Jaka jest różnica między prądem stałym a zmiennym i gdzie są one stosowane?

We współczesnym świecie każdy z nas od dzieciństwa styka się z elektrycznością. Pierwsze wzmianki o tym zjawisku przyrodniczym pochodzą od filozofów Arystotelesa i Talesa, których intrygowały zadziwiające i tajemnicze właściwości prądu elektrycznego. Dopiero w XVII wieku wielkie umysły naukowe zapoczątkowały serię odkryć dotyczących energii elektrycznej, które trwają do dziś.

Odkrycie prądu elektrycznego i stworzenie przez Michaela Faradaya pierwszego na świecie generatora w 1831 r. radykalnie zmieniło życie ludzkie. Jesteśmy przyzwyczajeni do urządzeń, które wykorzystują energię elektryczną, aby ułatwić nam życie, ale do tej pory większość ludzi nie rozumiała tego ważnego zjawiska. Na początek, aby zrozumieć podstawowe zasady działania elektryczności, należy zapoznać się z dwiema podstawowymi definicjami: prądem elektrycznym i napięciem.

Co to jest prąd i napięcie zmienne?

 

Prąd elektryczny - to uporządkowany ruch naładowanych cząstek (nośniki ładunków elektrycznych). Nośnikami prądu elektrycznego są elektrony (w metalach i gazach), kationy i aniony (w elektrolitach), dziury w przewodnictwie elektronowo-dziurawym. Zjawisko to objawia się poprzez wytworzenie pola magnetycznego, zmianę składu chemicznego lub podgrzanie przewodników. Głównymi cechami prądu są:

• Natężenie prądu, określane na podstawie prawa Ohma i mierzone w amperach (А), we wzorach oznacza się ją literą I;
• moc, zgodnie z prawem Joule'a-Lenza, mierzona w watach (W), oznacza się przez P;
• częstotliwość, mierzona w hercach (Hz).

Prąd elektryczny jest wykorzystywany jako nośnik energii do wytwarzania energii mechanicznej w silnikach elektrycznych, do wytwarzania energii cieplnej w urządzeniach grzewczych, spawaniu elektrycznym i grzejnikach, do wytwarzania fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach, do wytwarzania pól magnetycznych w elektromagnesach oraz do wytwarzania energii świetlnej w urządzeniach oświetleniowych i wszelkiego rodzaju lampach.

Napięcie - to praca wykonana przez pole elektryczne w celu przemieszczenia ładunku o masie 1 kulomb (Coulomb) z jednego punktu przewodnika do drugiego. Na podstawie tej definicji trudno jednak zrozumieć, czym jest napięcie.

Aby cząstka naładowana mogła przemieścić się z jednego bieguna na drugi, między tymi biegunami musi powstać różnica potencjałów (to jest to, co nazywa się napięciem). Jednostką miary napięcia jest wolt (В).

W celu ostatecznego zrozumienia definicji prądu elektrycznego i napięcia można posłużyć się ciekawą analogią: wyobraźmy sobie, że ładunkiem elektrycznym jest woda, ciśnienie wody w kolumnie to napięcie, a prędkość przepływu wody w rurze to natężenie prądu elektrycznego. Im wyższe napięcie, tym większa siła prądu elektrycznego.

Co to jest prąd zmienny

Zmiana biegunowości potencjałów powoduje zmianę kierunku przepływu prądu elektrycznego. Jest to rodzaj prądu, który nazywamy prądem zmiennym. Wielkość zmiany kierunku w danym przedziale czasu nazywana jest częstotliwością i mierzona jest, jak wspomniano powyżej, w hercach (Hz). Na przykład w standardowej sieci elektrycznej w naszym kraju częstotliwość wynosi 50 Hz, co oznacza, że kierunek prądu zmienia się 50 razy na sekundę.

Co to jest prąd stały

Gdy uporządkowany ruch naładowanych cząstek ma zawsze tylko jeden kierunek, taki prąd nazywamy prądem stałym. Prąd stały występuje w sieci o napięciu stałym, gdy biegunowość ładunków po jednej i po drugiej stronie jest stała w czasie. Jest on bardzo często stosowany w różnych urządzeniach i technikach elektronicznych, gdy nie jest wymagana transmisja energii na duże odległości.

Źródła prądu elektrycznego

Źródło prądu elektrycznego Ogólnie odnosi się do urządzenia lub przyrządu, za pomocą którego można wytworzyć prąd elektryczny w obwodzie. Urządzenia takie mogą wytwarzać zarówno prąd zmienny, jak i stały. Ze względu na sposób wytwarzania energii elektrycznej dzielą się one na mechaniczne, świetlne, termiczne i chemiczne generatory prądu.

Mechaniczna Źródła prądu elektrycznego przekształcają energię mechaniczną w energię elektryczną. Do takich urządzeń należą różnego rodzaju generatoryktóre wytwarzają zmienny prąd elektryczny poprzez obracanie elektromagnesu wokół cewki silnika indukcyjnego.

Światło źródła przetwarzają energię fotonów (energia świetlna) w energię elektryczną. Wykorzystują one właściwości półprzewodników do wytwarzania napięcia pod wpływem strumienia światła. Do takich urządzeń można zaliczyć panele słoneczne.

Termiczna - Przetwarza energię cieplną na elektryczną dzięki różnicy temperatur między dwiema parami stykających się półprzewodników - termopar. Ilość prądu w takich urządzeniach jest bezpośrednio związana z różnicą temperatur: im większa różnica, tym większe natężenie prądu. Takie źródła są wykorzystywane na przykład w elektrowniach geotermalnych.

Chemiczna Wytwarza energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznych. Na przykład do takich urządzeń można zaliczyć różnego rodzaju baterie i akumulatory galwaniczne. Galwaniczne źródła prądu są zwykle stosowane w urządzeniach autonomicznych, pojazdach, urządzeniach AGD i są źródłami prądu stałego.

Przekształcanie prądu przemiennego na prąd stały

Urządzenia elektryczne na całym świecie wykorzystują zarówno prąd stały, jak i zmienny. Dlatego istnieje potrzeba przekształcenia jednego prądu w drugi lub odwrotnie.

Prąd zmienny można zamienić na prąd stały za pomocą mostka diodowego lub prostownika. Główną częścią prostownika jest dioda półprzewodnikowa, która przewodzi prąd elektryczny tylko w jednym kierunku. Za tą diodą prąd nie zmienia kierunku, ale występują tętnienia, które są eliminowane za pomocą kondensatory i inne filtry. Prostowniki występują w wersjach mechanicznych, próżniowych i półprzewodnikowych.

W zależności od jakości wykonania takiego urządzenia, prąd tętnień na wyjściu będzie miał różne wartości, z reguły im droższe i lepiej wykonane urządzenie, tym mniej tętnień i czystszy prąd. Przykładami takich urządzeń są zasilacze różne urządzenia i ładowarki, prostowniki zespołów zasilania elektrycznego w różnych środkach transportu, spawarki prądu stałego i inne.

Inwertery służą do przekształcania prądu stałego w prąd zmienny. Urządzenia te wytwarzają napięcie zmienne o przebiegu sinusoidalnym. Wyróżnia się kilka typów tych urządzeń: falowniki silnikowe, przekaźnikowe i elektroniczne. Różnią się one między sobą jakością wytwarzanego prądu zmiennego, kosztami i rozmiarami. Przykładem mogą być zasilacze bezprzerwowe, inwertery w samochodach lub w elektrowniach słonecznych.

Gdzie stosuje się zasilanie prądem zmiennym, a gdzie stałym i jakie są jego zalety

Różne zadania mogą wymagać stosowania zarówno prądu zmiennego, jak i stałego. Każdy rodzaj prądu ma swoje wady i zalety.

Prąd zmienny jest stosowany głównie w przypadku konieczności przesyłania prądu na duże odległości. Ten rodzaj prądu jest bardziej sensowny z punktu widzenia możliwych strat i kosztów sprzętu. Dlatego większość urządzeń i maszyn wykorzystuje tylko ten rodzaj prądu.

Domy i przedsiębiorstwa, infrastruktura i środki transportu znajdują się w dużej odległości od elektrowni, dlatego wszystkie sieci elektryczne są prądu przemiennego. Sieci te zasilają wszystkie urządzenia domowe, sprzęt przemysłowy i lokomotywy pociągów. Istnieje ogromna liczba urządzeń zasilanych prądem przemiennym i znacznie łatwiej jest opisać te, które wykorzystują prąd stały.

 

Prąd stały jest wykorzystywany w systemach autonomicznych, takich jak systemy pokładowe pojazdów, samolotów, statków morskich i pociągów elektrycznych. Jest on powszechnie stosowany do zasilania mikroukładów w różnych urządzeniach elektronicznych, komunikacyjnych i innych, w których zakłócenia i tętnienia mają być zminimalizowane lub wyeliminowane. W niektórych przypadkach prąd ten jest wykorzystywany do spawania elektrycznego za pomocą inwertorów. Istnieją nawet lokomotywy kolejowe zasilane prądem stałym. W medycynie prąd ten jest wykorzystywany do wprowadzania leków do organizmu za pomocą elektroforezy, a w celach naukowych do rozdzielania różnych substancji (elektroforeza białek itp.).

Symbole na urządzeniach i obwodach elektrycznych

Często konieczne jest ustalenie, przy jakim natężeniu prądu pracuje urządzenie. W końcu podłączenie urządzenia zasilanego prądem stałym do sieci prądu przemiennego nieuchronnie prowadzi do nieprzyjemnych konsekwencji: uszkodzenia urządzenia, pożaru lub porażenia prądem. Istnieją uznane na całym świecie symbole oznaczenia standardowe dla takich systemów, a nawet kable oznaczone kolorami.

Na przykład urządzenia zasilane prądem stałym są oznaczone jedną linią, dwiema liniami ciągłymi lub linią ciągłą wraz z umieszczoną pod nią linią przerywaną. Takie prądy są również oznaczane następującymi literami łacińskimi DC. Izolacja przewodów elektrycznych w systemach prądu stałego ma kolor czerwony dla prądu dodatniego i niebieski lub czarny dla prądu ujemnego.

W aparatach i maszynach elektrycznych prąd zmienny oznaczany jest angielskim skrótem AC lub linią falistą. Na schematach i w opisach urządzeń jest on również oznaczany dwoma liniami: linią ciągłą i linią falistą umieszczonymi jedna pod drugą. Przewody są w większości przypadków oznaczone w następujący sposób: faza - kolorem brązowym lub czarnym, przewód neutralny - kolorem niebieskim, a uziemienie - kolorem zielono-żółtym.

Dlaczego prąd zmienny jest częściej używany

Powyżej omówiliśmy już, dlaczego prąd zmienny jest obecnie częściej stosowany niż prąd stały. A jednak przyjrzyjmy się bliżej temu pytaniu.

Od czasu odkrycia elektryczności toczy się dyskusja na temat tego, który prąd jest lepszy. Istnieje nawet coś takiego jak "wojna prądów" - rywalizacja między Thomasem Edisonem a Nikolą Teslą o wykorzystanie jednego rodzaju prądu. Walka między zwolennikami tych wielkich naukowców trwała do 2007 roku, kiedy to miasto Nowy Jork przestawiło się na prąd zmienny z prądu stałego.

Najważniejszym powodem, dla którego prąd zmienny jest częściej stosowany, jest jest możliwość przesyłania go na duże odległości przy minimalnych stratach.. Im większa jest odległość między źródłem prądu a odbiornikiem końcowym, tym większa jest rezystancja przewodów oraz straty ciepła przez przewody.

W celu uzyskania maksymalnej mocy należy zwiększyć grubość kabli (i w ten sposób zmniejszyć opór), lub zwiększyć napięcie.

W systemach prądu przemiennego możliwe jest zwiększenie napięcia przy minimalnej grubości przewodów, co pozwala zmniejszyć koszty linii elektrycznych. W przypadku systemów prądu stałego nie ma tanich i skutecznych sposobów zwiększania napięcia, dlatego takie sieci wymagają albo zwiększenia grubości przewodów, albo budowy dużej liczby małych elektrowni. Obie te metody są kosztowne i znacznie zwiększają koszty energii elektrycznej w porównaniu z sieciami prądu przemiennego.

Dzięki transformatorom elektrycznym napięcie zmienne jest efektywnie (z wydajnością do 99%.) można zmieniać w dowolnym kierunku, od wartości minimalnych do maksymalnych, co również jest jedną z ważnych zalet sieci prądu przemiennego. Zastosowanie trójfazowego systemu prądu przemiennego dodatkowo zwiększa wydajność, a maszyny, takie jak silniki zasilane prądem przemiennym, są znacznie mniejsze, tańsze i łatwiejsze w konserwacji niż silniki prądu stałego.

Z powyższych rozważań wynika, że stosowanie prądu zmiennego jest korzystne w dużych sieciach i przy przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości, natomiast do dokładnego i wydajnego działania urządzeń elektronicznych oraz urządzeń autonomicznych zaleca się stosowanie prądu stałego.

Powiązane artykuły: