In der modernen Welt ist jeder Mensch seit seiner Kindheit Elektrizität ausgesetzt. Die erste Erwähnung dieses Naturphänomens geht auf die Zeit der Philosophen Aristoteles und Thales zurück, die von den erstaunlichen und mysteriösen Eigenschaften des elektrischen Stroms fasziniert waren. Aber erst im 17. Jahrhundert begannen große wissenschaftliche Köpfe eine Reihe von Entdeckungen zur elektrischen Energie, die bis heute andauern.
Die Entdeckung des elektrischen Stroms und die Erschaffung des weltweit ersten Generators durch Michael Faraday im Jahr 1831 veränderten das menschliche Leben radikal. Wir sind daran gewöhnt, dass unser Leben durch Geräte erleichtert wird, die elektrische Energie verwenden, aber bis jetzt haben die meisten Menschen kein Verständnis für dieses wichtige Phänomen. Um die Grundprinzipien der Elektrizität zu verstehen, müssen zunächst zwei grundlegende Definitionen untersucht werden: elektrischer Strom und elektrische Spannung.
Inhalt
Was ist elektrischer strom und spannung
Elektrischer Strom ist die geordnete Bewegung geladener Teilchen (Träger elektrischer Ladung). Die Träger des elektrischen Stroms sind Elektronen (in Metallen und Gasen), Kationen und Anionen (in Elektrolyten), Löcher bei Elektron-Loch-Leitfähigkeit. Dieses Phänomen äußert sich in der Erzeugung eines Magnetfelds, einer Änderung der chemischen Zusammensetzung oder einer Erwärmung der Leiter. Die Hauptmerkmale des Stroms sind:
- Stromstärke, bestimmt nach dem Ohmschen Gesetz und gemessen in Ampere (ABER), in den Formeln mit dem Buchstaben I bezeichnet;
- Leistung nach dem Joule-Lenz-Gesetz, gemessen in Watt (Di), bezeichnet mit dem Buchstaben P;
- Frequenz, gemessen in Hertz (Hertz).
Elektrischer Strom als Energieträger wird verwendet, um mit Elektromotoren mechanische Energie zu gewinnen, Wärmeenergie in Heizgeräten, Elektroschweißen und Heizgeräten zu gewinnen, elektromagnetische Wellen verschiedener Frequenzen anzuregen, ein Magnetfeld in Elektromagneten zu erzeugen und Licht zu gewinnen Energie in Beleuchtungskörpern und verschiedenen Arten von Lampen. .
Stromspannung ist die Arbeit, die das elektrische Feld verrichtet, um eine Ladung von 1 Anhänger zu bewegen (Kl) von einem Punkt des Leiters zum anderen. Basierend auf dieser Definition ist es immer noch schwierig zu verstehen, was Stress ist.
Damit sich geladene Teilchen von einem Pol zum anderen bewegen können, muss zwischen diesen Polen eine Potentialdifferenz erzeugt werden (Das nennt man Spannung.). Die Einheit der Spannung ist das Volt (BEI).
Um die Definition von elektrischem Strom und Spannung endlich zu verstehen, kann eine interessante Analogie angeführt werden: Stellen Sie sich vor, dass die elektrische Ladung Wasser ist, dann ist der Druck des Wassers in der Säule die Spannung und die Geschwindigkeit des Wasserflusses im Rohr ist die Stärke des elektrischen Stroms. Je höher die Spannung, desto größer der elektrische Strom.
Was ist wechselstrom
Wenn Sie die Polarität der Potentiale ändern, ändert sich die Richtung des elektrischen Stromflusses. Dieser Strom wird als Variable bezeichnet. Die Anzahl der Richtungsänderungen über einen bestimmten Zeitraum nennt man Frequenz und wird, wie oben erwähnt, in Hertz gemessen (Hertz). In einem Standardstromnetz in unserem Land beträgt die Frequenz beispielsweise 50 Hz, dh die Richtung der Strombewegung ändert sich 50 Mal pro Sekunde.
Was ist gleichstrom
Wenn die geordnete Bewegung geladener Teilchen immer nur eine Richtung hat, dann heißt ein solcher Strom konstant. Gleichstrom entsteht in einem Konstantspannungsnetz, wenn die Polarität der Ladungen auf der einen und auf der anderen Seite zeitlich konstant ist. Es wird sehr oft in verschiedenen elektronischen Geräten und Technologien verwendet, wenn keine Energieübertragung über große Entfernungen erforderlich ist.
Quellen für elektrischen Strom
Quelle des elektrischen Stroms üblicherweise ein Gerät oder ein Gerät genannt, mit dem ein elektrischer Strom in einem Stromkreis erzeugt werden kann. Solche Geräte können sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom erzeugen. Entsprechend der Methode zur Erzeugung eines elektrischen Stroms werden sie in mechanische, leichte, thermische und chemische unterteilt.
Mechanisch Elektrische Stromquellen wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um.Diese Ausrüstungen sind von verschiedener Art. Generatoren, die aufgrund der Rotation des Elektromagneten um die Spule von Asynchronmotoren einen elektrischen Wechselstrom erzeugen.
hell Quellen wandeln Photonenenergie um (Lichtenergie) in Strom umwandeln. Sie nutzen die Eigenschaft von Halbleitern, Spannung zu erzeugen, wenn sie einem Lichtstrom ausgesetzt werden. Sonnenkollektoren sind ein solches Gerät.
Thermal - wandeln Wärmeenergie aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen zwei sich berührenden Halbleiterpaaren in Strom um - Thermoelemente. Die Größe des Stroms in solchen Geräten steht in direktem Zusammenhang mit der Temperaturdifferenz: Je größer die Differenz, desto größer die Stromstärke. Solche Quellen werden beispielsweise in geothermischen Kraftwerken verwendet.
Chemisch Eine Stromquelle erzeugt durch chemische Reaktionen Strom. Solche Geräte umfassen beispielsweise verschiedene Arten von galvanischen Batterien und Akkumulatoren. Stromquellen auf Basis galvanischer Zellen werden meist in Inselgeräten, Autos, Technik eingesetzt und sind Gleichstromquellen.
Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom
Elektrische Geräte auf der ganzen Welt verwenden Gleich- und Wechselstrom. Daher besteht die Notwendigkeit, einen Strom in einen anderen oder umgekehrt umzuwandeln.
Aus Wechselstrom kann über eine Diodenbrücke oder auch „Gleichrichter“ Gleichstrom gewonnen werden. Das Herzstück eines Gleichrichters ist eine Halbleiterdiode, die den Strom nur in eine Richtung leitet. Nach dieser Diode ändert der Strom seine Richtung nicht, es treten jedoch Wellen auf, die mit Hilfe von beseitigt werden Kondensatoren und andere Filter. Gleichrichter sind in mechanischer, Elektrovakuum- oder Halbleiterausführung erhältlich.
Je nach Fertigungsqualität eines solchen Gerätes wird die Stromwelligkeit am Ausgang einen anderen Wert haben, in der Regel gilt: Je teurer und besser das Gerät gefertigt ist, desto weniger Welligkeit und desto sauberer der Strom. Ein Beispiel für solche Geräte sind Netzteile verschiedene Geräte und Ladegeräte, Gleichrichter von Kraftwerken in verschiedenen Transportmitteln, Gleichstromschweißmaschinen und andere.
Wechselrichter werden verwendet, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Solche Geräte erzeugen eine Wechselspannung mit einer Sinuskurve. Es gibt verschiedene Arten solcher Geräte: Wechselrichter mit Elektromotoren, Relais und Elektronik. Alle unterscheiden sich in der Qualität des Ausgangswechselstroms, den Kosten und der Größe. Ein Beispiel für ein solches Gerät sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Wechselrichter in Autos oder beispielsweise in Solarkraftwerken.
Wo wird er eingesetzt und welche Vorteile bieten Wechsel- und Gleichstrom
Verschiedene Aufgaben können die Verwendung von Wechsel- und Gleichstrom erfordern. Jede Stromart hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.
Wechselstrom am häufigsten verwendet, wenn Strom über große Entfernungen übertragen werden muss. Unter dem Gesichtspunkt möglicher Verluste und des Geräteaufwands ist es zweckmäßiger, einen solchen Strom zu übertragen. Aus diesem Grund verwenden die meisten elektrischen Geräte und Mechanismen nur diese Art von Strom.
Wohnhäuser und Unternehmen, Infrastruktur und Transporteinrichtungen befinden sich in einiger Entfernung von Kraftwerken, daher sind alle Stromnetze Wechselstrom. Solche Netze versorgen alle Haushaltsgeräte, Industrieanlagen und Lokomotiven. Es gibt unglaublich viele Geräte, die mit Wechselstrom betrieben werden, und es ist viel einfacher, die Geräte zu beschreiben, die mit Gleichstrom arbeiten.
Gleichstrom in autonomen Systemen wie Bordsystemen von Autos, Flugzeugen, Schiffen oder elektrischen Zügen verwendet. Es wird häufig in der Stromversorgung von Mikroschaltungen verschiedener Elektronik, in Kommunikations- und anderen Geräten verwendet, wo es erforderlich ist, die Menge an Störungen und Welligkeiten zu minimieren oder vollständig zu eliminieren. In einigen Fällen wird ein solcher Strom beim Elektroschweißen mit Hilfe von Wechselrichtern verwendet. Es gibt sogar Eisenbahnlokomotiven, die mit Gleichstromsystemen fahren. In der Medizin wird ein solcher Strom verwendet, um Medikamente mittels Elektrophorese in den Körper einzubringen und für wissenschaftliche Zwecke verschiedene Substanzen zu trennen (Proteinelektrophorese usw.).
Bezeichnungen auf Elektrogeräten und Diagrammen
Oft muss festgestellt werden, mit welchem Strom das Gerät arbeitet. Denn der Anschluss eines mit Gleichstrom betriebenen Geräts an ein Wechselstromnetz führt unweigerlich zu unangenehmen Folgen: Beschädigung des Geräts, Brand, Stromschlag. Dafür gibt es allgemein akzeptierte Konventionen für solche Systeme und sogar die Farbcodierung von Kabeln.
Üblicherweise werden bei mit Gleichstrom betriebenen Elektrogeräten eine Linie, zwei durchgezogene Linien oder eine durchgezogene Linie zusammen mit einer gepunkteten Linie, die untereinander angeordnet sind, angegeben. Außerdem ist ein solcher Strom mit einer Bezeichnung in lateinischen Buchstaben gekennzeichnet Gleichstrom. Die elektrische Isolierung von Leitungen in DC-Systemen für die Plusleitung ist rot, die Minusleitung blau oder schwarz gefärbt.
Bei elektrischen Geräten und Maschinen wird Wechselstrom durch die englische Abkürzung gekennzeichnet AC oder Wellenlinie. Auf den Diagrammen und in der Beschreibung der Geräte wird es auch durch zwei Linien angezeigt: durchgezogen und gewellt, die sich untereinander befinden. Leiter werden in den meisten Fällen wie folgt bezeichnet: Phase ist braun oder schwarz, Null ist blau und Erde ist gelbgrün.
Warum wird häufiger Wechselstrom verwendet?
Oben haben wir bereits darüber gesprochen, warum Wechselstrom derzeit häufiger verwendet wird als Gleichstrom. Und dennoch, lassen Sie uns dieses Problem genauer betrachten.
Die Debatte darüber, welcher Strom besser zu verwenden ist, wird seit den Entdeckungen auf dem Gebiet der Elektrizität geführt. Es gibt sogar so etwas wie einen "Krieg der Ströme" - die Konfrontation zwischen Thomas Edison und Nikola Tesla um die Verwendung einer der Stromarten. Der Kampf zwischen den Anhängern dieser großen Wissenschaftler dauerte bis 2007, als die Stadt New York von Gleichstrom auf Wechselstrom umgestellt wurde.
Der Hauptgrund, warum AC häufiger verwendet wird, ist, weil die Fähigkeit, es über große Entfernungen mit minimalen Verlusten zu übertragen. Je größer die Entfernung zwischen Stromquelle und Endverbraucher, desto größer der Widerstand Drähte und Wärmeverluste für deren Beheizung.
Um die maximale Leistung zu erhalten, muss entweder die Dicke der Drähte erhöht werden (und dadurch den Widerstand verringern) oder die Spannung erhöhen.
In AC-Systemen können Sie die Spannung mit einer minimalen Drahtstärke erhöhen und dadurch die Kosten für elektrische Leitungen reduzieren. Für Systeme mit Gleichstrom gibt es keine erschwinglichen und effektiven Möglichkeiten, die Spannung zu erhöhen, und daher ist es für solche Netze erforderlich, entweder die Dicke der Leiter zu erhöhen oder eine große Anzahl kleiner Kraftwerke zu bauen. Beide Methoden sind teuer und erhöhen die Stromkosten im Vergleich zu Wechselstromnetzen erheblich.
Mit Hilfe elektrischer Transformatoren wird die Wechselspannung wirksam (mit Wirkungsgrad bis zu 99%) kann in jede Richtung von minimalen zu maximalen Werten geändert werden, was auch einer der wichtigen Vorteile von Wechselstromnetzen ist. Die Verwendung eines dreiphasigen Wechselstromsystems erhöht die Effizienz weiter, und Maschinen wie Motoren, die mit Wechselstrom betrieben werden, sind viel kleiner, billiger und einfacher zu warten als Gleichstrommotoren.
Auf der Grundlage des Vorstehenden können wir schlussfolgern, dass die Verwendung von Wechselstrom in großen Netzwerken und bei der Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen vorteilhaft ist und für den genauen und effizienten Betrieb elektronischer Geräte und für autonome Geräte die Verwendung von Gleichstrom ratsam ist.
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