A mai világban mindenki gyermekkora óta szembesül az elektromossággal. E természeti jelenség első említései Arisztotelész és Thalész filozófusoktól származnak, akiket az elektromos áram csodálatos és titokzatos tulajdonságai lenyűgöztek. De csak a 17. században kezdték el a nagy tudós elmék az elektromos energiával kapcsolatos felfedezések sorát, amelyek a mai napig tartanak.
Az elektromos áram felfedezése és Michael Faraday 1831-ben megalkotott első generátora gyökeresen megváltoztatta az emberi életet. Hozzászoktunk az elektromos energiát használó készülékekhez, amelyek megkönnyítik az életünket, de mostanáig a legtöbb ember nem értette ezt a fontos jelenséget. Először is, az elektromosság alapelveinek megértéséhez két alapvető meghatározást kell tanulmányoznunk: az elektromos áramot és a feszültséget.
Tartalomjegyzék
Mi a váltakozó áram és feszültség
Elektromos áram - a töltött részecskék szabályos mozgása (elektromos töltéshordozók). Az elektromos áram hordozói az elektronok (fémekben és gázokban), kationok és anionok (elektrolitokban), lyukak az elektron-lyuk vezetés során. Ez a jelenség mágneses mező létrehozásával, a kémiai összetétel megváltozásával vagy a vezetők felmelegedésével jelentkezik. Az áram fő jellemzői a következők:
- Az Ohm-törvény által meghatározott és amperben mért áramerősség (А), a képletekben I betűvel jelölve;
- a Joule-Lenz-törvény szerinti teljesítmény, wattban mérve (W), P-vel jelöljük;
- frekvencia, hertzben mérve (Hz).
Az elektromos áramot energiahordozóként használják mechanikai energia előállítására elektromos motorokkal, hőenergia előállítására fűtőberendezésekben, elektromos hegesztő- és fűtőberendezésekben, különböző frekvenciájú elektromágneses hullámok előállítására, mágneses mezők létrehozására elektromágnesekben és fényenergia előállítására mindenféle világítóberendezésben és lámpában.
Feszültség - az a munka, amelyet egy elektromos mező végez egy 1 coulombos töltés mozgatásával (Coulomb) a vezeték egyik pontjától a másikig. Ebből a meghatározásból azonban nehéz megérteni, hogy mi a feszültség.
Ahhoz, hogy egy töltött részecske az egyik pólusról a másikra kerüljön, a pólusok között potenciálkülönbséget kell létrehozni (ezt nevezik feszültségnek). A feszültség mértékegysége a volt (В).
Az elektromos áram és a feszültség meghatározásának végleges megértéséhez érdekes analógia használható: képzeljük el, hogy az elektromos töltés víz, akkor a víz nyomása az oszlopban a feszültség, a víz áramlási sebessége a csőben pedig az elektromos áram erőssége. Minél nagyobb a feszültség, annál nagyobb az elektromos áram erőssége.
Mi a váltakozó áram
Ha megváltoztatjuk a potenciálok polaritását, az elektromos áram iránya megváltozik. Ezt a fajta áramot váltóáramnak nevezik. Az irányváltás mértékét egy adott időintervallumban frekvenciának nevezzük, és a fent említettek szerint Hertz-ben mérjük (Hz). Hazánkban például egy szabványos elektromos hálózatban a frekvencia 50 Hz, ami azt jelenti, hogy az áram iránya másodpercenként 50-szer változik.
Mi az egyenáram
Ha a töltött részecskék rendezett mozgása mindig csak egy irányú, akkor ezt az áramot egyenáramnak nevezzük. Egyenáram akkor keletkezik egyenfeszültségű hálózatban, ha a töltések polaritása az egyik és a másik oldalon időben állandó. Nagyon gyakran használják különböző elektronikus eszközökben és technikákban, amikor nincs szükség nagy távolságok közötti energiaátvitelre.
Elektromos áramforrások
Elektromos áramforrás Általában olyan készülékre vagy eszközre utal, amellyel elektromos áramot lehet létrehozni egy áramkörben. Az ilyen készülékek váltakozó áramot és egyenáramot is képesek előállítani. Az áramtermelés módja szerint mechanikus, fény-, hő- és kémiai áramfejlesztőkre oszthatók.
Mechanikus Az elektromos áramforrások a mechanikus energiát elektromos energiává alakítják. Az ilyen berendezések közé tartoznak a különböző típusú generátorokamelyek váltakozó elektromos áramot generálnak egy elektromágnes tekercs körüli forgatásával indukciós motorok.
Fény források a fotonok energiáját (fényenergia) elektromos energiává alakítja. A félvezetők azon tulajdonságát használják ki, hogy fényáram hatására feszültséget termelnek. A napelemek ilyen berendezésnek tekinthetők.
Termikus - A hőenergiát két egymással érintkező félvezetőpár - a termoelemek - közötti hőmérsékletkülönbségen keresztül alakítja át villamos energiává. Az ilyen eszközökben az áram mennyisége közvetlenül a hőmérsékletkülönbséggel függ össze: minél nagyobb a különbség, annál nagyobb az áram intenzitása. Ilyen forrásokat használnak például a geotermikus erőművekben.
Kémiai Kémiai reakciókon keresztül termel villamos energiát. Például a galvánelemek és -akkumulátorok különböző típusai ilyen eszközöknek minősíthetők. A galvanikus áramforrásokat jellemzően önálló eszközökben, járművekben, készülékekben használják, és egyenáramú áramforrások.
Váltóáram egyenárammá alakítása
Az elektromos készülékek világszerte egyen- és váltakozó áramot egyaránt használnak. Ezért szükség van arra, hogy az egyik áramot egy másikra alakítsuk át, vagy fordítva.
A váltakozó áramot diódahíd vagy "egyenirányító" segítségével egyenárammá lehet alakítani. Az egyenirányító fő része egy félvezető dióda, amely az elektromos áramot csak egy irányban vezeti. E dióda után az áram nem változtatja meg az irányát, de vannak hullámzások, amelyeket a következőkkel szüntetünk meg. kondenzátorok és egyéb szűrők. Az egyenirányítók mechanikus, vákuum- vagy félvezető változatban készülnek.
Egy ilyen eszköz gyártási minőségétől függően a kimeneti hullámáram különböző értékeket vesz fel, általában minél drágább és jobban gyártott egy eszköz, annál kisebb a hullámzás és tisztább az áram. Ilyen eszközök például a következők tápegységek különböző készülékek és töltők, a különböző közlekedési módok elektromos tápegységeinek egyenirányítói, egyenáramú hegesztőgépek és mások.
Az invertereket egyenáram váltakozó árammá alakítására használják. Az ilyen eszközök szinuszos váltakozó feszültséget generálnak. Ezeknek az eszközöknek több típusa létezik: motoros inverterek, relés inverterek és elektronikus inverterek. Ezek mind különböznek egymástól az általuk termelt váltakozó áram minősége, költségük és méretük tekintetében. Ilyenek például a szünetmentes tápegységek, az autókban vagy a naperőművekben lévő inverterek.
Hol használják a váltakozó és egyenáramú áramot, és melyek az előnyei
Különböző feladatokhoz szükség lehet mind a váltakozó áram, mind az egyenáram használatára. Mindegyik áramtípusnak megvannak a maga előnyei és hátrányai.
Váltakozó áram főként akkor használják, ha áramot kell nagy távolságokra továbbítani. Ez a fajta áramnak több értelme van a lehetséges veszteségek és a berendezés költségei szempontjából. Ezért a legtöbb készülék és gép csak ilyen típusú áramot használ.
Az otthonok és a vállalkozások, az infrastruktúra és a közlekedési létesítmények távol vannak az erőművektől, ezért minden elektromos hálózat váltakozó áramú. Ezek a hálózatok táplálják az összes háztartási készüléket, ipari berendezést és vasúti mozdonyt. Hihetetlenül sok váltóáramú készülék létezik, és sokkal könnyebb leírni azokat, amelyek egyenáramot használnak.
Egyenáram autonóm rendszerekben, például járművek, repülőgépek, tengeri hajók és elektromos vonatok fedélzeti rendszereiben használják. Széles körben használják mikroáramkörök táplálására különböző elektronikai, kommunikációs és egyéb alkalmazásokban, ahol az interferenciát és a hullámzást minimalizálni vagy megszüntetni kell. Bizonyos esetekben az ilyen áramot inverterek segítségével használják az elektromos hegesztési munkák során. Vannak olyan vasúti mozdonyok is, amelyek egyenáramú rendszerrel működnek. Az orvostudományban ilyen áramot használnak gyógyszerek szervezetbe juttatására elektroforézis segítségével, valamint tudományos célokra különböző anyagok szétválasztására (fehérjeelektroforézis stb.).
Elektromos készülékek és áramkörök szimbólumai
Gyakran meg kell határozni, hogy a készülék milyen árammal működik. Végül is, egy egyenáramú eszköz csatlakoztatása váltakozó áramú hálózathoz elkerülhetetlenül kellemetlen következményekkel jár: a készülék károsodása, tűz vagy áramütés. Erre nemzetközileg elfogadott szimbólumok léteznek. szabványos megnevezések az ilyen rendszerekhez és még színkódolt kábelek is.
Az egyenárammal működő készülékeket például egy vonallal, két egybefüggő vonallal vagy egy egybefüggő vonallal és egy szaggatott vonallal együtt, egymás alatt jelölik. Az ilyen áramlatokat a következő latin betűkkel is jelölik DC. Az egyenáramú rendszerekben az elektromos vezetékek szigetelése pozitív áram esetén piros, negatív áram esetén kék vagy fekete színű.
Az elektromos készülékeken és gépeken a váltakozó áramot az angol rövidítéssel jelölik. AC vagy egy hullámos vonallal. Az ábrákon és a készülékleírásokban két vonal is jelzi: egy egybefüggő és egy hullámos vonal egymás alatt. A vezetékek jelölése a legtöbb esetben a következő: a fázisok barna vagy fekete színűek, a nullvezeték kék színű, a földelés pedig zöld/sárga színű.
Miért használják gyakrabban a váltakozó áramot
Fentebb már beszéltünk arról, hogy miért használják jelenleg gyakrabban a váltóáramot, mint az egyenáramot. És mégis, nézzük meg közelebbről ezt a kérdést.
Az elektromosság felfedezése óta vita folyik arról, hogy melyik áramot érdemes használni. Létezik még egy olyan dolog is, mint az "áramok háborúja" - Thomas Edison és Nikola Tesla rivalizálása az egyik áramtípus használatáért. A nagy tudósok követői közötti küzdelem egészen 2007-ig tartott, amikor New York városa az egyenáramról a váltóáramra tért át.
A legfontosabb ok, amiért a váltóáramot gyakrabban használják, az a következő az a képesség, hogy nagy távolságokra minimális veszteséggel továbbítható.. Minél nagyobb a távolság az áramforrás és a végfogyasztó között, annál nagyobb az ellenállás. a vezetékek és a vezetékek hőveszteségét.
A maximális teljesítmény eléréséhez növelni kell a kábelek vastagságát (és így csökkenti az ellenállást), vagy a feszültség növelése.
A váltakozó áramú rendszerekben a feszültséget minimális vezetékvastagsággal lehet növelni, ezáltal csökkentve az elektromos vezetékek költségeit. Az egyenáramú rendszerek esetében nincs megfizethető és hatékony módja a feszültség növelésének, ezért az ilyen hálózatokhoz vagy meg kell növelni a vezetékvastagságot, vagy nagyszámú kis erőművet kell építeni. Mindkét módszer drága, és a váltakozó áramú hálózatokhoz képest jelentősen megnöveli a villamos energia költségeit.
Az elektromos transzformátorokkal a váltakozó feszültség hatékonyan (akár 99%-os hatékonysággal) mindkét irányban változtatható a minimális és a maximális értékek között, ami szintén a váltakozó áramú hálózatok egyik fontos előnye. A háromfázisú váltakozó áramú rendszer használata tovább növeli a hatékonyságot, és az olyan gépek, mint például a váltakozó áramú hálózaton működő motorok, sokkal kisebbek, olcsóbbak és könnyebben karbantarthatók, mint az egyenáramú motorok.
Mindezekből arra következtethetünk, hogy a váltóáram használata előnyös a nagy hálózatokban és az elektromos energia nagy távolságokra történő továbbításában, míg az elektronikus eszközök pontos és hatékony működéséhez és az autonóm eszközökhöz célszerű egyenáramot használni.
Kapcsolódó cikkek:
