Šiuolaikiniame pasaulyje kiekvienas nuo vaikystės susiduria su elektra. Pirmieji apie šį gamtos reiškinį užsimena filosofai Aristotelis ir Talis, kuriuos sudomino nuostabios ir paslaptingos elektros srovės savybės. Tačiau tik XVII amžiuje didieji mokslininkai pradėjo su elektros energija susijusius atradimus, kurie tęsiasi iki šių dienų.
Elektros srovės atradimas ir Maiklo Faradėjaus (Michael Faraday) 1831 m. sukurtas pirmasis pasaulyje generatorius iš esmės pakeitė žmonių gyvenimą. Esame pripratę prie prietaisų, kurie naudoja elektros energiją, kad palengvintų mūsų gyvenimą, tačiau iki šiol dauguma žmonių neturi supratimo apie šį svarbų reiškinį. Pirmiausia, norėdami suprasti pagrindinius elektros energijos principus, turime išnagrinėti du pagrindinius apibrėžimus: elektros srovė ir įtampa.
Turinys
Kas yra kintamoji srovė ir įtampa
Elektros srovė - tai tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas (elektros krūvio nešėjai). Elektros srovės nešėjai yra elektronai (metaluose ir dujose), katijonai ir anijonai (elektrolitų), skylės elektronų ir skylių laidumo. Šis reiškinys pasireiškia sukūrus magnetinį lauką, pasikeitus cheminei sudėčiai arba įkaitus laidininkams. Pagrindinės srovės charakteristikos:
- Pagal Omo dėsnį nustatomas srovės stipris, matuojamas amperais (А), formulėse jis žymimas raide I;
- galia pagal Džaulio ir Lenco dėsnį, matuojama vatais (W) žymimas P;
- dažnis, matuojamas hercais (Hz).
Elektros srovė naudojama kaip energijos nešiklis mechaninei energijai gaminti elektros varikliuose, šiluminei energijai gaminti šildymo prietaisuose, elektriniame suvirinime ir šildytuvuose, įvairių dažnių elektromagnetinėms bangoms generuoti, magnetiniams laukams kurti elektromagnetuose ir šviesos energijai gaminti visų rūšių apšvietimo prietaisuose ir lempose.
Įtampa - tai darbas, kurį atlieka elektrinis laukas, perkeliant 1 kulono krūvį (Kulono) iš vieno laidininko taško į kitą. Tačiau iš šio apibrėžimo sunku suprasti, kas yra įtampa.
Kad įkrauta dalelė judėtų iš vieno poliaus į kitą, tarp šių polių turi susidaryti potencialų skirtumas (tai vadinama įtampa). Įtampos matavimo vienetas yra voltas (В).
Norint galutinai suprasti elektros srovės ir įtampos apibrėžimą, galima pateikti įdomią analogiją: įsivaizduokite, kad elektros krūvis yra vanduo, tada vandens slėgis kolonėlėje yra įtampa, o vandens tekėjimo vamzdžiu greitis yra elektros srovės stipris. Kuo didesnė įtampa, tuo stipresnė elektros srovė.
Kas yra kintamoji srovė
Pakeitus potencialų poliškumą, pasikeičia elektros srovės tekėjimo kryptis. Tokia srovė vadinama kintamąja srove. Krypties pokyčio dydis per tam tikrą laiko tarpą vadinamas dažniu ir, kaip minėta, matuojamas hercais (Hz). Pavyzdžiui, standartiniame mūsų šalies elektros tinkle dažnis yra 50 Hz, o tai reiškia, kad srovės kryptis keičiasi 50 kartų per sekundę.
Kas yra nuolatinė srovė
Kai įkrautų dalelių judėjimas visada vyksta tik viena kryptimi, ši srovė vadinama nuolatine. Nuolatinė srovė atsiranda nuolatinės įtampos tinkle, kai vienos ir kitos pusės krūvininkų poliariškumas laikui bėgant yra pastovus. Jis labai dažnai naudojamas įvairiuose elektroniniuose prietaisuose ir technikoje, kai nereikia perduoti energijos dideliais atstumais.
Elektros srovės šaltiniai
Elektros srovės šaltinis Apskritai tai prietaisas arba įrenginys, kuriuo grandinėje galima sukurti elektros srovę. Tokie prietaisai gali gaminti tiek kintamąją, tiek nuolatinę srovę. Pagal elektros energijos gamybos būdą jie skirstomi į mechaninius, šviesos, šiluminius ir cheminius srovės generatorius.
Mechaninis Elektros srovės šaltiniai mechaninę energiją paverčia elektros energija. Tokią įrangą sudaro įvairių tipų generatoriaikurie generuoja kintamąją elektros srovę sukdami elektromagnetą aplink indukcinių variklių ritę.
Šviesa šaltiniai konvertuoja fotonų energiją (šviesos energija) į elektros energiją. Juose panaudojama puslaidininkių savybė, kad veikiant šviesos srautui atsiranda įtampa. Saulės kolektoriai gali būti laikomi tokia įranga.
Terminis - Šilumos energiją į elektros energiją paverčia temperatūrų skirtumas tarp dviejų besiliečiančių puslaidininkių porų - termoelementų. Srovės stipris tokiuose prietaisuose tiesiogiai priklauso nuo temperatūrų skirtumo: kuo didesnis skirtumas, tuo didesnis srovės stipris. Tokie šaltiniai naudojami, pavyzdžiui, geoterminėse elektrinėse.
Cheminės medžiagos Cheminių reakcijų metu gaminama elektra. Pavyzdžiui, tokiems prietaisams galima priskirti įvairių tipų galvanines baterijas ir akumuliatorius. Galvaniniai srovės šaltiniai paprastai naudojami autonominiuose įrenginiuose, transporto priemonėse, prietaisuose ir yra nuolatinės srovės šaltiniai.
Kintamosios srovės keitimas į nuolatinę srovę
Visame pasaulyje veikiančiuose elektros prietaisuose naudojama ir nuolatinė, ir kintamoji srovė. Todėl reikia vieną srovę paversti kita arba atvirkščiai.
Kintamąją srovę į nuolatinę galima paversti naudojant diodų tiltelį arba lygintuvą. Pagrindinė lygintuvo dalis yra puslaidininkinis diodas, kuris praleidžia elektros srovę tik viena kryptimi. Po šio diodo srovė nekeičia savo krypties, tačiau atsiranda pulsacijos, kurios pašalinamos naudojant kondensatoriai ir kitus filtrus. Lygintuvai būna mechaniniai, vakuuminiai arba puslaidininkiniai.
Priklausomai nuo tokio prietaiso pagaminimo kokybės, pulsacijų srovė išėjime bus skirtingos vertės, paprastai kuo brangesnis ir geriau pagamintas prietaisas, tuo mažesnės pulsacijos ir švaresnė srovė. Tokių prietaisų pavyzdžiai maitinimo šaltiniai įvairiems prietaisams ir įkrovikliams, įvairių rūšių transporto priemonių elektros maitinimo blokų lygintuvams, nuolatinės srovės suvirinimo aparatams ir kt.
Keitikliai naudojami nuolatinei srovei paversti kintamąja. Tokie prietaisai generuoja sinusoidės formos kintamąją įtampą. Yra kelios šių prietaisų rūšys: variklio keitikliai, reliniai keitikliai ir elektroniniai keitikliai. Visi jie skiriasi pagal gaminamos kintamosios srovės kokybę, kainą ir dydį. Pavyzdžiui, nepertraukiamo maitinimo šaltiniai, inverteriai automobiliuose arba saulės elektrinėse.
Kur naudojama kintamosios ir nuolatinės srovės energija ir kokie yra jos privalumai
Įvairioms užduotims atlikti gali prireikti naudoti ir kintamąją, ir nuolatinę srovę. Kiekviena srovės rūšis turi savų privalumų ir trūkumų.
Kintamoji srovė dažniausiai naudojamas, kai srovę reikia perduoti dideliais atstumais. Toks srovės tipas yra tikslingesnis galimų nuostolių ir įrangos kainos požiūriu. Todėl dauguma prietaisų ir mašinų naudoja tik šio tipo srovę.
Namai ir įmonės, infrastruktūra ir transporto objektai yra nutolę nuo elektrinių, todėl visi elektros tinklai yra kintamosios srovės. Šie tinklai maitina visus buitinius prietaisus, pramoninę įrangą ir traukinių lokomotyvus. Yra neįtikėtinai daug kintamąja srove maitinamų prietaisų, todėl daug lengviau aprašyti tuos, kurie naudoja nuolatinę srovę.
Nuolatinė srovė naudojamas autonominėse sistemose, pavyzdžiui, transporto priemonių, orlaivių, jūrų laivų ir elektrinių traukinių borto sistemose. Jis plačiai naudojamas mikroschemoms maitinti įvairiose elektronikos, ryšių ir kitose srityse, kur reikia sumažinti arba pašalinti trikdžius ir pulsacijas. Kai kuriais atvejais tokia srovė naudojama elektriniam suvirinimui naudojant inverterius. Yra net geležinkelio lokomotyvų, veikiančių nuolatinės srovės sistemomis. Medicinoje tokia srovė naudojama vaistams į organizmą įvesti elektroforezės būdu ir moksliniais tikslais skirtingoms medžiagoms atskirti (baltymų elektroforezė ir kt.).
Elektros prietaisų ir grandinių simboliai
Dažnai reikia nustatyti, kokia srove veikia prietaisas. Juk prijungus nuolatinės srovės prietaisą prie kintamosios srovės tinklo, neišvengiamai gali kilti nemalonių pasekmių: sugadinti prietaisą, sukelti gaisrą ar elektros smūgį. Tam yra tarptautiniu mastu pripažinti simboliai standartiniai pavadinimai tokioms sistemoms ir net spalvotais kabeliais.
Pavyzdžiui, nuolatinės srovės prietaisai žymimi viena linija, dviem ištisinėmis linijomis arba ištisine linija ir punktyrine linija po ja. Tokios srovės taip pat žymimos šiomis lotyniškomis raidėmis DC. Elektros laidų izoliacija nuolatinės srovės sistemose yra raudonos spalvos, kai srovė yra teigiama, ir mėlynos arba juodos spalvos, kai srovė yra neigiama.
Elektros aparatuose ir mašinose kintamoji srovė žymima angliška santrumpa AC arba banguota linija. Schemose ir prietaisų aprašymuose jis taip pat žymimas dviem linijomis: ištisine linija ir banguota linija, esančiomis viena po kita. Dažniausiai laidininkai žymimi taip: fazė - ruda arba juoda spalva, neutralė - mėlyna, o įžeminimas - žalia/geltona.
Kodėl dažniau naudojama kintamoji srovė
Pirmiau jau kalbėjome apie tai, kodėl šiandien dažniau naudojama kintamoji nei nuolatinė srovė. Tačiau pažvelkime į šį klausimą atidžiau.
Nuo pat elektros energijos atradimo vyksta diskusijos dėl to, kokią srovę geriau naudoti. Yra net toks dalykas kaip "srovių karas" - Tomo Edisono ir Nikolos Teslos varžybos dėl vienos srovės rūšies naudojimo. Šių didžiųjų mokslininkų sekėjų kova tęsėsi iki 2007 m., kai Niujorko miestas nuo nuolatinės srovės perėjo prie kintamosios srovės.
Svarbiausia priežastis, kodėl dažniau naudojama kintamoji srovė, yra ta, kad tai galimybė perduoti jį dideliais atstumais su minimaliais nuostoliais.. Kuo didesnis atstumas tarp srovės šaltinio ir galutinio vartotojo, tuo didesnė varža laidų ir šilumos nuostoliai iš laidų.
Norint gauti didžiausią galią, reikia padidinti kabelių storį (ir taip sumažina pasipriešinimą) arba padidinti įtampą.
Kintamosios srovės sistemose galima padidinti įtampą naudojant mažiausio storio laidus ir taip sumažinti elektros linijų sąnaudas. Nuolatinės srovės sistemose nėra prieinamų ir veiksmingų būdų padidinti įtampą, todėl tokiuose tinkluose reikia didinti laidininkų storį arba statyti daug mažų elektrinių. Abu šie būdai yra brangūs ir gerokai padidina elektros energijos kainą, palyginti su kintamosios srovės tinklais.
Naudojant elektros transformatorius, kintamoji įtampa efektyviai (su iki 99 % efektyvumu.) galima keisti abiem kryptimis nuo mažiausių iki didžiausių verčių, o tai taip pat yra vienas iš svarbių kintamosios srovės tinklų privalumų. Naudojant trifazę kintamosios srovės sistemą dar labiau padidėja efektyvumas, o mašinos, pavyzdžiui, varikliai, veikiantys kintamosios srovės elektros tinkluose, yra daug mažesnės, pigesnės ir lengviau prižiūrimos nei nuolatinės srovės varikliai.
Iš to, kas išdėstyta, galima daryti išvadą, kad kintamąją srovę naudinga naudoti dideliuose tinkluose ir perduodant elektros energiją dideliais atstumais, o tiksliam ir efektyviam elektroninių prietaisų ir autonominių įrenginių veikimui patartina naudoti nuolatinę srovę.
Susiję straipsniai:
