בעולם המודרני, כל אדם נחשף לחשמל מאז ילדותו. האזכור הראשון של תופעת טבע זו מתוארך לתקופת הפילוסופים אריסטו ותאלס, שהסתקרנו מהתכונות המדהימות והמסתוריות של הזרם החשמלי. אבל רק במאה ה-17 החלו מוחות מדעיים גדולים בסדרה של תגליות בנוגע לאנרגיה חשמלית שנמשכת עד היום.
גילוי הזרם החשמלי ויצירתו של מייקל פאראדיי בשנת 1831 של הגנרטור הראשון בעולם שינו באופן קיצוני את חיי האדם. אנו רגילים לכך שמכשירים המשתמשים באנרגיה חשמלית מקלים על חיינו, אך עד כה אין לרוב האנשים הבנה בתופעה החשובה הזו. ראשית, כדי להבין את העקרונות הבסיסיים של חשמל, יש צורך ללמוד שתי הגדרות בסיסיות: זרם חשמלי ומתח.
תוֹכֶן
מהו זרם ומתח חשמלי
חַשְׁמַל היא התנועה המסודרת של חלקיקים טעונים (נושאי מטען חשמלי). נושאי הזרם החשמלי הם אלקטרונים (במתכות וגזים), קטיונים ואניונים (באלקטרוליטים), חורים במוליכות אלקטרון-חור. תופעה זו מתבטאת ביצירת שדה מגנטי, שינוי בהרכב הכימי או חימום המוליכים. המאפיינים העיקריים של הזרם הם:
- חוזק זרם, נקבע על פי חוק אוהם ונמדד באמפר (אבל), בנוסחאות מסומן באות I;
- כוח, על פי חוק ג'ול-לנץ, נמדד בוואטים (ג'), מסומן באות P;
- תדר, נמדד בהרץ (הרץ).
זרם חשמלי, כמוביל אנרגיה, משמש להשגת אנרגיה מכנית באמצעות מנועים חשמליים, להשגת אנרגיה תרמית במכשירי חימום, ריתוך חשמלי ותנורי חימום, לעורר גלים אלקטרומגנטיים בתדרים שונים, ליצירת שדה מגנטי באלקטרומגנטים ולהשגת אור. אנרגיה בגופי תאורה וסוגים שונים של מנורות. .
מתח היא העבודה שעשה השדה החשמלי כדי להזיז מטען של תליון אחד (Cl) מנקודה אחת של המוליך לאחרת. על סמך הגדרה זו, עדיין קשה להבין מהו לחץ.
על מנת שחלקיקים טעונים יעברו מקוטב אחד למשנהו, יש צורך ליצור הבדל פוטנציאל בין הקטבים הללו (זה מה שנקרא מתח.). יחידת המתח היא הוולט (בְּ).
כדי להבין סוף סוף את ההגדרה של זרם חשמלי ומתח, ניתן לתת אנלוגיה מעניינת: דמיינו שהמטען החשמלי הוא מים, ואז לחץ המים בעמוד הוא המתח, ומהירות זרימת המים בצינור הוא עוצמת הזרם החשמלי. ככל שהמתח גבוה יותר, כך הזרם החשמלי גדול יותר.
מהו זרם חילופין
אם אתה משנה את הקוטביות של הפוטנציאלים, אז כיוון זרימת הזרם החשמלי משתנה. זרם זה נקרא משתנה. מספר שינויי הכיוון במשך פרק זמן מסוים נקרא תדר והוא נמדד, כאמור לעיל, בהרץ (הרץ). לדוגמה, ברשת חשמל רגילה בארצנו התדר הוא 50 הרץ, כלומר כיוון תנועת הזרם משתנה 50 פעמים בשנייה.
מהו זרם ישר
כאשר לתנועה המסודרת של חלקיקים טעונים יש תמיד רק כיוון אחד, אז זרם כזה נקרא קבוע. זרם ישר מתרחש ברשת מתח קבוע כאשר הקוטביות של המטענים בצד אחד ובצד השני קבועה לאורך זמן. הוא משמש לעתים קרובות מאוד במכשירים אלקטרוניים וטכנולוגיות שונות, כאשר אין צורך בהעברת אנרגיה למרחקים ארוכים.
מקורות זרם חשמלי
מקור זרם חשמלי נקרא בדרך כלל מכשיר או מכשיר שאיתו ניתן ליצור זרם חשמלי במעגל. מכשירים כאלה יכולים ליצור זרם חילופין וגם זרם ישר. על פי שיטת יצירת זרם חשמלי, הם מחולקים למכני, קל, תרמי וכימי.
