Dzisiejsi naukowcy rozumieją elektryczność jako jedno z najbardziej fundamentalnych zjawisk w przyrodzie. Impulsy elektryczne nieustannie krążą w naszych ciałach, a nawet sama materia naszego świata jest utrzymywana razem przez ładunki elektryczne. Mimo to elektryczność wciąż musiała zostać odkryta i istnieją pewne kontrowersje dotyczące tego, kto pierwszy to zrobił.
Odkrywcą mógł być angielski lekarz William Gilbert, który jako pierwszy użył słowa „electricus” w 1600 roku. Być może był to również angielski naukowiec Thomas Browne, który kilka lat później ukuł słowo „elektryczność”.
Amerykanie lubią wierzyć, że to wynalazca Benjamin Franklin udowodnił, że piorun to elektryczność w 1752 roku. Istnieją nawet dowody na to, że starożytni Grecy i Persowie wiedzieli o elektryczności. Ktokolwiek otrzyma nagrodę, z pewnością odkrył prąd stały (prąd stały). Prąd zmienny (prąd zmienny) pojawił się dopiero w XIX wieku.
Co to jest prąd stały?
Naukowcy wizualizują elektryczność jako przepływ ujemnie naładowanych cząstek zwanych elektronami. Są to te same cząstki, które krążą wokół jąder wszystkich atomów tworzących materię.
Dwa podstawowe prawa elektryczności mówią, że przeciwieństwa się przyciągają, a podobne odpychają. W konsekwencji elektrony będą płynąć w kierunku dodatniego bieguna i oddalać się od ujemnego. Przepływ odbywa się tylko w jednym kierunku, a siła przepływu lub prądu zależy od różnicy ładunku między dwoma zaciskami. Ta różnica to napięcie między zaciskami.
W przypadku braku zewnętrznego wejścia elektrony gromadzą się na dodatnim zacisku i zmniejszają różnicę potencjałów między dwoma zaciskami, a ostatecznie przepływ ustanie.
Przykłady prądu stałego
Być może najbardziej znanym przykładem przepływu prądu stałego jest uderzenie pioruna. Prawdziwym osiągnięciem Benjamina Franklina było udowodnienie, że błyskawica jest zjawiskiem elektrycznym. Franklin poleciał latawcem podczas burzy i przymocował klucz do sznurka latawca. Kiedy klucz został naładowany elektrycznie i doznał lekkiego szoku, był zachwycony. Udowodnił, że w chmurach gromadzi się ładunek elektryczny, a piorun jest wyładowaniem tej energii elektrycznej w chwilowym błysku prądu stałego.
Innym powszechnym źródłem prądu stałego jest bateria. Składa się z pary przeciwnie naładowanych zacisków, a po połączeniu zacisków z przewodem prąd przepływa od zacisku ujemnego (katody) do dodatniego (anody).
Różnica ładunku w akumulatorze jest zwykle spowodowana procesem chemicznym w jego rdzeniu, a proces ten może trwać tylko przez ograniczony czas. Jeśli nadal pobierasz energię z baterii, w końcu przestaje ona ładować i gaśnie.
Co to jest prąd przemienny?
Angielski fizyk Michael Faraday odkrył indukcję elektromagnetyczną w 1831 roku, kiedy odkrył, że: może generować prąd elektryczny w cewce z przewodzącego drutu, przesuwając magnes tam i z powrotem wewnątrz cewka.
Co najważniejsze, Faraday zauważył, że prąd zmieniał kierunek za każdym razem, gdy zmieniał kierunek magnesu. Francuski producent instrumentów Hippolyte Pixii wykorzystał to odkrycie do zbudowania pierwszego generatora prądu przemiennego w 1832 roku.
Prąd przemienny jest zawsze wytwarzany przez generator indukcyjny typu zbudowanego przez Pixii, chociaż nowoczesne generatory są znacznie bardziej wyrafinowane niż maszyna Pixii. Generator może wykorzystywać obracające się magnesy lub może mieć obracającą się cewkę, ale zawsze jest trochę rodzaj rotacji, której dotyczyła rotacja, a okres rotacji określa, jak często zachodzą zmiany kierunek.
Ponieważ zmienia kierunek, prąd przemienny ma powiązaną częstotliwość, czyli liczbę razy na sekundę, którą odwraca.
Przykłady prądu przemiennego
Nie trzeba daleko szukać, aby znaleźć przykłady prądu przemiennego. Oświetlenie w pomieszczeniu, w którym siedzisz, a także klimatyzator, grzejnik elektryczny i wszystkie urządzenia są zasilane prądem zmiennym, który jest wytwarzany w lokalnej elektrowni.
Większość elektrowni wykorzystuje do wirowania turbiny parę wytwarzaną przez paliwa kopalne, rozszczepienie jądrowe lub procesy geotermalne. Turbina wytwarza energię elektryczną za pomocą indukcji elektromagnetycznej, a prędkość obrotowa jest dokładnie regulowana, aby wytwarzać energię elektryczną o stałej częstotliwości. W Ameryce Północnej częstotliwość wynosi 60 Hz (cykle na sekundę), ale w większości pozostałych krajów jest to 50 Hz.
Wiatraki są odnawialnymi źródłami energii, które również wytwarzają prąd przemienny, ale ich turbiny napędzane są wiatrem, a nie paliwami kopalnymi lub paliwem jądrowym. Niektóre generatory fal mają również turbiny wytwarzające prąd przemienny. Kiedy fale ściskają układ hydrauliczny lub kieszeń zamkniętego powietrza, zmagazynowana energia jest wykorzystywana do obracania turbiny.
Różnice między AC i DC
W zelektryfikowanym świecie XXI wieku trudno wyobrazić sobie czasy, kiedy nie było elektryczności, ale nie było to bardzo dawno. Pod koniec XIX wieku wynaleziono żarówkę, ale nie było sposobu na wytworzenie energii i dostarczenie jej do domów, aby ludzie mogli korzystać z nowego wynalazku.
Thomas Edison, który pomagał w rozwoju i sprzedaży żarówek, opowiadał się za siecią generującą prąd stały of stacji, podczas gdy Nikola Tesla, serbski wynalazca i były pracownik Edisona, faworyzował AC generatory. Tesla wygrał, a oto kilka powodów:
- Przy napięciach niezbędnych do wykorzystania energii elektrycznej na szeroką skalę, prąd przemienny może być przesyłany dalej liniami energetycznymi z mniejszym spadkiem napięcia. Gdyby Edison zwyciężył, a prąd stały stałby się standardem, w promieniu mili od siebie musiałyby być elektrownie. Z drugiej strony Tesla był w stanie zasilić całe miasto Buffalo w stanie Nowy Jork za pomocą jednego generatora indukcyjnego umieszczonego pod wodospadem Niagara.
- Wytwarzanie prądu przemiennego jest tańsze. Generator hydroelektryczny, taki jak ten w wodospadzie Niagara, może wytwarzać energię elektryczną z naturalnego procesu. Żadne inne dane wejściowe nie są potrzebne.
- Napięcie zasilania AC można zmieniać za pomocą transformatora. W czasach Tesli i Edisona nie było to możliwe przy prądzie stałym. Obecnie jednak dostępne są transformatory, które wykorzystują wewnętrzne obwody lub inwertery do zmiany napięcia prądu stałego.
Zmiana AC na DC i z powrotem
Chociaż prąd płynący przez linie energetyczne to prąd przemienny, sprzęt elektroniczny często wymaga prądu stałego. Na schemacie obwodu symbol prądu stałego jest linią prostą z trzema kropkami lub liniami pod nią, podczas gdy symbol prądu przemiennego jest pojedynczą linią falistą. Aby zamienić prąd przemienny na prąd stały, specjaliści od elektroniki zwykle używają elementu obwodu zwanego diodą lub prostownikiem. Przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku, tworząc w ten sposób pulsujący sygnał DC ze źródła prądu przemiennego.
Narzędzie do konwersji prądu stałego na prąd przemienny nazywa się falownikiem. Wykorzystuje tranzystory, które są komponentami obwodu, które mogą się bardzo szybko włączać i wyłączać, aby kierować prąd wzdłuż szeregu obwodów ścieżki, które skutecznie zmieniają swój kierunek przez parę środkowych zacisków, która jest częścią obwodu, do którego podłączasz AC Załaduj. Falowniki są stosowane w pojazdach elektrycznych. Są również wykorzystywane w systemach fotowoltaicznych do konwersji prądu stałego wytwarzanego przez panele słoneczne na prąd przemienny do użytku w domu.
