Nykymaailmassa jokainen ihminen on ollut alttiina sähkölle lapsuudesta lähtien. Ensimmäinen maininta tästä luonnonilmiöstä juontaa juurensa filosofien Aristoteleen ja Thaleen ajoilta, joita kiinnostivat sähkövirran hämmästyttävät ja salaperäiset ominaisuudet. Mutta vasta 1600-luvulla suuret tieteelliset mielet aloittivat sarjan sähköenergiaa koskevia löytöjä, jotka jatkuvat tähän päivään asti.
Sähkövirran löytäminen ja Michael Faradayn vuonna 1831 luoma maailman ensimmäinen generaattori muuttivat ihmisten elämän radikaalisti. Olemme tottuneet siihen, että elämäämme helpottavat sähköenergiaa käyttävät laitteet, mutta toistaiseksi suurin osa ihmisistä ei ole ymmärtänyt tätä tärkeää ilmiötä. Aluksi sähkön perusperiaatteiden ymmärtämiseksi on tarpeen tutkia kaksi perusmääritelmää: sähkövirta ja jännite.
Sisältö
Mikä on sähkövirta ja jännite
Sähkö on varautuneiden hiukkasten järjestetty liike (sähkövarauksen kantajat). Sähkövirran kantajia ovat elektronit (metalleissa ja kaasuissa), kationit ja anionit (elektrolyyteissä), reikiä elektroni-reikäjohtavuudella. Tämä ilmiö ilmenee magneettikentän muodostumisena, kemiallisen koostumuksen muutoksena tai johtimien kuumenemisena. Virran tärkeimmät ominaisuudet ovat:
- virran voimakkuus, määritetty Ohmin lain mukaan ja mitattu ampeereina (MUTTA), kaavoissa on merkitty kirjaimella I;
- teho Joule-Lenzin lain mukaan mitattuna watteina (ti), merkitty kirjaimella P;
- taajuus, mitattuna hertseinä (Hz).
Sähkövirtaa energian kantajana käytetään mekaanisen energian saamiseksi sähkömoottoreilla, lämpöenergian saamiseksi lämmityslaitteissa, sähköhitsauksessa ja lämmittimissä, eritaajuisten sähkömagneettisten aaltojen virittämiseen, magneettikentän luomiseen sähkömagneeteissa ja valon saamiseksi. energiaa valaisimissa ja erilaisissa lampuissa. .
Jännite on sähkökentän tekemä työ siirtääkseen yhden riipuksen varauksen (Cl) johtimen kohdasta toiseen. Tämän määritelmän perusteella on edelleen vaikea ymmärtää, mitä stressi on.
Jotta varautuneet hiukkaset voisivat siirtyä napasta toiseen, on tarpeen luoda potentiaaliero näiden napojen välille (Sitä kutsutaan jännitteeksi.). Jännitteen yksikkö on voltti (AT).
Sähkövirran ja jännitteen määritelmän ymmärtämiseksi voidaan antaa mielenkiintoinen analogia: kuvittele, että sähkövaraus on vettä, jolloin veden paine kolonnissa on jännite ja veden virtausnopeus putkessa on sähkövirran voimakkuus. Mitä suurempi jännite, sitä suurempi sähkövirta.
Mikä on vaihtovirta
Jos muutat potentiaalien napaisuutta, sähkövirran suunta muuttuu. Tätä virtaa kutsutaan muuttujaksi. Suuntamuutosten määrää tietyn ajanjakson aikana kutsutaan taajuudeksi ja se mitataan, kuten edellä mainittiin, hertseinä (Hz). Esimerkiksi maassamme tavallisessa sähköverkossa taajuus on 50 Hz, eli virran liikkeen suunta muuttuu 50 kertaa sekunnissa.
Mikä on tasavirta
Kun varautuneiden hiukkasten järjestetyllä liikkeellä on aina vain yksi suunta, niin tällaista virtaa kutsutaan vakioksi. Tasavirtaa esiintyy vakiojänniteverkossa, kun varausten napaisuus toisella ja toisella puolella on vakio ajan myötä. Sitä käytetään hyvin usein erilaisissa elektronisissa laitteissa ja tekniikoissa, kun energian siirtoa pitkiä matkoja ei tarvita.
Sähkövirran lähteet
Sähkövirran lähde kutsutaan yleensä laitteeksi tai laitteeksi, jolla voidaan luoda sähkövirtaa piiriin. Tällaiset laitteet voivat luoda sekä vaihto- että tasavirtaa. Sähkövirran luomismenetelmän mukaan ne jaetaan mekaanisiin, kevyisiin, lämpö- ja kemiallisiin.
