Mūsdienu pasaulē ikviens jau kopš bērnības ir saskāries ar elektrību. Pirmie vārdi par šo dabas parādību nāk no filozofiem Aristoteļa un Tālesa laikiem, kurus intriģēja elektriskās strāvas apbrīnojamās un noslēpumainās īpašības. Taču tikai 17. gadsimtā izcili zinātniskie prāti sāka virkni atklājumu par elektrisko enerģiju, kas turpinās līdz pat mūsdienām.
Elektriskās strāvas atklāšana un Maikla Faradeja 1831. gadā radītais pasaulē pirmais ģenerators radikāli mainīja cilvēku dzīvi. Mēs esam pieraduši pie ierīcēm, kas izmanto elektroenerģiju, lai atvieglotu mūsu dzīvi, taču līdz šim lielākajai daļai cilvēku nav izpratnes par šo svarīgo parādību. Vispirms, lai izprastu elektrības pamatprincipus, mums ir jāizpēta divas pamatdefinīcijas: elektriskā strāva un spriegums.
Saturs
Kas ir maiņstrāva un spriegums
Elektriskā strāva - ir kārtīga lādētu daļiņu kustība (elektriskā lādiņa nesēji). Elektriskās strāvas nesēji ir elektroni (metālos un gāzēs), katjoniem un anjoniem (elektrolītos), caurumi elektronu-caurumu vadītspējai. Šī parādība izpaužas, radot magnētisko lauku, mainoties ķīmiskajam sastāvam vai sakarstot vadītājiem. Galvenās strāvas īpašības ir šādas:
- Strāvas stiprums, ko nosaka pēc Oma likuma un mēra ampēros (А), formulās tas apzīmēts ar burtu I;
- jauda saskaņā ar Džoula-Lenca likumu, ko mēra vatos (W) apzīmē ar P;
- frekvence, ko mēra hercos (Hz).
Elektrisko strāvu izmanto kā enerģijas nesēju mehāniskās enerģijas ražošanai ar elektromotoriem, siltumenerģijas ražošanai apkures ierīcēs, elektriskajā metināšanā un sildītājos, dažādu frekvenču elektromagnētisko viļņu ģenerēšanai, magnētisko lauku radīšanai elektromagnētos un gaismas enerģijas ražošanai dažāda veida apgaismes ierīcēs un lampās.
Spriegums - ir darbs, ko elektriskais lauks veic, lai pārvietotu 1 kulona lādiņu (Kulons) no viena vadītāja punkta uz citu. Tomēr no šīs definīcijas ir grūti saprast, kas ir spriegums.
Lai pārvietotu lādētu daļiņu no viena pola uz otru, starp šiem poliem ir jārada potenciālu starpība (to sauc par spriegumu). Sprieguma mērvienība ir volts (В).
Lai galīgi izprastu elektriskās strāvas un sprieguma definīciju, var izmantot interesantu analoģiju: iedomājieties, ka elektriskais lādiņš ir ūdens, tad ūdens spiediens kolonnā ir spriegums, bet ūdens plūsmas ātrums caurulē ir elektriskās strāvas stiprums. Jo lielāks spriegums, jo lielāks elektriskās strāvas stiprums.
Kas ir maiņstrāva
Ja mainās potenciālu polaritāte, mainās elektriskās strāvas plūsmas virziens. Šo strāvas veidu sauc par maiņstrāvu. Virziena maiņas apjomu noteiktā laika intervālā sauc par frekvenci, un to mēra, kā minēts iepriekš, hercos (Hz). Piemēram, standarta elektrotīklā mūsu valstī frekvence ir 50 Hz, kas nozīmē, ka strāvas virziens mainās 50 reizes sekundē.
Kas ir līdzstrāva
Ja lādēto daļiņu kustībai vienmēr ir tikai viens virziens, šo strāvu sauc par līdzstrāvu. Līdzstrāva rodas līdzstrāvas tīklā, ja lādiņu polaritāte vienā un otrā pusē laika gaitā ir nemainīga. To ļoti bieži izmanto dažādās elektroniskās ierīcēs un tehnikā, kur nav nepieciešama enerģijas pārvade lielos attālumos.
Elektriskās strāvas avoti
Elektriskās strāvas avots Parasti attiecas uz ierīci vai ierīci, ar kuru var radīt elektrisko strāvu ķēdē. Šādas ierīces var ražot gan maiņstrāvu, gan līdzstrāvu. Atkarībā no elektroenerģijas ražošanas veida tos iedala mehāniskajos, gaismas, siltuma un ķīmiskajos strāvas ģeneratoros.
Mehāniskais Elektriskās strāvas avoti pārvērš mehānisko enerģiju elektriskā enerģijā. Šāds aprīkojums ietver dažāda veida ģeneratorikas ģenerē maiņstrāvu, rotējot elektromagnētam ap indukcijas motoru spoles.
Gaisma avoti pārveido fotonu enerģiju (gaismas enerģija) par elektrisko enerģiju. Tās izmanto pusvadītāju īpašību radīt spriegumu, kad tie ir pakļauti gaismas plūsmas iedarbībai. Saules paneļus var uzskatīt par šādām iekārtām.
Thermal - Siltuma enerģiju pārvērš elektroenerģijā, izmantojot temperatūras starpību starp diviem pusvadītāju pāriem - termoelementiem. Strāvas stiprums šādās ierīcēs ir tieši saistīts ar temperatūras starpību: jo lielāka starpība, jo lielāka strāvas intensitāte. Šādus avotus izmanto, piemēram, ģeotermālajās elektrostacijās.
Ķīmiskais Ražo elektroenerģiju, izmantojot ķīmiskās reakcijas. Piemēram, dažādas galvaniskās baterijas un akumulatorus var klasificēt kā šādas ierīces. Galvaniskos strāvas avotus parasti izmanto autonomās ierīcēs, transportlīdzekļos, ierīcēs, un tie ir līdzstrāvas avoti.
Maiņstrāvas pārveidošana līdzstrāvajā strāvā
Elektroierīcēs visā pasaulē izmanto gan līdzstrāvu, gan maiņstrāvu. Tāpēc ir nepieciešams vienu strāvu pārvērst citā vai otrādi.
Maiņstrāvu var pārveidot līdzstrāvā, izmantojot diodu tiltu jeb taisngriezi. Taisngrieža galvenā daļa ir pusvadītāju diode, kas vada elektrisko strāvu tikai vienā virzienā. Pēc šī dioda strāva nemaina virzienu, bet rodas pulsācijas, kas tiek novērstas ar kondensatori un citiem filtriem. Taisngrieži var būt mehāniskie, vakuuma vai pusvadītāju versijās.
Atkarībā no šādas ierīces izgatavošanas kvalitātes pulsāciju strāvai izejā būs dažādas vērtības, parasti, jo dārgāka un labāk izgatavota ierīce, jo mazāk pulsāciju un tīrāka strāva. Šādu ierīču piemēri ir barošanas avoti dažādu ierīču un lādētāju, dažādu transporta veidu elektroiekārtu taisngriežu, līdzstrāvas metināšanas aparātu un citu ierīču taisngrieži.
Invertori tiek izmantoti, lai pārveidotu līdzstrāvu maiņstrāvā. Šādas ierīces ģenerē mainīgu spriegumu ar sinusoidālo viļņu modeli. Ir vairāki šo ierīču veidi: motora invertori, releja invertori un elektroniskie invertori. Tās visas atšķiras pēc saražotās maiņstrāvas kvalitātes, izmaksām un izmēra. Piemēram, nepārtrauktas barošanas avoti, invertori automašīnās vai saules enerģijas elektrostacijās.
Kur izmanto maiņstrāvas un līdzstrāvas strāvu un kādas ir tās priekšrocības
Dažādos uzdevumos var būt nepieciešams izmantot gan maiņstrāvu, gan līdzstrāvu. Katram strāvas veidam ir savas priekšrocības un trūkumi.
Maiņstrāva galvenokārt izmanto, ja strāva jāpārraida lielos attālumos. Šāda veida strāvai ir lielāka jēga iespējamo zudumu un iekārtu izmaksu ziņā. Tāpēc lielākā daļa ierīču un iekārtu izmanto tikai šāda veida strāvu.
Mājokļi un uzņēmumi, infrastruktūra un transporta objekti ir attālināti no elektrostacijām, tāpēc visi elektrotīkli ir maiņstrāvas tīkli. No šiem tīkliem tiek darbinātas visas sadzīves ierīces, rūpniecības iekārtas un vilcienu lokomotīves. Ar maiņstrāvu darbināmu ierīču ir ārkārtīgi daudz, un ir daudz vieglāk aprakstīt tās, kas izmanto līdzstrāvu.
Līdzstrāva izmanto autonomās sistēmās, piemēram, transportlīdzekļu, lidmašīnu, jūras kuģu un elektrovilcienu borta sistēmās. To plaši izmanto dažādu elektronikas, sakaru un citu lietojumu mikroshēmu barošanā, kur līdz minimumam jāsamazina vai jānovērš traucējumi un pulsācijas. Dažos gadījumos šādu strāvu izmanto elektriskajā metināšanā, izmantojot invertorus. Ir pat dzelzceļa lokomotīves, kas darbojas ar līdzstrāvas sistēmu. Medicīnā šādu strāvu izmanto, lai ar elektroforēzes palīdzību ievadītu organismā medikamentus un zinātniskos nolūkos atdalītu dažādas vielas (proteīnu elektroforēze u. c.).
Simboli uz elektroierīcēm un ķēdēm
Bieži vien ir jānosaka, ar kādu strāvu darbojas ierīce. Galu galā līdzstrāvas ierīces pieslēgšana maiņstrāvas tīklam neizbēgami novedīs pie nepatīkamām sekām: ierīces bojājumiem, ugunsgrēka vai elektrošoka. Šim nolūkam ir starptautiski atzīti simboli. standarta apzīmējumi šādām sistēmām un pat krāsainiem kabeļiem.
Piemēram, ierīces, kas darbojas ar līdzstrāvu, tiek marķētas ar vienu līniju, divām vienlaidu līnijām vai vienlaidu līniju kopā ar punktētu līniju zem tās. Šādas straumes tiek apzīmētas arī ar šādiem latīņu burtiem DC. Elektrisko vadu izolācija līdzstrāvas sistēmās ir sarkanā krāsā, ja strāva ir pozitīva, un zilā vai melnā krāsā, ja strāva ir negatīva.
Elektriskās iekārtās un mašīnās maiņstrāvu apzīmē ar angļu saīsinājumu AC vai ar viļņotu līniju. Diagrammās un ierīču aprakstos to norāda arī ar divām līnijām: vienlaidu līniju un viļņotu līniju, kas atrodas viena zem otras. Vadītāji vairumā gadījumu ir marķēti šādi: fāzes - brūni vai melni, neitrālā strāva - zilā krāsā un zemējums - zaļā/dzeltenā krāsā.
Kāpēc maiņstrāvu izmanto biežāk
Iepriekš jau runājām par to, kāpēc maiņstrāvu pašlaik izmanto biežāk nekā līdzstrāvu. Un tomēr aplūkosim šo jautājumu tuvāk.
Kopš elektrības atklāšanas ir notikušas debates par to, kuru strāvu ir labāk izmantot. Pastāv pat tāds jēdziens kā "strāvu karš" - Tomasa Edisona un Nikolas Teslas sāncensība par viena strāvas veida izmantošanu. Cīņa starp šo izcilo zinātnieku sekotājiem ilga līdz pat 2007. gadam, kad Ņujorkas pilsēta no līdzstrāvas pārgāja uz maiņstrāvu.
Svarīgākais iemesls, kāpēc biežāk izmanto maiņstrāvu, ir tas, ka ir spēja to pārraidīt lielos attālumos ar minimāliem zudumiem.. Jo lielāks ir attālums starp strāvas avotu un galapatērētāju, jo lielāka ir pretestība. vadu un siltuma zudumiem no vadiem.
Lai iegūtu maksimālo jaudu, ir jāpalielina kabeļu biezums (un tādējādi samazina pretestību) vai palielināt spriegumu.
Maiņstrāvas sistēmās ir iespējams palielināt spriegumu ar minimālu vadu biezumu, tādējādi samazinot elektrolīniju izmaksas. Līdzstrāvas sistēmām nav pieejamu un efektīvu veidu, kā palielināt spriegumu, tāpēc šādos tīklos ir vai nu jāpalielina vadu biezums, vai arī jābūvē liels skaits mazu elektrostaciju. Abas šīs metodes ir dārgas un ievērojami sadārdzina elektroenerģijas izmaksas salīdzinājumā ar maiņstrāvas tīkliem.
Izmantojot elektriskos transformatorus, maiņstrāvas spriegums tiek efektīvi (ar efektivitāti līdz pat 99%.) var variēt jebkurā virzienā no minimālās līdz maksimālajai vērtībai, kas arī ir viena no būtiskām maiņstrāvas tīklu priekšrocībām. Trīsfāžu maiņstrāvas sistēmas izmantošana vēl vairāk palielina efektivitāti, un tādas iekārtas kā motori, kas darbojas maiņstrāvas elektrotīklos, ir daudz mazākas, lētākas un vieglāk kopjamas nekā līdzstrāvas motori.
No visa iepriekš minētā var secināt, ka maiņstrāvas izmantošana ir izdevīga lielos tīklos un elektroenerģijas pārvadei lielos attālumos, savukārt elektronisko ierīču precīzai un efektīvai darbībai un autonomām ierīcēm ir ieteicams izmantot līdzstrāvu.
Saistītie raksti:
