Označení střídavého a stejnosměrného proudu: jak jsou označeny na diagramech, ikonách

Elektřina se tak hluboce propojila s lidským životem, že si bez ní nedokážeme představit naši existenci.

Zároveň proud není vždy stejný. Jak vypadá označení střídavého proudu na diagramech – nejběžnější typ.

Druhy proudu

Elektrický proud je uspořádaný, tj. jednosměrný pohyb částic s elektrickým nábojem.

V různých prostředích jsou částice:

• v kovech: elektrony (mají záporný náboj);
• v elektrolytech: kationty (kladně nabité ionty) a anionty (záporně nabité ionty);
• v plynech: elektrony a ionty;
• ve vakuu: elektrony (za přítomnosti emitoru);
• v polovodičích: elektrony a díry.

Rozlišují se následující typy proudů:

1. vodivý proudPohyb výše uvedených nabitých částic v makroskopických objektech. Charakterizován silou proudu – poměrem množství náboje procházejícího průřezem vodiče za jednotku času;
2. konvekční proudPohyb nabitých makroobjektů. Příklad: dešťové kapky;
3. zkreslení prouduTakto se nazývá elektrické pole, jehož parametry se v čase mění.

Vodivostní proudy se dělí na následující typy:

1. konstantníUdržuje směr a sílu proudu stabilní;
2. pulzující (pulzně konstantní)Směr se nemění, ale síla se značně liší;
3. variabilníJak síla proudu, tak i jeho směr se neustále mění.

Často se v důsledku transformací v jednotlivých úsecích obvodu tvoří kombinované proudy, které kombinují několik výše uvedených.

Proud ve vodiči je doprovázen následujícími jevy:

1. ohřev vodiče;
2. vznik elektromagnetického pole. Vždy se vyskytuje kolem pohybujících se elektricky nabitých částic, ale pokud je drát navinutý do cívky, mnohonásobně se zesílí;
3. změna chemického složení vodivého média (v elektrolytech).

Směr proudu je považován za vektor pohybu kladně nabitých částic. Toto pravidlo platí i pro kovy, ačkoli ty obsahují pouze částice se záporným znaménkem – elektrony. Pohybují se ze záporného potenciálu na kladný. Navzdory tomu se však předpokládá, že proud teče z “plus” do “mínus”.

Pokud je změna pulzujícího nebo střídavého proudu periodická, nazývá se periodická.

Střídavý elektrický proud

Obecně lze za střídavý proud považovat jakýkoli proud, který není stejnosměrný. Ve velké většině případů se však pod tímto termínem rozumí sinusový proud používaný v energetické soustavě.

Na začátku 20. století vypukla mezi Nikolou Teslou a Thomasem Edisonem debata o volbě proudu pro vytvoření centralizované elektrické sítě. Edison trval na stejnosměrném proudu, Tesla na střídavém proudu.

Edison poukázal na hlavní nevýhodu střídavého proudu – nebezpečnější vliv na živý organismus. Jako důkaz předvedl veřejné experimenty, během kterých zabíjel psy střídavým proudem. Naproti tomu Tesla předvedl následující experiment: do jedné ruky vzal vodič se střídavým proudem a do druhé žárovku.

Ten druhý jasně zářil, což znamenalo, že vynálezce fungoval jako vodič, aniž by si ublížil. Během dalších experimentů Nikola Tesla propouštěl skrz sebe střídavý proud o napětí milionů voltů a cítil se skvěle. Tajemstvím neškodnosti střídavého proudu byla jeho vysoká frekvence: s pomocí speciálních zařízení vlastního vynálezu ji Tesla zvýšil na miliony hertzů.

A čím vyšší je frekvence, tím menší nebezpečí představuje střídavý proud pro lidi a zvířata. V důsledku toho se začaly napájecí systémy budovat na střídavém proudu, ale z technických důvodů je použitá frekvence poměrně nebezpečná – 50-60 Hz. Možná, kdyby Tesla nezemřel, byl by schopen vytvořit centralizovanou energetickou síť na vysokofrekvenčním střídavém proudu.

Hlavní výhody střídavého proudu:

• nízké ztráty při přenosu elektřiny na velké vzdálenosti;
• jednoduchá konstrukce elektrických strojů;
• možnost transformace pomocí transformátorů.

Proud se nazývá sinusový, protože graf změny jeho síly v čase má tvar sinusoidy. Tento tvar je určen způsobem jeho generování.

Tento proces je možný díky zákonu elektromagnetické indukce objevenému M. Faradayem: „Když se změní magnetický tok (počet siločar) protínajících vodič, vznikne v něm elektromotorická síla (EMF).“ Pro výrobu střídavého proudu se vinutí vodiče otáčí v magnetickém poli nebo se provádí opak – magnet se otáčí s indukčním vinutím v klidu.

Indukované elektromotorické síly (EMS) jsou funkce s argumentem sinα, kde α je úhel mezi rovinou závitu vinutí a osou magnetu. Při konstantní úhlové rychlosti otáčení w je úhel a = wt, kde t je čas. Elektromotorické síly jsou tedy funkcí argumentu sin(wt), takže graf v souřadnicovém systému, podél osy x je vynesen čas a podél osy ordinát – hodnota EMS, je sinusoid.

Projekce kyvadla na pohybující se pás pod ním také vykresluje sinusoidu. S každou půlperiodou se kladný a záporný potenciál na koncích obvodu mění.

Jeden ze směrů proudu je považován za podmíněně kladný, druhý za podmíněně záporný. V bodě přechodu z kladné půlvlny na zápornou se síla proudu rovná nule.

Sinusový střídavý proud je periodický a je charakterizován následujícími parametry:

1. frekvenciPočet celých period za jednotku času. Přijatou jednotkou měření je hertz (Hz), což znamená počet kmitů za sekundu. Frekvence závisí na úhlové rychlosti otáčení pohyblivé části generátoru (rotoru) a počtu pólových párů: F = n*p, kde N je frekvence otáčení, ot/s, a P je počet pólových párů;
2. obdobíTrvání jednoho kmitového cyklu. Souvisí s frekvencí inverzním vztahem: T = 1 / f;
3. amplitudaMaximální odchylka od nulové hodnoty;
4. okamžitá hodnotaVelikost proudu v určitém časovém bodě;
5. fázeTento koncept se používá při porovnávání proudů stejné frekvence v různých obvodech nebo úsecích stejného obvodu. Pokud proudy dosáhnou svého maxima současně, říká se, že jsou ve stejné fázi. Pokud se liší v čase, dochází k fázovému posunu. Ten se nevyjadřuje v sekundách, ale v úhlu, o který je jeden sinusoid posunut vzhledem k druhému. Například fázový posun třífázového generátoru je 120°;
6. efektivní hodnotuJe nepohodlné používat ve výpočtech neustále se měnící hodnotu proudu nebo napětí – musíte se zabývat soustavami trigonometrických rovnic, které je poměrně obtížné řešit. Proto se střídavý proud nahrazuje efektivní hodnotou – ekvivalentním stejnosměrným proudem, tj. takovým, který při průtoku přímým vodičem způsobuje uvolňování tepla stejné intenzity.

Amplituda a perioda střídavého proudu

Pro sinusový proud platí vztah I = I._max / 1.41, kde

• I – efektivní hodnota;
• I_max — hodnota amplitudy proudu.

To znamená, že pokud je známo, že obvodem protéká střídavý proud o síle 10 A, znamená to, že skutečný proud kolísá mezi 14,1 A a -14,1 A. Podobný přístup se uplatňuje i u střídavého napětí: v síti 220 V kolísá skutečné napětí mezi 311 V a -311 V.

Pochopení rozdílu mezi amplitudovou a efektivní hodnotou je důležité například při návrhu usměrňovačů založených na diodovém můstku s vyhlazovacím kondenzátorem. Za určitých podmínek může být napětí na jeho svorkách (vybíjené v „mezerách“ mezi pulzacemi) rovno hodnotě amplitudy.

Transformátor

Pro indukci EMF ve vodiči není nutné jej otáčet v magnetickém poli – můžete změnit parametry tohoto pole samotného. Pak se změní i množství magnetického toku procházejícího vodičem, což je nezbytné pro fungování zákona elektromagnetické indukce.

Střídavé magnetické pole vzniká střídavým proudem. Když proud prochází vodičem navinutým do cívky, cívka se změní na elektromagnet.

Je zřejmé, že při průchodu střídavého proudu se parametry výsledného magnetického pole změní a v jiném vodiči umístěném v tomto poli se indukuje EMF. Tento princip je základem pro činnost transformátoru střídavého proudu.

Ve své nejjednodušší formě se skládá ze dvou elektricky nepropojených cívek umístěných na ocelovém magnetickém jádru (ocel má magnetickou permeabilitu 100krát vyšší než vzduch). Na svorky jedné cívky (primární) je přivedeno počáteční střídavé napětí, sekundární cívka je připojena k zátěži.

Poměr mezi počátečním napětím a výstupní elektromotorickou silou bude stejný jako počet závitů v cívkách. To znamená, že pokud má primární vinutí 1 tisíc závitů a sekundární vinutí 250, výstupní napětí klesne 4krát.

V tomto případě bude na základě stálosti výkonu poměr proudu ve vinutích opačný: v primárním – 4krát nižší než v sekundárním obvodu (W = U * I).

Konvenční označení v grafických diagramech

Střídavý proud je na diagramech obvykle označen symbolem „~“ nebo dvěma nad sebou. Stejnosměrný proud je označen jednou nebo dvěma přímkami: „-“. Například na pracovním panelu multimetru jsou sektory označené „V (~)“ a „V (-)“, což znamená měření střídavého a stejnosměrného napětí.

Pokud je nutné uvést parametry proudu, umístěte nápis ve tvaru „3~50 Hz 220 V“ (třífázový proud o frekvenci 50 Hz s efektivním fázovým napětím 220 V).

Označení střídavého a stejnosměrného proudu

V zahraničí se používá jiný systém zápisu:

• střídavý proudAC (z angličtiny Alternating current);
• konstantníDC (z angličtiny Stejnosměrný proud).

Standardní

Ve většině zemí je standardní frekvence střídavého proudu 50 Hz. V Kanadě a USA je tento parametr 60 Hz. V Japonsku a některých dalších zemích se používají oba standardy. V některých zemích železnice používají střídavý proud se sníženou frekvencí: Rakousko, Norsko, Německo, Švýcarsko, Švédsko – 16 Hz, USA (staré železniční tratě) – 25 Hz.

Ve vojenské a letecké technice se používá proud s frekvencí 400 Hz, který umožňuje:

• zmenšit velikost a hmotnost zařízení (s rostoucí frekvencí se rozměry transformátorů zmenšují);
• zvyšte rychlost otáčení střídavých motorů.

Elektrárny generují proud o napětí 10-20 kV. Napětí je zvýšeno na stovky a tisíce kV transformátorovou rozvodnou umístěnou v blízkosti, po které vstupuje do hlavního vedení.

Při výrazném zvýšení napětí proud prudce klesá (výkon se rovná součinu proudu a napětí), což zajišťuje snížení ztrát v důsledku ohřevu vodiče (množství uvolněného tepla je určeno vzorcem Q = I 2 * R). Nejvyšší napětí na světě se tvoří v přenosové lince Ekibastuz Kokchetav – 1150 kV.

V obydlených oblastech a podnicích je napětí také sníženo na 220 V pomocí transformátorových rozvoden, po kterých proud vstupuje do distribuční sítě.

Související videa

O tom, co je stejnosměrný a střídavý proud, ve videu:

Přestože se ve velké většině případů používá střídavý proud, mnoho zařízení pracuje na stejnosměrný proud. Pro převod se používají usměrňovače – zařízení s prvky, které propouštějí proud pouze v jednom směru (ventily). Výstupní proud je pulzující a jeho průměrná hodnota závisí na konstrukci usměrňovače.