Muudab soojusenergia elektrienergiaks tänu temperatuuride erinevusele kahe kontaktis olevate pooljuhtide paari – termopaaride – vahel. Selliste seadmete vooluhulk on otseselt seotud temperatuuride erinevusega: mida suurem on erinevus - seda suurem on voolutugevus. Selliseid allikaid kasutatakse näiteks geotermilistes elektrijaamades.
Keemiline Vooluallikas toodab elektrit keemiliste reaktsioonide tulemusena. Näiteks võib sellistele seadmetele viidata erinevat tüüpi galvaanilistele patareidele ja akudele. Galvaanilisi vooluallikaid kasutatakse tavaliselt eraldiseisvates seadmetes, autodes, seadmetes ja alalisvooluallikad.
Vahelduvvoolu muundamine alalisvooluks
Maailma elektriseadmed kasutavad nii alalis- kui ka vahelduvvoolu. Seetõttu on vaja üks vool teisendada teiseks või vastupidi.
Vahelduvvoolust saab alalisvoolu, kasutades dioodsilda või "alaldi", nagu seda ka nimetatakse. Alaldi põhiosa on pooljuhtdiood, mis juhib elektrivoolu ainult ühes suunas. Pärast seda dioodi vool oma suunda ei muuda, kuid esineb lainetust, mis kõrvaldatakse kondensaatorid ja muud filtrid. Alaldid on mehaanilised, vaakum- või pooljuhtkonstruktsioonid.
Sõltuvalt sellise seadme valmistamise kvaliteedist on pulsatsioonivoolul väljundis erinevad väärtused, reeglina on seda kallim ja paremini valmistatud seade - seda vähem pulsatsiooni ja seda puhtam vool. Selliste seadmete näited on toiteallikad erinevad seadmed ja laadijad, erinevate transpordiliikide elektriliste jõuallikate alaldid, alalisvoolu keevitajad ja teised.
Invertereid kasutatakse alalisvoolu muutmiseks vahelduvvooluks. Sellised seadmed genereerivad siinuslainega vahelduvpinget. Selliseid seadmeid on mitut tüüpi: elektrimootoritega inverterid, relee ja elektroonika. Need kõik erinevad toodetava vahelduvvoolu kvaliteedi, maksumuse ja suuruse poolest. Selliseks seadmeks on näiteks katkematud toiteallikad, inverterid autodes või päikeseelektrijaamades.
Kus kasutatakse vahelduv- ja alalisvoolu ning millised on selle eelised
Erinevad ülesanded võivad nõuda nii vahelduv- kui ka alalisvoolu kasutamist. Igal voolutüübil on oma puudused ja eelised.
Vahelduvvoolu kasutatakse kõige sagedamini siis, kui on vaja voolu edastada pikkadele vahemaadele. Seda tüüpi vool on võimalike kadude ja seadmete maksumuse seisukohast sobivam. Seetõttu kasutab enamik seadmeid ja masinaid ainult seda tüüpi voolu.
Majad ja ettevõtted, infrastruktuur ja transpordirajatised asuvad elektrijaamadest eemal, seega on kõik elektrivõrgud vahelduvvooluga. Sellised võrgud toidavad kõiki kodumasinaid, tööstusseadmeid ja rongivedureid. Vahelduvvooluga seadmeid on uskumatult palju ja neid, mis kasutavad alalisvoolu, on palju lihtsam kirjeldada.
Alalisvool kasutatakse autonoomsetes süsteemides, nagu näiteks autode, lennukite, laevade või elektrirongide pardasüsteemid. Seda kasutatakse laialdaselt mikroskeemide toiteks mitmesugustes elektroonika-, side- ja muudes rakendustes, kus häireid ja pulsatsiooni tuleb minimeerida või täielikult kõrvaldada. Mõnel juhul kasutatakse sellist voolu elektrikeevitustöödel inverterite abil. On isegi raudteevedureid, mis töötavad alalisvoolusüsteemidega. Meditsiinis kasutatakse sellist voolu ravimite sisestamiseks kehasse elektroforeesi teel ja teaduslikel eesmärkidel erinevate ainete eraldamiseks (valgu elektroforees jne.).
Sümbolid elektriseadmetel ja vooluahelatel
Sageli on vaja kindlaks teha, millise vooluga seade töötab. Alalisvoolutoitega seadme ühendamine vahelduvvooluvõrku toob ju paratamatult kaasa ebameeldivaid tagajärgi: seadme kahjustused, tulekahju, elektrilöök. Sel põhjusel on rahvusvaheliselt aktsepteeritud konventsioonid selliste süsteemide ja isegi värvikoodiga juhtmete jaoks.
Tavapäraselt on alalisvoolul töötavad seadmed tähistatud ühe joonega, kahe pideva kriipsuga või pideva joonega koos punktiirjoonega üksteise all.Selliseid voolusid tähistab ka ladina tähtedega märgistus DC. Alalisvoolusüsteemide elektrijuhtmete isolatsioon on positiivse juhtme puhul punane ja negatiivse puhul sinine või must.
Elektriseadmetel ja -masinatel on vahelduvvool tähistatud ingliskeelse lühendiga AC või laineline joon. Diagrammidel ja seadmete kirjeldustes on see tähistatud ka kahe joonega: pidev joon ja laineline joon üksteise all. Juhtmed on enamasti tähistatud järgmiselt: faas on pruun või must, maandus sinine ja maandus kollakasroheline.
Miks vahelduvvoolu kasutatakse sagedamini
Eespool oleme juba rääkinud, miks tänapäeval kasutatakse vahelduvvoolu sagedamini kui alalisvoolu. Vaatame siiski seda küsimust lähemalt.
Arutelu selle üle, millist voolu on parem kasutada, on kestnud alates elektrienergia avastamisest. On isegi selline asi nagu "hoovuste sõda" – Thomas Edisoni ja Nikola Tesla vastasseis üht tüüpi voolu kasutamise üle. Võitlus nende suurte teadlaste järgijate vahel kestis 2007. aastani, mil New Yorgi linn alalisvoolult vahelduvvoolule üle lülitati.
Kõige olulisem põhjus, miks vahelduvvoolu sagedamini kasutatakse, on võime edastada seda pikkade vahemaade tagant minimaalsete kadudega. Mida suurem on vahemaa vooluallika ja lõppkasutaja vahel, seda suurem on takistus juhtmetest ja juhtmete soojuskadu.
Maksimaalse võimsuse saamiseks on vaja suurendada kas juhtmete paksust (ja seeläbi vähendada vastupanu) või pinge suurendamiseks.
Vahelduvvoolusüsteemides on võimalik pinget tõsta minimaalse juhtmepaksusega, vähendades nii elektriliinide maksumust.Alalisvoolusüsteemide jaoks puuduvad taskukohased ja tõhusad võimalused pinge suurendamiseks, seega on selliste võrkude jaoks vaja kas suurendada juhtmete paksust või ehitada suur hulk väikeseid elektrijaamu. Mõlemad meetodid on kallid ja suurendavad oluliselt elektrikulu võrreldes vahelduvvooluvõrkudega.
Elektritrafode puhul on vahelduvpinge efektiivne (efektiivsusega kuni 99%) saab varieerida igas suunas minimaalsest maksimumini, mis on ka vahelduvvooluvõrkude üks olulisi eeliseid. Kolmefaasilise vahelduvvoolusüsteemi kasutamine suurendab veelgi tõhusust ning mehhanismid, nagu vahelduvvooluvõrgus töötavad mootorid, on palju väiksemad, odavamad ja hõlpsamini hooldatavad kui alalisvoolumootorid.
Kõigest eelnevast lähtudes võime järeldada, et vahelduvvoolu kasutamine on kasulik suurtes võrkudes ja elektrienergia ülekandmisel pikkade vahemaade taha, samas kui elektroonikaseadmete täpseks ja tõhusaks tööks ning autonoomsete seadmete puhul on soovitav kasutada alalisvoolu.
