In de wereld van vandaag wordt iedereen van jongs af aan geconfronteerd met elektriciteit. De eerste vermeldingen van dit natuurverschijnsel gaan terug tot de filosofen Aristoteles en Thales, die geïntrigeerd waren door de verbazingwekkende en mysterieuze eigenschappen van elektrische stroom. Maar pas in de 17e eeuw begonnen grote wetenschappelijke geesten met een opeenvolging van ontdekkingen op het gebied van elektrische energie die tot op de dag van vandaag voortduren.
De ontdekking van elektrische stroom en de schepping door Michael Faraday van 's werelds eerste generator in 1831 veranderden het leven van de mens radicaal. Wij zijn gewend aan apparaten die elektrische energie gebruiken om ons leven gemakkelijker te maken, maar tot nu toe hebben de meeste mensen geen inzicht in dit belangrijke verschijnsel. Om te beginnen moeten we, om de basisprincipes van elektriciteit te begrijpen, twee basisdefinities bestuderen: elektrische stroom en spanning.
Inhoud
Wat is wisselstroom en spanning
Elektrische stroom - is de ordelijke beweging van geladen deeltjes (elektrische ladingdragers). De dragers van elektrische stroom zijn elektronen (in metalen en gassen), kationen en anionen (in elektrolyten), gaten in elektron-gat geleiding. Dit verschijnsel komt tot uiting door het ontstaan van een magnetisch veld, een verandering in de chemische samenstelling of de verhitting van geleiders. De belangrijkste kenmerken van stroom zijn:
- De stroomsterkte, bepaald door de wet van Ohm en gemeten in Ampère (А), in de formules wordt dit aangegeven met de letter I;
- vermogen, volgens de wet van Joule-Lenz, gemeten in watt (W), wordt aangeduid met P;
- frequentie, gemeten in hertz (Hz).
Elektrische stroom wordt gebruikt als energiedrager voor het opwekken van mechanische energie met elektromotoren, voor het opwekken van thermische energie in verwarmingstoestellen, elektrisch lassen en kachels, voor het opwekken van elektromagnetische golven van verschillende frequenties, voor het opwekken van magnetische velden in elektromagneten en voor het opwekken van lichtenergie in verlichtingstoestellen en lampen van allerlei aard.
Spanning - de arbeid is die door een elektrisch veld wordt verricht om een lading van 1 coulomb te verplaatsen (Coulomb) van het ene punt van een geleider naar het andere. Uit deze definitie valt echter moeilijk op te maken wat spanning is.
Om een geladen deeltje van de ene pool naar de andere te bewegen, moet een potentiaalverschil tussen deze polen worden gecreëerd (dit is wat men noemt een voltage). De meeteenheid van spanning is de volt (В).
Voor een definitief begrip van de definitie van elektrische stroom en spanning kan een interessante analogie worden gemaakt: stel dat de elektrische lading water is, dan is de druk van het water in de kolom de spanning, en de stroomsnelheid van het water in de pijp de sterkte van de elektrische stroom. Hoe hoger de spanning, hoe groter de sterkte van de elektrische stroom.
Wat is wisselstroom
Als je de polariteit van de potentialen verandert, verandert de richting van de elektrische stroom. Dit is het soort stroom dat wisselstroom wordt genoemd. De mate van verandering in richting in een bepaald tijdsinterval wordt de frequentie genoemd en wordt, zoals hierboven vermeld, gemeten in Hertz (Hz). In een standaard elektrisch netwerk in ons land is de frequentie bijvoorbeeld 50 Hz, wat betekent dat de richting van de stroom 50 keer per seconde verandert.
Wat is gelijkstroom
Wanneer de geordende beweging van geladen deeltjes altijd slechts één richting heeft, wordt deze stroom gelijkstroom genoemd. Gelijkstroom ontstaat in een gelijkspanningsnet wanneer de polariteit van de ladingen aan de ene zijde en aan de andere zijde constant is in de tijd. Het wordt zeer vaak gebruikt in diverse elektronische apparaten en technieken waarbij krachtoverbrenging over lange afstanden niet nodig is.
Bronnen van elektrische stroom
Een elektrische stroombron Verwijst in het algemeen naar een toestel of apparaat waarmee een elektrische stroom in een stroomkring tot stand kan worden gebracht. Dergelijke toestellen kunnen zowel wisselstroom als gelijkstroom produceren. Zij worden onderverdeeld in mechanische, lichte, thermische en chemische stroomgeneratoren naar gelang van de wijze waarop zij elektriciteit produceren.
Mechanisch Elektrische stroombronnen zetten mechanische energie om in elektrische energie. Dergelijke apparatuur omvat verschillende soorten generatorendie wisselstroom opwekken door een elektromagneet rond een spoel van inductiemotoren te laten roteren.
Licht bronnen zetten de energie van fotonen om (lichtenergie) in elektrische energie. Zij maken gebruik van de eigenschap van halfgeleiders om een spanning te produceren wanneer zij aan lichtstroom worden blootgesteld. Zonnepanelen kunnen als dergelijke apparatuur worden beschouwd.
Thermisch - Zet warmte-energie om in elektriciteit via het temperatuurverschil tussen twee paar halfgeleiders die met elkaar in contact komen - thermokoppels. De hoeveelheid stroom in dergelijke apparaten houdt rechtstreeks verband met het temperatuurverschil: hoe groter het verschil, hoe groter de stroomsterkte. Dergelijke bronnen worden bijvoorbeeld gebruikt in geothermische energiecentrales.
Chemisch Genereert elektriciteit via chemische reacties. Zo kunnen bijvoorbeeld verschillende soorten galvanische batterijen en accu's als dergelijke toestellen worden ingedeeld. Galvanische stroombronnen worden meestal gebruikt in stand-alone apparaten, voertuigen, toestellen en zijn gelijkstroombronnen.
Omzetten van wisselstroom in gelijkstroom
Elektrische apparaten over de hele wereld gebruiken zowel gelijkstroom als wisselstroom. Daarom is het nodig de ene stroom om te zetten in de andere of omgekeerd.
Een wisselstroom kan in gelijkstroom worden omgezet met behulp van een diodebrug of een "gelijkrichter". Het belangrijkste onderdeel van de gelijkrichter is een halfgeleiderdiode, die de elektrische stroom slechts in één richting geleidt. Na deze diode verandert de stroom niet van richting, maar er zijn wel rimpelingen, die worden geëlimineerd met condensatoren en andere filters. Gelijkrichters zijn er in mechanische, vacuüm- of halfgeleideruitvoering.
Afhankelijk van de fabricagekwaliteit van een dergelijke inrichting zal de rimpelstroom aan de uitgang verschillende waarden hebben; in de regel geldt dat hoe duurder en beter de inrichting is vervaardigd, hoe minder rimpel en hoe schoner de stroom. Voorbeelden van dergelijke toestellen zijn stroomvoorzieningen diverse apparaten en laders, gelijkrichters van elektrische voedingseenheden in diverse vervoermiddelen, gelijkstroomlasmachines en andere.
Omvormers worden gebruikt om gelijkstroom om te zetten in wisselstroom. Dergelijke toestellen wekken wisselspanning op met een sinusvormig patroon. Er zijn verschillende soorten van deze toestellen: motoromvormers, relaisomvormers en elektronische omvormers. Zij verschillen alle wat betreft de kwaliteit van de wisselstroom die zij produceren, hun kosten en hun afmetingen. Voorbeelden zijn ononderbreekbare stroomvoorzieningen, omvormers in auto's of in zonne-energiecentrales, bijvoorbeeld.
Waar AC en DC stroom wordt gebruikt en wat de voordelen zijn
Voor verschillende taken kan het nodig zijn zowel wisselstroom als gelijkstroom te gebruiken. Elk type stroom heeft zijn voor- en nadelen.
Wisselstroom wordt hoofdzakelijk gebruikt wanneer stromen over lange afstanden moeten worden overgebracht. Dit type stroom is zinvoller in termen van mogelijke verliezen en de kosten van de apparatuur. Daarom gebruiken de meeste apparaten en machines alleen dit soort stroom.
Woningen en bedrijven, infrastructuur en transportfaciliteiten bevinden zich op afstand van elektriciteitscentrales, zodat alle elektrische netwerken wisselstroom zijn. Deze netwerken voorzien alle huishoudelijke apparaten, industriële apparatuur en treinlocomotieven van stroom. Er zijn ongelooflijk veel apparaten die op wisselstroom werken en het is veel gemakkelijker om die te beschrijven die op gelijkstroom werken.
Gelijkstroom wordt gebruikt in autonome systemen zoals boordsystemen voor voertuigen, vliegtuigen, zeeschepen en elektrische treinen. Het wordt veel gebruikt voor de voeding van microschakelingen in diverse elektronica, communicatieapparatuur en andere toepassingen waarbij interferentie en rimpelvorming tot een minimum moeten worden beperkt of geëlimineerd. In sommige gevallen wordt deze stroom gebruikt bij elektrisch lassen met behulp van inverters. Er zijn zelfs spoorweglocomotieven die op gelijkstroom werken. In de geneeskunde wordt dergelijke stroom gebruikt om geneesmiddelen in het lichaam in te brengen door middel van elektroforese, en voor wetenschappelijke doeleinden om verschillende stoffen te scheiden (proteïne elektroforese, enz.).
Symbolen op elektrische toestellen en circuits
Vaak moet worden bepaald op welke stroom het toestel werkt. Het aansluiten van een gelijkstroomtoestel op een wisselstroomnet zal immers onvermijdelijk leiden tot onaangename gevolgen: beschadiging van het toestel, brand of elektrische schokken. Er zijn internationaal erkende symbolen voor dit codes voor dergelijke systemen en zelfs kleurgecodeerde kabels.
Zo worden apparaten die op gelijkstroom werken gemarkeerd met één lijn, twee ononderbroken lijnen of een ononderbroken lijn samen met een stippellijn eronder. Dergelijke stromingen worden ook aangeduid met de volgende Latijnse letters DC. De isolatie van elektrische draden in gelijkstroomsystemen is rood gekleurd voor positieve stroom en blauw of zwart voor negatieve stroom.
Op elektrische apparaten en machines wordt wisselstroom aangeduid met de Engelse afkorting AC of door een golvende lijn. In schema's en beschrijvingen van apparaten wordt het ook aangegeven met twee lijnen: een ononderbroken lijn en een golvende lijn onder elkaar. De geleiders zijn in de meeste gevallen als volgt gemarkeerd: fase in bruin of zwart, nul in blauw en aarde in groen/geel.
Waarom AC-stroom vaker wordt gebruikt
Hierboven hebben wij reeds besproken waarom wisselstroom tegenwoordig vaker wordt gebruikt dan gelijkstroom. En toch, laten we deze vraag eens nader bekijken.
Sinds de ontdekking van elektriciteit is er een discussie geweest over welke stroom beter is om te gebruiken. Er bestaat zelfs zoiets als een "oorlog der stromen" - een rivaliteit tussen Thomas Edison en Nikola Tesla over het gebruik van één soort stroom. De strijd tussen de volgelingen van deze grote wetenschappers duurde tot 2007, toen de stad New York van gelijkstroom overstapte op wisselstroom.
De belangrijkste reden waarom wisselstroom vaker wordt gebruikt is is de mogelijkheid om het over lange afstanden te verzenden met minimale verliezen.. Hoe groter de afstand tussen de stroombron en de eindverbruiker, hoe groter de weerstand van de draden en het warmteverlies van de draden.
Om het maximale vermogen te bereiken, is het nodig de dikte van de kabels te vergroten (en zo de weerstand verminderen), of om de spanning te verhogen.
In wisselstroomsystemen is het mogelijk de spanning te verhogen met een minimale draaddikte, waardoor de kosten van de elektrische leidingen worden beperkt. Voor gelijkstroomsystemen zijn er geen betaalbare en efficiënte manieren om de spanning te verhogen en daarom moeten dergelijke netwerken ofwel de dikte van de geleiders vergroten ofwel een groot aantal kleine krachtcentrales bouwen. Beide methoden zijn duur en verhogen de kosten van elektriciteit aanzienlijk in vergelijking met wisselstroomnetten.
Met elektrische transformatoren wordt de wisselspanning efficiënt (met een efficiëntie tot 99%) kan in beide richtingen worden gevarieerd van minimum- tot maximumwaarden, hetgeen ook een van de belangrijke voordelen van wisselstroomnetten is. Het gebruik van een driefasig wisselstroomsysteem verhoogt de efficiëntie nog verder, en machines zoals motoren die op wisselstroom werken zijn veel kleiner, goedkoper en gemakkelijker te onderhouden dan gelijkstroommotoren.
Uit het bovenstaande kan worden geconcludeerd dat het gebruik van wisselstroom gunstig is in grote netwerken en bij de transmissie van elektrische energie over lange afstanden, terwijl het voor de nauwkeurige en efficiënte werking van elektronische apparaten en voor autonome apparaten raadzaam is gelijkstroom te gebruiken.
Verwante artikelen:
