I dagens värld har alla konfronterats med elektricitet sedan barnsben. De första omnämnandena av detta naturfenomen går tillbaka till filosoferna Aristoteles och Thales, som fascinerades av de fantastiska och mystiska egenskaperna hos elektrisk ström. Men det var inte förrän på 1600-talet som stora vetenskapsmän började göra en rad upptäckter om elektrisk energi som fortsätter än idag.
Upptäckten av elektrisk ström och Michael Faradays skapande av världens första generator 1831 förändrade människans liv radikalt. Vi är vana vid apparater som använder elektrisk energi för att underlätta våra liv, men hittills har de flesta människor inte förstått detta viktiga fenomen. För att förstå de grundläggande principerna för elektricitet måste vi först studera två grundläggande definitioner: elektrisk ström och spänning.
Innehåll
Vad är växelström och växelspänning?
Elektrisk ström - är den ordnade rörelsen av laddade partiklar (elektriska laddningsbärare). De elektriska strömmarna består av elektroner (i metaller och gaser), katjoner och anjoner (i elektrolyter), hål i elektron-hål-ledning. Fenomenet visar sig genom att ett magnetfält skapas, en förändring i den kemiska sammansättningen eller uppvärmning av ledare. De viktigaste egenskaperna hos strömmen är:
- Strömstyrkan, som bestäms av Ohm's lag och mäts i ampere (А), i formlerna anges den med bokstaven I;
- effekt, enligt Joule-Lenz-lagen, mätt i watt (W), betecknas med P;
- frekvens, mätt i hertz (Hz).
Elektrisk ström används som energibärare för att producera mekanisk energi i elmotorer, för att producera värmeenergi i värmeapparater, elektrisk svetsning och värmare, för att generera elektromagnetiska vågor av olika frekvenser, för att skapa magnetfält i elektromagneter och för att producera ljusenergi i belysningsapparater och lampor av alla slag.
Spänning - är det arbete som utförs av ett elektriskt fält för att flytta en laddning på 1 coulomb (Coulomb) från en punkt i en ledare till en annan. Utifrån denna definition är det dock svårt att förstå vad spänning är.
För att en laddad partikel ska kunna förflyttas från en pol till den andra måste en potentialskillnad skapas mellan polerna (Detta är vad som kallas för en spänning.). Måttenheten för spänning är volt (В).
För en definitiv förståelse av definitionen av elektrisk ström och spänning kan man göra en intressant analogi: tänk dig att den elektriska laddningen är vatten, vattnets tryck i kolonnen är spänningen och vattnets flödeshastighet i röret är den elektriska strömmen. Ju högre spänning, desto starkare är den elektriska strömmen.
Vad är växelström
Om du ändrar polariteten på potentialen ändras riktningen på den elektriska strömmen. Det är denna typ av ström som kallas växelström. Hur mycket riktning förändras under ett visst tidsintervall kallas frekvens och mäts, som nämnts ovan, i Hertz (Hz). I ett vanligt elnät i vårt land är frekvensen till exempel 50 Hz, vilket innebär att strömriktningen ändras 50 gånger per sekund.
Vad är likström
När den ordnade rörelsen av laddade partiklar alltid har en enda riktning kallas strömmen för likström. Likström uppstår i ett likspänningsnät när polariteten mellan laddningarna på ena sidan och andra sidan är konstant över tiden. Den används ofta i olika elektroniska apparater och tekniker när kraftöverföring över långa avstånd inte krävs.
Källor till elektrisk ström
En elektrisk strömkälla. Allmänt sett en apparat eller anordning med vilken en elektrisk ström kan skapas i en krets. Sådana apparater kan producera både växelström och likström. De delas in i mekaniska, ljus-, termiska och kemiska strömgeneratorer beroende på hur de skapar elektricitet.
Mekanisk Elektriska strömkällor omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi. Sådan utrustning omfattar olika typer av generatorersom genererar elektrisk växelström genom att rotera en elektromagnet runt en spole av induktionsmotorer.
Ljus källor omvandlar energin från fotoner (ljusenergi) till elektrisk energi. De utnyttjar halvledarnas egenskap att producera en spänning när de utsätts för ett ljusflöde. Solpaneler kan betraktas som en sådan utrustning.
Termisk - Omvandlar värmeenergi till elektricitet via temperaturskillnaden mellan två par halvledare som är i kontakt med varandra - termoelement. Strömstyrkan i sådana anordningar är direkt relaterad till temperaturskillnaden: ju större skillnaden är, desto större är strömstyrkan. Sådana källor används till exempel i geotermiska kraftverk.
Kemisk Genererar elektricitet genom kemiska reaktioner. Till exempel kan olika typer av galvaniska batterier och ackumulatorer klassificeras som sådana anordningar. Galvaniska strömkällor används vanligtvis i fristående enheter, fordon och apparater och är likströmsströmkällor.
Konvertering av växelström till likström
Elektriska apparater runt om i världen använder både likström och växelström. Det finns därför ett behov av att omvandla en ström till en annan eller vice versa.
Växelström kan omvandlas till likström med hjälp av en diodbrygga eller en "likriktare". Huvuddelen av likriktaren är en halvledardiod som leder den elektriska strömmen i endast en riktning. Efter denna diod ändrar strömmen inte sin riktning, men det finns krusningar, som elimineras med kondensatorer och andra filter. Likriktare finns i mekaniska, vakuum- eller halvledarversioner.
Beroende på kvaliteten på tillverkningen av en sådan enhet kommer rippelströmmen vid utgången att ha olika värden, som regel, ju dyrare och bättre tillverkad en enhet är, desto mindre rippel och renare strömmen. Exempel på sådana anordningar är strömförsörjning. olika apparater och laddare, likriktare för elektriska enheter i olika transportmedel, likströmsvetsmaskiner och andra.
Växelriktare används för att omvandla likström till växelström. Sådana apparater genererar växelspänning med ett sinusvågsmönster. Det finns flera typer av dessa apparater: motoromriktare, reläomriktare och elektroniska omriktare. De skiljer sig åt när det gäller kvaliteten på den växelström de producerar, deras pris och storlek. Exempel på detta är avbrottsfri strömförsörjning, växelriktare i bilar eller i solkraftverk.
Var växel- och likström används och vilka är fördelarna?
Olika uppgifter kan kräva användning av både växelström och likström. Varje typ av ström har sina för- och nackdelar.
Växelström används främst när strömmar måste överföras över långa avstånd. Denna typ av ström är mer meningsfull när det gäller eventuella förluster och utrustningskostnader. Därför använder de flesta apparater och maskiner endast denna typ av ström.
Bostäder och företag, infrastruktur och transportanläggningar ligger på avstånd från kraftverken, så alla elnät är växelströmsnät. Dessa nät driver alla hushållsapparater, industriell utrustning och lokomotiv. Det finns otroligt många växelströmsdrivna apparater och det är mycket lättare att beskriva de som använder likström.
Likström används i autonoma system, t.ex. ombord på fordon, flygplan, fartyg och elektriska tåg. Den används ofta för att driva mikrokretsar i olika elektronik-, kommunikations- och andra tillämpningar där störningar och krusningar ska minimeras eller elimineras. I vissa fall används sådan ström i elektriska svetsarbeten med hjälp av omriktare. Det finns till och med lokomotiv som drivs med likström. Inom medicinen används sådan ström för att föra in läkemedel i kroppen med hjälp av elektrofores och för vetenskapliga ändamål för att separera olika ämnen (proteinelektrofores, etc.).
Symboler på elektriska apparater och kretsar
Det är ofta nödvändigt att fastställa vilken ström som apparaten arbetar med. Att ansluta en likströmsdriven enhet till ett växelströmsnät leder oundvikligen till obehagliga konsekvenser: skador på enheten, brand eller elektriska stötar. Det finns internationellt accepterade symboler för detta. standardbeteckningar för sådana system och till och med färgkodade kablar.
Till exempel markeras apparater som drivs med likström med en linje, två heldragna linjer eller en heldragen linje tillsammans med en streckad linje under varandra. Sådana strömmar markeras också med följande latinska bokstäver DC. Isolering av elektriska ledningar i likströmsystem är röd för positiv ström och blå eller svart för negativ ström.
På elektriska apparater och maskiner anges växelström med den engelska förkortningen AC eller med en vågig linje. I diagram och beskrivningar av apparater anges den också med två linjer: en heldragen linje och en vågig linje under varandra. Ledarna är i de flesta fall märkta enligt följande: faserna i brunt eller svart, neutralledaren i blått och jordledaren i gröngult.
Varför växelström används oftare
Vi har redan ovan talat om varför växelström för närvarande används oftare än likström. Men låt oss ändå titta närmare på denna fråga.
Det har funnits en debatt om vilken ström som är bäst att använda sedan elektricitet upptäcktes. Det finns till och med något som kallas "strömkrig" - en rivalitet mellan Thomas Edison och Nikola Tesla om användningen av en viss typ av ström. Kampen mellan dessa stora vetenskapsmäns anhängare pågick fram till 2007, då New York bytte från likström till växelström.
Det viktigaste skälet till att växelström används i större utsträckning är följande är förmågan att överföra den över långa avstånd med minimala förluster.. Ju större avståndet mellan strömkällan och slutkonsumenten är, desto större är motståndet. av trådarna och värmeförlusten från ledningarna.
För att få maximal effekt är det nödvändigt att öka antingen kablarnas tjocklek (och på så sätt minska motståndet), eller för att öka spänningen.
I växelströmssystem är det möjligt att öka spänningen med en minimal trådtjocklek, vilket minskar kostnaden för de elektriska ledningarna. För likströmsystem finns det inga prisvärda och effektiva sätt att öka spänningen, och därför kräver sådana nät antingen ökad ledartjocklek eller byggande av ett stort antal små kraftverk. Båda dessa metoder är dyra och ökar elkostnaden avsevärt jämfört med växelströmsnät.
Med elektriska transformatorer är växelspänningen effektivt (med en verkningsgrad på upp till 99 %.) kan varieras i båda riktningarna från minimi- till maximivärden, vilket också är en av de stora fördelarna med växelströmsnät. Genom att använda ett trefasigt växelströmssystem ökar effektiviteten ytterligare, och maskiner som motorer som drivs av växelström är mycket mindre, billigare och lättare att underhålla än likströmsmotorer.
Av allt det ovanstående kan vi dra slutsatsen att växelström är fördelaktigt i stora nätverk och vid överföring av elektrisk energi över långa avstånd, medan det för noggrann och effektiv drift av elektroniska apparater och för autonoma apparater är lämpligt att använda likström.
Relaterade artiklar:
