Οι σημερινοί επιστήμονες καταλαβαίνουν ότι η ηλεκτρική ενέργεια είναι ένα από τα πιο θεμελιώδη φαινόμενα στη φύση. Οι ηλεκτρικές παλμοί συνεχώς διατρέχουν όλο το σώμα μας, και ακόμη και το ίδιο το θέμα του κόσμου μας συγκρατείται από ηλεκτρικά φορτία. Παρόλα αυτά, η ηλεκτρική ενέργεια έπρεπε να ανακαλυφθεί και υπάρχει κάποια διαμάχη σχετικά με το ποιος ήταν ο πρώτος που το έκανε.
Ο ερευνητής μπορεί να ήταν ο Άγγλος ιατρός William Gilbert, ο οποίος ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε τη λέξη "electricus" το έτος 1600. Ίσως ήταν επίσης ο Άγγλος επιστήμονας Thomas Browne, ο οποίος επινόησε τη λέξη «ηλεκτρισμός» μερικά χρόνια αργότερα.
Οι Αμερικανοί θέλουν να πιστεύουν ότι ήταν ο εφευρέτης Μπέντζαμιν Φράνκλιν, ο οποίος απέδειξε ότι η αστραπή ήταν ηλεκτρισμός το 1752. Υπάρχουν ακόμη στοιχεία που δείχνουν ότι οι αρχαίοι Έλληνες και οι Πέρσες γνώριζαν για την ηλεκτρική ενέργεια. Όποιος κερδίσει το έπαθλο, είναι ένα σίγουρο στοίχημα ότι ανακάλυψαν ρεύμα DC (συνεχές ρεύμα). Η ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος (εναλλασσόμενο ρεύμα) δεν ήρθε μέχρι τον 19ο αιώνα.
Τι είναι το DC Electricity;
Οι επιστήμονες απεικονίζουν την ηλεκτρική ενέργεια ως ροή αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων που ονομάζονται ηλεκτρόνια. Είναι τα ίδια σωματίδια που περιστρέφονται γύρω από τους πυρήνες όλων των ατόμων που αποτελούν την ύλη.
Οι δύο θεμελιώδεις νόμοι της ηλεκτρικής ενέργειας είναι ότι τα αντίθετα προσελκύουν και αρέσουν τα απωθητικά. Κατά συνέπεια, τα ηλεκτρόνια θα ρέουν προς ένα θετικό τερματικό και μακριά από ένα αρνητικό. Η ροή συμβαίνει μόνο σε μία κατεύθυνση, και η ισχύς της ροής, ή το ρεύμα, εξαρτάται από τη διαφορά φορτίου μεταξύ των δύο ακροδεκτών. Αυτή η διαφορά είναι η τάση μεταξύ των ακροδεκτών.
Ελλείψει εξωτερικής εισόδου, τα ηλεκτρόνια θα συσσωρευτούν στο θετικό τερματικό και θα μειώσουν τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο ακροδεκτών και τελικά η ροή θα σταματήσει.
Παραδείγματα συνεχούς ρεύματος
Ίσως το πιο γνωστό παράδειγμα ροής ρεύματος DC είναι μια αστραπή. Η απόδειξη ότι ο κεραυνός είναι ηλεκτρικό φαινόμενο ήταν το πραγματικό επίτευγμα του Benjamin Franklin. Ο Φράνκλιν πέταξε έναν χαρταετό σε μια καταιγίδα και πρόσδεσε ένα κλειδί στη χορδή του χαρταετού. Όταν το κλειδί φορτίστηκε ηλεκτρικά και του έδωσε ένα ελαφρύ σοκ, ενθουσιάστηκε. Είχε αποδείξει ότι το ηλεκτρικό φορτίο συσσωρεύεται στα σύννεφα και ότι ο κεραυνός είναι μια εκφόρτιση αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας σε μια στιγμιαία αναλαμπή ρεύματος DC.
Η μπαταρία είναι μια άλλη κοινή πηγή ηλεκτρικής ενέργειας DC. Αποτελείται από ένα ζεύγος τερματικών με αντίθετη φόρτιση, και όταν συνδέετε τους ακροδέκτες με έναν αγωγό, η ηλεκτρική ενέργεια ρέει από τον αρνητικό ακροδέκτη (την κάθοδο) στο θετικό (την άνοδο).
Η διαφορά φόρτισης μιας μπαταρίας συνήθως παρέχεται από μια χημική διαδικασία στον πυρήνα της και αυτή η διαδικασία μπορεί να συνεχιστεί μόνο για περιορισμένο χρονικό διάστημα. Εάν συνεχίζετε να αντλεί ενέργεια από μια μπαταρία, σταματά τελικά την παραγωγή φόρτισης και πεθαίνει.
Τι είναι η ηλεκτρική ενέργεια AC;
Ο Άγγλος φυσικός Michael Faraday ανακάλυψε ηλεκτρομαγνητική επαγωγή το 1831 όταν ανακάλυψε ότι αυτός θα μπορούσε να δημιουργήσει ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα πηνίο αγώγιμου σύρματος μετακινώντας έναν μαγνήτη μπρος-πίσω μέσα στο σπείρα.
Βασικά, ο Faraday σημείωσε ότι το ρεύμα άλλαζε κατεύθυνση όποτε άλλαζε την κατεύθυνση του μαγνήτη. Ο Γάλλος κατασκευαστής οργάνων Hippolyte Pixii χρησιμοποίησε αυτήν την ανακάλυψη για να κατασκευάσει την πρώτη γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος το 1832.
Η ηλεκτρική ενέργεια AC παράγεται πάντα από μια γεννήτρια επαγωγής του τύπου που κατασκευάστηκε από την Pixii, αν και οι σύγχρονες γεννήτριες είναι πολύ πιο εξελιγμένες από τη μηχανή της Pixii. Η γεννήτρια μπορεί να χρησιμοποιεί περιστρεφόμενους μαγνήτες ή μπορεί να έχει περιστρεφόμενο πηνίο, αλλά υπάρχουν πάντα μερικοί τύπος περιστροφής που εμπλέκεται και η περίοδος περιστροφής καθορίζει πόσο συχνά αλλάζει το τρέχον κατεύθυνση.
Επειδή αλλάζει κατεύθυνση, η ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος έχει σχετική συχνότητα, που είναι ο αριθμός των φορών ανά δευτερόλεπτο που αντιστρέφεται.
Εναλλακτικά τρέχοντα παραδείγματα
Δεν χρειάζεται να κοιτάξετε μακριά για να βρείτε παραδείγματα ηλεκτρικής ενέργειας εναλλασσόμενου ρεύματος. Τα φώτα στο δωμάτιο στο οποίο κάθεστε, καθώς και το κλιματιστικό, η ηλεκτρική θερμάστρα και όλες οι συσκευές, λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα, το οποίο παράγεται στον τοπικό σταθμό παραγωγής ενέργειας.
Οι περισσότεροι σταθμοί παραγωγής ενέργειας χρησιμοποιούν ατμό που παράγεται από ορυκτά καύσιμα, πυρηνική σχάση ή γεωθερμικές διεργασίες για την περιστροφή ενός στροβίλου. Ο στρόβιλος παράγει ηλεκτρική ενέργεια με ηλεκτρομαγνητική επαγωγή και η ταχύτητα περιστροφής ρυθμίζεται προσεκτικά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με σταθερή συχνότητα. Στη Βόρεια Αμερική, η συχνότητα είναι 60 Hz (κύκλοι ανά δευτερόλεπτο), αλλά στο μεγαλύτερο μέρος του υπόλοιπου κόσμου, είναι 50 Hz.
Οι ανεμόμυλοι είναι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που παράγουν επίσης εναλλασσόμενο ρεύμα, αλλά βασίζονται στον άνεμο για να περιστρέψουν τους στροβίλους τους αντί για ορυκτά καύσιμα ή πυρηνικά καύσιμα. Ορισμένες γεννήτριες κυμάτων έχουν επίσης στροβίλους που παράγουν εναλλασσόμενο ρεύμα. Όταν τα κύματα συμπιέζουν ένα υδραυλικό σύστημα ή μια θήκη κλειστού αέρα, η αποθηκευμένη ενέργεια χρησιμοποιείται για την περιστροφή ενός στροβίλου.
Διαφορές μεταξύ AC και DC
Στον ηλεκτροκίνητο κόσμο του 21ου αιώνα, είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς μια εποχή που δεν υπήρχε ηλεκτρική ενέργεια, αλλά αυτός ο χρόνος δεν ήταν πολύ καιρό πριν. Στα τέλη του 19ου αιώνα, η λάμπα είχε εφευρεθεί, αλλά δεν υπήρχε τρόπος να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια και να την εισέλθουν σε σπίτια, ώστε οι άνθρωποι να μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τη νέα εφεύρεση.
Ο Τόμας Έντισον, ο οποίος βοήθησε στην ανάπτυξη και εμπορία λαμπτήρων, ήταν υπέρ ενός δικτύου παραγωγής DC σταθμούς, ενώ ο Νικόλα Τέσλα, ένας Σέρβος εφευρέτης και πρώην υπάλληλος της Edison's, ευνόησε την AC γεννήτριες. Ο Tesla κέρδισε και εδώ είναι μερικοί από τους λόγους:
- Στις τάσεις που απαιτούνται για χρήση ηλεκτρικής ενέργειας ευρείας κλίμακας, η ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος μπορεί να μεταδοθεί περαιτέρω κατά μήκος των γραμμών ισχύος με λιγότερη πτώση τάσης. Εάν ο Edison είχε επικρατήσει, και η DC ηλεκτρική ενέργεια είχε γίνει το πρότυπο, θα έπρεπε να υπάρχουν σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής σε απόσταση ενός μιλίου το ένα από το άλλο. Η Tesla, από την άλλη πλευρά, μπόρεσε να τροφοδοτήσει ολόκληρη την πόλη του Buffalo της Νέας Υόρκης, με μία γεννήτρια επαγωγής τοποθετημένη κάτω από τους καταρράκτες του Νιαγάρα.
- Η παραγωγή εναλλασσόμενου ρεύματος είναι φθηνότερη. Μια υδροηλεκτρική γεννήτρια, όπως αυτή του Niagara Falls, μπορεί να δημιουργήσει ηλεκτρισμό από μια φυσική διαδικασία. Δεν απαιτείται άλλη είσοδος.
- Η τάση της ισχύος AC μπορεί να αλλάξει με έναν μετασχηματιστή. Την εποχή του Tesla και του Edison, αυτό δεν ήταν δυνατό με το ρεύμα DC. Σήμερα, ωστόσο, είναι διαθέσιμοι μετασχηματιστές που χρησιμοποιούν εσωτερικά κυκλώματα ή μετατροπείς για να αλλάξουν την τάση του ρεύματος DC.
Αλλαγή AC σε DC και ξανά
Παρόλο που η ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από τα ηλεκτροφόρα καλώδια είναι AC, ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός συχνά απαιτεί DC. Σε ένα διάγραμμα κυκλώματος, το σύμβολο συνεχούς ρεύματος είναι μια ευθεία γραμμή με τρεις κουκκίδες ή γραμμές κάτω από αυτό, ενώ αυτό για εναλλασσόμενο ρεύμα είναι μια μόνο κυματιστή γραμμή. Για να μετατρέψετε το ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος σε DC, οι ειδικοί ηλεκτρονικών χρησιμοποιούν συνήθως ένα στοιχείο κυκλώματος που ονομάζεται δίοδος ή ανορθωτή. Περνά ρεύμα σε μία μόνο κατεύθυνση, δημιουργώντας έτσι ένα παλμικό σήμα DC από μια πηγή ρεύματος AC.
Το εργαλείο μετατροπής ρεύματος DC σε εναλλασσόμενο ρεύμα ονομάζεται μετατροπέας. Χρησιμοποιεί τρανζίστορ, τα οποία είναι εξαρτήματα κυκλώματος που μπορούν να ενεργοποιηθούν και να απενεργοποιηθούν πολύ γρήγορα, για να κατευθύνουν το ρεύμα κατά μήκος μιας σειράς κυκλώματος διαδρομές που αλλάζουν αποτελεσματικά την κατεύθυνση σε ένα ζεύγος κεντρικών ακροδεκτών, το οποίο είναι το τμήμα του κυκλώματος στο οποίο συνδέετε το AC φορτώνω. Οι μετατροπείς χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα. Χρησιμοποιούνται επίσης σε φωτοβολταϊκά συστήματα για τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας DC που παράγεται από ηλιακούς συλλέκτες σε ρεύμα AC για χρήση στο σπίτι.