A modern világban minden ember gyermekkora óta ki van téve az elektromosságnak. Ennek a természeti jelenségnek az első említése Arisztotelész és Thalész filozófusok idejéből származik, akiket az elektromos áram csodálatos és titokzatos tulajdonságai érdekeltek. De a nagy tudományos elmék csak a 17. században kezdték el az elektromos energiával kapcsolatos felfedezések sorozatát, amelyek a mai napig tartanak.
Az elektromos áram felfedezése és Michael Faraday 1831-ben a világ első generátorának létrehozása gyökeresen megváltoztatta az emberi életet. Megszoktuk, hogy életünket könnyítik meg az elektromos energiát használó készülékek, de ez idáig a legtöbb ember nem érti ezt a fontos jelenséget. Először is, hogy megértsük az elektromosság alapelveit, két alapvető definíciót kell tanulmányozni: az elektromos áramot és a feszültséget.
Tartalom
Mi az elektromos áram és feszültség
Elektromosság a töltött részecskék rendezett mozgása (elektromos töltés hordozói). Az elektromos áram hordozói az elektronok (fémekben és gázokban), kationok és anionok (elektrolitokban), lyukak elektron-lyuk vezetőképességnél. Ez a jelenség mágneses tér létrejöttében, a kémiai összetétel változásában vagy a vezetők melegítésében nyilvánul meg. Az áram fő jellemzői a következők:
- áramerősség, Ohm törvénye szerint és Amperben mérve (DE), a képletekben I betűvel jelöljük;
- teljesítmény, a Joule-Lenz törvény szerint, wattban mérve (kedd), P betűvel jelölve;
- frekvencia, hertzben mérve (Hz).
Az elektromos áramot, mint energiahordozót, mechanikai energia előállítására villanymotorok segítségével, hőenergia előállítására fűtőberendezésekben, elektromos hegesztésben és fűtőberendezésekben, különböző frekvenciájú elektromágneses hullámok gerjesztésére, elektromágnesekben mágneses mező létrehozására és fény előállítására használják. energia világítótestekben és különféle lámpákban.
Feszültség az elektromos mező által végzett munka 1 medál töltés mozgatására (Cl) a vezető egyik pontjától a másikig. E meghatározás alapján még mindig nehéz megérteni, mi a stressz.
Ahhoz, hogy a töltött részecskék egyik pólusról a másikra mozoghassanak, ezek között a pólusok között potenciálkülönbséget kell létrehozni (Ezt hívják feszültségnek.). A feszültség mértékegysége a volt (NÁL NÉL).
Hogy végre megértsük az elektromos áram és feszültség definícióját, egy érdekes analógia adható: képzeljük el, hogy az elektromos töltés víz, akkor az oszlopban lévő víz nyomása a feszültség, és a víz áramlási sebessége a csőben. az elektromos áram erőssége. Minél nagyobb a feszültség, annál nagyobb az elektromos áram.
Mi a váltakozó áram
Ha megváltoztatja a potenciálok polaritását, akkor megváltozik az elektromos áram áramlási iránya. Ezt az áramot nevezzük változónak. Az irányváltozások számát egy bizonyos időn belül frekvenciának nevezzük, és a fent említett módon hertzben mérjük (Hz). Például hazánkban egy szabványos elektromos hálózatban a frekvencia 50 Hz, vagyis az áram mozgásának iránya másodpercenként 50-szer változik.
Mi az egyenáram
Ha a töltött részecskék rendezett mozgásának mindig csak egy iránya van, akkor az ilyen áramot állandónak nevezzük. Egyenáram állandó feszültségű hálózatban akkor lép fel, ha az egyik és a másik oldalon a töltések polaritása időben állandó. Nagyon gyakran használják különféle elektronikai eszközökben és technológiákban, amikor nincs szükség nagy távolságra történő energiaátvitelre.
Az elektromos áram forrásai
Az elektromos áram forrása általában olyan eszköznek vagy eszköznek nevezik, amellyel az áramkörben elektromos áramot lehet létrehozni. Az ilyen eszközök váltakozó áramot és egyenáramot is létrehozhatnak. Az elektromos áram létrehozásának módja szerint mechanikai, könnyű, termikus és kémiai csoportokra oszthatók.
Mechanikai Az elektromos áramforrások a mechanikai energiát elektromos energiává alakítják.Ezek a berendezések különféle típusúak. generátorok, amelyek az elektromágnesnek az aszinkron motorok tekercse körüli forgása miatt váltakozó elektromos áramot állítanak elő.
könnyű források átalakítják a fotonenergiát (fényenergia) elektromos áramba. Felhasználják a félvezetők tulajdonságát, hogy feszültséget állítsanak elő, amikor fényáramnak vannak kitéve. A napelemek egy ilyen eszköz.
Termikus - hőenergiát elektromos árammá alakítani a két érintkező félvezető - hőelempár közötti hőmérsékletkülönbség miatt. Az ilyen eszközök áramának nagysága közvetlenül összefügg a hőmérséklet-különbséggel: minél nagyobb a különbség, annál nagyobb az áramerősség. Ilyen forrásokat például geotermikus erőművekben használnak.
Kémiai áramforrás kémiai reakciók eredményeként villamos energiát termel. Ilyen eszközök például különféle galvánelemek és akkumulátorok. A galvanikus cellákon alapuló áramforrásokat általában önálló készülékekben, autókban, technológiában használják, és egyenáramú források.
AC-DC átalakítás
A világ elektromos készülékei egyen- és váltakozó áramot használnak. Ezért az egyik áramot át kell alakítani egy másik árammá, vagy fordítva.
A váltakozó áramból az egyenáramot diódahíd vagy, ahogyan azt is nevezik, „egyenirányító” segítségével lehet nyerni. Az egyenirányító magja egy félvezető dióda, amely csak egy irányba vezeti az elektromosságot. E dióda után az áram nem változtatja irányát, hanem hullámzások jelennek meg, amelyeket a kondenzátorok és egyéb szűrők. Az egyenirányítók mechanikus, elektrovákuum vagy félvezető kivitelben kaphatók.
Az ilyen eszköz gyártási minőségétől függően a kimeneti áram hullámossága eltérő értékű lesz, általában minél drágább és jobb az eszköz, annál kevésbé hullámzik és annál tisztább az áram. Ilyen eszközök például Áramforrás különféle eszközök és töltők, elektromos erőművek egyenirányítói különféle szállítási módokban, egyenáramú hegesztőgépek és mások.
Az invertereket az egyenáram váltakozó árammá alakítására használják. Az ilyen eszközök váltakozó feszültséget generálnak egy szinuszoiddal. Többféle ilyen eszköz létezik: elektromos motoros inverterek, relé és elektronikus. Mindegyik különbözik egymástól a kimeneti váltakozó áram minőségében, költségében és méretében. Ilyen eszköz például a szünetmentes tápegységek, az autókban vagy például a napelemes erőművekben lévő inverterek.
Hol használják, és milyen előnyei vannak a váltakozó és egyenáramnak
Különféle feladatok AC és DC használatát is megkövetelhetik. Minden áramtípusnak megvannak a maga előnyei és hátrányai.
Váltakozó áram leggyakrabban akkor használják, ha nagy távolságra kell áramot továbbítani. Célszerűbb ilyen áramot továbbítani az esetleges veszteségek és a berendezés költsége szempontjából. Ezért a legtöbb elektromos készülék és mechanizmus csak ezt a típusú áramot használja.
A lakóházak és vállalkozások, infrastruktúra és közlekedési létesítmények az erőművektől távol helyezkednek el, így minden elektromos hálózat váltakozó áramú. Az ilyen hálózatok táplálják az összes háztartási készüléket, ipari berendezést, vonatmozdonyokat. Hihetetlenül sok a váltakozó árammal működő készülék, és sokkal könnyebb leírni azokat, amelyek egyenáramot használnak.
D.C autonóm rendszerekben, például autók, repülőgépek, hajók vagy elektromos vonatok fedélzeti rendszereiben használják. Széles körben használják különféle elektronikai mikroáramkörök tápellátásában, kommunikációs és egyéb berendezésekben, ahol minimálisra kell csökkenteni az interferencia és a hullámosság mértékét, vagy teljesen ki kell küszöbölni azokat. Bizonyos esetekben ilyen áramot használnak az elektromos hegesztésben inverterek segítségével. Vannak olyan vasúti mozdonyok is, amelyek egyenáramú rendszerrel működnek. Az orvostudományban ilyen áramot használnak gyógyszereknek a szervezetbe elektroforézissel történő bejuttatására, valamint tudományos célokra különféle anyagok elkülönítésére (fehérje elektroforézis stb.).
Megnevezések az elektromos készülékeken és diagramokon
Gyakran meg kell határozni, hogy az eszköz milyen áramerősséggel működik. Hiszen egy egyenárammal működő készülék váltóáramú elektromos hálózatra történő csatlakoztatása elkerülhetetlenül kellemetlen következményekkel jár: a készülék károsodása, tűz, áramütés. Erre általánosan elfogadottak egyezmények az ilyen rendszerekre és akár a vezetékek színkódolására is.
Hagyományosan az egyenárammal működő elektromos készülékeken egy vonalat, két folytonos vonalat vagy egy folytonos vonalat szaggatott vonallal együtt, egymás alatt helyeznek el. Ezenkívül egy ilyen áramot latin betűkkel jelölnek DC. Az egyenáramú rendszerek vezetékeinek elektromos szigetelése a pozitív vezetéknél piros, a negatív vezeték kék vagy fekete színű.
Az elektromos készülékeken és gépeken a váltakozó áramot az angol rövidítés jelöli AC vagy hullámos vonal. A diagramokon és az eszközök leírásában is két vonal jelzi: tömör és hullámos, egymás alatt elhelyezkedő. A vezetőket a legtöbb esetben a következőképpen jelölik: a fázis barna vagy fekete, a nulla kék, a föld pedig sárga-zöld.
Miért használják gyakrabban a váltakozó áramot?
Fentebb már beszéltünk arról, hogy miért használják jelenleg gyakrabban a váltakozó áramot, mint az egyenáramot. És mégis, nézzük meg ezt a kérdést részletesebben.
A vita arról, hogy melyik áramot érdemes jobban használni, az elektromosság területén történt felfedezések óta folyik. Létezik még olyan is, hogy „áramlatok háborúja” – Thomas Edison és Nikola Tesla konfrontációja az egyik áramtípus használatáért. E nagyszerű tudósok követői közötti küzdelem egészen 2007-ig tartott, amikor is New York városát egyenáramról váltakozó áramra állították át.
A legnagyobb oka annak, hogy miért használják gyakrabban az AC-t, mert nagy távolságra történő továbbítás képessége minimális veszteséggel. Minél nagyobb a távolság az áramforrás és a végfelhasználó között, annál nagyobb az ellenállás vezetékek és fűtésük hővesztesége.
A maximális teljesítmény elérése érdekében növelni kell a vezetékek vastagságát (és ezáltal csökkenti az ellenállást), vagy növelje a feszültséget.
A váltakozó áramú rendszerekben a vezetékek minimális vastagságával növelheti a feszültséget, ezáltal csökkentve az elektromos vezetékek költségeit. Az egyenáramú rendszerek esetében nincs megfizethető és hatékony módszer a feszültség növelésére, ezért az ilyen hálózatokhoz vagy növelni kell a vezetékek vastagságát, vagy nagyszámú kis erőművet kell építeni. Mindkét módszer költséges, és jelentősen megnöveli az áram költségét a váltakozó áramú hálózatokhoz képest.
Az elektromos transzformátorok segítségével a váltakozó áramú feszültség hatékony (akár 99%-os hatékonysággal) bármilyen irányban változtatható a minimumtól a maximumig, ami szintén az AC hálózatok egyik fontos előnye. A háromfázisú váltakozó áramú rendszer használata tovább növeli a hatékonyságot, és az olyan gépek, mint a váltakozó árammal működő motorok, sokkal kisebbek, olcsóbbak és könnyebben karbantarthatók, mint az egyenáramú motorok.
A fentiek alapján megállapítható, hogy a váltóáram alkalmazása előnyös nagy hálózatokban és villamos energia nagy távolságra történő továbbításakor, illetve az elektronikai eszközök pontos és hatékony működéséhez, illetve az autonóm eszközökhöz egyenáram alkalmazása célszerű.
Hasonló cikkek:
