מה המטרה של שנאי?

רוב האנשים כנראה שמעו על שנאים והם מודעים לכך שהם חלק מהברור המתמיד אך עדיין דומם רשת חשמל מסתורית המספקת חשמל לבתים, לעסקים ולכל מקום אחר בו נמצא "מיץ" נָחוּץ. אך האדם הטיפוסי מתחלף בלמידת הנקודות הטובות יותר של אספקת החשמל, אולי משום שנראה כי התהליך כולו סגור בסכנה. ילדים לומדים מגיל צעיר שחשמל יכול להיות מסוכן מאוד, וכולם מבינים שיש חוטי חברת החשמל נשמרים גבוהים מהישג ידם (או לפעמים קבורים באדמה) מסיבה טובה.

אבל רשת החשמל היא למעשה ניצחון של הנדסת אנוש, שבלעדיה לא ניתן יהיה לזהות את הציוויליזציה מזו שאתה מאכלס כיום. השנאי הוא מרכיב מרכזי בשליטה ומסירה של חשמל מהנקודה בה הוא נמצא מיוצר בתחנות כוח עד רגע לפני שהוא נכנס לבית, לבניין משרדים או לקצה אחר יַעַד.

תחשוב על סכר שעוצר מיליוני ליטרים של מים כדי ליצור אגם מלאכותי. מכיוון שהנהר שמזין את האגם הזה לא תמיד מביא את אותה כמות מים לאזור, שמימיו נוטים לעלות באזור באביב לאחר שנמס שלג באזורים רבים ונחל בקיץ בתקופות יבשות יותר, כל סכר יעיל ובטוח חייב להיות מצויד במכשירים המאפשרים שליטה עדינה יותר במים מאשר פשוט לעצור את זרימתם עד שהמפלס עולה כל כך הרבה עד שהמים פשוט נשפכים מעל זה. סכרים כוללים לפיכך כל מיני שערי סליפים ומנגנונים אחרים המכתיבים כמה מים ירצו עוברים לצד המורד של הסכר, ללא תלות בכמות לחץ המים במעלה הזרם צַד.

כך עובד בערך שנאי, אלא שהחומר שזורם אינו מים אלא זרם חשמלי. רובוטריקים משמשים לתפעל את רמת המתח הזורמת בכל נקודה ברשת חשמל (שתואר בפירוט רב להלן) באופן שיאזן את יעילות ההולכה עם בטיחות בסיסית. ברור שזה יתרון כלכלית ומעשית הן לצרכנים והן לבעלי תחנת הכוח רשת למניעת אובדן חשמל בין יציאת החשמל לתחנת הכוח לבין הגעתו לבתים או אחרים יעדים. מצד שני, אם כמות המתח הזורמת דרך חוט חשמל אופייני למתח גבוה לא פחתה לפני כניסתך לביתך, תגרום לכאוס ולאסון.

מתח הוא מדד להבדל פוטנציאל חשמלי. המינוח יכול להיות מבלבל מכיוון שתלמידים רבים שמעו את המונח "אנרגיה פוטנציאלית", מה שמקל על בלבול מתח עם אנרגיה. למעשה, המתח הוא אנרגיה פוטנציאלית חשמלית ליחידת מטען, או ג'אול לכל קולומב (J / C). הקולומב הוא היחידה הסטנדרטית של מטען חשמלי בפיזיקה. אלקטרון יחיד מוקצה -11.609 × 10^-19 קולומבים, בעוד שפרוטון נושא מטען שווה בעוצמתו אך הפוך לכיוונו (כלומר מטען חיובי).

מילת המפתח כאן, באמת, היא "הבדל". הסיבה לכך שאלקטרונים זורמים ממקום למקום היא ההבדל במתח בין שתי נקודות הייחוס. מתח מייצג את כמות העבודה שתידרש ליחידת תשלום להעביר את המטען לשדה חשמלי מהנקודה הראשונה לשנייה. כדי לקבל תחושה של קנה מידה, דע כי חוטי שידור למרחקים ארוכים נושאים בדרך כלל בין 155,000 ל 765,000 וולט, ואילו המתח הנכנס לבית הוא בדרך כלל 240 וולט.

בשנות השמונים של המאה העשרים, ספקי שירותי החשמל עשו שימוש בזרם ישר (DC). זה היה כרוך בהתחייבויות, כולל העובדה ש- DC לא יכול לשמש לתאורה והיה מסוכן מאוד ודורש שכבות בידוד עבות. במהלך תקופה זו, ממציא בשם ויליאם סטנלי ייצר את סליל האינדוקציה, מכשיר המסוגל ליצור זרם חילופין (AC). באותה תקופה שסטנלי העלה המצאה זו, פיזיקאים ידעו על תופעת ה- AC והיתרונות שבה היה מבחינת אספקת החשמל, אך איש לא הצליח להמציא אמצעי להעברת זרם חילופין בגדול סוּלָם. סליל האינדוקציה של סטנלי ישמש תבנית לכל הווריאציות העתידיות של המכשיר.

סטנלי כמעט הפך לעורך דין לפני שהחליט לעבוד כחשמלאי. הוא החל בעיר ניו יורק לפני שעבר לפיטסבורג, שם החל לעבוד על השנאי שלו. הוא הקים את מערכת החשמל העירונית הראשונה בשנת 1886 בעיירה גרייט ברינגטון, מסצ'וסטס. לאחר תחילת המאה חברת החשמל שלו נקנתה על ידי ג'נרל אלקטריק.

שנאי יכול גם להגדיל (להגביר) או להקטין (להפחית) את המתח שעובר באמצעות חוטי חשמל. זה מקביל באופן רופף לאופן שבו מערכת הדם יכולה להגדיל או להקטין את אספקת הדם לחלקים מסוימים בגוף בהתאם לביקוש. לאחר שדם ("כוח") עוזב את הלב ("תחנת הכוח"), כדי להגיע לסדרה של נקודות ענף, הוא עלול בסופו של דבר לנסוע אל פלג גוף תחתון במקום פלג גוף עליון, ואז לרגל ימין במקום לשמאל, ואז לעגל במקום לירך, וכו ' זה נשלט על ידי התרחבות או התכווצות של כלי הדם באיברי המטרה וברקמות. כאשר נוצר חשמל בתחנת כוח, השנאים מגבירים את המתח מכמה אלפים עד מאות אלפים למטרות שידור למרחקים ארוכים. כאשר חוטים אלה מגיעים לנקודות הנקראות תחנות כוח, השנאים מפחיתים את המתח עד ל -10,000 וולט. בוודאי ראית את תחנות המשנה האלה ואת השנאים ברמת הביניים שלהם בנסיעות שלך; השנאים מאוחסנים בדרך כלל בקופסאות ונראים מעט כמו מקררים הנטועים בצידי הדרך.

כאשר חשמל עוזב את התחנות הללו, מה שהוא יכול לעשות בדרך כלל במספר כיוונים שונים, זה נתקל בשנאים אחרים הקרובים יותר לנקודת הסיום שלה בחלילות משנה, בשכונות ובאדם פרטי בתים. שנאים אלה מפחיתים את המתח ממתחת ל -10,000 וולט לקרבת 240 - פחות מ -1,000 פעמים מהרמות המקסימליות האופייניות לראות בחוטי מתח גבוה למרחקים ארוכים.

רובוטריקים הם, כמובן, רק מרכיב אחד של רשת החשמל כביכול, השם של מערכת החוטים, מתגים ומכשירים אחרים המייצרים, שולחים ושולטים בחשמל מהמקום בו הוא נוצר למקום בו הוא נמצא בסופו של דבר בשימוש.

השלב הראשון ביצירת חשמל הוא לגרום לסיבוב פיר הגנרטור. נכון לשנת 2018, לרוב זה נעשה באמצעות קיטור המשתחרר בעירה של דלק מאובנים, כגון פחם, נפט או גז טבעי. גם תחנות כוח גרעיניות ומחוללי אנרגיה "נקיים" אחרים כמו תחנות הידרו וחוות טחנות רוח יכולות לרתום או לייצר את האנרגיה הנדרשת להפעלת הגנרטור. לא משנה מה המקרה, החשמל שנוצר במפעלים אלה נקרא כוח תלת פאזי. הסיבה לכך היא שגנרטורים אלה מייצרים חשמל המתנודד בין מינימום מוגדר למקסימום רמת המתח, וכל אחד משלושת השלבים מתקזז ב -120 מעלות מהקדימה ומאחוריה פנימה זְמַן. (תאר לעצמך ללכת הלוך ושוב על פני רחוב של 12 מטר בזמן ששני אנשים אחרים עושים אותו דבר, מה שמספק 24 מטר הלוך ושוב, אלא שאחד משני האנשים האחרים תמיד לפניך 8 מטרים והשני מאחור אתה. בחלק מהזמנים, שניים מכם ילכו בכיוון אחד, ואילו בפעמים אחרות שניים מכם ילכו בכיוון השני, וישתנו את סכום התנועות שלכם, אך באופן צפוי. זה עובד באופן רופף כוח זרם תלת פאזי.)

לפני שהחשמל עוזב את תחנת הכוח, הוא נתקל בפעם הראשונה בשנאי. זו הנקודה היחידה בה שנאים ברשת חשמל מגבירים את המתח בצורה ניכרת במקום להפחית אותו. יש צורך בצעד זה מכיוון שהחשמל נכנס לקווי העברה גדולים בסטים של שלושה, אחד לכל שלב של כוח, וחלק ממנו עשוי להידרש עד 300 מייל בערך.

בשלב מסוים החשמל נתקל בתחנת כוח, בה השנאים מפחיתים את המתח ל- a רמה המתאימה לקווי החשמל הנמוכים יותר שאתה רואה בשכונות או רצים לאורך הכפר כבישים מהירים. זה המקום שבו מתרחשת שלב ההפצה (בניגוד להעברה) של אספקת החשמל, מכיוון שקווים בדרך כלל משאירים חשמל תחנות משנה במספר כיוונים, ממש כמו מספר עורקים המסתעפים מכלי דם ראשי זהה פחות או יותר צוֹמֶת.

מתחנת החשמל החשמל עובר לשכונות ועוזב את קווי החשמל המקומיים (שנמצאים בדרך כלל ב"עמודי טלפון ") בכדי להיכנס למגורים בודדים. שנאים קטנים יותר (שרבים מהם נראים כמו פחי אשפה קטנים ממתכת) מפחיתים את המתח לכ -240 וולט, כך שהוא יכול להיכנס לבתים ללא סיכון גדול לגרימת שריפה או תקלה חמורה אחרת.

רובוטריקים לא רק צריכים לבצע את העבודה של מניפולציה על המתח, אלא שהם צריכים גם להיות עמידים בפני נזק, בין אם זה על ידי מעשי טבע כמו סופות רוח או התקפות מכוונות של אדם. לא ניתן להרחיק את רשת החשמל מחוץ להישג ידם של גורמים או פושעים אנושיים, אך אותו דבר, רשת החשמל חיונית לחלוטין לחיים המודרניים. שילוב זה של פגיעות ונחיצות הוביל את המחלקה לביטחון פנים של ארה"ב לנקוט עניין בשנאים הגדולים ביותר ברשת החשמל האמריקאית, הנקראים שנאי כוח גדולים, או LPT. תפקידם של שנאים מאסיביים אלה, הנמצאים בתחנות כוח ויכולים לשקול 100 עד 400 טון ועלותם מיליוני דולר, חיוני לשמירה על חיי היומיום, מכיוון שכישלון אחד יכול להוביל להפסקות חשמל לרוחב אֵזוֹר. אלה השנאים המגבירים את המתח בצורה דרמטית לפני שחשמל נכנס לחוטי מתח גבוה למרחקים ארוכים.

נכון לשנת 2012, הגיל הממוצע של LPT בארה"ב היה כ- 40 שנה. חלק מהשנאים העליונים של מתח גבוה במיוחד (EHV) של ימינו מדורגים ב 345,000 וולט, והביקוש לשנאים עולה גם ב ארה"ב ובעולם, המחייבת את ממשלת ארה"ב לחפש דרכים להחליף את LPTs הקיימים לפי הצורך ולפתח חדשים בשפל יחסית עֲלוּת.

שנאי הוא בעצם מגנט גדול ומרובע עם חור באמצע. חשמל נכנס מצד אחד באמצעות חוטים העטופים מספר פעמים סביב השנאי, ומשאיר בצד הנגדי באמצעות חוטים העטופים מספר פעמים אחר סביב השנאי. הזנת חשמל גורמת לשדה מגנטי בשנאי, אשר בתורו גורם לשדה חשמלי בחוטים האחרים, אשר לאחר מכן מוליכים כוח מהשנאי.

ברמת הפיזיקה, שנאי עובד על ידי ניצול החוק של פאראדיי, הקובע כי יחס המתח של שני סלילים שווה ליחס מספר הסיבובים בסלילים בהתאמה. לכן אם נדרש מתח מופחת בשנאי, הסליל השני (היוצא) מכיל פחות סיבובים מהסליל הראשוני (הנכנס).