V dnešnom svete sa s elektrinou stretáva každý už od detstva. Prvé zmienky o tomto prírodnom jave pochádzajú od filozofov Aristotela a Tálesa, ktorých zaujali úžasné a záhadné vlastnosti elektrického prúdu. Až v 17. storočí však veľké vedecké mozgy začali s objavmi týkajúcimi sa elektrickej energie, ktoré trvajú dodnes.
Objavenie elektrického prúdu a vytvorenie prvého generátora na svete Michaelom Faradayom v roku 1831 radikálne zmenilo ľudský život. Zvykli sme si na spotrebiče, ktoré využívajú elektrickú energiu na uľahčenie nášho života, ale väčšina ľudí doteraz tomuto dôležitému javu nerozumela. Aby sme pochopili základné princípy elektriny, musíme si na úvod preštudovať dve základné definície: elektrický prúd a napätie.
Obsah
Čo je to striedavý prúd a napätie
Elektrický prúd - je usporiadaný pohyb nabitých častíc (nosiče elektrického náboja). Nosičmi elektrického prúdu sú elektróny (v kovoch a plynoch), katióny a anióny (v elektrolytoch), diery pri vedení elektrónov a dier. Tento jav sa prejavuje vytvorením magnetického poľa, zmenou chemického zloženia alebo zahriatím vodičov. Hlavné charakteristiky prúdu sú:
- Prúd v ampéroch, určený podľa Ohmovho zákona (А), vo vzorcoch sa označuje písmenom I;
- výkon podľa Jouleovho-Lenzovho zákona meraný vo wattoch (W) sa označuje P;
- frekvencia meraná v hertzoch (Hz).
Elektrický prúd sa používa ako nosič energie na výrobu mechanickej energie v elektromotoroch, na výrobu tepelnej energie vo vykurovacích zariadeniach, elektrickom zváraní a ohrievačoch, na generovanie elektromagnetických vĺn rôznych frekvencií, na vytváranie magnetických polí v elektromagnetoch a na výrobu svetelnej energie v osvetľovacích zariadeniach a svietidlách všetkých druhov.
Napätie - je práca, ktorú vykoná elektrické pole pri premiestnení náboja s veľkosťou 1 coulombu (Coulomb) z jedného bodu vodiča do druhého. Z tejto definície je však ťažké pochopiť, čo je to napätie.
Aby sa nabitá častica presunula z jedného pólu na druhý, musí sa medzi týmito pólmi vytvoriť rozdiel potenciálov (toto sa nazýva napätie). Jednotkou merania napätia je volt (В).
Pre definitívne pochopenie definície elektrického prúdu a napätia možno použiť zaujímavú analógiu: predstavte si, že elektrický náboj je voda, potom tlak vody v stĺpci je napätie a rýchlosť prúdenia vody v potrubí je sila elektrického prúdu. Čím vyššie je napätie, tým väčšia je sila elektrického prúdu.
Čo je to striedavý prúd
Ak zmeníte polaritu potenciálov, zmení sa smer toku elektrického prúdu. Tento druh prúdu sa nazýva striedavý prúd. Veľkosť zmeny smeru v danom časovom intervale sa nazýva frekvencia a meria sa, ako už bolo uvedené, v hertzoch (Hz). Napríklad v štandardnej elektrickej sieti v našej krajine je frekvencia 50 Hz, čo znamená, že smer prúdu sa mení 50-krát za sekundu.
Čo je jednosmerný prúd
Ak má usporiadaný pohyb nabitých častíc vždy len jeden smer, tento prúd sa nazýva jednosmerný. Jednosmerný prúd vzniká v sieti jednosmerného napätia, keď je polarita nábojov na jednej a druhej strane v čase konštantná. Veľmi často sa používa v rôznych elektronických zariadeniach a technikách, keď sa nevyžaduje prenos energie na veľké vzdialenosti.
Zdroje elektrického prúdu
Zdroj elektrického prúdu Všeobecne sa vzťahuje na prístroj alebo zariadenie, pomocou ktorého možno v obvode vytvoriť elektrický prúd. Takéto zariadenia môžu vyrábať striedavý aj jednosmerný prúd. Podľa spôsobu výroby elektrickej energie sa delia na mechanické, svetelné, tepelné a chemické generátory prúdu.
Mechanické Zdroje elektrického prúdu premieňajú mechanickú energiu na elektrickú. Medzi takéto zariadenia patria rôzne typy generátoryktoré generujú striedavý elektrický prúd otáčaním elektromagnetu okolo cievky indukčných motorov.
Svetlo zdroje premieňajú energiu fotónov (svetelná energia) na elektrickú energiu. Využívajú vlastnosť polovodičov produkovať napätie, keď sú vystavené svetelnému toku. Za takéto zariadenie možno považovať solárne panely.
Tepelná - Premieňa tepelnú energiu na elektrickú prostredníctvom rozdielu teplôt medzi dvoma dvojicami dotýkajúcich sa polovodičov - termočlánkov. Veľkosť prúdu v takýchto zariadeniach priamo súvisí s rozdielom teplôt: čím väčší je rozdiel, tým väčšia je intenzita prúdu. Takéto zdroje sa používajú napríklad v geotermálnych elektrárňach.
Chemické Generuje elektrickú energiu prostredníctvom chemických reakcií. Medzi takéto zariadenia možno zaradiť napríklad rôzne typy galvanických batérií a akumulátorov. Galvanické zdroje prúdu sa zvyčajne používajú v samostatných zariadeniach, vozidlách, spotrebičoch a sú to zdroje jednosmerného prúdu.
Premena striedavého prúdu na jednosmerný
Elektrické zariadenia na celom svete používajú jednosmerný aj striedavý prúd. Preto je potrebné premeniť jeden prúd na iný alebo naopak.
Striedavý prúd sa môže premeniť na jednosmerný pomocou diódového mostíka alebo "usmerňovača". Hlavnou časťou usmerňovača je polovodičová dióda, ktorá vedie elektrický prúd len jedným smerom. Za touto diódou prúd nemení svoj smer, ale dochádza k zvlneniu, ktoré je eliminované pomocou kondenzátory a ďalšie filtre. Usmerňovače sa vyrábajú v mechanickom, vákuovom alebo polovodičovom vyhotovení.
V závislosti od kvality výroby takéhoto zariadenia bude mať zvlnenie prúdu na výstupe rôzne hodnoty, spravidla platí, že čím je zariadenie drahšie a lepšie vyrobené, tým je zvlnenie menšie a prúd čistejší. Príklady takýchto zariadení sú napájacie zdroje rôzne spotrebiče a nabíjačky, usmerňovače elektrických agregátov v rôznych druhoch dopravy, zváračky na jednosmerný prúd a iné.
Meniče sa používajú na premenu jednosmerného prúdu na striedavý. Takéto zariadenia generujú striedavé napätie so sínusovým priebehom. Existuje niekoľko typov týchto zariadení: motorové meniče, reléové meniče a elektronické meniče. Všetky sa líšia kvalitou vyrábaného striedavého prúdu, cenou a veľkosťou. Príkladom sú zdroje neprerušovaného napájania, meniče v automobiloch alebo napríklad v solárnych elektrárňach.
Kde sa používa striedavý a jednosmerný prúd a aké sú výhody
Rôzne úlohy si môžu vyžadovať použitie striedavého aj jednosmerného prúdu. Každý typ prúdu má svoje výhody a nevýhody.
Striedavý prúd sa používa najmä vtedy, keď je potrebné prenášať prúdy na veľké vzdialenosti. Tento typ prúdu má väčší zmysel z hľadiska možných strát a nákladov na zariadenie. Preto väčšina spotrebičov a strojov používa len tento typ prúdu.
Domy a podniky, infraštruktúra a dopravné zariadenia sú vzdialené od elektrární, takže všetky elektrické siete sú striedavé. Tieto siete napájajú všetky domáce spotrebiče, priemyselné zariadenia a vlakové lokomotívy. Existuje neuveriteľné množstvo zariadení napájaných striedavým prúdom a je oveľa jednoduchšie opísať tie, ktoré používajú jednosmerný prúd.
Jednosmerný prúd sa používa v autonómnych systémoch, ako sú palubné systémy vozidiel, lietadiel, námorných lodí a elektrických vlakov. Široko sa používa pri napájaní mikroobvodov v rôznych elektronických, komunikačných a iných aplikáciách, kde je potrebné minimalizovať alebo eliminovať rušenie a zvlnenie. V niektorých prípadoch sa takýto prúd používa pri zváraní pomocou invertorov. Existujú dokonca aj železničné lokomotívy, ktoré jazdia na jednosmerný prúd. V medicíne sa takýto prúd používa na zavedenie liečiv do tela pomocou elektroforézy a na vedecké účely na oddelenie rôznych látok (elektroforéza bielkovín atď.).
Symboly na elektrických zariadeniach a obvodoch
Často je potrebné určiť, na aký prúd spotrebič pracuje. Pripojenie zariadenia napájaného jednosmerným prúdom k sieti striedavého prúdu totiž nevyhnutne vedie k nepríjemným následkom: poškodeniu zariadenia, požiaru alebo úrazu elektrickým prúdom. Existujú pre to medzinárodne uznávané symboly štandardné označenia pre takéto systémy a dokonca aj farebne označené káble.
Napríklad spotrebiče napájané jednosmerným prúdom sú označené jednou čiarou, dvoma plnými čiarami alebo plnou čiarou spolu s prerušovanou čiarou pod sebou. Takéto prúdy sa označujú aj týmito latinskými písmenami DC. Izolácia elektrických vodičov v jednosmerných systémoch má červenú farbu pre kladný prúd a modrú alebo čiernu farbu pre záporný prúd.
Na elektrických prístrojoch a strojoch sa striedavý prúd označuje anglickou skratkou AC alebo vlnovkou. V diagramoch a popisoch zariadení sa tiež označuje dvoma čiarami: plnou čiarou a vlnovkou pod sebou. Vodiče sú vo väčšine prípadov označené takto: fáza hnedou alebo čiernou farbou, neutrálny vodič modrou farbou a zem zelenou/žltou farbou.
Prečo sa častejšie používa striedavý prúd
Vyššie sme už hovorili o tom, prečo sa dnes častejšie používa striedavý prúd ako jednosmerný. A predsa sa na túto otázku pozrime bližšie.
O tom, ktorý prúd je lepšie používať, sa diskutuje od objavenia elektriny. Dokonca existuje niečo ako "vojna prúdov" - súperenie medzi Thomasom Edisonom a Nikolom Teslom o používanie jedného typu prúdu. Boj medzi stúpencami týchto významných vedcov trval až do roku 2007, keď mesto New York prešlo na striedavý prúd namiesto jednosmerného.
Najdôležitejším dôvodom, prečo sa častejšie používa striedavý prúd, je je schopnosť prenášať ho na veľké vzdialenosti s minimálnymi stratami.. Čím väčšia je vzdialenosť medzi zdrojom prúdu a koncovým spotrebiteľom, tým väčší je odpor drôtov a tepelné straty z vodičov.
Na dosiahnutie maximálneho výkonu je potrebné zväčšiť buď hrúbku káblov (a tak znížiť odpor) alebo zvýšiť napätie.
V systémoch striedavého prúdu je možné zvýšiť napätie pri minimálnej hrúbke vodičov, čím sa znížia náklady na elektrické vedenie. V prípade systémov jednosmerného prúdu neexistujú cenovo dostupné a účinné spôsoby zvýšenia napätia, a preto si takéto siete vyžadujú buď zväčšenie hrúbky vodičov, alebo vybudovanie veľkého počtu malých elektrární. Obe tieto metódy sú nákladné a výrazne zvyšujú náklady na elektrickú energiu v porovnaní so sieťami striedavého prúdu.
Pomocou elektrických transformátorov je striedavé napätie efektívne (s účinnosťou až 99 %) možno meniť v oboch smeroch od minimálnych po maximálne hodnoty, čo je tiež jednou z dôležitých výhod striedavých sietí. Použitie trojfázového striedavého systému ďalej zvyšuje účinnosť a stroje, ako sú motory, ktoré pracujú na striedavých sieťach, sú oveľa menšie, lacnejšie a jednoduchšie na údržbu ako motory na jednosmerný prúd.
Z uvedeného vyplýva, že použitie striedavého prúdu je výhodné vo veľkých sieťach a pri prenose elektrickej energie na veľké vzdialenosti, zatiaľ čo na presnú a efektívnu prevádzku elektronických zariadení a autonómnych zariadení je vhodné používať jednosmerný prúd.
Súvisiace články:
