V sodobnem svetu je vsak človek že od otroštva izpostavljen elektriki. Prva omemba tega naravnega pojava sega v čas filozofov Aristotela in Thalesa, ki so jih navdušile neverjetne in skrivnostne lastnosti električnega toka. Toda šele v 17. stoletju so veliki znanstveni umi začeli vrsto odkritij o električni energiji, ki se nadaljuje še danes.
Odkritje električnega toka in Michael Faraday leta 1831, ko je ustvaril prvi generator na svetu, je korenito spremenilo človeško življenje. Navajeni smo, da nam življenje lajšajo naprave, ki uporabljajo električno energijo, a do zdaj večina ljudi tega pomembnega pojava ne razume. Za začetek je za razumevanje osnovnih načel električne energije potrebno preučiti dve osnovni definiciji: električni tok in napetost.
Vsebina
Kaj je električni tok in napetost
Elektrika je urejeno gibanje nabitih delcev (nosilci električnega naboja). Nosilci električnega toka so elektroni (v kovinah in plinih), kationi in anioni (v elektrolitih), luknje pri prevodnosti elektron-luknja. Ta pojav se kaže z ustvarjanjem magnetnega polja, spremembo kemične sestave ali segrevanjem prevodnikov. Glavne značilnosti toka so:
- jakost toka, določena z Ohmovim zakonom in merjena v amperih (AMPAK), v formulah je označena s črko I;
- moč, v skladu z Joule-Lenzovim zakonom, merjena v vatih (tor), označen s črko P;
- frekvenca, merjena v hercih (Hz).
Električni tok se kot nosilec energije uporablja za pridobivanje mehanske energije z uporabo elektromotorjev, za pridobivanje toplotne energije v grelnih napravah, električnem varjenju in grelnikih, za vzbujanje elektromagnetnih valov različnih frekvenc, za ustvarjanje magnetnega polja v elektromagnetih in za pridobivanje svetlobe. energije v svetlobnih napravah in različnih vrstah svetilk. .
Napetost je delo, ki ga opravi električno polje, da premakne naboj 1 obeska (Cl) od ene točke prevodnika do druge. Na podlagi te definicije je še vedno težko razumeti, kaj je stres.
Da bi se nabiti delci premikali z enega pola na drugega, je potrebno ustvariti potencialno razliko med temi poli (Temu se reče napetost.). Enota napetosti je volt (AT).
Da bi končno razumeli definicijo električnega toka in napetosti, lahko podamo zanimivo analogijo: predstavljajte si, da je električni naboj voda, potem je tlak vode v stolpcu napetost in hitrost toka vode v cevi je moč električnega toka. Višja kot je napetost, večji je električni tok.
Kaj je izmenični tok
Če spremenite polarnost potencialov, se spremeni smer toka električnega toka. Ta tok se imenuje spremenljivka. Število sprememb 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, torej se smer gibanja toka spremeni 50-krat na sekundo.
Kaj je enosmerni tok
Kadar ima urejeno gibanje nabitih delcev vedno samo eno smer, potem takšen tok imenujemo konstanten. Enosmerni tok se pojavi v omrežju s konstantno napetostjo, ko je polarnost nabojev na eni in drugi strani skozi čas konstantna. Zelo pogosto se uporablja v različnih elektronskih napravah in tehnologiji, ko prenos energije na velike razdalje ni potreben.
Viri električnega toka
Vir električnega toka običajno imenujemo naprava ali naprava, s katero je mogoče ustvariti električni tok v vezju. Takšne naprave lahko ustvarjajo tako izmenični kot enosmerni tok. Po načinu ustvarjanja električnega toka jih delimo na mehanske, svetlobne, toplotne in kemične.
