Vad är växelström och likström?

Dagens forskare förstår elektricitet som ett av de mest grundläggande fenomenen i naturen. Elektriska impulser löper hela tiden i våra kroppar, och till och med själva vår värld hålls samman av elektriska laddningar. Trots detta måste elektricitet fortfarande upptäckas, och det finns viss kontrovers angående vem som var först med att göra detta.

Upptäckaren kan ha varit den engelska läkaren William Gilbert, som var den första som använde ordet "electricus" år 1600. Det kan också ha varit den engelska forskaren Thomas Browne, som myntade ordet "elektricitet" några år senare.

Amerikaner gillar att tro att det var uppfinnaren Benjamin Franklin, som bevisade att blixt var 1752. Det finns till och med bevis som visar att de forntida grekerna och perserna visste om elektricitet. Den som får priset, det är en säker satsning att de upptäckte likström (likström). Växelström (växelström) kom inte fram förrän på 1800-talet.

Forskare visualiserar elektricitet som flödet av negativt laddade partiklar som kallas elektroner. De är samma partiklar som kretsar kring kärnorna i alla atomer som utgör materia.

De två grundläggande lagarna för elektricitet är att motsatser lockar och som avstötar som. Följaktligen kommer elektroner att strömma mot en positiv terminal och bort från en negativ. Flödet sker bara i en riktning, och flödets styrka eller ström beror på skillnaden i laddning mellan de två terminalerna. Denna skillnad är spänningen mellan terminalerna.

I avsaknad av extern ingång kommer elektronerna att ackumuleras på den positiva terminalen och minska potentialskillnaden mellan de två terminalerna, och så småningom kommer flödet att stoppa.

Det kanske mest kända exemplet på likströmsflöde är ett blixtnedslag. Att bevisa att blixt är ett elektriskt fenomen var Benjamin Franklins verkliga prestation. Franklin flög en drake i åska och fäst en nyckel till draksträngen. När nyckeln blev elektriskt laddad och gav honom en mild chock blev han upprymd. Han hade bevisat att elektrisk laddning byggs upp i molnen, och att blixtar är en urladdning av denna elektriska energi i ett ögonblick av likström.

Ett batteri är en annan vanlig källa för likström. Den består av ett par motsatt laddade terminaler, och när du ansluter terminalerna till en ledare flyter el från den negativa terminalen (katoden) till den positiva (anoden).

Laddningsskillnaden i ett batteri tillhandahålls vanligtvis av en kemisk process i sin kärna, och denna process kan fortsätta endast under en begränsad tid. Om du fortsätter att dra ström från ett batteri slutar det så småningom att producera laddning och blir dött.

Den engelska fysikern Michael Faraday upptäckte elektromagnetisk induktion 1831 när han upptäckte att han kan generera en elektrisk ström i en ledningstråd genom att flytta en magnet fram och tillbaka inuti spole.

Avgörande är att Faraday noterade att strömmen ändrade riktning när han ändrade magnetens riktning. Den franska instrumenttillverkaren Hippolyte Pixii använde denna upptäckt för att bygga den första växelströmsgeneratorn 1832.

AC-el produceras alltid av en induktionsgenerator av den typ som byggdes av Pixii, även om moderna generatorer är mycket mer sofistikerade än Pixiis maskin. Generatorn kan använda roterande magneter, eller så kan den ha en roterande spole, men det finns alltid några vilken typ av rotation som är involverad, och rotationsperioden definierar hur ofta strömmen ändras riktning.

Eftersom det ändrar riktning har växelströmselektricitet en tillhörande frekvens, vilket är det antal gånger per sekund det vänder.

Du behöver inte leta långt för att hitta exempel på nätström. Lamporna i rummet där du sitter, liksom luftkonditioneringsapparaten, elvärmaren och alla apparater, körs med växelström som genereras vid ditt lokala kraftverk.

De flesta kraftverk använder ånga som genereras av fossila bränslen, kärnklyvning eller geotermiska processer för att snurra en turbin. Turbinen genererar elektricitet genom elektromagnetisk induktion, och rotationshastigheten regleras noggrant för att producera elektricitet med en fast frekvens. I Nordamerika är frekvensen 60 Hz (cykler per sekund), men i större delen av resten av världen är det 50 Hz.

Väderkvarnar är förnybara energikällor som också genererar växelströmselektricitet, men de litar på vinden för att snurra sina turbiner istället för fossila bränslen eller kärnbränsle. Vissa våggeneratorer har också turbiner som producerar växelström. När vågorna komprimerar ett hydraulsystem eller en ficka med sluten luft används den lagrade energin för att snurra en turbin.

I den elektrifierade världen av 2000-talet är det svårt att föreställa sig en tid då det inte fanns någon elektricitet, men den tiden var inte så länge sedan. I slutet av 1800-talet hade glödlampan uppfunnits, men det fanns inget sätt att generera kraft och få den in i hemmet så att människor kunde använda den nya uppfinningen.

Thomas Edison, som hjälpte till att utveckla och marknadsföra glödlampor, var för ett nätverk av DC-generering medan Nikola Tesla, en serbisk uppfinnare och tidigare anställd hos Edison's, gynnade AC generatorer. Tesla vann, och här är några av anledningarna:

• Vid de spänningar som krävs för storskalig elanvändning kan växelströmselektricitet överföras vidare längs kraftledningar med mindre spänningsfall. Om Edison hade segrat och likströmselektricitet hade blivit standard, skulle det ha varit kraftverk inom en mil från varandra. Tesla, å andra sidan, kunde driva hela staden Buffalo, New York, med en enda induktionsgenerator placerad under Niagara Falls.

• Växelströmsgenerering är billigare. En vattenkraftgenerator som den vid Niagara Falls kan skapa elektricitet från en naturlig process. Ingen annan ingång behövs.

• Spänningen på växelströmmen kan ändras med en transformator. Vid Teslas och Edisons tid var det inte möjligt med likström. Idag finns emellertid transformatorer tillgängliga som använder interna kretsar eller växelriktare för att ändra spänningen för likström.

Även om elen som kommer genom kraftledningarna är växelström kräver elektronikutrustning ofta likström. I ett kretsschema är likströmssymbolen en rak linje med tre punkter eller linjer under den, medan den för växelström är en enda vågig linje. För att omvandla växelström till likström använder elektronikspecialister vanligtvis en kretskomponent som kallas en diod eller likriktare. Den passerar endast ström i en riktning, vilket skapar en pulserande likströmssignal från en växelströmskälla.

Verktyget för omvandling av likström till växelström kallas en växelriktare. Den använder transistorer, som är kretskomponenter som kan slås på och av mycket snabbt, för likström längs en serie kretsar banor som effektivt ändrar sin riktning över ett par centrala terminaler, som är den del av kretsen som du ansluter till växelströmmen ladda. Omvandlare används i elfordon. De används också i solcellssystem för att omvandla likström som genereras av solpaneler till växelström för användning i hemmet.