Nykymaailmassa kaikki ovat joutuneet kohtaamaan sähköä lapsesta asti. Ensimmäiset maininnat tästä luonnonilmiöstä ovat peräisin filosofeilta Aristoteleelta ja Thalesilta, joita sähkövirran hämmästyttävät ja salaperäiset ominaisuudet kiehtoivat. Mutta vasta 1600-luvulla suuret tiedemiehet aloittivat sähköenergiaa koskevien löytöjen sarjan, joka jatkuu tähän päivään asti.
Sähkövirran löytäminen ja Michael Faradayn vuonna 1831 luoma maailman ensimmäinen generaattori muuttivat radikaalisti ihmisten elämää. Olemme tottuneet laitteisiin, jotka käyttävät sähköenergiaa helpottaakseen elämäämme, mutta tähän asti useimmat ihmiset eivät ole ymmärtäneet tätä tärkeää ilmiötä. Sähköenergian perusperiaatteiden ymmärtämiseksi meidän on aluksi tutkittava kahta perusmääritelmää: sähkövirta ja jännite.
Sisältö
Mikä on vaihtovirta ja vaihtojännite
Sähkövirta - on varattujen hiukkasten hallittu liike (sähköiset varauksenkuljettajat). Sähkövirran kantajia ovat elektronit (metalleissa ja kaasuissa), kationit ja anionit (elektrolyytteissä), reikiä elektroni-aukko-johtumisessa. Ilmiö ilmenee magneettikentän syntymisenä, kemiallisen koostumuksen muuttumisena tai johtimien lämpenemisenä. Virran tärkeimmät ominaisuudet ovat:
- Ohmin lain mukaan määritetty ja ampeereina mitattu virranvoimakkuus (А), kaavoissa se on merkitty kirjaimella I;
- Joulen-Lenzin lain mukainen teho watteina mitattuna (W), merkitään P:llä;
- taajuus hertseinä mitattuna (Hz).
Sähkövirtaa käytetään energiankantajana mekaanisen energian tuottamiseen sähkömoottoreilla, lämpöenergian tuottamiseen lämmityslaitteissa, sähköhitsauksessa ja lämmittimissä, eritaajuisten sähkömagneettisten aaltojen tuottamiseen, magneettikenttien luomiseen sähkömagneeteissa ja valoenergian tuottamiseen kaikenlaisissa valaistuslaitteissa ja lampuissa.
Jännite - on sähkökentän tekemä työ, jolla siirretään 1 coulombin suuruinen varaus (Coulomb) johtimen yhdestä kohdasta toiseen. Tämän määritelmän perusteella on kuitenkin vaikea ymmärtää, mitä jännite on.
Jotta varattu hiukkanen voisi siirtyä navasta toiseen, on näiden napojen välille luotava potentiaaliero (tätä kutsutaan jännitteeksi). Jännitteen mittayksikkö on voltti (В).
Sähkövirran ja jännitteen määritelmän lopulliseen ymmärtämiseen voidaan käyttää mielenkiintoista analogiaa: kuvitellaan, että sähkövaraus on vettä, jolloin veden paine pylväässä on jännite ja veden virtausnopeus putkessa on sähkövirran voimakkuus. Mitä korkeampi jännite, sitä suurempi on sähkövirran voimakkuus.
Mikä on vaihtovirta
Jos muutat potentiaalien napaisuutta, sähkövirran kulkusuunta muuttuu. Tällaista virtaa kutsutaan vaihtovirraksi. Suunnan muutoksen määrää tietyssä aikaväliajassa kutsutaan taajuudeksi, ja se mitataan, kuten edellä mainittiin, hertseinä ( Hz).Hz). Esimerkiksi maamme tavallisessa sähköverkossa taajuus on 50 Hz, mikä tarkoittaa, että virran suunta vaihtuu 50 kertaa sekunnissa.
Mikä on tasavirta
Kun varattujen hiukkasten järjestetty liike on aina vain yhteen suuntaan, tätä virtaa kutsutaan tasavirraksi. Tasavirta syntyy tasajänniteverkossa, kun toisella puolella olevien varausten napaisuus on vakio ajan kuluessa. Sitä käytetään hyvin usein erilaisissa elektronisissa laitteissa ja tekniikoissa, kun tehonsiirtoa pitkien etäisyyksien yli ei tarvita.
Sähkövirran lähteet
Sähkövirtalähde Tarkoittaa yleensä laitetta tai laitetta, jolla virtapiiriin voidaan luoda sähkövirta. Tällaiset laitteet voivat tuottaa sekä vaihtovirtaa että tasavirtaa. Ne jaetaan mekaanisiin, valo-, lämpö- ja kemiallisiin generaattoreihin sen mukaan, miten ne tuottavat sähköä.
