AC előállítása és alkalmazása

Tartalom:

Hogyan jön létre a váltakozó áram
A váltóáram felfedezésének története
Miért használják gyakrabban a váltakozó áramot, mint az egyenáramot?
Nikola Tesla és a biztonság és a hatékonyság kérdései
A levegőn keresztül
Hertz vibrátor, éter és elektromágneses hullám
Ahol váltakozó áramot használnak

A váltakozó áram olyan típusú áram, amelynek áramlási iránya folyamatosan változik. Mi válik lehetségessé egy potenciálkülönbség jelenléte miatt, amely engedelmeskedik egy bizonyos törvénynek. Hétköznapi értelemben a váltakozó áram alakja szinuszos hullámhoz hasonlít. Az állandó változhat amplitúdójában, de irányában nem. Ellenkező esetben ez már váltóáram.

Váltakozó áram előállítása

Hogyan jön létre a váltakozó áram

Elmondhatjuk, hogy a váltóáram, mint jelenség kezdetét Michael Faraday rakta le, amiről olvasóink az alábbiakban részletesebben is megismerkedhetnek a szövegben. Kimutatták, hogy az elektromos és a mágneses mező összefügg. Az áram pedig kölcsönhatásuk eredménye. A modern generátorok úgy működnek, hogy megváltoztatják a mágneses fluxus nagyságát a rézhuzal által lefedett területen. Szigorúan véve a karmester bármi lehet. A rezet a minimális költség melletti maximális alkalmasság kritériumai közül választják ki.

Ha a statikus töltés főként súrlódásból jön létre, bár nem ez az egyetlen út, akkor a váltakozó áram a szem számára észrevehetetlen folyamatok eredményeként jön létre. Az érték arányos az áramkör által lefedett területen áthaladó mágneses fluxus változási sebességével. (Lásd még: Amper)

A váltóáram felfedezésének története

Nikola Tesla találmányai után először fordítottak figyelmet kereskedelmi értékük miatt a váltakozó áramokra. Meg kell mondani, hogy az Edisonnal való pénzügyi konfliktus mindkettőjük sorsára erős benyomást tett. Abban a pillanatban, amikora vállalkozó megtagadta Nikola Teslának tett ígéreteit, ugyanakkor jelentős nyereséget veszített. Valószínűleg a kiváló tudósnak nem tetszett az ilyen szabad viselkedés, és ő találta fel a váltakozó áramú motort. Azt kell mondanunk, hogy addig mindenki állandót használt. Edison tehát népszerűsítette ezt a típust.

A Tesla először megmutatta, hogy váltakozó feszültséggel sokkal nagyobb eredményeket lehet elérni. Különösen akkor, ha az energiát nagy távolságokra kell továbbítani. A transzformátorok használata könnyen lehetővé teszi a feszültség növelését, ami élesen csökkenti az aktív ellenállás veszteségeit. A fogadó oldalon pedig ismét a hétvégére térnek vissza a paraméterek. Ami nagyon kényelmes. Ennek eredményeként meglehetősen sokat spórolhat a vezetékek vastagságán.

Tehát Nikola Tesla egy kétfázisú motor létrehozásával kezdte meg a váltakozó áram aktív használatát. És az energia jelentős távolságokra történő átvitelével kapcsolatos kísérletek mindent a helyére tesznek: nem túl kényelmes a termelést a Niagara-vízesés területére átvinni, sokkal könnyebb vonalat fektetni a rendeltetési helyre.

A váltakozó áram és az egyenáram közötti különbség

A váltakozó áramnak számos olyan tulajdonsága van, amelyek megkülönböztetik az egyenáramtól. De először rátérünk e jelenség felfedezésének történetére. Otto von Gerike tekinthető az emberiség mindennapi életében a váltóáram jelenségének elődjének. Ő volt az első, aki észrevette, hogy a vádaknak két jele van. Ezért az áram különböző irányokba áramolhat. Ami Teslát illeti, inkább a gyakorlati részre koncentrált, és előadásaiban két brit származású kísérletezőt említ:

William Spottiswoode még egy oldalt sem kapott az orosz nyelvű Wikipédiában, mivel a nemzeti résznél még csak szó sincs váltóáramú művekről. Georg Ohmhoz hasonlóan a tudós is elsősorban matematikus volt, éscsak sajnálni kell, hogy nehéz kideríteni, mit is csinált pontosan ez a tudomány embere.

James Edward Henry Gordon sokkal közelebb állt az elektromosság alkalmazásának kérdésének gyakorlati részéhez. Sokat kísérletezett generátorokkal, sőt kifejlesztett egy saját tervezésűt is 350 kW-os teljesítménnyel. Nagy figyelmet fordított az üzemek, gyárak világítására, energiaellátására.

Úgy tartják, hogy az első váltakozó áramú generátorokat az 1930-as években hozták létre. Aztán Michael Faraday mágneses mezőkkel kísérletezett. Kevesen tudják, hogy ez okozta Sir Humphrey Davy féltékenységét, aki plágium miatt kritizálta a diákot. Nehéz megmondani, kinek volt igaza, de tény marad: fél évszázadig nem volt kereslet a váltakozó áramra. A 19. század első felében már volt villanymotor. De egyenáramról működött.

Nikola Tesla volt az, aki először kitalálta, hogyan valósítsa meg Arago forgó mágneses térelméletét. Ehhez akár két fázisú váltakozó áramra volt szükség (90 fokos eltolással). Útközben Tesla megjegyezte, hogy bonyolultabb rendszerek is lehetségesek (szabadalmában). Éppen ezért a háromfázisú motor jóval későbbi feltalálója, Dolivo-Dobrovolszkij nem tudta szabadalmaztatni ötletét. (Lásd még: Diódahíd)

Így sokáig senkinek sem volt szüksége váltóáramra. És Edison minden lehetséges módon ellenállt ennek a jelenségnek a megvalósításának.

N. Tesla a váltakozó áramot tanulmányozta

Miért használják gyakrabban a váltakozó áramot, mint az egyenáramot?

Nikola Tesla és a biztonság és a hatékonyság kérdései

Nikola Tesla csatlakozott egy Edison-féle versenytárshoz, és minden lehetséges módon népszerűsítette az új jelenséget. Annyira lenyűgözte, hogy gyakran kísérletezett magán. De ellentétben Sir Humphrey Davyvel, aki rövidítettéletét különféle gázok belélegzésével Tesla egyértelműen jelentős sikereket ért el: 86 évet élt meg. A tudós maga fedezte fel, hogy ha az áram áramlási irányát másodpercenként több mint 700-szoros sebességgel változtatja, maga a folyamat viszonylag biztonságossá válik az ember számára.

Előadásai során Tesla elővett egy platinaszálas izzót, és a saját testén nagyfrekvenciás áramokat vezetve bemutatta az eszköz izzását. Azt állította, hogy nem csak ártalmatlan, de még egészségügyi előnyei is vannak. A csak a bőr felszínén folyó áram egyúttal meg is tisztítja. Ahogy Tesla maga mondta, a régi idők kísérletezői (lásd fent) a következő okok miatt nem vettek észre ilyen csodálatos jelenségeket:

Hibás mechanikus generátorok. A forgó mezőt szó szerint használták: bármelyik motor segítségével megpörgették a rotort. Egy ilyen elv nem tudna nagyfrekvenciás áramokat adni. Ez a technológiai fejlettség jelenlegi szintjén ma is problematikus.
A legegyszerűbb esetben kézi kapcsolókat használtak. Ebben az esetben egyáltalán nincs mit mondani a magas frekvenciákról.

Maga a Tesla használta a kondenzátor feltöltésének és kisütésének jelenségét. Most az úgynevezett RC-láncról beszélünk. Egy bizonyos szintre való feltöltést követően a kondenzátor kisülni kezd az ellenálláson keresztül. Az exponenciális törvény szerint lezajló folyamat sebessége ezen elemek paramétereitől is függ. Nyilvánvaló, hogy akkoriban a Tesla nem használhatott félvezető kulcsokat a vezérléshez. De a termikus diódákat már ismerték. Megkockáztatjuk azt a feltételezést, hogy a Tesla Zener-diódákként használhatja őket, amelyek reverzibilis meghibásodással működnek.

A biztonsági kérdések azonban továbbra sem állnak az első helyen. Azt kell mondanunk, hogy a 60 Hz-es (az USA-ban általánosan elfogadott) frekvenciát maga Nikola Tesla javasolta.optimális a saját tervezésű motorok működéséhez. Ez nagyon eltér a biztonságos tartománytól. Ugyanakkor egyszerűbb a generátor tervezése. És mindenesetre a váltóáram mindkét értelemben nyer az egyenárammal szemben.

A levegőn keresztül

A mai napig viták folynak arról, hogy ki találta fel először a rádiót. Meg kell mondani, hogy Hertz úgy fedezte fel a hullámok áthaladását az éteren, hogy leírta mozgásuk törvényeit, és megmutatta, hogy ezek hasonlóak az optikai törvényekhez. Jelenleg tudjuk, hogy csak egy váltakozó mező képes áthaladni a térben. Ezt a jelenséget pedig Popov használta fel 1895-ben az első "Heinrich Hertz" üzenet továbbítására a Földön.

Látjuk, hogy a tanult férfiak nagyon barátságosak egymással. Ennyi tisztelet ebben az első üzenetben. A dátum pedig továbbra is vitatott, mert minden állam szeretné megtartani magának a bajnokságot. Ezért csak a váltakozó áram képes olyan mezőt létrehozni, amely az éteren keresztül terjed.

Ma már jól ismertek a beszéd tartományai, az ablakok és a falak, úgymond a légkör és a különféle médiumok (víz, gázok stb.). Sőt, ebben a tervben fontos helyet kap a gyakoriság. Megállapítást nyert, hogy minden jel ábrázolható elemi szinuszos rezgések összegeként (Fourier-tételei szerint). A spektrális elemzés ezekkel a legegyszerűbb harmonikusokkal működik. A teljes hatást pedig az elemi összetevők nettó hatásának tekintjük.

A légkörben lévő ablakokat teljesen hasonló módon határozzák meg. Vannak frekvenciák, amelyek áthaladnak a vastagságán, jó és rossz. Ez utóbbi nem mindig negatív hatás. Például a mikrohullámú sütők 2,4 GHz-es frekvenciát használnak, amelyet a vízgőz elnyel. Ezek a hullámok haszontalanok a kommunikációhoz, de milyen jók a főzésben!

De valószínűleg sokakban felmerül a kérdés, hogy a hullám pontosan hogyan terjedhet át az éteren. Gyerünkbeszéljük meg részletesebben.

Dipólus Hertz antenna

Hertz vibrátor, éter és elektromágneses hullám

Az elektromos és a mágneses mezők kapcsolatát először 1821-ben Michael Faraday mutatta be. Kicsit később kiderült, hogy a kondenzátor alkalmas rezgések létrehozására. Nem mondható el, hogy e két esemény között azonnal felismerték volna az összefüggést. Felix Savaren kiürítette a Leyden-edényt egy fojtónyíláson keresztül, amelynek magja acéltűként szolgált.

Nem tudni pontosan, hogy a csillagász mit akart elérni, de az eredmény nagyon érdekesnek bizonyult. A tűt néha az egyik irányba mágnesezték, néha egy másik irányba. Ugyanakkor a generátor árama azonos előjelű volt. A tudós teljesen helyesen következtetett a bomló oszcillációs folyamatra. Bár az induktív és kapacitív reaktanciákról nem igazán tudtam semmit.

A folyamat mögött meghúzódó elméletet később mutatták be. A kísérleteket Joseph Henry és William Thompson megismételte a rezonancia frekvencia meghatározásával: azzal, ahol a folyamat a maximális ideig tartott. Ez lehetővé tette az áramkör jellemzőinek a komponensei elemeitől (induktivitás és kapacitás) való függőségének kvantitatív leírását. Maxwell 1861-ben pedig levezette híres egyenleteit, amelyeknek egyik következménye különösen fontos számunkra: "A változó elektromos mező mágneses teret generál és fordítva."

Olyan hullám keletkezik, amelyben az indukciós vektorok merőlegesek egymásra. A térben megismétlik a folyamat kőzeteinek alakját. És egy ilyen hullám utazhat az éterben. Pontosan ezt használta Heinrich Hertz, amikor egy kondenzátor lemezeit az űrben széthajtogatta, és emitterek lettek. Valójában Popov csak sejtette, hogy információt ágyazhat be egy elektromágneses hullámba, amelyet ma mindenhol használnak. És nem csak az éterben, hanem a félvezető technológiában is.

Aholváltakozó áramot használnak

Ily módon elmondható, hogy a legtöbb ma ismert készülék működési elvének a váltóáram az alapja. Könnyebb megmondani, hogy hol használják az állandót, és az olvasók levonják a saját következtetéseiket:

Az egyenáramot széles körben használják az akkumulátorokban. Abból az egyszerű okból, hogy egy változó csak mozgásban létezik – nem tárolható. Ezután a készülékben az elektromosság már átalakul a kívánt formába.

Az egyenáramú kollektoros motorok hatásfoka magasabb. Emiatt bizonyos esetekben előnyös ezeknek a fajtáknak a használata.

Az egyenáram segítségével különböző mágnesek működhetnek. Például kaputelefonok.

Az egyenfeszültséget széles körben használják az elektronikában. Ugyanakkor az elfogyasztott áram bizonyos határokon belül változik. De az iparban állandónak is nevezik.

A kineszkópokban egyenfeszültséget használnak potenciál létrehozására és a katód emissziójának növelésére. Ezek az esetek analógnak tekinthetők a félvezető technológiájú tápegységekkel, bár a különbség néha meglehetősen jelentős.

Minden más esetben a váltakozó áram erős előnyt jelent. Mindenekelőtt a transzformátorok használatának lehetőségének köszönhetően. Még a hegesztésben sem mindig érvényesül az egyenáram, de minden ilyen típusú modern berendezés rendelkezik inverterrel. Így sokkal könnyebb és kényelmesebb a megfelelő műszaki jellemzők megszerzése.

Bár történetileg statikus töltéseket sikerült először megszerezni. Vegyük legalább azt a gyapjút és borostyánt, amivel milétoszi Thalész dolgozott.

Következő