V moderním světě je každý člověk od dětství vystaven elektřině. První zmínky o tomto přírodním jevu pocházejí z dob filozofů Aristotela a Thalese, které zaujaly úžasné a tajemné vlastnosti elektrického proudu. Ale teprve v 17. století začaly velké vědecké mozky sérii objevů týkajících se elektrické energie, která trvá dodnes.
Objev elektrického proudu a vytvoření prvního generátoru na světě od Michaela Faradaye v roce 1831 radikálně změnily lidský život. Jsme zvyklí, že nám život usnadňují zařízení využívající elektrickou energii, ale až dosud většina lidí nemá pro tento důležitý fenomén pochopení. Pro začátek, abychom pochopili základní principy elektřiny, je nutné nastudovat dvě základní definice: elektrický proud a napětí.
Obsah
Co je elektrický proud a napětí
Elektřina je uspořádaný pohyb nabitých částic (nositelé elektrického náboje). Nositeli elektrického proudu jsou elektrony (v kovech a plynech), kationty a anionty (v elektrolytech), díry při vodivosti elektronových děr. Tento jev se projevuje vytvořením magnetického pole, změnou chemického složení nebo zahřátím vodičů. Hlavní charakteristiky proudu jsou:
- proudová síla, určená Ohmovým zákonem a měřená v ampérech (ALE), ve vzorcích se značí písmenem I;
- výkon, podle Joule-Lenzova zákona, měřený ve wattech (út), označený písmenem P;
- frekvence, měřená v hertzech (Hz).
Elektrický proud jako nosič energie slouží k získávání mechanické energie pomocí elektromotorů, k získávání tepelné energie v topných spotřebičích, elektrickém svařování a ohřívačích, k buzení elektromagnetických vln různých frekvencí, k vytváření magnetického pole v elektromagnetech a získávání světla energie ve svítidlech a různých druzích svítidel. .
Napětí je práce vykonaná elektrickým polem při pohybu náboje 1 přívěsku (Cl) z jednoho bodu vodiče do druhého. Na základě této definice je stále těžké pochopit, co je stres.
Aby se nabité částice mohly pohybovat z jednoho pólu na druhý, je nutné vytvořit mezi těmito póly potenciálový rozdíl (Tomu se říká napětí.). Jednotkou napětí je volt (V).
Abychom konečně pochopili definici elektrického proudu a napětí, můžeme uvést zajímavou analogii: představte si, že elektrický náboj je voda, pak tlak vody ve sloupci je napětí a rychlost proudění vody v potrubí je síla elektrického proudu. Čím vyšší napětí, tím větší elektrický proud.
Co je střídavý proud
Pokud změníte polaritu potenciálů, změní se směr toku elektrického proudu. Právě tento proud se nazývá proměnný. Počet změn směru za určité časové období se nazývá frekvence a měří se, jak je uvedeno výše, v hertzech (Hz). Například v běžné elektrické síti u nás je frekvence 50 Hz, to znamená, že směr pohybu proudu se mění 50krát za sekundu.
Co je stejnosměrný proud
Když má uspořádaný pohyb nabitých částic vždy jen jeden směr, pak se takový proud nazývá konstantní. Stejnosměrný proud se vyskytuje v síti s konstantním napětím, když je polarita nábojů na jedné a druhé straně v průběhu času konstantní. Velmi často se používá v různých elektronických zařízeních a technice, kdy není vyžadován přenos energie na velkou vzdálenost.
Zdroje elektrického proudu
Zdroj elektrického proudu obvykle se nazývá zařízení nebo zařízení, pomocí kterého lze v obvodu vytvořit elektrický proud. Taková zařízení mohou vytvářet střídavý i stejnosměrný proud. Podle způsobu vytváření elektrického proudu se dělí na mechanické, světelné, tepelné a chemické.
Mechanické Zdroje elektrického proudu přeměňují mechanickou energii na elektrickou energii.Tato zařízení jsou různého druhu. generátory, které díky rotaci elektromagnetu kolem cívky asynchronních motorů produkují střídavý elektrický proud.
světlo zdroje přeměňují fotonovou energii (světelná energie) do elektřiny. Využívají vlastnosti polovodičů k výrobě napětí při vystavení světelnému toku. Jedním z takových zařízení jsou solární panely.
Tepelný - přeměňovat tepelnou energii na elektřinu díky rozdílu teplot mezi dvěma páry kontaktních polovodičů - termočlánků. Velikost proudu v takových zařízeních přímo souvisí s teplotním rozdílem: čím větší je rozdíl, tím větší je síla proudu. Takové zdroje se využívají například v geotermálních elektrárnách.
Chemikálie zdroj proudu vyrábí elektřinu jako výsledek chemických reakcí. Mezi taková zařízení patří například různé druhy galvanických baterií a akumulátorů. Proudové zdroje na bázi galvanických článků se obvykle používají v samostatných zařízeních, automobilech, technice a jsou to zdroje stejnosměrného proudu.
Přeměna AC na DC
Elektrická zařízení ve světě používají stejnosměrný a střídavý proud. Proto je potřeba převádět jeden proud na jiný nebo naopak.
Ze střídavého proudu lze stejnosměrný proud získat pomocí diodového můstku nebo, jak se také nazývá, „usměrňovač“. Jádrem usměrňovače je polovodičová dioda, která vede elektřinu pouze jedním směrem. Po této diodě proud nemění svůj směr, ale objevují se vlnky, které jsou eliminovány pomocí kondenzátory a další filtry. Usměrňovače jsou dostupné v mechanické, elektrovakuové nebo polovodičové verzi.
V závislosti na kvalitě výroby takového zařízení bude mít zvlnění proudu na výstupu různou hodnotu, zpravidla platí, že čím dražší a kvalitnější je zařízení, tím menší zvlnění a čistší proud. Příkladem takových zařízení jsou Zásoby energie různá zařízení a nabíječky, usměrňovače elektráren v různých druzích dopravy, stejnosměrné svářečky a jiné.
Střídače se používají k přeměně stejnosměrného proudu na střídavý proud. Taková zařízení generují střídavé napětí se sinusoidou. Existuje několik typů takových zařízení: měniče s elektromotory, relé a elektronické. Všechny se od sebe liší kvalitou výstupního střídavého proudu, cenou a velikostí. Příkladem takového zařízení jsou zdroje nepřerušitelného napájení, střídače v automobilech nebo například v solárních elektrárnách.
Kde se používá a jaké jsou výhody střídavého a stejnosměrného proudu
Různé úkoly mohou vyžadovat použití AC i DC. Každý typ proudu má své výhody a nevýhody.
Střídavý proud nejčastěji se používá, když je potřeba přenášet proud na velké vzdálenosti. Z hlediska možných ztrát a nákladů na zařízení je účelnější takový proud přenášet. Proto většina elektrických spotřebičů a mechanismů používá pouze tento typ proudu.
Obytné domy a podniky, infrastruktura a dopravní zařízení se nacházejí ve vzdálenosti od elektráren, takže všechny elektrické sítě jsou AC. Takové sítě napájejí všechny domácí spotřebiče, průmyslová zařízení, vlakové lokomotivy. Zařízení pracujících na střídavý proud je neuvěřitelné množství a je mnohem jednodušší popsat ta zařízení, která využívají stejnosměrný proud.
DC používané v autonomních systémech, jako jsou palubní systémy automobilů, letadel, lodí nebo elektrických vlaků. Je široce používán v napájení mikroobvodů různé elektroniky, v komunikačních a jiných zařízeních, kde je požadováno minimalizovat množství rušení a zvlnění nebo je zcela eliminovat. V některých případech se takový proud používá při elektrickém svařování pomocí invertorů. Existují dokonce i železniční lokomotivy, které jezdí na stejnosměrných systémech. V lékařství se takový proud používá k zavedení léků do těla pomocí elektroforézy a pro vědecké účely k oddělení různých látek (elektroforéza proteinů atd.).
Označení na elektrických spotřebičích a schémata
Často je potřeba určit, při jakém proudu zařízení pracuje. Koneckonců, připojení zařízení pracujícího na stejnosměrný proud k elektrické síti střídavého proudu nevyhnutelně povede k nepříjemným následkům: poškození zařízení, požár, úraz elektrickým proudem. K tomu jsou obecně přijímány konvence pro takové systémy a dokonce i barevné kódování vodičů.
Obvykle se na elektrických spotřebičích na stejnosměrný proud označuje jedna čára, dvě plné čáry nebo plná čára spolu s tečkovanou čarou, umístěné pod sebou. Také takový proud je označen označením latinkou DC. Elektrická izolace vodičů ve stejnosměrných systémech pro kladný vodič je zbarvena červeně, záporný vodič modře nebo černě.
Na elektrických přístrojích a strojích je střídavý proud označen anglickou zkratkou AC nebo vlnovka. Na schématech a v popisu zařízení je také naznačena dvěma čarami: plnou a zvlněnou, umístěnými pod sebou. Vodiče jsou ve většině případů označeny následovně: fáze je hnědá nebo černá, nula je modrá a zem je žlutozelená.
Proč se častěji používá střídavý proud
Výše jsme již hovořili o tom, proč se střídavý proud v současnosti používá častěji než stejnosměrný. A přesto se podívejme na tuto problematiku podrobněji.
Debata o tom, který proud použít je lepší, se vedou už od objevů v oblasti elektřiny. Existuje dokonce něco jako „válka proudů“ – konfrontace mezi Thomasem Edisonem a Nikolou Teslou za použití jednoho z typů proudu. Boj mezi stoupenci těchto velkých vědců trval až do roku 2007, kdy bylo město New York převedeno na střídavý proud ze stejnosměrného proudu.
Největší důvod, proč se AC používá častěji, je proto schopnost přenášet jej na velké vzdálenosti s minimálními ztrátami. Čím větší je vzdálenost mezi zdrojem proudu a koncovým spotřebitelem, tím větší je odpor dráty a tepelné ztráty na jejich vytápění.
Pro získání maximálního výkonu je nutné zvýšit buď tloušťku drátů (a tím snížit odpor), nebo zvyšte napětí.
V AC systémech můžete zvýšit napětí s minimální tloušťkou vodičů, čímž snížíte náklady na elektrické vedení. Pro systémy se stejnosměrným proudem neexistují cenově dostupné a efektivní způsoby zvýšení napětí, a proto je u takových sítí nutné buď zvětšit tloušťku vodičů, nebo postavit velké množství malých elektráren. Oba tyto způsoby jsou drahé a výrazně zvyšují náklady na elektřinu ve srovnání se střídavými sítěmi.
Pomocí elektrických transformátorů je efektivní střídavé napětí (s účinností až 99%) lze měnit v libovolném směru od minimálních po maximální hodnoty, což je také jedna z důležitých výhod AC sítí. Použití třífázového střídavého systému dále zvyšuje účinnost a stroje, jako jsou motory, které běží na střídavý proud, jsou mnohem menší, levnější a snadněji se udržují než stejnosměrné motory.
Na základě výše uvedeného můžeme konstatovat, že použití střídavého proudu je výhodné ve velkých sítích a při přenosu elektrické energie na velké vzdálenosti a pro přesný a efektivní provoz elektronických zařízení a pro autonomní zařízení je vhodné používat stejnosměrný proud.
Podobné články:
