Što je izmjenična i istosmjerna struja?

Današnji znanstvenici električnu energiju shvaćaju kao jedan od temeljnih fenomena u prirodi. Električni impulsi neprestano se provlače kroz naše tijelo, pa čak i sam materijal našeg svijeta zajedno drži električni naboj. Unatoč tome, električnu energiju i dalje je trebalo otkriti, a postoje i kontroverze oko toga tko je prvi to učinio.

Otkrivač je možda bio engleski liječnik William Gilbert, koji je prvi upotrijebio riječ "electricus" 1600. godine. Možda je to bio i engleski znanstvenik Thomas Browne, koji je nekoliko godina kasnije skovao riječ "elektricitet".

Amerikanci vole vjerovati da je izumitelj Benjamin Franklin dokazao da je grom bila električna energija 1752. godine. Postoje čak i dokazi koji pokazuju da su stari Grci i Perzijanci znali za električnu energiju. Tko god dobije nagradu, sigurno je da je otkrio istosmjernu struju (istosmjernu struju). Naizmjenična struja (izmjenična struja) pojavila se tek u 19. stoljeću.

Znanstvenici električnu energiju vizualiziraju kao protok negativno nabijenih čestica zvanih elektroni. One su iste čestice koje kruže oko jezgri svih atoma koji čine materiju.

Dva temeljna zakona električne energije su da suprotnosti privlače i vole odbijaju slične. Slijedom toga, elektroni će teći prema pozitivnom terminalu i od negativnog. Protok se događa samo u jednom smjeru, a jačina protoka ili struje ovisi o razlici u napunjenosti između dva terminala. Ova razlika je napon između stezaljki.

U nedostatku vanjskog ulaza, elektroni će se akumulirati na pozitivnom terminalu i smanjiti potencijalnu razliku između dva terminala, a na kraju će se protok zaustaviti.

Možda najpoznatiji primjer protoka istosmjerne struje je udar groma. Dokazati da je munja električni fenomen bilo je stvarno postignuće Benjamina Franklina. Franklin je letio zmajem u grmljavinskoj oluji i pričvrstio ključ za niz zmajeva. Kad se ključ električki napunio i zadao mu blagi šok, bio je ushićen. Dokazao je da se električni naboj nakuplja u oblacima i da je munja pražnjenje ove električne energije u trenutnom bljesku istosmjerne struje.

Baterija je još jedan uobičajeni izvor istosmjerne električne energije. Sastoji se od para suprotno nabijenih stezaljki, a kad terminale spojite vodičem, struja teče od negativnog terminala (katode) do pozitivnog (anoda).

Razliku u napunjenosti baterije obično osigurava kemijski postupak u njezinoj jezgri, a taj se postupak može nastaviti samo ograničeno vrijeme. Ako neprestano crpite energiju iz baterije, ona na kraju prestaje stvarati naboj i nestaje.

Engleski fizičar Michael Faraday otkrio je elektromagnetsku indukciju 1831. godine kada je ustanovio da on mogao generirati električnu struju u zavojnici vodljive žice pomičući magnet naprijed-natrag unutar zavojnica.

Ključno je što je Faraday primijetio da je struja mijenjala smjer kad god je promijenio smjer magneta. Francuski proizvođač instrumenata Hippolyte Pixii iskoristio je ovo otkriće za izgradnju prvog generatora izmjenične struje 1832. godine.

Električnu energiju naizmjeničnom strujom uvijek proizvodi indukcijski generator tipa Pixii, iako su moderni generatori daleko sofisticiraniji od Pixiijevog stroja. Generator može upotrijebiti rotirajuće magnete ili može imati rotirajuću zavojnicu, ali uvijek ih ima vrstu rotacije koja je uključena, a razdoblje rotacije definira koliko se često mijenja struja smjer.

Budući da mijenja smjer, izmjenična struja ima pridruženu frekvenciju, što je broj okretaja u sekundi.

Ne morate tražiti daleko da biste pronašli primjere izmjenične struje. Svjetla u sobi u kojoj sjedite, kao i klima uređaj, električni grijač i svi uređaji, rade na izmjeničnu struju koja se generira u vašoj lokalnoj elektrani.

Većina elektrana za vrtnju turbine koristi paru koju generiraju fosilna goriva, nuklearna fisija ili geotermalni procesi. Turbina generira električnu energiju elektromagnetskom indukcijom, a brzina rotacije pažljivo se regulira kako bi se proizvela električna energija s fiksnom frekvencijom. U Sjevernoj Americi frekvencija je 60 Hz (ciklusa u sekundi), ali u većini ostatka svijeta iznosi 50 Hz.

Vjetrenjače su obnovljivi izvori energije koji također generiraju izmjeničnu struju, ali oslanjaju se na vjetar koji će vrtjeti njihove turbine umjesto fosilnih goriva ili nuklearnog goriva. Neki generatori valova imaju i turbine koje proizvode izmjeničnu struju. Kada valovi komprimiraju hidraulički sustav ili džep zatvorenog zraka, uskladištena energija koristi se za vrtnju turbine.

U naelektriziranom svijetu 21. stoljeća teško je zamisliti vrijeme kada nije bilo električne energije, ali to vrijeme nije bilo tako davno. Krajem 19. stoljeća žarulja je izumljena, ali nije bilo načina za stvaranje energije i unošenje u domove kako bi ljudi mogli koristiti novi izum.

Thomas Edison, koji je pomagao u razvoju i tržištu žarulja, bio je za mrežu proizvodnje DC-a stanice, dok je Nikola Tesla, srpski izumitelj i bivši Edisonov zaposlenik, favorizirao AC generatori. Tesla je pobijedio, a evo nekoliko razloga:

• Na naponima potrebnim za široku upotrebu električne energije, izmjenična struja može se dalje prenositi po dalekovodima s manjim padom napona. Da je Edison prevladao i da je istosmjerna struja postala standard, morali bi postojati elektrane na udaljenosti od jedne milje jedna od druge. S druge strane, Tesla je uspio napajati cijeli grad Buffalo u New Yorku jednim indukcijskim generatorom smještenim ispod slapova Niagare.

• Proizvodnja električne energije naizmjeničnom strujom je jeftinija. Hidroelektrični generator kakav je onaj na slapovima Niagara može stvoriti električnu energiju iz prirodnog procesa. Nije potreban nikakav drugi unos.

• Napon izmjenične struje može se mijenjati pomoću transformatora. U vrijeme Tesle i Edisona to nije bilo moguće s istosmjernom strujom. Danas su međutim dostupni transformatori koji koriste unutarnje sklopove ili pretvarače za izmjenu napona istosmjerne struje.

Iako je električna energija koja dolazi kroz dalekovode izmjenična, elektronička oprema često zahtijeva istosmjernu struju. U shemi sklopa, simbol istosmjerne struje je ravna crta s tri točke ili crte ispod nje, dok je za izmjeničnu struju jedna valovita crta. Da bi pretvorili izmjeničnu struju u istosmjernu, stručnjaci za elektroniku obično koriste komponentu sklopa koja se naziva dioda ili ispravljač. Propušta struju samo u jednom smjeru, stvarajući tako pulsirajući istosmjerni signal iz izvora izmjenične struje.

Alat za pretvorbu istosmjerne u izmjeničnu struju naziva se pretvarač. Koristi tranzistore, koji su komponente kruga koji se mogu vrlo brzo uključiti i isključiti, za usmjeravanje struje duž niza sklopova staze koje učinkovito mijenjaju svoj smjer kroz par središnjih terminala, što je dio kruga na koji priključite izmjenični napon opterećenje. Pretvarači se koriste u električnim vozilima. Također se koriste u fotonaponskim sustavima za pretvaranje istosmjerne električne energije koju generiraju solarni paneli u izmjeničnu struju za upotrebu u kući.