Mekaaninen Sähkövirtalähteet muuttavat mekaanisen energian sähköenergiaksi. Tällaisia laitteita ovat muun muassa erilaiset generaattoritjotka tuottavat vaihtosähkövirtaa pyörittämällä sähkömagneettia induktiomoottorin kelan ympärillä.
Valo lähteet muuttavat fotonien energian (valoenergia) sähköenergiaksi. Ne hyödyntävät puolijohteiden ominaisuutta tuottaa jännite, kun ne altistetaan valovirralle. Aurinkopaneeleita voidaan pitää tällaisina laitteina.
Thermal - Muuntaa lämpöenergian sähköksi kahden toisiinsa kosketuksissa olevan puolijohdeparin - lämpöparin - välisen lämpötilaeron avulla. Virran määrä tällaisissa laitteissa on suoraan yhteydessä lämpötilaeroon: mitä suurempi ero, sitä suurempi virran voimakkuus. Tällaisia lähteitä käytetään esimerkiksi geotermisissä voimalaitoksissa.
Kemialliset Tuottaa sähköä kemiallisten reaktioiden avulla. Esimerkiksi erilaiset galvaaniset paristot ja akut voidaan luokitella tällaisiksi laitteiksi. Galvaanisia virtalähteitä käytetään tyypillisesti erillisissä laitteissa, ajoneuvoissa ja laitteissa, ja ne ovat tasavirtalähteitä.
Vaihtovirran muuntaminen tasavirraksi
Sähkölaitteet kaikkialla maailmassa käyttävät sekä tasavirtaa että vaihtovirtaa. Siksi on tarpeen muuntaa yksi virta toiseksi tai päinvastoin.
Vaihtovirta voidaan muuntaa tasavirraksi diodisillan tai "tasasuuntaajan" avulla. Tasasuuntaajan tärkein osa on puolijohdediodi, joka johtaa sähkövirtaa vain yhteen suuntaan. Tämän diodin jälkeen virta ei muuta suuntaansa, mutta siinä on aaltoilua, joka eliminoidaan käyttämällä kondensaattorit ja muita suodattimia. Tasasuuntaajia on mekaanisia, tyhjiö- tai puolijohdeversioita.
Riippuen tällaisen laitteen valmistuksen laadusta, ripple-virta ulostulossa on erilaisia arvoja, yleensä mitä kalliimpi ja paremmin valmistettu laite on, sitä pienempi ripple ja puhtaampi virta. Esimerkkejä tällaisista laitteista ovat virtalähteet erilaiset laitteet ja laturit, eri liikennemuotojen sähköyksiköiden tasasuuntaajat, tasavirtahitsauskoneet ja muut.
Inverttereitä käytetään muuntamaan tasavirta vaihtovirraksi. Tällaiset laitteet tuottavat vaihtojännitettä siniaaltokuviolla. Näitä laitteita on useita eri tyyppejä: moottorinvaihtosuuntaajat, relevaihtosuuntaajat ja elektroniset vaihtosuuntaajat. Ne eroavat toisistaan niiden tuottaman vaihtovirran laadun, kustannusten ja koon suhteen. Esimerkkeinä voidaan mainita keskeytymättömät virtalähteet, vaihtosuuntaajat autoissa tai esimerkiksi aurinkovoimaloissa.
Missä käytetään ja mitkä ovat vaihto- ja tasavirran edut?
Erilaisissa tehtävissä voidaan tarvita sekä vaihtovirtaa että tasavirtaa. Kullakin virtatyypillä on omat etunsa ja haittansa.
Vaihtovirta käytetään pääasiassa silloin, kun virrat on siirrettävä pitkiä matkoja. Tämäntyyppinen virta on järkevämpi mahdollisten tappioiden ja laitekustannusten kannalta. Tämän vuoksi useimmat laitteet ja koneet käyttävät vain tämäntyyppistä virtaa.
Kodit ja yritykset, infrastruktuurit ja liikennevälineet ovat kaukana voimalaitoksista, joten kaikki sähköverkot ovat vaihtovirtaverkkoja. Näistä verkoista saavat virtaa kaikki kodinkoneet, teollisuuslaitteet ja junanveturit. Vaihtovirralla toimivia laitteita on uskomaton määrä, ja on paljon helpompi kuvata niitä, jotka käyttävät tasavirtaa.
Tasavirta käytetään autonomisissa järjestelmissä, kuten ajoneuvojen, lentokoneiden, merialusten ja sähköjunien ajoneuvoihin asennettavissa järjestelmissä. Sitä käytetään laajalti mikropiirien virransyötössä erilaisissa elektroniikka-, viestintä- ja muissa sovelluksissa, joissa häiriöt ja aaltoilu on minimoitava tai poistettava. Joissakin tapauksissa tällaista virtaa käytetään sähköhitsauksessa invertterien avulla. On olemassa jopa vetureita, jotka toimivat tasavirtajärjestelmillä. Lääketieteessä tällaista virtaa käytetään lääkkeiden syöttämiseen elimistöön elektroforeesin avulla ja tieteellisissä tarkoituksissa erilaisten aineiden erottamiseen (proteiinielektroforeesi jne.).
Sähkölaitteiden ja -piirien symbolit
Usein on tarpeen määrittää, millä virralla laite toimii. Tasavirtakäyttöisen laitteen liittäminen vaihtovirtaverkkoon johtaa väistämättä ikäviin seurauksiin: laitteen vaurioitumiseen, tulipaloon tai sähköiskuun. Tätä varten on olemassa kansainvälisesti tunnustettuja symboleja koodit ja jopa värikoodatut kaapelit.
Esimerkiksi tasavirralla toimivat laitteet merkitään yhdellä viivalla, kahdella yhtenäisellä viivalla tai yhtenäisellä viivalla ja niiden alla olevalla katkoviivalla. Tällaiset virrat merkitään myös seuraavilla latinalaisilla kirjaimilla DC. Tasavirtajärjestelmissä sähköjohtojen eristys on väriltään punainen positiivista virtaa varten ja sininen tai musta negatiivista virtaa varten.
Sähkölaitteissa ja -koneissa vaihtovirta merkitään englanninkielisellä lyhenteellä AC tai aaltoviivalla. Kaavioissa ja laitekuvauksissa se osoitetaan myös kahdella viivalla: yhtenäisellä viivalla ja aaltoviivalla toistensa alapuolella. Johtimet on useimmiten merkitty seuraavasti: vaihe ruskealla tai mustalla, nollajohdin sinisellä ja maadoitus vihreällä/keltaisella.
Miksi vaihtovirtaa käytetään useammin
Edellä on jo puhuttu siitä, miksi vaihtovirtaa käytetään nykyisin useammin kuin tasavirtaa. Tarkastellaanpa kuitenkin tätä kysymystä lähemmin.
Siitä, mitä virtaa on parempi käyttää, on käyty keskustelua sähkön keksimisestä lähtien. On jopa olemassa niin sanottu "virtojen sota" - Thomas Edisonin ja Nikola Teslan välinen kilpailu yhden virtatyypin käytöstä. Näiden suurten tiedemiesten seuraajien välinen kamppailu kesti vuoteen 2007, jolloin New Yorkin kaupunki siirtyi vaihtovirtaan tasavirrasta.
Tärkein syy siihen, että vaihtovirtaa käytetään yleisemmin, on se, että on kyky siirtää sitä pitkien etäisyyksien yli mahdollisimman pienin häviöin.. Mitä suurempi etäisyys virtalähteen ja loppukuluttajan välillä on, sitä suurempi on vastus. johdoista ja johtojen lämpöhäviö.
Suurimman tehon saavuttamiseksi on tarpeen lisätä joko kaapeleiden paksuutta (ja siten vähentää vastusta) tai lisätä jännitettä.
Vaihtovirtajärjestelmissä jännitettä on mahdollista nostaa mahdollisimman pienellä johdon paksuudella, mikä alentaa sähköjohtojen kustannuksia. Tasavirtajärjestelmissä ei ole kohtuuhintaisia ja tehokkaita tapoja nostaa jännitettä, ja siksi tällaiset verkot edellyttävät joko johtimien paksuuden lisäämistä tai suuren määrän pienten voimalaitosten rakentamista. Molemmat menetelmät ovat kalliita ja nostavat sähkön hintaa huomattavasti vaihtovirtaverkkoon verrattuna.
Sähkömuuntajien avulla vaihtojännite on tehokkaasti (jopa 99 prosentin hyötysuhde) voidaan muuttaa kumpaankin suuntaan minimi- ja maksimiarvoista, mikä on myös yksi vaihtovirtaverkkojen tärkeistä eduista. Kolmivaiheisen vaihtovirtajärjestelmän käyttö lisää tehokkuutta entisestään, ja vaihtovirtaverkolla toimivat koneet, kuten moottorit, ovat paljon pienempiä, halvempia ja helpompia huoltaa kuin tasavirtamoottorit.
Kaikesta edellä mainitusta voidaan päätellä, että vaihtovirran käyttö on hyödyllistä suurissa verkoissa ja sähköenergian siirrossa pitkien etäisyyksien päähän, kun taas elektronisten laitteiden tarkassa ja tehokkaassa toiminnassa ja itsenäisissä laitteissa on suositeltavaa käyttää tasavirtaa.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