מֵכָנִי מקורות זרם חשמלי ממירים אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית.הציוד הזה הוא מסוגים שונים. גנרטורים, אשר, עקב סיבוב האלקטרומגנט סביב סליל המנועים האסינכרוניים, מייצרים זרם חשמלי לסירוגין.
אוֹר מקורות ממירים אנרגיית פוטון (אנרגיית אור) לחשמל. הם משתמשים בתכונה של מוליכים למחצה כדי לייצר מתח כאשר הם נחשפים לשטף אור. פאנלים סולאריים הם מכשיר כזה.
תֶרמִי - המרת אנרגיית חום לחשמל עקב הפרש הטמפרטורה בין שני זוגות של מוליכים למחצה המתקשרים - צמדים תרמיים. גודל הזרם במכשירים כאלה קשור ישירות להפרש הטמפרטורה: ככל שההבדל גדול יותר, עוצמת הזרם גדולה יותר. מקורות כאלה משמשים, למשל, בתחנות כוח גיאותרמיות.
כִּימִי מקור זרם מייצר חשמל כתוצאה מתגובות כימיות. לדוגמה, מכשירים כאלה כוללים סוגים שונים של סוללות ומצברים גלווניים. מקורות זרם המבוססים על תאים גלווניים משמשים בדרך כלל במכשירים עצמאיים, מכוניות, טכנולוגיה והם מקורות זרם ישר.
המרת AC ל DC
מכשירים חשמליים בעולם משתמשים בזרם ישר וזרם חילופין. לכן, יש צורך להמיר זרם אחד לאחר או להיפך.
מזרם חילופין ניתן לקבל זרם ישר באמצעות גשר דיודה או כפי שהוא נקרא גם "מיישר". הליבה של מיישר היא דיודה מוליכים למחצה המוליכה חשמל בכיוון אחד בלבד. לאחר דיודה זו, הזרם אינו משנה את כיוונו, אלא מופיעים אדוות אשר מתבטלות בעזרת קבלים ומסננים אחרים. מיישרים זמינים בגרסאות מכניות, אלקטרו ואקום או מוליכים למחצה.
בהתאם לאיכות הייצור של מכשיר כזה, לאדוות הזרם במוצא יהיה ערך שונה, ככלל, ככל שהמכשיר עשוי יותר יקר וטוב יותר, האדוות פחותה והזרם נקי יותר. דוגמה למכשירים כאלה הם ספקי כוח מכשירים ומטענים שונים, מיישרים של תחנות כוח חשמליות בדרכי תחבורה שונות, מכונות ריתוך DC ועוד.
ממירים משמשים להמרת זרם ישר לזרם חילופין. מכשירים כאלה מייצרים מתח חילופין עם סינוסואיד. ישנם מספר סוגים של מכשירים כאלה: ממירים עם מנועים חשמליים, ממסר ואלקטרוניקה. כולם נבדלים זה מזה באיכות הפלט זרם חילופין, עלות וגודל. דוגמה למכשיר כזה היא אל-פסק, ממירים במכוניות או למשל בתחנות כוח סולאריות.
היכן משתמשים בו ומהם היתרונות של זרם חילופין וישר
משימות שונות עשויות לדרוש שימוש הן ב-AC והן ב-DC. לכל סוג זרם יש יתרונות וחסרונות משלו.
זרם חליפין משמש לרוב כאשר יש צורך בהעברת זרם למרחקים ארוכים. כדאי יותר להעביר זרם כזה מנקודת מבט של הפסדים אפשריים ועלות הציוד. לכן רוב המכשירים והמנגנונים החשמליים משתמשים רק בסוג זה של זרם.
בתי מגורים ומפעלים, תשתיות ומתקני תחבורה ממוקמים במרחק מתחנות כוח, כך שכל רשתות החשמל הן AC. רשתות כאלה מאכילות את כל מכשירי החשמל הביתיים, ציוד תעשייתי, קטרי רכבת. ישנם מספר מדהים של מכשירים הפועלים על זרם חילופין והרבה יותר קל לתאר את אותם מכשירים המשתמשים בזרם ישר.
זֶרֶם יָשָׁר משמש במערכות אוטונומיות, כגון מערכות מובנות של מכוניות, מטוסים, ספינות או רכבות חשמליות. הוא נמצא בשימוש נרחב באספקת חשמל של מיקרו-מעגלים של מוצרי אלקטרוניקה שונים, בתקשורת ובציוד אחר, שם הוא נדרש למזער את כמות ההפרעות והאדווה או לחסל אותם לחלוטין. במקרים מסוימים, זרם כזה משמש בריתוך חשמלי בעזרת ממירים. ישנם אפילו קטרי רכבת הפועלים על מערכות DC. ברפואה, זרם כזה משמש להחדרת תרופות לגוף באמצעות אלקטרופורזה, ולמטרות מדעיות להפרדה בין חומרים שונים (אלקטרופורזה של חלבון וכו'.).
ייעודים על מכשירי חשמל ותרשימים
לעתים קרובות יש צורך לקבוע באיזה זרם המכשיר פועל. אחרי הכל, חיבור מכשיר הפועל על זרם ישר לרשת חשמל זרם חילופין יוביל בהכרח לתוצאות לא נעימות: נזק למכשיר, שריפה, התחשמלות. בשביל זה, יש מקובלים בדרך כלל מוסכמות עבור מערכות כאלה ואפילו קידוד צבע של חוטים.
באופן קונבנציונלי, במכשירים חשמליים הפועלים על זרם ישר, מסומנים קו אחד, שני קווים מלאים או קו מוצק יחד עם קו מקווקו, הממוקם זה מתחת לשני. כמו כן, זרם כזה מסומן עם ייעוד באותיות לטיניות זֶרֶם יָשָׁר. הבידוד החשמלי של חוטים במערכות DC עבור החוט החיובי הוא בצבע אדום, החוט השלילי כחול או שחור.
במכשירים ומכונות חשמליות, זרם חילופין מצוין על ידי הקיצור האנגלי AC או קו גלי. בתרשימים ובתיאור המכשירים, זה מצוין גם על ידי שני קווים: מוצק וגלי, הממוקמים אחד מתחת לשני. מוליכים ברוב המקרים מיועדים באופן הבא: השלב הוא חום או שחור, אפס הוא כחול, והקרקע הוא צהוב-ירוק.
מדוע משתמשים בזרם חילופין לעתים קרובות יותר
לעיל, כבר דיברנו על מדוע כיום משתמשים בזרם חילופין לעתים קרובות יותר מאשר זרם ישר. ובכל זאת, בואו נסתכל על הנושא הזה ביתר פירוט.
הוויכוח באיזה זרם להשתמש עדיף מתנהל מאז הגילויים בתחום החשמל. יש אפילו דבר כזה "מלחמת זרמים" - העימות בין תומס אדיסון לניקולה טסלה על השימוש באחד מסוגי הזרם. המאבק בין חסידי המדענים הגדולים הללו נמשך עד 2007, אז הועברה העיר ניו יורק לזרם חילופין לזרם ישר.
הסיבה הגדולה ביותר מדוע משתמשים ב-AC לעתים קרובות יותר היא בגלל היכולת להעביר אותו למרחקים ארוכים עם הפסדים מינימליים. ככל שהמרחק בין המקור הנוכחי לצרכן הסופי גדול יותר, כך ההתנגדות גדולה יותר חוטים והפסדי חום לחימום שלהם.
על מנת לקבל כוח מרבי, יש צורך להגדיל את עובי החוטים (ובכך להפחית את ההתנגדות), או להגדיל את המתח.
במערכות AC, אתה יכול להגדיל את המתח עם עובי מינימלי של חוטים, ובכך להפחית את העלות של קווי חשמל. עבור מערכות עם זרם ישר, אין דרכים סבירות ויעילות להגדיל את המתח, ולכן עבור רשתות כאלה יש צורך להגדיל את עובי המוליכים, או לבנות מספר רב של תחנות כוח קטנות. שתי השיטות הללו יקרות ומעלות משמעותית את עלות החשמל בהשוואה לרשתות AC.
בעזרת שנאים חשמליים, מתח זרם החילופין יעיל (עם יעילות של עד 99%) ניתן לשנות בכל כיוון מערכי מינימום למקסימום, וזה גם אחד היתרונות החשובים של רשתות AC. השימוש במערכת AC תלת פאזית מגביר עוד יותר את היעילות, ומכונות כגון מנועים הפועלים על מתח AC הם הרבה יותר קטנים, זולים וקלים יותר לתחזוקה מאשר מנועי DC.
בהתבסס על האמור לעיל, ניתן להסיק ששימוש בזרם חילופין מועיל ברשתות גדולות ובעת העברת אנרגיה חשמלית למרחקים ארוכים, ולפעולה מדויקת ויעילה של מכשירים אלקטרוניים ועבור מכשירים אוטונומיים, רצוי להשתמש בזרם ישר.
מאמרים דומים:
