Jaký je rozdíl mezi AC a DC?

Jen málo lidí dokáže realisticky uvědomit, že střídavý a stejnosměrný proud se poněkud liší. Nemluvě o jmenování konkrétních rozdílů. Účelem tohoto článku je vysvětlit hlavní charakteristiky těchto fyzikálních veličin z hlediska srozumitelného pro lidi bez zavazadel technických znalostí a poskytnout některé základní pojmy související s touto problematikou.

Problémy s vizualizací

Většina lidí může snadno pochopit takové pojmy jako "tlak", "množství" a "tok", protože ve svém každodenním životě je neustále čelí. Například je snadné pochopit, že zvýšení průtoku při napájení květin zvýší množství vody opouštějící hadici, zatímco zvýšení tlaku vody způsobí, že se bude pohybovat rychleji as větší silou.

Elektrické výrazy jako "napětí" a "proud" jsou obvykle obtížné pochopit, protože nemůžete vidět nebo cítit elektřinu pohybující se kabely a elektrickými obvody. Dokonce i začínající elektrikář je extrémně obtížné představit, co se děje na molekulární úrovni, nebo dokonce jasně pochopit, jaký je elektron, například. Tato částice je mimo hranice smyslových schopností člověka, nemůže být viděna a nemůže být dotčena, s výjimkou případů, kdy určitý počet z nich neprochází lidským tělem. Teprve potom oběť určitě pocítí a zažije to, co se obvykle nazývá elektrickým šokem.

Nicméně otevřené kabely a vodiče většině lidí se zdají být zcela neškodné jen proto, že nemohou vidět elektrony, jen čekají na cestu nejmenšího odporu, což je obvykle země.

Analogicky

Je jasné, proč většina lidí nemůže představit, co se děje uvnitř běžných vodičů a kabelů. Pokus vysvětlit, že se něco děje přes kov, je v rozporu se zdravým rozumem. Na nejzákladnější úrovni se elektřina neliší od vody, takže její základní pojmy jsou poměrně snadné zvládnout, pokud srovnáte elektrický obvod s vodním systémem. Hlavní rozdíl mezi vodou a elektřinou spočívá v tom, že první napájí cokoliv, pokud může uniknout z trubice, zatímco druhá pro pohyb elektronů potřebuje vodič. Vizualizací potrubního systému je pro většinu lidí snadnější pochopit speciální terminologii.

Stres jako tlak

Napětí je velmi podobné tlaku elektronu a udává, jak rychle a jakou silou se pohybuje vodičem. Tyto fyzikální veličiny jsou v mnoha ohledech ekvivalentní, včetně jejich vztahu k síle potrubí-kabel. Stejně jako příliš velký tlak přeruší potrubí, přílišné napětí zničí stínění vodiče nebo ji propichuje.

Proud jako proud

Proud je tok elektronů, který udává, kolik z nich se pohybuje podél kabelu. Čím vyšší je, tím více elektronů prochází vodičem. Stejně jako velké množství vody vyžadují silnější trubky, větší proudy vyžadují silnější kabely.

Použití modelu vodní smyčky umožňuje vysvětlit mnoho dalších termínů. Například generátory mohou být reprezentovány jako vodní čerpadla a elektrická zátěž - jako vodní mlýn, jehož otáčení vyžaduje průtok a tlak vody. Dokonce i elektronické diody lze považovat za vodní ventily, které umožňují proudění vody pouze jedním směrem.

Trvalý proud

Jaký je rozdíl mezi konstantním a střídavým proudem, je z názvu již jasné. První je pohyb elektronů v jednom směru. Je velmi snadné ho vizualizovat pomocí modelu vodní smyčky. Stačí si představit, že voda protéká potrubím v jednom směru. Obvyklá zařízení, která vytvářejí stejnosměrný proud, jsou solární články, baterie a dynamo stroje. Prakticky každé zařízení může být navrženo tak, aby bylo napájeno z takového zdroje. To je téměř výhradní výsada nízkonapěťové a přenosné elektroniky.

DC proud je poměrně jednoduchý a řídí se Ohmovým zákonem: U = I × R. Napájecí napětí se měří ve wattech a rovná se: P = U × I.

Z důvodu jednoduchých rovnic a chování je poměrně snadné pochopit konstantní proud. První elektrické přenosové soustavy vyvinuté Thomasem Edisonem v 19. století používaly pouze to. Brzy se ovšem objevil rozdíl v střídavém proudu a konstantě. Přenos těchto zařízení na významné vzdálenosti byl doprovázen velkými ztrátami, takže za několik desetiletí byl nahrazen výnosnějším (tehdy) vyvinutým systémem Nikola Tesla.

Navzdory skutečnosti, že komerční síly celé planety jsou v současné době využívány střídavým proudem, je ironií, že rozvoj technologie učinil přenášení stejnosměrného proudu vysokého napětí na velmi velkých vzdálenostech a při extrémních zatíženích efektivnějším. Co se například používá při připojení jednotlivých systémů, jako jsou celé země nebo dokonce kontinenty. To je další rozdíl v střídavém proudu a konstantě. První z nich se však stále používá v komerčních sítích s nízkým napětím.

Konstantní a střídavý proud: rozdíl ve výrobě a užití

Pokud je střídavý proud s generátorem s kinetickou energií mnohem jednodušší, pak mohou baterie vytvářet pouze konstantu. Proto je dominantní v obvodech napájení nízkého napětí a elektroniky. Baterie lze nabíjet pouze ze stejnosměrného proudu, takže je napájeno střídavým napětím, když je hlavní součástí systému.

Široce používaným příkladem je každé vozidlo - motocykl, auto a nákladní automobil. Generátor, který je na ně namontován, vytváří střídavý proud, který se okamžitě přemění na konstantní proud pomocí usměrňovače, protože systém akumulátoru je přítomen v napájecím systému a většina elektroniky vyžaduje konstantní napětí pro provoz. Solární články a palivové články také produkují pouze stejnosměrný proud, který může být v případě potřeby přeměněn na střídavý proud zařízením nazývaným střídač.

Směr pohybu

To je další příklad rozdílu mezi stejnosměrným a střídavým proudem. Jak název naznačuje, druhý je proud elektronů, který neustále mění směr. Od konce XIX století v téměř všechny domácí i průmyslové elektrické na celém světě používá sinusový střídavý proud, protože je snazší získat a mnohem levnější distribuovat, s výjimkou několika málo případů přenosu na dlouhé vzdálenosti, při výpadku napájení nucen používat nejnovější vysokonapěťové stejnosměrné systémy.

AC má další velkou výhodu: umožňuje vám vrátit energii z místa spotřeby zpět do sítě. To je velmi výhodné v budovách a zařízeních, která produkují více energie, než konzumují, což je docela možné při použití alternativních zdrojů, jako jsou solární panely a větrných turbín. Skutečnost, že střídavý proud umožňuje obousměrný tok energie, je hlavním důvodem popularity a dostupnosti alternativních napájecích zdrojů.

Frekvence

Pokud jde o technickou úroveň, bohužel je obtížné vysvětlit, jak funguje střídavý proud, protože model vodního okruhu není zcela vhodný. Je však možné vizualizovat systém, v němž voda rychle mění směr proudění, i když není jasné, jakým způsobem bude v tomto případě něco užitečného. Střídavý proud a napětí neustále mění směr. Rychlost změny závisí na frekvenci (měřeno v hertzu) a na domácích elektrických sítích je obvykle 50 Hz. To znamená, že napětí a proud mění směr 50krát za sekundu. Výpočet aktivní složky v sinusových systémech je poměrně jednoduchý. Stačí, když rozdělíme jejich maximální hodnotu radic-2.

Když střídavý proud změní směr 50krát za sekundu, znamená to, že se žárovky zapínají a vypínají 50krát za sekundu. Lidské oko to nevidí a mozek jednoduše věří, že osvětlení pracuje neustále. To je další rozdíl v střídavém proudu a konstantě.

Vektorová matematika

Proud a napětí se neustále mění - jejich fáze se neshodují (nejsou synchronizovány). Převážná většina zatížení střídavého proudu způsobuje fázový rozdíl. To znamená, že i pro nejjednodušší výpočty je nutné použít vektorovou matematiku. Při práci s vektory nelze jednoduše přidat, odečíst nebo provádět jiné operace skalární matematiky. Při konstantním proudu, pokud jeden kabel do nějakého bodu dostane 5A a druhý - 2A, výsledek je 7A. V případě proměnné tomu tak není, protože výsledek bude záviset na směru vektorů.

Faktor výkonu

Aktivní zatížení s napájením střídavým proudem lze vypočítat pomocí jednoduchého vzorce P = U × I × cos (phi-), kde phi je úhel mezi napětím a proudem, cos (phi-) se také nazývá faktor účinku. Tím se liší od stejnosměrného a střídavého proudu: v první cos (phi-) je vždy roven 1. Požaduje se, aby činný výkon (a placené) domácí a průmyslové spotřebitele, ale to není úplný, prochází vodičů (kabelů) k zátěži, což může vypočte se ze vzorce S = U × I a měří se ve voltových ampérech (VA).

Rozdíl mezi přímým a střídavým proudem ve výpočtech je zřejmý - stávají se složitějšími. Dokonce i pro nejjednodušší výpočty je zapotřebí alespoň průměrná znalost vektorové matematiky.

Svářecí stroje

Rozdíl mezi přímým a střídavým proudem se projevuje také při svařování. Polarita oblouku má velký vliv na jeho kvalitu. Elektroda-pozitivní svařování proniká hlouběji než svařování elektrodami, ale toto zrychluje fúzi kovu. Při konstantním proudu je polarita vždy konstantní. S proměnnou se změní 100 krát za sekundu (při 50 Hz). Svařování s konstantou je výhodnější, protože je vyráběno rovnoměrněji. Rozdíl ve svařování střídavým a stejnosměrným proudem spočívá v tom, že v prvním případě je přerušený pohyb elektronů o zlomek sekundy, což vede k pulsaci, nestabilitě a ztrátě oblouku. Tento typ svařování se používá jen zřídka, například k vyloučení putování oblouku v případě elektrod s velkým průměrem.