U suvremenom svijetu svaka je osoba od djetinjstva izložena struji. Prvi spomen ovog prirodnog fenomena datira iz vremena filozofa Aristotela i Thalesa, koji su bili zaintrigirani nevjerojatnim i tajanstvenim svojstvima električne struje. No tek su u 17. stoljeću veliki znanstveni umovi započeli niz otkrića u vezi s električnom energijom koja se nastavlja do danas.
Otkriće električne struje i stvaranje prvog svjetskog generatora od strane Michaela Faradaya 1831. radikalno su promijenili ljudski život. Navikli smo da nam život olakšavaju uređaji koji koriste električnu energiju, ali do sada većina ljudi nema razumijevanja za ovaj važan fenomen. Za početak, za razumijevanje osnovnih principa električne energije, potrebno je proučiti dvije osnovne definicije: električnu struju i napon.
Sadržaj
Što je električna struja i napon
Struja je uređeno gibanje nabijenih čestica (nosioci električnog naboja). Nosioci električne struje su elektroni (u metalima i plinovima), kationi i anioni (u elektrolitima), rupe na vodljivosti elektron-rupa. Taj se fenomen očituje stvaranjem magnetskog polja, promjenom kemijskog sastava ili zagrijavanjem vodiča. Glavne karakteristike struje su:
- jačina struje, određena Ohmovim zakonom i izmjerena u Amperima (ALI), u formulama se označava slovom I;
- snaga, prema Joule-Lenzovom zakonu, mjerena u vatima (uto), označeno slovom P;
- frekvencija, mjerena u hercima (Hz).
Električna struja, kao nositelj energije, koristi se za dobivanje mehaničke energije pomoću elektromotora, za dobivanje toplinske energije u aparatima za grijanje, električno zavarivanje i grijače, za pobuđivanje elektromagnetskih valova različitih frekvencija, za stvaranje magnetskog polja u elektromagnetima i za dobivanje svjetlosti. energije u rasvjetnim tijelima i raznim vrstama lampi. .
napon je rad električnog polja da pomakne naboj od 1 privjeska (Cl) od jedne točke vodiča do druge. Na temelju ove definicije još uvijek je teško razumjeti što je stres.
Da bi se nabijene čestice kretale s jednog pola na drugi, potrebno je stvoriti razliku potencijala između ovih polova (To je ono što se zove napetost.). Jedinica za napon je volt (NA).
Da bismo konačno razumjeli definiciju električne struje i napona, može se dati zanimljiva analogija: zamislimo da je električni naboj voda, tada je tlak vode u stupu napon, a brzina strujanja vode u cijevi je jačina električne struje. Što je napon veći, to je veća električna struja.
Što je izmjenična struja
Ako promijenite polaritet potencijala, tada se mijenja smjer toka električne struje. Upravo se ta struja naziva promjenjiva. Broj promjena smjera tijekom određenog vremenskog razdoblja naziva se frekvencija i mjeri se, kao što je gore spomenuto, u hercima (Hz). Primjerice, u standardnoj električnoj mreži kod nas frekvencija je 50 Hz, odnosno smjer kretanja struje mijenja se 50 puta u sekundi.
Što je istosmjerna struja
Kada uređeno kretanje nabijenih čestica uvijek ima samo jedan smjer, tada se takva struja naziva konstantnom. Istosmjerna struja nastaje u mreži konstantnog napona kada je polaritet naboja s jedne i druge strane konstantan tijekom vremena. Vrlo se često koristi u raznim elektroničkim uređajima i tehnologiji, kada prijenos energije na velike udaljenosti nije potreban.
Izvori električne struje
Izvor električne struje obično se naziva naprava ili naprava kojom se u strujnom krugu može stvoriti električna struja. Takvi uređaji mogu stvoriti i izmjeničnu i istosmjernu struju. Prema načinu stvaranja električne struje dijele se na mehaničke, svjetlosne, toplinske i kemijske.
Mehanički Izvori električne struje pretvaraju mehaničku energiju u električnu energiju.Ova oprema je raznih vrsta. generatori, koji zbog rotacije elektromagneta oko svitka asinkronih motora proizvode izmjeničnu električnu struju.
svjetlo izvori pretvaraju energiju fotona (svjetlosna energija) u električnu energiju. Koriste svojstvo poluvodiča da proizvode napon kada su izloženi svjetlosnom toku. Solarni paneli su jedan od takvih uređaja.
Toplinska - pretvaraju toplinsku energiju u električnu zbog temperaturne razlike između dva para kontaktnih poluvodiča - termoelementa. Veličina struje u takvim uređajima izravno je povezana s temperaturnom razlikom: što je veća razlika, to je veća jačina struje. Takvi se izvori koriste, na primjer, u geotermalnim elektranama.
Kemijski izvor struje proizvodi električnu energiju kao rezultat kemijskih reakcija. Na primjer, takvi uređaji uključuju razne vrste galvanskih baterija i akumulatora. Izvori struje temeljeni na galvanskim ćelijama obično se koriste u samostalnim uređajima, automobilima, tehnologiji i izvori su istosmjerne struje.
AC u DC pretvorba
Električni uređaji u svijetu koriste istosmjernu i izmjeničnu struju. Stoga postoji potreba za pretvaranjem jedne struje u drugu ili obrnuto.
Od izmjenične struje, istosmjerna struja može se dobiti pomoću diodnog mosta ili, kako se još naziva, "ispravljača". Jezgra ispravljača je poluvodička dioda koja provodi struju samo u jednom smjeru. Nakon ove diode struja ne mijenja svoj smjer, već se pojavljuju mreškanja koja se otklanjaju uz pomoć kondenzatori i drugi filteri. Ispravljači su dostupni u mehaničkoj, elektrovakuumskoj ili poluvodičkoj izvedbi.
Ovisno o kvaliteti izrade takvog uređaja, strujna valovitost na izlazu imat će drugačiju vrijednost, u pravilu, što je uređaj skuplji i bolji, to je manje mreškanja i čišća struja. Primjer takvih uređaja su Napajanje razni uređaji i punjači, ispravljači elektroenergetskih postrojenja u raznim vidovima transporta, istosmjerni aparati za zavarivanje i drugo.
Invertori se koriste za pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu struju. Takvi uređaji stvaraju izmjenični napon sa sinusoidom. Postoji nekoliko vrsta takvih uređaja: pretvarači s elektromotorima, relejni i elektronički. Svi se međusobno razlikuju po kvaliteti izlazne izmjenične struje, cijeni i veličini. Primjer takvog uređaja su besprekidna napajanja, pretvarači u automobilima ili, primjerice, u solarnim elektranama.
Gdje se koristi i koje su prednosti izmjenične i istosmjerne struje
Različiti zadaci mogu zahtijevati korištenje i AC i DC. Svaka vrsta struje ima svoje prednosti i nedostatke.
Naizmjenična struja najčešće se koristi kada postoji potreba za prijenosom struje na velike udaljenosti. Takvu struju je prikladnije prenijeti s gledišta mogućih gubitaka i troškova opreme. Zato većina električnih uređaja i mehanizama koristi samo ovu vrstu struje.
Stambene kuće i poduzeća, infrastruktura i prometni objekti nalaze se na udaljenosti od elektrana, tako da su sve električne mreže izmjenične. Takve mreže hrane sve kućanske aparate, industrijsku opremu, lokomotive vlakova. Postoji nevjerojatan broj uređaja koji rade na izmjeničnu struju i puno je lakše opisati one uređaje koji koriste istosmjernu struju.
D.C koristi se u autonomnim sustavima, kao što su sustavi u vozilima, zrakoplovima, brodovima ili električnim vlakovima. Široko se koristi u napajanju mikro krugova različite elektronike, u komunikacijskoj i drugoj opremi, gdje je potrebno minimizirati količinu smetnji i mreškanja ili ih potpuno eliminirati. U nekim se slučajevima takva struja koristi u električnom zavarivanju uz pomoć invertera. Postoje čak i željezničke lokomotive koje rade na istosmjernim sustavima. U medicini se takva struja koristi za uvođenje lijekova u tijelo pomoću elektroforeze, te u znanstvene svrhe za odvajanje različitih tvari (elektroforeza proteina itd.).
Oznake na električnim uređajima i dijagramima
Često postoji potreba da se utvrdi na kojoj struji uređaj radi. Uostalom, spajanje uređaja koji radi na istosmjernu struju na električnu mrežu izmjenične struje neizbježno će dovesti do neugodnih posljedica: oštećenja uređaja, požara, strujnog udara. Za to postoje općeprihvaćeni konvencije za takve sustave pa čak i kodiranje žica u boji.
Uobičajeno, na električnim uređajima koji rade na istosmjernoj struji, označeni su jedan, dvije pune linije ili puna linija zajedno s točkastom linijom, koja se nalazi jedna ispod druge. Također, takva struja je označena oznakom latiničnim slovima DC. Električna izolacija žica u istosmjernim sustavima za pozitivnu žicu obojena je crvenom bojom, negativna žica plavom ili crnom.
Na električnim aparatima i strojevima izmjenična je struja označena engleskom skraćenicom AC ili valovita linija. Na dijagramima i u opisu uređaja to je također označeno s dvije linije: pune i valovite, smještene jedna ispod druge. Vodiči su u većini slučajeva označeni na sljedeći način: faza je smeđa ili crna, nula je plava, a uzemljenje je žuto-zeleno.
Zašto se češće koristi izmjenična struja
Gore smo već govorili o tome zašto se izmjenična struja trenutno koristi češće od istosmjerne struje. Pa ipak, pogledajmo ovo pitanje detaljnije.
Rasprava o tome koju struju je bolja traje od otkrića na području električne energije. Postoji čak i nešto kao "rat struja" - sukob Thomasa Edisona i Nikole Tesle za korištenje jedne od vrsta struje. Borba između sljedbenika ovih velikih znanstvenika trajala je do 2007. godine, kada je grad New York prebačen na izmjeničnu struju s istosmjerne.
Najveći razlog zašto se AC češće koristi je zato što sposobnost prijenosa na velike udaljenosti uz minimalne gubitke. Što je veća udaljenost između izvora struje i krajnjeg potrošača, to je veći otpor žice te toplinski gubici za njihovo grijanje.
Da biste dobili maksimalnu snagu, potrebno je povećati ili debljinu žica (i time smanjiti otpor), ili povećati napon.
U sustavima izmjenične struje možete povećati napon s minimalnom debljinom žica, čime se smanjuju troškovi električnih vodova. Za sustave s istosmjernom strujom ne postoje pristupačni i učinkoviti načini povećanja napona, pa je za takve mreže potrebno ili povećati debljinu vodiča ili izgraditi veliki broj malih elektrana. Obje ove metode su skupe i značajno povećavaju cijenu električne energije u usporedbi s AC mrežama.
Uz pomoć električnih transformatora učinkovit je napon izmjenične struje (s učinkovitošću do 99%) može se mijenjati u bilo kojem smjeru od minimalnih do maksimalnih vrijednosti, što je također jedna od važnih prednosti AC mreža. Korištenje trofaznog sustava izmjenične struje dodatno povećava učinkovitost, a strojevi poput motora koji rade na izmjeničnu struju puno su manji, jeftiniji i lakši za održavanje od istosmjernih motora.
Na temelju navedenog možemo zaključiti da je korištenje izmjenične struje korisno u velikim mrežama i pri prijenosu električne energije na velike udaljenosti, a za točan i učinkovit rad elektroničkih uređaja i za autonomne uređaje preporučljivo je koristiti istosmjernu struju.
Slični članci:
