AC czy DC: który jest lepszy?

Jak głosi legenda , zespół rockowy AC/DC wziął swoją nazwę od etykiety na starej maszynie do szycia w domu braci Young. Musiało to oznaczać, że maszyna mogła być zasilana zarówno prądem przemiennym, jak i stałym. Dziś wszystkie nowomodne urządzenia elektroniczne w naszych domach działają wyłącznie na prąd stały – nawet oprawy oświetleniowe, odkąd diody LED zastąpiły żarówki żarowe.

Ale chwila. Prąd płynący z gniazdka ściennego to prąd przemienny . Oznacza to, że każde urządzenie musi przekształcić prąd przemienny na prąd stały, a także obniżyć napięcie do znacznie niższych poziomów stosowanych w obwodach cyfrowych. Można więc zapytać: czy nie byłoby sensowniej mieć w domu gniazdka prądu stałego?

To świetne pytanie, które wywołało ożywioną debatę w początkach elektryfikacji. Thomas Edison preferował obwody prądu stałego, ale Nikola Tesla uważał, że obwody prądu przemiennego to właściwa droga. Tesla najwyraźniej wygrał w tej dyskusji. Zobaczmy dlaczego!

Prąd elektryczny to przepływ elektronów przez materiał przewodzący, taki jak metalowy drut. Można wyobrazić sobie sieć elektryczną jako system rzek i strumieni, przez które płynie prąd. W rzece różnica wysokości powoduje, że woda spływa w dół; w linii energetycznej siłą napędzającą prąd jest napięcie — różnica energii potencjalnej między dwoma punktami w obwodzie.

Ta analogia w każdym razie działa w przypadku prądu stałego. Jednak w większości sieci energia elektryczna jest przesyłana napięciem przemiennym. Oznacza to, że bieguny ujemny i dodatni obracają się tam i z powrotem, powodując, że elektrony nieprzerwanie poruszają się w przód i w tył zamiast płynąć ciągłym strumieniem.

Jak można sobie wyobrazić, to komplikuje obsługę prądu przemiennego. Edison miał rację: prąd stały jest znacznie prostszy. W rzeczywistości każdy może zbudować obwód prądu stałego. Wystarczy bateria i przewód łączący elektrody dodatnią i ujemną. Można nawet zbudować własną baterię. Wystarczy wziąć dwa różne metale, takie jak cynk i miedź, i włożyć je do przeciwległych końców ziemniaka. Kwas w soku ziemniaczanym reaguje inaczej z tymi dwoma metalami, wytwarzając niewielkie napięcie – wystarczające do zaświecenia małej diody LED. Prąd stały jest łatwy.

Załóżmy na przykład, że chcesz stworzyć toster prądu stałego. Toster to w zasadzie pudełko z przewodem w środku, który nagrzewa się pod wpływem przepływu prądu. Załóżmy, że ten toster wymaga 1000 watów mocy. A, mocy? To czas ( t ) i tempo przepływu energii ( E ). Zatem jeśli w ciągu 1 sekundy wprowadzisz do przewodu energię o wartości 1 dżula, będzie to 1 wat mocy ( P ):

W przypadku energii elektrycznej możemy ją obliczyć jako iloczyn prądu elektrycznego ( I ) i napięcia ( V ):

Dzięki temu możemy narysować prosty schemat obwodu tostera:

Drut nichromowy wewnątrz tostera nie jest dobrym przewodnikiem. Utrudnia przepływ prądu, powodując jego nagrzewanie. Jest to więc urządzenie do zamiany energii elektrycznej na energię cieplną. Na powyższym schemacie R oznacza wartość oporu mierzoną w omach.

Załóżmy, że nasz zasilacz prądu stałego ma napięcie 10 V. Możemy to wykorzystać do znalezienia poziomu rezystancji potrzebnego do podgrzania tostów. Istnieje zależność między natężeniem prądu ( I ) a napięciem ( V ) dla rezystora, zwana prawem Ohma, która daje nam następujący wzór na moc:

Przy napięciu 10 woltów potrzebujemy rezystancji 0,1 oma (co jest wartością minimalną), aby uzyskać moc 1000 watów. Ale chwila – to nie tylko element grzejny wewnątrz generuje rezystancję w obwodzie. Przewód zasilający, który podłączasz do gniazdka, również ma rezystancję. Miedziany przewód wewnątrz przewodu jest dobrym przewodnikiem, ale sama długość przewodu zwiększa rezystancję.

Dla ułatwienia wyobraźmy sobie, że przewód zasilający ma również rezystancję 0,1 oma, więc całkowita rezystancja w obwodzie wynosi 0,2 oma. Oznacza to, że otrzymalibyśmy mniejszy prąd elektryczny, a moc tostera wyniosłaby zaledwie 250 watów. To będzie naprawdę nieopieczony tost.

Aby to naprawić, musimy zwiększyć napięcie źródła zasilania. Podnieśmy je do 100 woltów. W takim przypadku nasz toster mógłby mieć 10 omów, więc przewód zasilający o oporności 0,1 oma nie będzie miał większego znaczenia. Cóż, to żaden problem dla 90-centymetrowego przewodu zasilającego w domu. Ale co z liniami przesyłowymi z elektrowni do twojego miasta? Mogą one mieć ponad 100 kilometrów długości.

Przy znacznie dłuższych przewodach opór jest znacznie większy, co oznacza, że przewody będą się nagrzewać i marnować energię. Ponownie, rozwiązaniem jest użycie źródła o wyższym napięciu. Pamiętasz P = IV ? To oznacza, że możesz dostarczyć tę samą moc, mając absurdalnie wysokie napięcie i absurdalnie niski prąd.

Tak, rozwiązujesz jeden problem, a powstaje kolejny. Załóżmy, że gniazdko ścienne ma napięcie 10 000 V DC. Aha, ale chcesz naładować telefon, a on potrzebuje 5 V DC. Jak to zrobić? OK, jest sposób, żeby to zadziałało. Możesz podłączyć duży rezystor szeregowo do telefonu, a on zamieni energię elektryczną na ciepło. Ale to po prostu marnowanie energii.

A co się stanie, jeśli przełączymy się na prąd przemienny? Pamiętajmy, że obwody prądu przemiennego powstają poprzez odwracanie biegunów dodatniego i ujemnego, co powoduje, że napięcie zmienia się między wartością dodatnią a ujemną (co oznacza zmianę kierunku przepływu elektronów). Poniżej znajduje się wykres zależności napięcia od czasu dla obu rodzajów prądu.

Źródło prądu stałego ma stałe napięcie, co widać na powyższej, płaskiej, niebieskiej linii. Źródło prądu przemiennego (czerwone) ma napięcie oscylujące między +10 a –10 woltów, a czasami napięcie to wynosi zero. W tym zmyślonym przykładzie widać, że napięcie zmienia się osiem razy w ciągu pół sekundy. Rzeczywiste napięcie prądu przemiennego w gospodarstwach domowych jest zmienne, ale w USA wynosi średnio około 120 woltów (plus i minus) z częstotliwością 60 herców.

Jeśli podłączymy toster do gniazdka prądu zmiennego 60 Hz, będzie działał bez zarzutu. Ponieważ działa on na zasadzie podgrzewania drutu, nie ma znaczenia, czy jest zasilany prądem stałym, czy przemiennym – w obu przypadkach się nagrzewa. To samo dotyczy żarówek. W rzeczywistości nie różnią się one zbytnio od tosterów; po prostu cienki drut wolframowy w żarówce nagrzewa się do tak wysokiej temperatury (do 2300°C), że świeci i emituje światło.

W przypadku prądu przemiennego nadal mamy ten sam problem z długimi liniami energetycznymi. Potrzebne jest wysokie napięcie i niski prąd, aby nie tracić zbyt dużo energii z powodu przegrzanych przewodów. Prąd przemienny ma jednak pewną zaletę: łatwo jest zmienić to wysokie napięcie na niskie. Jest to możliwe dzięki oscylacyjnej naturze prądu i prawu indukcji Faradaya.

Prawo Faradaya mówi, że zmiana natężenia pola magnetycznego wewnątrz pętli z drutu powoduje powstanie prądu elektrycznego. Na poniższym klipie widać, że gdy wbijam silny magnes w cewkę z drutu lub ją wyciągam, natężenie prądu (mierzone w amperach) gwałtownie rośnie.

Można to również zrobić bez magnesu, używając dwóch cewek z drutu. Na poniższym filmie podłączam i odłączam małą baterię pastylkową do uzwojenia pierwotnego. (Cewek nie widać, ale znajdują się one w małym szarym pudełku na pierwszym planie).

Uzwojenie wtórne nie jest podłączone do żadnego źródła zasilania. Ale zmieniający się prąd w uzwojeniu pierwotnym wytwarza zmienne pole magnetyczne, które indukuje prąd w uzwojeniu wtórnym. Nawet z tą maleńką baterią widać, że indukuje się duży prąd. Spójrzcie:

Ale to nie wszystko! Możemy zmienić napięcie indukowane w drugiej cewce, zmieniając stosunek liczby zwojów w każdej cewce. Jeśli cewka indukowana ma 100 zwojów, a cewka pierwotna 1000, napięcie indukowane będzie wynosić 100/1000, czyli 0,1 razy napięcie wejściowe. Odwracając to, możemy uzyskać napięcie wyjściowe 10 razy większe od napięcia wejściowego.

Nazywamy to transformatorem (ponieważ transformuje napięcie). To całkiem spore urządzenie. Oto, jak wygląda w środku mały transformator:

To jeden z tych „zasilaczy”, których używają wszystkie gadżety do podłączenia do gniazdka ściennego. Dwie cewki są obok siebie i widać, że ta po prawej ma więcej „zwojów” niż ta po lewej. Zatem, jeśli masz wejście prądu przemiennego 120 V, napięcie wyjściowe będzie niższe (w tym przypadku 12 V). Jest tam jeszcze jeden element, który przetwarza to niższe napięcie prądu przemiennego na prąd stały; to się nazywa prostownik napięcia.

Żeby było jasne, nie można używać transformatora prądu przemiennego z obwodem prądu stałego. Oczywiście, technicznie możliwe jest pobranie prądu stałego, przekształcenie go na prąd przemienny, a następnie przekształcenie – ale po co robić te dodatkowe rzeczy, skoro można po prostu dostarczyć prąd przemienny do domów? Właśnie to robimy. Kiedy widzisz te gigantyczne linie przesyłowe wysokiego napięcia, to są to obwody prądu przemiennego o bardzo wysokim napięciu.

Oto jak to działa. Masz elektrownię zasilaną paliwami kopalnymi, energią wodną czy czymkolwiek innym. Musisz wytworzyć prąd przemienny, a następnie zwiększyć napięcie do szaleńczego poziomu, na przykład 100 000 woltów. Oznacza to, że możesz przesyłać prąd długimi liniami energetycznymi przy bardzo niskim natężeniu, więc straty mocy są minimalne.

Gdy linia energetyczna dociera do miasta, trafia do podstacji. To w zasadzie kolejny gigantyczny transformator, który redukuje napięcie prądu przemiennego do bardziej przystępnego, na przykład 10 000 woltów. Na koniec prąd przepływa przez kolejny transformator, aby uzyskać napięcie 240 V, które trafia do domu. Duże urządzenia, takie jak suszarki do ubrań, zużywają całe 240 V, a w przypadku gniazdek elektrycznych napięcie to jest zmniejszane o połowę, dając 120 V.

Ale nic z tego nie byłoby możliwe przy zasilaniu prądem stałym. To po prostu niepraktyczne. Prąd zmienny rządzi!