Mekaaninen Sähkövirtalähteet muuttavat mekaanisen energian sähköenergiaksi.Näitä laitteita on monenlaisia. generaattorit, jotka sähkömagneetin pyörimisen vuoksi asynkronisten moottoreiden kelan ympäri tuottavat vaihtovirtaa.
valoa lähteet muuttavat fotonienergiaa (valoenergia) sähköksi. Ne käyttävät puolijohteiden ominaisuutta tuottamaan jännitettä, kun ne altistetaan valovirralle. Aurinkopaneelit ovat yksi tällainen laite.
Lämpö - muuntaa lämpöenergiaa sähköksi kahden kosketuksissa olevan puolijohteen - termoparien - välisen lämpötilaeron vuoksi. Tällaisten laitteiden virran suuruus liittyy suoraan lämpötilaeroon: mitä suurempi ero, sitä suurempi virran voimakkuus. Tällaisia lähteitä käytetään esimerkiksi geotermisissä voimalaitoksissa.
Kemiallinen virtalähde tuottaa sähköä kemiallisten reaktioiden seurauksena. Tällaisia laitteita ovat esimerkiksi erilaiset galvaaniset paristot ja akut. Galvaanikennoihin perustuvia virtalähteitä käytetään yleensä erillisissä laitteissa, autoissa, tekniikassa ja ne ovat tasavirtalähteitä.
AC-DC muuntaminen
Maailman sähkölaitteet käyttävät tasa- ja vaihtovirtaa. Siksi yksi virta on muutettava toiseksi tai päinvastoin.
Vaihtovirrasta tasavirta voidaan saada käyttämällä diodisiltaa tai, kuten sitä kutsutaan myös "tasasuuntaajaksi". Tasasuuntaajan ydin on puolijohdediodi, joka johtaa sähköä vain yhteen suuntaan. Tämän diodin jälkeen virta ei muuta suuntaaan, mutta syntyy aaltoiluja, jotka poistetaan kondensaattorit ja muut suodattimet. Tasasuuntaajia on saatavana mekaanisina, sähkötyhjiö- tai puolijohdeversioina.
Tällaisen laitteen valmistuksen laadusta riippuen virran aaltoilu lähdössä on erilainen, yleensä mitä kalliimpi ja parempi laite on valmistettu, sitä vähemmän aaltoilua ja sitä puhtaampi virta. Esimerkki tällaisista laitteista on Virtalähteet erilaiset laitteet ja laturit, eri kuljetusmuotojen sähkövoimaloiden tasasuuntaajat, tasavirtahitsauskoneet ja muut.
Inverttereitä käytetään muuntamaan tasavirta vaihtovirraksi. Tällaiset laitteet tuottavat vaihtojännitteen siniaallon kanssa. Tällaisia laitteita on useita tyyppejä: invertterit sähkömoottorilla, rele ja elektroniikka. Kaikki ne eroavat toisistaan vaihtovirran laadun, kustannusten ja koon suhteen. Esimerkkinä tällaisesta laitteesta ovat keskeytymättömät teholähteet, invertterit autoissa tai esimerkiksi aurinkovoimaloissa.
Missä sitä käytetään ja mitkä ovat vaihto- ja tasavirran edut
Useat tehtävät voivat vaatia sekä AC:n että DC:n käyttöä. Jokaisella virtatyypillä on omat etunsa ja haittansa.
Vaihtovirta käytetään useimmiten, kun on tarve siirtää virtaa pitkiä matkoja. Tällaista virtaa on tarkoituksenmukaisempaa siirtää mahdollisten häviöiden ja laitekustannusten kannalta. Siksi useimmat sähkölaitteet ja mekanismit käyttävät vain tämäntyyppistä virtaa.
Asuintalot ja yritykset, infrastruktuuri ja liikennetilat sijaitsevat kaukana voimalaitoksista, joten kaikki sähköverkot ovat vaihtovirtaa. Tällaiset verkot syöttävät kaikki kodinkoneet, teollisuuslaitteet, junaveturit. Vaihtovirralla toimivia laitteita on uskomattoman paljon ja tasavirtaa käyttäviä laitteita on paljon helpompi kuvata.
DC käytetään autonomisissa järjestelmissä, kuten autojen, lentokoneiden, laivojen tai sähköjunien sisäisissä järjestelmissä. Sitä käytetään laajasti erilaisten elektroniikan mikropiirien virransyötössä, viestinnässä ja muissa laitteissa, joissa vaaditaan häiriöiden ja aaltoilun määrän minimoimista tai poistamista kokonaan. Joissakin tapauksissa tällaista virtaa käytetään sähköhitsauksessa invertterien avulla. On jopa rautatievetureita, jotka toimivat tasavirtajärjestelmillä. Lääketieteessä tällaista virtaa käytetään lääkkeiden viemiseen kehoon elektroforeesin avulla ja tieteellisiin tarkoituksiin erilaisten aineiden erottamiseen (proteiinielektroforeesi jne.).
Sähkölaitteiden merkinnät ja kaaviot
Usein on tarpeen määrittää, millä virralla laite toimii. Loppujen lopuksi tasavirralla toimivan laitteen kytkeminen vaihtovirtasähköverkkoon johtaa väistämättä epämiellyttäviin seurauksiin: laitteen vaurioitumiseen, tulipaloon, sähköiskuihin. Tätä varten on yleisesti hyväksyttyjä yleissopimuksia tällaisiin järjestelmiin ja jopa johtojen värikoodaukseen.
Perinteisesti tasavirralla toimivissa sähkölaitteissa on merkitty yksi viiva, kaksi yhtenäistä viivaa tai yhtenäinen viiva yhdessä katkoviivan kanssa, jotka sijaitsevat toistensa alapuolella. Myös tällainen virta on merkitty merkinnällä latinalaisilla kirjaimilla DC. Tasavirtajärjestelmissä olevien johtojen sähköeristys plusjohtimelle on väritetty punaiseksi, negatiivinen sininen tai musta.
Sähkölaitteissa ja -koneissa vaihtovirta on merkitty englanninkielisellä lyhenteellä AC tai aaltoviiva. Kaavioissa ja laitteiden kuvauksessa se on merkitty myös kahdella rivillä: kiinteä ja aaltoileva, jotka sijaitsevat toistensa alla. Johtimet on useimmissa tapauksissa merkitty seuraavasti: vaihe on ruskea tai musta, nolla on sininen ja maa on kelta-vihreä.
Miksi vaihtovirtaa käytetään useammin?
Yllä olemme jo puhuneet siitä, miksi vaihtovirtaa käytetään tällä hetkellä useammin kuin tasavirtaa. Ja kuitenkin, katsotaanpa tätä asiaa tarkemmin.
Keskustelua siitä, kumpaa virtaa olisi parempi käyttää, on käyty sähköalan löydöistä lähtien. On olemassa jopa sellainen asia kuin "virtausten sota" - Thomas Edisonin ja Nikola Teslan välinen vastakkainasettelu yhden virran tyypin käytöstä. Taistelu näiden suurten tiedemiesten seuraajien välillä kesti vuoteen 2007, jolloin New Yorkin kaupunki vaihdettiin vaihtovirtaan tasavirrasta.
Suurin syy, miksi AC:tä käytetään useammin, on se kyky lähettää se pitkiä matkoja pienin häviöin. Mitä suurempi etäisyys virtalähteen ja loppukuluttajan välillä on, sitä suurempi on vastus johdot ja lämpöhäviöt niiden lämmittämiseen.
Maksimitehon saamiseksi on tarpeen lisätä joko johtojen paksuutta (ja vähentää siten vastusta) tai lisää jännitettä.
Vaihtovirtajärjestelmissä voit lisätä jännitettä johtojen vähimmäispaksuudella, mikä vähentää sähkölinjojen kustannuksia. Tasavirtajärjestelmissä ei ole edullisia ja tehokkaita tapoja lisätä jännitettä, ja siksi tällaisissa verkoissa on tarpeen joko lisätä johtimien paksuutta tai rakentaa suuri määrä pieniä voimalaitoksia. Molemmat menetelmät ovat kalliita ja lisäävät merkittävästi sähkön hintaa vaihtovirtaverkkoihin verrattuna.
Sähkömuuntajien avulla vaihtovirtajännite on tehokas (tehokkuus jopa 99 %) voidaan muuttaa mihin tahansa suuntaan minimiarvoista maksimiarvoihin, mikä on myös yksi AC-verkkojen tärkeistä eduista. Kolmivaiheisen vaihtovirtajärjestelmän käyttö lisää tehokkuutta entisestään, ja vaihtovirtaa käyttävät koneet, kuten moottorit, ovat paljon pienempiä, halvempia ja helpompia huoltaa kuin tasavirtamoottorit.
Edellä olevan perusteella voidaan päätellä, että vaihtovirran käyttö on edullista suurissa verkoissa ja sähköenergian siirtämisessä pitkiä matkoja, ja elektronisten laitteiden tarkan ja tehokkaan toiminnan ja autonomisten laitteiden kannalta on suositeltavaa käyttää tasavirtaa.
Samanlaisia artikkeleita:
