今日の世界では、誰もが子供の頃から電気に直面しています。この自然現象の最初の言及は、電流の驚くべき神秘的な性質に興味をそそられた哲学者アリストテレスとタレスの時代にさかのぼります。しかし、偉大な科学者たちが電気エネルギーに関する一連の発見を始めたのは 17 世紀になってからで、それは今日まで続いています。
電流の発見と 1831 年のマイケル ファラデーによる世界初の発電機の発明は、人間の生活を根本的に変えました。私たちは電気エネルギーを使って生活を楽にする家電製品に慣れていますが、これまでほとんどの人はこの重要な現象を理解していませんでした。まず、電気の基本原理を理解するには、電流と電圧という 2 つの基本的な定義を学ぶ必要があります。
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電流と電圧とは
電流 - は荷電粒子の秩序ある運動 (電荷のキャリア）。電流のキャリアは電子 (金属およびガス)、陽イオンと陰イオン (電解質中）、電子 - 正孔伝導の正孔。この現象は、磁場の生成、化学組成の変化、または導体の加熱によって明らかになります。電流の主な特徴は次のとおりです。
- オームの法則によって決定され、アンペアで測定されるアンペア数 (А式では、文字Iで指定されています。
- 電力、ジュール・レンツの法則に従って、ワットで測定 (W)、文字 P で示されます。
- 周波数、ヘルツで測定 (ヘルツ).
エネルギーキャリアとしての電流は、電気モーターによる機械的エネルギーの取得、加熱装置、電気溶接およびヒーターでの熱エネルギーの取得、さまざまな周波数の電磁波の励起、電磁石での磁場の生成、および光エネルギーの取得に使用されます。照明器具や各種ランプに。
電圧 - は、電界が 1 クーロンの電荷を移動させる仕事です (kl) 導体のある点から別の点へ。この定義に基づいて、電圧が何であるかを理解することはまだ困難です。
荷電粒子を一方の極から他方の極に移動させるには、極間に電位差を生じさせる必要があります (これが電圧と呼ばれるものです）。電圧の測定単位はボルトです（Â).
電流と電圧の定義を最終的に理解するために、興味深い類推を行うことができます。電荷が水であり、柱内の水の圧力が電圧であり、パイプ内の水流の速度が次のようになると想像してください。電流の強さ。電圧が高いほど、電流の強さは大きくなります。
交流とは
電位の極性を変えると、電流の流れる方向が変わります。このような電流を交流と呼んでいます。一定期間にわたる方向の変化量は周波数と呼ばれ、前述のようにヘルツで測定されます(ヘルツ）。たとえば、わが国の標準的な電気ネットワークでは、周波数は 50 Hz です。これは、電流の方向が 1 秒間に 50 回変化することを意味します。
直流とは
荷電粒子の秩序ある運動が常に一方向しかない場合、そのような電流は直流と呼ばれます。一方の側ともう一方の側の電荷の極性が時間の経過とともに一定である場合、直流電圧ネットワークで直流が発生します。長距離にわたってエネルギーを転送する必要がない場合、さまざまな電子デバイスや技術で非常によく使用されます。
電流源
電流源 通常、回路内に電流を生成するために使用できるデバイスまたはデバイスです。このようなデバイスは、直流だけでなく交流も生成できます。それらは、電流を生成する方法に関して、機械的、光、熱、および化学に分けられます。
メカニカル 電流源は機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。そのような機器は、さまざまな種類の 発電機誘導電動機のコイルの周りに電磁石を回転させて交流電流を発生させます。
光 ソースは光子のエネルギーを変換します (光エネルギー) 電気エネルギーに。それらは、半導体の特性を利用して、光束にさらされると電圧を生成します。ソーラーパネルはそのような機器と言えます。
熱の - 接触する 2 組の半導体 - 熱電対間の温度差により、熱エネルギーを電気に変換します。このようなデバイスの電流量は、温度差に直接関係しています。温度差が大きいほど、電流強度が大きくなります。このようなソースは、例えば、地熱発電所で使用されます。
化学 電流源は、化学反応の結果として電気を生成します。例えば、様々な種類のガルバニ電池および蓄電池がそのような装置に言及され得る。ガルバニック電流源は、通常、スタンドアロン デバイス、自動車、電化製品で使用され、DC 電流源です。
交流を直流に変換
世界中の電気機器は、直流と交流の両方を使用しています。したがって、一方の電流を他方の電流に、またはその逆に変換する必要があります。
交流から、ダイオードブリッジ、または「整流器」を使用して直流を得ることができます。整流器の主要部分は半導体ダイオードであり、電流を一方向にのみ伝導します。このダイオードの後、電流はその方向を変えませんが、リップルがあります。 コンデンサ およびその他のフィルター。整流器は、機械、真空、または半導体設計で提供されます。
そのようなデバイスの製造品質に応じて、出力でのリップル電流は異なる値になります。一般に、より高価で優れたデバイスほど、リップルが少なくなり、電流がきれいになります。そのようなデバイスの例は次のとおりです。 電源装置 さまざまな電化製品と充電器、さまざまな輸送モードの電力ユニットの整流器、DC 溶接機など。
インバーターは、直流電流を交流電流に変換するために使用されます。このようなデバイスは、正弦波で交流電圧を生成します。このようなデバイスには、電気モーター、リレー、電子を備えたインバーターなど、いくつかの種類があります。それらはすべて、生成する交流電流の品質、コスト、およびサイズが異なります。このようなデバイスの例としては、無停電電源装置、自動車のインバーター、太陽光発電所などがあります。
AC および DC 電源が使用される場所と利点
さまざまな作業では、交流と直流の両方を使用する必要があります。それぞれのタイプの電流には、独自の欠点と利点があります。
交流電流 長距離にわたって電流を伝送する必要がある場合に最もよく使用されます。このタイプの電流は、可能性のある損失と機器のコストの点でより適切です。そのため、ほとんどの電化製品や機械はこのタイプの電流のみを使用しています。
住宅や企業、インフラストラクチャー、輸送施設は発電所から離れた場所にあるため、すべての電気ネットワークは交流です。このようなネットワークは、すべての家庭用電化製品、産業機器、および鉄道機関車に電力を供給します。信じられないほどの数の AC 電源デバイスがあり、直流を使用するデバイスを説明するのははるかに簡単です。
直流 自動車、航空機、船舶、電車などの車載システムなどの自律システムで使用されます。さまざまな電子機器、通信、および干渉とリップルを最小限に抑えるか完全に排除するその他のアプリケーションで、マイクロ回路に電力を供給するために広く使用されています。場合によっては、そのような電流は、インバーターの助けを借りて電気溶接作業で使用されます。直流システムによって駆動される鉄道機関車さえあります。医学では、このような電流を使用して、電気泳動によって薬物を体内に導入したり、科学的な目的でさまざまな物質を分離したりします（タンパク質電気泳動など).
電気機器および回路上の記号
多くの場合、デバイスが動作している電流を特定する必要があります。結局のところ、DC で動作するデバイスを AC 主電源に接続すると、デバイスの損傷、火災、感電などの不快な結果が生じることは避けられません。このため、国際的に受け入れられている 慣習 そのようなシステムや色分けされたワイヤーにも対応します。
従来、直流で動作する電化製品は、1 本の線、2 つの実線の破線、または互いの下にある点線と一緒に実線でマークされています。そのような流れは、ラテン文字でマークすることによっても示されます DC. DC システムの電線の絶縁は、プラスの線は赤、マイナスの線は青または黒に着色されています。
電気機器や機械では、交流は英語の略語で示されます 交流 または波線。図やデバイスの説明では、実線と波線の 2 本の線で示されます。導体は、ほとんどの場合、次のようにマークされています。位相は茶色または黒色、接地は青色、接地は黄緑色です。
ACがより頻繁に使用される理由
上記で、最近交流が直流よりも頻繁に使用される理由についてはすでに説明しました。それでも、この質問を詳しく見てみましょう。
どちらの電流を使用するのがよいかについての議論は、電気の発見以来続いています。あるタイプの電流の使用をめぐるトーマス・エジソンとニコラ・テスラの対立である「電流戦争」のようなものさえあります。これらの偉大な科学者の支持者間の闘争は、ニューヨーク市が直流から交流に切り替えられた 2007 年まで続きました。
交流がより頻繁に使用される最も重要な理由は、 最小限の損失で長距離伝送する能力.電流源とエンドユーザーの間の距離が大きいほど、抵抗が大きくなります ワイヤーの 配線からの熱損失。
最大電力を得るには、ワイヤーの太さを増やす必要があります (それによって抵抗を減らします）、または電圧を上げる。
ACシステムでは、最小限のワイヤの太さで電圧を上げることができるため、電線のコストを削減できます。直流システムの場合、電圧を上げるための手頃で効率的な方法がないため、そのようなネットワークでは、導体の厚さを増やすか、多数の小さな発電所を建設する必要があります。これらの方法はどちらも高価であり、AC ネットワークと比較して電気代が大幅に増加します。
変圧器を使用すると、AC 電圧が効率的に (最大 99% の効率) は、最小値から最大値まで任意の方向に変更できます。これは、AC ネットワークの重要な利点の 1 つでもあります。三相 AC システムを使用すると効率がさらに向上し、AC 電力網で動作するモーターなどのメカニズムは、DC モーターよりもはるかに小さく、安価で、保守が容易です。
上記のすべてに基づいて、交流の使用は、大規模なネットワークや長距離にわたる電気エネルギーの伝送に有益であると結論付けることができます。直流を使用します。
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