Tänapäeva teadlased mõistavad elektrit kui üht kõige põhilisemat nähtust looduses. Elektriimpulsid kulgevad kogu meie kehas pidevalt ja isegi meie maailma mateeriat hoiavad koos elektrilaengud. Hoolimata sellest tuli ikkagi avastada elekter ja on mõned vaidlused selle üle, kes esimesena seda tegi.
Avastaja võis olla inglise arst William Gilbert, kes kasutas esimesena 1600. aastal sõna "electricus". See võis olla ka inglise teadlane Thomas Browne, kes paar aastat hiljem mõtles välja sõna "elekter".
Ameeriklastele meeldib uskuda, et just leiutaja Benjamin Franklin tõestas 1752. aastal, et välk oli elekter. On isegi tõendeid selle kohta, et vanad kreeklased ja pärslased teadsid elektrist. Kes auhinna saab, on kindel kihlvedu, et nad avastasid alalisvoolu (alalisvoolu). Vahelduvvoolu vool (vahelduvvool) tuli alles 19. sajandil.
Mis on alalisvoolu elekter?
Teadlased visualiseerivad elektrit negatiivselt laetud osakeste vooluna, mida nimetatakse elektronideks. Need on samad osakesed, mis tiirlevad ümber kõigi aatomite, mis moodustavad aine.
Kaks põhilist elektriseadust on see, et vastandid meelitavad ja sarnanevad tõrjuvatele. Järelikult voolavad elektronid positiivse klemmi suunas ja eemale negatiivsest. Vool toimub ainult ühes suunas ja voolu või voolu tugevus sõltub kahe klemmi laengu erinevusest. See erinevus on klemmide vaheline pinge.
Välise sisendi puudumisel akumuleeruvad elektronid positiivsesse klemmi ja vähendavad potentsiaali erinevust kahe klemmi vahel ning lõpuks vool peatub.
Alalisvoolu näited
Võib-olla tuntuim alalisvoolu voolu näide on pikselöök. Tõestamine, et välk on elektriline nähtus, oli Benjamin Franklini tõeline saavutus. Franklin lennutas äikeses tuulelohega ja kinnitas lohe nöörile võtme. Kui võti sai elektrilaengu ja andis talle kerge šoki, oli ta elevil. Ta oli tõestanud, et pilvedesse koguneb elektrilaeng ja välk on selle elektrienergia tühjenemine alalisvoolu hetkelises välklambis.
Aku on teine tavaline alalisvooluallika allikas. See koosneb paarist vastupidiselt laetud klemmidest ja kui ühendate klemmid juhtmega, voolab elekter negatiivsest klemmist (katood) positiivsesse (anood).
Aku laengute erinevuse tagab tavaliselt selle südamikus toimuv keemiline protsess ja seda protsessi saab jätkata ainult piiratud aja jooksul. Kui jätkate aku voolutõmbamist, lakkab see lõpuks laadimast ja sureb.
Mis on vahelduvvoolu elekter?
Inglise füüsik Michael Faraday avastas 1831. aastal elektromagnetilise induktsiooni, kui leidis, et ta võiks tekitada juhtme mähises elektrivoolu, liigutades magnetti edasi-tagasi mähis.
Oluline on, et Faraday märkis, et vool muutis suunda alati, kui ta muutis magneti suunda. Prantsuse pillimeister Hippolyte Pixii kasutas seda avastust esimese vahelduvvoolugeneraatori ehitamiseks 1832. aastal.
Vahelduvvoolu elektrit toodab alati Pixii ehitatud tüüpi induktsioonigeneraator, ehkki tänapäevased generaatorid on palju keerukamad kui Pixii masinad. Generaator võib kasutada pöörlevaid magneteid või pöörlevat mähist, kuid neid on alati olemas kaasatud pöörlemistüüp ja pöörlemisperiood määrab voolu muutumise sageduse suund.
Kuna see muudab suunda, on vahelduvvooluelektril seotud sagedus, mis on mitu korda sekundis seda pööratakse.
Vahelduvvoolu näited
Vahelduvvoolu näidete leidmiseks ei pea kaugelt otsima. Teie toas istuvad tuled, samuti kliimaseade, elektrikeris ja kõik seadmed töötavad vahelduvvoolu abil, mis tekib teie kohalikus elektrijaamas.
Enamik elektrijaamu kasutab turbiini pöörlemiseks fossiilkütuste, tuuma lõhustumise või geotermiliste protsesside käigus tekkivat auru. Turbiin tekitab elektromagnetilise induktsiooni teel elektrit ja fikseeritud kiirusega elektri tootmiseks pöörlemiskiirust reguleeritakse hoolikalt. Põhja-Ameerikas on sagedus 60 Hz (tsüklit sekundis), kuid enamikus ülejäänud maailmas on see 50 Hz.
Tuuleveskid on taastuvad energiaallikad, mis toodavad ka vahelduvvoolu elektrit, kuid fossiilkütuste või tuumakütuse asemel toetuvad nad turbiinide pöörlemisel tuulele. Mõnel lainegeneraatoril on ka turbiinid, mis toodavad vahelduvvoolu. Kui lained suruvad kokku hüdraulikasüsteemi või kinnise õhu tasku, kasutatakse salvestatud energiat turbiini pöörlemiseks.
Vahelduvvoolu ja alalisvoolu erinevused
21. sajandi elektrifitseeritud maailmas on raske ette kujutada aega, mil elektrit ei olnud, kuid see aeg polnud kuigi ammu. 19. sajandi lõpus oli lambipirn leiutatud, kuid polnud võimalust elektrit toota ja koju kätte saada, et inimesed saaksid uut leiutist kasutada.
Thomas Edison, kes aitas välja töötada ja turustada lambipirne, pooldas alalisvoolu tekitamise võrku jaamades, samas kui Serbia leiutaja ja endine Edisoni töötaja Nikola Tesla soosis AC-d generaatorid. Tesla võitis ja siin on mõned põhjused:
- Elektrivõrgu laiaulatuslikuks kasutamiseks vajalikel pingetel saab vahelduvvoolu elektrit edastada pikema elektriliinide abil väiksema pingelangusega. Kui Edison oleks ülekaalus olnud ja alalisvoolu elektrist oleks saanud standard, oleks pidanud elektrijaamad olema üksteisest miili kaugusel. Tesla seevastu suutis kogu New Yorgis asuvat Buffalo linna toita ühe induktsioonigeneraatoriga, mis oli paigutatud Niagara joa alla.
- Vahelduvvoolu tootmine on odavam. Selline hüdroelektrigeneraator, nagu Niagara joa juures, võib luua elektrit looduslikust protsessist. Muud sisendit pole vaja.
- Vahelduvvoolu pinget saab trafo abil muuta. Tesla ja Edisoni ajal ei olnud see alalisvooluga võimalik. Tänapäeval on aga saadaval trafod, mis kasutavad alalisvoolu pinge muutmiseks sisemist vooluahelat või inverterit.
Vahelduvvoolu muutmine alalisvooluks ja uuesti tagasi
Kuigi elektriliinide kaudu saabuv vool on vahelduvvool, vajavad elektroonikaseadmed sageli alalisvoolu elektrit. Skeemil on alalisvoolu sümbol sirgjoon, mille all on kolm punkti või joont, vahelduvvoolu puhul aga üks laineline joon. Vahelduvvoolu muundamiseks alalisvooluks kasutavad elektroonikaspetsialistid tavaliselt vooluahela komponenti, mida nimetatakse dioodiks või alaldiks. See läbib voolu ainult ühes suunas, luues seeläbi vahelduvvooluallikast pulseeriva alalisvoolu signaali.
Vahendit alalisvoolu muutmiseks vahelduvvooluks nimetatakse inverteriks. See kasutab voolu suunamiseks mööda vooluahelat transistore, mis on vooluahela komponendid, mida saab väga kiiresti sisse ja välja lülitada teed, mis muudavad tõhusalt oma suunda paaril kesksel terminalil, mis on vooluahela osa, mille külge vahelduvvoolu kinnitate koormus. Invertoreid kasutatakse elektrisõidukites. Neid kasutatakse ka fotogalvaanilistes süsteemides, et muundada päikesepaneelide tekitatud alalisvoolu elektrivool kodus vooluks.