Kas ir maiņstrāvas un līdzstrāvas elektrība?

Mūsdienu zinātnieki elektrību saprot kā vienu no būtiskākajām parādībām dabā. Elektriskie impulsi pastāvīgi rit visā mūsu ķermenī, un pat mūsu pasaules matēriju tur kopā elektriskie lādiņi. Neskatoties uz to, elektrība joprojām bija jāatklāj, un ir daži strīdi par to, kurš bija pirmais, kurš to izdarīja.

Atklājējs, iespējams, bija angļu ārsts Viljams Gilberts, kurš 1600. gadā pirmais lietoja vārdu “electricus”. Iespējams, tas bija arī angļu zinātnieks Tomass Brouns, kurš dažus gadus vēlāk izdomāja vārdu "elektrība".

Amerikāņiem patīk ticēt, ka tieši izgudrotājs Bendžamins Franklins 1752. gadā pierādīja, ka zibens ir elektrība. Ir pat pierādījumi, kas liecina, ka senie grieķi un persieši zināja par elektrību. Tas, kurš saņem balvu, ir pārliecināts, ka viņi atklāja līdzstrāvas elektrību (līdzstrāvu). Maiņstrāvas maiņstrāva parādījās tikai 19. gadsimtā.

Zinātnieki vizualizē elektrību kā negatīvi lādētu daļiņu plūsmu, ko sauc par elektroniem. Tās ir tās pašas daļiņas, kas riņķo ap visu atomu kodoliem, kas veido matēriju.

Divi elektrības likumi ir tādi, ka pretstati pievilina līdzīgos un tiem patīk. Līdz ar to elektroni plūdīs uz pozitīvo termināli un prom no negatīvā. Plūsma notiek tikai vienā virzienā, un plūsmas vai strāvas stiprums ir atkarīgs no divu termināļu lādiņa atšķirības. Šī atšķirība ir spriegums starp spailēm.

Ja nav ārējas ieejas, elektroni uzkrāsies pozitīvajā spailē un samazinās potenciālo starpību starp abiem spailēm, un galu galā plūsma apstāsies.

Varbūt vispazīstamākais līdzstrāvas plūsmas piemērs ir zibens spēriens. Pierādījums, ka zibens ir elektriska parādība, bija patiesais Bendžamina Franklina veikums. Franklins negaisā lidoja ar pūķi un piestiprināja pūķa auklas atslēgu. Kad atslēga kļuva elektriski uzlādēta un izraisīja vieglu šoku, viņš bija pacilāts. Viņš bija pierādījis, ka mākoņos uzkrājas elektriskā lādiņa un zibens ir šīs elektriskās enerģijas izlāde īslaicīgā līdzstrāvas zibsnī.

Akumulators ir vēl viens izplatīts līdzstrāvas avots. Tas sastāv no pāra pretēji uzlādētiem spailēm, un, savienojot spailes ar vadītāju, elektrība plūst no negatīvā spailes (katoda) uz pozitīvo (anodu).

Akumulatora uzlādes atšķirību parasti nodrošina ķīmiskais process tās kodolā, un šis process var turpināties tikai ierobežotu laiku. Ja jūs turpina patērēt enerģiju no akumulatora, tas beidzot pārtrauc uzlādēt un iet bojā.

Angļu fiziķis Maikls Faradejs 1831. gadā atklāja elektromagnētisko indukciju, kad atklāja, ka viņš varētu radīt elektrisko strāvu vadu spolē, pārvietojot magnētu uz priekšu un atpakaļ spole.

Būtiski ir tas, ka Faradejs atzīmēja, ka strāva mainīja virzienu ikreiz, kad viņš mainīja magnēta virzienu. Franču instrumentu ražotājs Hippolyte Pixii izmantoja šo atklājumu, lai uzbūvētu pirmo maiņstrāvas ģeneratoru 1832. gadā.

Maiņstrāvas elektrību vienmēr ražo tāda veida indukcijas ģenerators, kuru ir uzbūvējis Pixii, lai gan mūsdienu ģeneratori ir daudz sarežģītāki nekā Pixii aparāti. Ģeneratorā var izmantot rotējošus magnētus, vai arī tam var būt rotējoša spole, taču vienmēr ir tādi iesaistītā rotācijas veids, un rotācijas periods nosaka, cik bieži strāva mainās virzienu.

Tā kā tā maina virzienu, maiņstrāvas elektrībai ir saistīta frekvence, kas ir reižu skaits sekundē, kad tā mainās.

Lai atrastu maiņstrāvas piemērus, jums nav tālu jāmeklē. Gaismas telpā, kurā jūs sēžat, kā arī gaisa kondicionieris, elektriskais sildītājs un visas ierīces darbojas ar maiņstrāvu, kas tiek ģenerēta jūsu vietējā elektrostacijā.

Lielākā daļa elektrostaciju turbīnas griešanai izmanto fosilā kurināmā, kodola skaldīšanas vai ģeotermālo procesu radīto tvaiku. Turbīna rada elektrību ar elektromagnētisko indukciju, un rotācijas ātrumu rūpīgi regulē, lai ražotu elektrību ar fiksētu frekvenci. Ziemeļamerikā frekvence ir 60 Hz (cikli sekundē), bet lielākajā daļā pārējās pasaules tā ir 50 Hz.

Vējdzirnavas ir atjaunojami enerģijas avoti, kas ražo arī maiņstrāvas elektrību, taču tie paļaujas uz vēju, lai turbīnas grieztu fosilā kurināmā vai kodoldegvielas vietā. Dažiem viļņu ģeneratoriem ir arī turbīnas, kas ražo maiņstrāvu. Kad viļņi saspiež hidraulisko sistēmu vai slēgta gaisa kabatu, uzkrāto enerģiju izmanto turbīnas vērpšanai.

21. gadsimta elektrizētajā pasaulē ir grūti iedomāties laiku, kad nebūtu elektrības, bet tas laiks nebija ļoti sen. 19. gadsimta beigās spuldze tika izgudrota, taču nebija iespējas ģenerēt enerģiju un nokļūt mājās, lai cilvēki varētu izmantot jauno izgudrojumu.

Tomass Edisons, kurš palīdzēja izstrādāt un tirgot spuldzes, atbalstīja līdzstrāvas ģenerēšanas tīklu stacijās, savukārt serbu izgudrotājs un bijušais Edisona darbinieks Nikola Tesla atbalstīja AC ģeneratori. Tesla uzvarēja, un šeit ir daži no iemesliem:

• Pie spriegumiem, kas nepieciešami plaša mēroga elektroenerģijas izmantošanai, maiņstrāvas elektrību var pārraidīt tālāk pa elektropārvades līnijām ar mazāku sprieguma kritumu. Ja Edisons būtu guvis virsroku un līdzstrāvas elektrība būtu kļuvusi par standartu, tad jūdzes viena no otras būtu bijušas elektrostacijas. Savukārt Tesla spēja darbināt visu Bufalo pilsētu Ņujorkā ar vienu indukcijas ģeneratoru, kas novietots zem Niagāras ūdenskrituma.

• Maiņstrāvas enerģijas ražošana ir lētāka. Tāds hidroelektriskais ģenerators kā Niagāras ūdenskritumā var radīt elektrību dabiskā procesā. Cita ievade nav nepieciešama.

• Maiņstrāvas spriegumu var mainīt ar transformatoru. Teslas un Edisona laikā tas nebija iespējams ar līdzstrāvas strāvu. Tomēr šodien ir pieejami transformatori, kas izmanto iekšējo shēmu vai invertorus, lai mainītu līdzstrāvas spriegumu.

Lai gan elektrība, kas nāk caur elektrolīnijām, ir maiņstrāva, elektronikas iekārtām bieži nepieciešama līdzstrāvas elektrība. Shēmas shēmā līdzstrāvas simbols ir taisna līnija ar trim punktiem vai līnijām zem tā, savukārt maiņstrāvai simbols ir viena viļņota līnija. Lai pārveidotu maiņstrāvu līdzstrāvā, elektronikas speciālisti parasti izmanto ķēdes komponentu, ko sauc par diode vai taisngriezi. Tas iziet strāvu tikai vienā virzienā, tādējādi radot pulsējošu līdzstrāvas signālu no maiņstrāvas avota.

Instrumentu līdzstrāvas pārveidošanai maiņstrāvā sauc par invertoru. Tas izmanto tranzistorus, kas ir ķēdes komponenti, kas var ļoti ātri ieslēgties un izslēgties, lai novirzītu strāvu pa virkni ķēdes ceļi, kas efektīvi maina virzienu pāri centrālo spaiļu pārim, kas ir tā ķēdes daļa, kurai pievienojat maiņstrāvu slodze. Invertori tiek izmantoti elektriskajos transportlīdzekļos. Tos izmanto arī fotogalvaniskajās sistēmās, lai pārveidotu saules bateriju radīto līdzstrāvas elektroenerģiju par maiņstrāvu lietošanai mājās.