Mehanski Viri električnega toka pretvarjajo mehansko energijo v električno energijo.Ta oprema je različnih vrst. generatorji, ki zaradi vrtenja elektromagneta okoli tuljave asinhronih motorjev proizvajajo izmenični električni tok.
svetlobo viri pretvarjajo fotonsko energijo (svetlobna energija) v elektriko. Uporabljajo lastnost polprevodnikov, da proizvajajo napetost, ko so izpostavljeni svetlobnemu toku. Ena takih naprav so sončni paneli.
Toplotni - pretvarjanje toplotne energije v električno zaradi temperaturne razlike med dvema paroma kontaktnih polprevodnikov - termočlenov. Velikost toka v takšnih napravah je neposredno povezana s temperaturno razliko: večja kot je razlika, večja je moč toka. Takšni viri se uporabljajo na primer v geotermalnih elektrarnah.
Kemična vir toka proizvaja električno energijo kot rezultat kemičnih reakcij. Takšne naprave na primer vključujejo različne vrste galvanskih baterij in akumulatorjev. Viri toka na osnovi galvanskih celic se običajno uporabljajo v samostojnih napravah, avtomobilih, tehnologiji in so enosmerni viri.
Pretvorba AC v DC
Električne naprave na svetu uporabljajo enosmerni in izmenični tok. Zato je treba en tok pretvoriti v drugega ali obratno.
Iz izmeničnega toka lahko enosmerni tok pridobimo z diodnim mostom ali, kot se imenuje tudi, "usmernikom". Jedro usmernika je polprevodniška dioda, ki prevaja elektriko samo v eno smer. Po tej diodi tok ne spremeni svoje smeri, ampak se pojavijo valovi, ki jih odpravimo s pomočjo kondenzatorji in drugi filtri. Usmerniki so na voljo v mehanski, elektrovakuumski ali polprevodniški različici.
Glede na kakovost izdelave takšne naprave bo imela trenutna valovitost na izhodu drugačno vrednost, praviloma dražja in boljša je naprava, manj valovanje in čistejši je tok. Primer takšnih naprav so Napajalniki različne naprave in polnilniki, usmerniki elektroenergetskih naprav v različnih načinih transporta, enosmerni varilni aparati in drugo.
Pretvorniki se uporabljajo za pretvorbo enosmernega toka v izmenični tok. Takšne naprave ustvarjajo izmenično napetost s sinusoidom. Obstaja več vrst takšnih naprav: pretvorniki z elektromotorji, releji in elektronski. Vsi se med seboj razlikujejo po kakovosti izhodnega izmeničnega toka, stroških in velikosti. Primer takšne naprave so napajalniki brez prekinitve, inverterji v avtomobilih ali na primer v sončnih elektrarnah.
Kje se uporablja in kakšne so prednosti izmeničnega in enosmernega toka
Različne naloge lahko zahtevajo uporabo AC in DC. Vsaka vrsta toka ima svoje prednosti in slabosti.
Izmenični tok najpogosteje se uporablja, ko obstaja potreba po prenosu toka na dolge razdalje. Takšen tok je bolj smotrno prenašati z vidika možnih izgub in stroškov opreme. Zato večina električnih naprav in mehanizmov uporablja samo to vrsto toka.
Stanovanjske hiše in podjetja, infrastruktura in prometni objekti se nahajajo na razdalji od elektrarn, zato so vsa električna omrežja AC. Takšna omrežja napajajo vse gospodinjske aparate, industrijsko opremo, vlakovne lokomotive. Naprav, ki delujejo na izmenični tok, je neverjetno veliko in veliko lažje je opisati tiste naprave, ki uporabljajo enosmerni tok.
D.C uporabljajo v avtonomnih sistemih, kot so sistemi na vozilu v avtomobilih, letalih, ladjah ali električnih vlakih. Široko se uporablja pri napajanju mikrovezij različne elektronike, v komunikacijski in drugi opremi, kjer je potrebno zmanjšati količino motenj in valovanja ali jih popolnoma odpraviti. V nekaterih primerih se tak tok uporablja pri električnem varjenju s pomočjo pretvornikov. Obstajajo celo železniške lokomotive, ki vozijo na DC sistemih. V medicini se tak tok uporablja za vnos zdravil v telo z uporabo elektroforeze in v znanstvene namene za ločevanje različnih snovi (elektroforeza beljakovin itd.).
Oznake na električnih napravah in diagrami
Pogosto je treba ugotoviti, pri kakšnem toku deluje naprava. Konec koncev bo povezava naprave, ki deluje na enosmerni tok, na električno omrežje izmeničnega toka neizogibno povzročila neprijetne posledice: poškodbe naprave, požar, električni udar. Za to obstajajo splošno sprejeti konvencije za takšne sisteme in celo barvno kodiranje žic.
Običajno je na električnih napravah, ki delujejo na enosmerni tok, označena ena črta, dve polni črti ali polna črta skupaj s pikčasto črto, ki se nahajajo ena pod drugo. Tudi tak tok je označen z oznako z latiničnimi črkami DC. Električna izolacija žic v sistemih DC za pozitivno žico je obarvana rdeče, negativna žica modro ali črno.
Na električnih aparatih in strojih je izmenični tok označen z angleško okrajšavo AC ali valovita črta. Na diagramih in v opisu naprav je označena tudi z dvema črtama: polna in valovita, ki se nahajata ena pod drugo. Prevodniki so v večini primerov označeni na naslednji način: faza je rjava ali črna, nič je modra, ozemljitev pa rumeno-zelena.
Zakaj se pogosteje uporablja izmenični tok
Zgoraj smo že govorili o tem, zakaj se izmenični tok trenutno uporablja pogosteje kot enosmerni tok. In vendar, poglejmo to vprašanje podrobneje.
Razprava o tem, kateri tok je boljša, poteka že od odkritij na področju elektrike. Obstaja celo taka stvar, kot je "vojna tokov" - soočenje med Thomasom Edisonom in Nikolo Teslo zaradi uporabe ene od vrst toka. Boj med privrženci teh velikih znanstvenikov je trajal do leta 2007, ko je bilo mesto New York preklopljeno na izmenični tok z enosmernega.
Največji razlog, zakaj se AC uporablja pogosteje, je, ker sposobnost prenosa na dolge razdalje z minimalnimi izgubami. Večja kot je razdalja med virom toka in končnim porabnikom, večji je upor žice in toplotne izgube za njihovo ogrevanje.
Da bi dosegli največjo moč, je potrebno povečati bodisi debelino žic (in s tem zmanjšati upor) ali povečajte napetost.
V sistemih izmeničnega toka lahko povečate napetost z minimalno debelino žic in s tem zmanjšate stroške električnih vodov. Za sisteme z enosmernim tokom ni cenovno dostopnih in učinkovitih načinov za povečanje napetosti, zato je za takšna omrežja potrebno bodisi povečati debelino prevodnikov bodisi zgraditi veliko število majhnih elektrarn. Obe metodi sta dragi in znatno povečata stroške električne energije v primerjavi z omrežji AC.
S pomočjo električnih transformatorjev je napetost izmeničnega toka učinkovita (z učinkovitostjo do 99%) se lahko spreminja v poljubni smeri od minimalnih do maksimalnih vrednosti, kar je tudi ena od pomembnih prednosti AC omrežij. Uporaba trifaznega sistema izmeničnega toka še poveča učinkovitost, stroji, kot so motorji, ki delujejo na izmenični tok, pa so veliko manjši, cenejši in enostavnejši za vzdrževanje kot enosmerni motorji.
Na podlagi navedenega lahko sklepamo, da je uporaba izmeničnega toka ugodna v velikih omrežjih in pri prenosu električne energije na velike razdalje, za natančno in učinkovito delovanje elektronskih naprav in pri avtonomnih napravah pa je priporočljiva uporaba enosmernega toka.
Podobni članki:
