V današnjem svetu se vsakdo sooča z elektriko že od otroštva. Prve omembe tega naravnega pojava segajo v čase filozofov Aristotela in Thalesa, ki so ju zanimale neverjetne in skrivnostne lastnosti električnega toka. Toda šele v 17. stoletju so veliki znanstveni umi začeli vrsto odkritij v zvezi z električno energijo, ki trajajo še danes.
Odkritje električnega toka in Michael Faraday, ki je leta 1831 ustvaril prvi generator na svetu, sta korenito spremenila človeško življenje. Navajeni smo, da imamo aparate, ki nam lajšajo življenje z uporabo električne energije, vendar do zdaj večina ljudi nima razumevanja za ta pomemben pojav. Za začetek, da bi razumeli osnovne principe elektrike, moramo preučiti dve osnovni definiciji: električni tok in napetost.
Vsebina
Kaj je električni tok in napetost
Električni tok - je urejeno gibanje nabitih delcev (nosilci električnega naboja).Nosilci električnega toka so elektroni (v kovinah in plinih), kationi in anioni (v elektrolitih), luknje v prevodu elektron-luknja. Ta pojav se kaže z nastankom magnetnega polja, s spremembo kemične sestave ali s segrevanjem prevodnikov. Glavne značilnosti toka so:
- amperaža, določena z Ohmovim zakonom in izmerjena v amperih (Av formulah je označen s črko I;
- moč, v skladu z Joule-Lenzovim zakonom, merjena v vatih (W), je označen s črko P;
- frekvenca, merjena v hercih (Hz).
Električni tok kot nosilec energije se uporablja za pridobivanje mehanske energije s pomočjo elektromotorjev, za pridobivanje toplotne energije pri grelnih napravah, elektrovarjenju in grelcih, za vzbujanje elektromagnetnih valov različnih frekvenc, za ustvarjanje magnetnih polj v elektromagnetih in za pridobivanje svetlobne energije. v svetlobnih napravah in različnih vrstah svetilk.
Napetost - je delo, ki ga opravi električno polje, da premakne naboj 1 kulona (kl) od ene točke vodnika do druge. Na podlagi te definicije je še vedno težko razumeti, kaj je napetost.
Da bi naelektreni delec premaknil z enega pola na drugega, mora med poloma nastati potencialna razlika (temu se reče napetost). Merska enota napetosti je volt (V).
Za končno razumevanje definicije električnega toka in napetosti lahko naredimo zanimivo analogijo: predstavljajte si, da je električni naboj voda, potem je tlak vode v stolpcu napetost, hitrost toka vode v cevi moč električnega toka. Višja kot je napetost, večja je moč električnega toka.
Kaj je izmenični tok
Če spremenite polarnost potencialov, se spremeni smer toka električnega toka. Ta vrsta toka se imenuje izmenični tok.Količina spremembe smeri v določenem časovnem obdobju se imenuje frekvenca in se meri, kot je navedeno zgoraj, v hercih (Hz). Na primer, v standardnem električnem omrežju pri nas je frekvenca 50 Hz, kar pomeni, da se smer toka spremeni 50-krat na sekundo.
Kaj je enosmerni tok
Kadar ima urejeno gibanje nabitih delcev vedno samo eno smer, se tak tok imenuje enosmerni. Enosmerni tok se pojavi v enosmernem napetostnem omrežju, ko je polarnost nabojev na eni in drugi strani konstantna skozi čas. Zelo pogosto se uporablja v različnih elektronskih napravah in tehnikah, ko ni potreben prenos energije na velike razdalje.
Viri električnega toka
Vir električnega toka je običajno naprava ali naprava, ki jo je mogoče uporabiti za ustvarjanje električnega toka v tokokrogu. Takšne naprave lahko ustvarijo izmenični in enosmerni tok. Glede na to, kako ustvarjajo električni tok, jih delimo na mehanske, svetlobne, toplotne in kemične.
Mehanski Viri električnega toka pretvarjajo mehansko energijo v električno. Takšno opremo predstavljajo različne vrste generatorjiki ustvarjajo izmenični električni tok z vrtenjem elektromagneta okoli tuljave indukcijskih motorjev.
Svetloba viri pretvarjajo energijo fotonov (svetlobna energija) v električno energijo. Uporabljajo lastnost polprevodnikov, da proizvajajo napetost, ko so izpostavljeni svetlobnemu toku. K taki opremi lahko prištejemo sončne kolektorje.
Toplotna - Pretvarja toplotno energijo v električno zaradi temperaturne razlike med dvema paroma dotikajočih se polprevodnikov – termoelementov. Količina toka v takšnih napravah je neposredno povezana s temperaturno razliko: večja je razlika - večja je moč toka. Takšni viri se uporabljajo na primer v geotermalnih elektrarnah.
Kemični Vir toka proizvaja elektriko kot rezultat kemičnih reakcij. Na primer, različne vrste galvanskih baterij in akumulatorjev lahko imenujemo takšne naprave. Viri galvanskega toka se običajno uporabljajo v samostojnih napravah, avtomobilih, napravah in so viri enosmernega toka.
Pretvarjanje izmeničnega toka v enosmerni
Električne naprave v svetu uporabljajo enosmerni in izmenični tok. Zato je treba en tok pretvoriti v drugega ali obratno.
Iz izmeničnega toka lahko dobimo enosmerni tok z uporabo diodnega mostu ali "usmernika", kot ga tudi imenujemo. Glavni del usmernika je polprevodniška dioda, ki prevaja električni tok le v eno smer. Po tej diodi tok ne spremeni svoje smeri, vendar se pojavijo valovi, ki jih odpravi kondenzatorji in drugi filtri. Usmerniki so mehanski, vakuumski ali polprevodniški.
Odvisno od kakovosti izdelave takšne naprave bo imel valoviti tok na izhodu različne vrednosti, praviloma dražja in bolje izdelana naprava - manj valovanja in čistejši je tok. Primeri takih naprav so napajalniki razni aparati in polnilci, usmerniki električnih agregatov v različnih prevoznih sredstvih, enosmerni varilci ipd.
Pretvorniki se uporabljajo za pretvorbo enosmernega toka v izmenični. Takšne naprave ustvarjajo izmenično napetost s sinusnim valom. Obstaja več vrst takšnih naprav: pretvorniki z elektromotorji, releji in elektronski. Vsi se razlikujejo po kakovosti izmeničnega toka, ki ga proizvajajo, stroških in velikosti. Primeri takšne naprave so na primer brezprekinitveni napajalniki, razsmerniki v avtomobilih ali v sončnih elektrarnah.
Kje se uporablja AC in DC napajanje in kakšne so prednosti
Različne naloge lahko zahtevajo uporabo izmeničnega in enosmernega toka. Vsaka vrsta toka ima svoje slabosti in prednosti.
Izmenični tok najpogosteje se uporablja, ko je treba prenašati tok na velike razdalje. Ta vrsta toka je primernejša glede na možne izgube in stroške opreme. Zato večina naprav in strojev uporablja samo to vrsto toka.
Hiše in podjetja, infrastruktura in prometni objekti so oddaljeni od elektrarn, zato so vsa električna omrežja na izmenični tok. Takšna omrežja napajajo vse gospodinjske aparate, industrijsko opremo in vlakovne lokomotive. Naprav z izmeničnim tokom je neverjetno veliko in veliko lažje je opisati tiste, ki uporabljajo enosmerni tok.
Enosmerni tok se uporablja v avtonomnih sistemih, kot so vgrajeni sistemi v avtomobilih, letalih, ladjah ali električnih vlakih. Široko se uporablja pri napajanju mikrovezij v različni elektroniki, komunikacijah in drugih aplikacijah, kjer je treba zmanjšati ali popolnoma odpraviti motnje in valovanje. V nekaterih primerih se tak tok uporablja pri električnih varilnih delih s pomočjo pretvornikov. Obstajajo celo železniške lokomotive, ki jih poganjajo sistemi enosmernega toka. V medicini se tak tok uporablja za vnos zdravil v telo z elektroforezo, v znanstvene namene pa za ločevanje različnih snovi (elektroforeza beljakovin itd.).
Simboli na električnih napravah in tokokrogih
Pogosto je treba ugotoviti, na kakšen tok deluje naprava. Navsezadnje bo povezava naprave, ki deluje z enosmernim tokom, na električno omrežje izmeničnega toka neizogibno povzročila neprijetne posledice: poškodbe naprave, požar, električni udar. Iz tega razloga obstajajo mednarodno sprejeti konvencije za takšne sisteme in celo barvno kodirane žice.
Običajno so naprave, ki delujejo na enosmerni tok, označene z eno črto, dvema polnima črtama ali polno črto skupaj s pikčasto črto pod drugo.Takšne tokove označujemo tudi z latiničnimi črkami DC. Izolacija električne žice v sistemih DC je obarvana rdeče za pozitivno žico in modro ali črno za negativno.
Na električnih aparatih in strojih je izmenični tok označen z angleško kratico AC ali valovito črto. V diagramih in opisih naprav je označen tudi z dvema črtama: polna črta in valovita črta ena pod drugo. Vodniki so v večini primerov označeni takole: faza rjavo ali črno, ozemljitev modra in ozemljitev rumeno-zelena.
Zakaj se AC uporablja pogosteje
Zgoraj smo že govorili o tem, zakaj se izmenični tok danes uporablja pogosteje kot enosmerni. Vseeno si poglejmo to vprašanje podrobneje.
Razprava o tem, kateri tok je bolje uporabiti, se vleče že od odkritja elektrike. Obstaja celo "vojna tokov" - spopad med Thomasom Edisonom in Nikolo Teslo glede uporabe ene vrste toka. Boj med privrženci teh velikih znanstvenikov je trajal do leta 2007, ko je mesto New York z enosmernega prešlo na izmenični tok.
Najpomembnejši razlog za pogostejšo uporabo izmeničnega toka je sposobnost prenosa na velike razdalje z minimalnimi izgubami. Večja kot je razdalja med trenutnim virom in končnim uporabnikom, večji je upor žic in toplotne izgube iz žic.
Da bi dosegli največjo moč, je treba povečati bodisi debelino žic (in s tem zmanjšati odpornost), ali za povečanje napetosti.
V izmeničnih sistemih je možno povečati napetost z minimalno debelino žice in tako zmanjšati stroške električnih vodov.Za sisteme z enosmernim tokom ni cenovno dostopnih in učinkovitih načinov za povečanje napetosti, zato je za takšna omrežja potrebno bodisi povečanje debeline vodnikov bodisi izgradnja večjega števila manjših elektrarn. Oba načina sta draga in bistveno povečata stroške električne energije v primerjavi z izmeničnimi omrežji.
Z električnimi transformatorji je izmenična napetost učinkovita (z učinkovitostjo do 99%) lahko variiramo v katero koli smer od minimalnih do maksimalnih vrednosti, kar je tudi ena od pomembnih prednosti AC omrežij. Uporaba trifaznega sistema izmeničnega toka dodatno poveča učinkovitost, mehanizmi, kot so motorji, ki delujejo v omrežju izmeničnega toka, pa so veliko manjši, cenejši in enostavnejši za vzdrževanje od enosmernih motorjev.
Na podlagi vsega navedenega lahko sklepamo, da je uporaba izmeničnega toka koristna v velikih omrežjih in pri prenosu električne energije na velike razdalje, medtem ko je za natančno in učinkovito delovanje elektronskih naprav in avtonomnih naprav priporočljivo uporabite enosmerni tok.
Povezani članki:
