Co to jest impedancja?
Skąd wzięła się impedancja i kto ją wymyślił? Jak w rzeczywistości działa i dlaczego mówimy o niej tylko w kontekście prądu przemiennego?
Prąd przemienny od podstaw
Dziś opowiem Ci o tym dlaczego prąd przemienny nie nadaje się do grzania, co wspólnego z sinusoidą mają fazy księżyca i jak tanie multimetry udają, że coś mierzą, kiedy tak naprawdę tego nie robią. Zapraszam!
Dlaczego prąd jest sinusoidalny?
Dlaczego prąd w gniazdku ma kształt sinusoidalny? Jak nadać prądowi taki kształt i dlaczego to właśnie on jest ulubieńcem wszystkich elektrowni?
Napięcie dostarczane do naszych gniazdek i pobierany z nich prąd mają kształt sinusoidalny. Dlaczego akurat taki? W jaki sposób ten kształt powstaje? Dziś Ci o tym opowiem, ale wcześniej polecam nadrobienie dwóch poprzednich artykułów:
Artykuł #1 – Prąd stały, zmienny i przemienny w prostych słowach
Wiedza na temat różnic między prądem stałym i przemiennym oraz związku sinusoidy z okręgiem pomoże Ci znacznie lepiej zrozumieć dzisiejszy temat. Zaczynamy!
Kształt prądu
Przez ostatnie sto lat nauczyliśmy się wytwarzać prąd o praktycznie dowolnym kształcie. Od najprostszego prądu stałego, po sinusoidę, prostokąt, trójkąt i piłę. Dlaczego zatem prąd wpychany przez elektrownie do naszych gniazdek ma kształt akurat sinusoidy? Nie wiem jak Tobie, ale mi sinusoida wygląda na dość trudną w wytworzeniu. Czy nie prościej byłoby wysyłać nam po prostu prąd stały? Szczególnie, że pełno jest w naszych domach elektroniki, która i tak prostuje prąd zasilaczami…
Jak sądzisz? Który z powyższych przebiegów jest najprostszy w wyprodukowaniu? Gdybyś miał wytworzyć w domu prąd zdolny do zasilenia małej diody, to mógłbyś wziąć do ręki na przykład cytrynę, po jednej stronie wbić żelazny gwóźdź, po drugiej miedziany drut i w ten sposób uzyskałbyś między nimi napięcie stałe o wartości 1 V. To oczywiście nie wystarczyłoby do rozświetlenia diody, ale już 4 takie cytryny połączone szeregowo dają jakieś 3,8 V i pobrany z nich prąd sprawi, że dioda przynajmniej będzie się żarzyć.
Eksperyment ten pokazuje, że prąd stały jest niezwykle łatwy w wytworzeniu. Zanim jednak weźmiesz się za budowę przydomowej szklarni i uprawę setek tysięcy cytryn dla swojej ekologicznej minielektrowni, to muszę nieco ostudzić Twój zapał. Kilogram cytryn kosztuje około 8 zł. Cztery cytryny zdolne ledwie rozżarzyć maleńką diodę ważą pół kilograma, a więc taka wątpliwej jakości owocowa bateria kosztuje aż 4 zł. Gdybym chciał dzięki cytrynom zagotować wodę na herbatę, to koszty liczyć by trzeba w tysiącach złotych… Tak, prąd stały uzyskiwany ze źródeł chemicznych jest drogi.
Prąd stały kontra prąd zmienny
Alessandro Volcie, włoskiemu wynalazcy, który w 1800 roku zaprezentował światu pierwszą baterię nawet przez myśl nie przeszło, że urządzenia te będą w przyszłości zdolne zasilać pojazdy elektryczne. Nie ulega wątpliwości, że znane dziś baterie litowe i akumulatory litowo-jonowe to urządzenia niezwykle potężne. Mimo to ilość energii jaką potrafimy w nich zamknąć i moc jaką mogą nam dać nawet dziś nie pozwala myśleć o wielkich elektrownio-magazynach baterii zasilających pojedyncze domy, nie mówiąc o całych miastach. Dlatego nic dziwnego, że pierwsze baterie bardzo szybko straciły monopol na produkcję energii, a zastąpiły je znacznie tańsze i wydajniejsze generatory.
Około 30 lat po baterii Volty, niejaki Michael Faraday, człowiek, którego dokonania mogłyby zapełnić niejedną książkę, odkrył tzw. indukcję elektromagnetyczną. Była ona w swej naturze czymś, czego dotąd nie znano. Chemia potrafiła bowiem wytworzyć prąd stały, domeną indukcji był zaś prąd zmienny. Dziś instynktownie czujemy, że prąd zmienny, czy też dokładniej mówiąc przemienny jest w jakiś sposób lepszy. W końcu cały świat zdecydował się dostarczać odbiorcom energię elektryczną przy jego pomocy. Warto jednak wiedzieć, że od odkrycia indukcji elektromagnetycznej (1831 rok) do powstania pierwszej elektrowni komercyjnie wytwarzającej prąd przemienny (1890 rok) minęło około 60 lat. Dlaczego aż tyle?
Michael Faraday bardzo dobrze rozumiał istotę zjawiska, które odkrył. Mimo to prąd zmienny uznawany był początkowo za mniej praktyczny od stałego. No bo po co komuś prąd, który ciągle się zmienia, raz płynie w jedną, raz w drugą stronę, a wartość maksymalną osiąga tylko na chwilę? Pierwsze lampy łukowe w ogóle nie działały z prądem zmiennym i nikt nie widział powodu, by konstruować je na nowo. Z tego właśnie powodu pierwszy zbudowany przez Faradaya generator pomyślany był tak, by nieco oszukać naturę i na wyjściu wytwarzać prąd stały.
Skoro udało się zbudować generator prądu stałego (tzw. dynamo), to czy warto w ogóle przejmować się prądem zmiennym? Odpowiedź jest jedna: Warto. Okazało się bowiem, że prąd zmienny ma wiele zalet, które wyszły na światło dzienne dopiero wtedy, gdy duże firmy zaczęły bić się o dostarczenie energii elektrycznej do coraz szerszego grona odbiorców. Tam gdzie nie wiadomo o co chodzi, tam zwykle chodzi o pieniądze i nie inaczej było w tym przypadku. Przesyłanie prądu przemiennego na duże odległości było dużo tańsze, a generatory prądu zmiennego, których trzeba było budować coraz więcej, znacznie prostsze w konstrukcji od tych prądu stałego. Jako jeden z pierwszych dostrzegł to George Westinghouse, który w roku 1886 założył firmę Westinghouse Electric Corporation, a już kilka lat później otworzył w miejscowości Ames pierwszą w pełni funkcjonalną elektrownię wysyłającą w świat prąd sinusoidalny.
Dlaczego akurat sinusoida?
O historii podboju prądu przemiennego na pewno napiszę jeszcze niejeden artykuł. Dziś natomiast chciałbym skupić się na pytaniu dlaczego prąd przemienny przesyłany do naszych domów ma akurat kształt sinusoidalny, a nie na przykład… prostokątny, albo trójkątny? Czy sinusoida ma jakieś konkretne zalety, na które wpadli ówcześni inżynierowie? Nie do końca. Odpowiedź może Cię zadziwić, ale wybór padł na sinusoidę głównie dlatego, że… nie było innego wyboru. Uformowanie prądu w trójkąt, czy prostokąt wymaga dość zaawansowanej elektroniki, którą wynaleziono dopiero kilkadziesiąt lat później. Sinusoida była, jak się okazuje, naturalną formą prądu jaką produkował najprostszej konstrukcji generator. Dlaczego? Tajemnica kryje się w samym zjawisku jakim jest indukcja elektromagnetyczna.
Słowo indukcja oznacza ,,wzbudzenie” i w elektrotechnice rozróżniamy dwa rodzaje indukcji, których nie należy ze sobą mylić! Pierwsza to indukcja magnetyczna opisująca pole magnetyczne wokół magnesów (pisałem o niej tutaj). Indukcja elektromagnetyczna dotyczy natomiast, jak sama nazwa wskazuje, związku między elektrycznością i magnetyzmem. Chodzi w niej z grubsza o to, że jeśli weźmiemy magnes i kawałek drutu, to możemy zrobić prąd.
Duński fizyk Hans Christian Ørsted podczas jednego ze swoich wykładów w 1820 roku przypadkowo odkrył, że prąd elektryczny wytwarza wokół przewodu pole magnetyczne. Przewód taki mógł na przykład odchylić wskazówkę kompasu, czy przyciągnąć do siebie opiłki żelaza. Niezbyt widowiskowe… Co jednak gdyby udało się sytuację odwrócić i przy pomocy pola magnetycznego wytworzyć prąd? To właśnie umożliwia indukcja elektromagnetyczna.
To, że coś da się zrobić nie oznacza od razu, że jest to łatwe. jeżeli po prostu położysz magnes obok miedzianego drutu, to nic wielkiego się nie wydarzy. Trzeba tutaj skorzystać z faktu, który jest źródłem wielu innych zjawisk fizycznych (jak na przykład opisywanego przeze mnie tutaj diamagnetyzmu). Chodzi o to, że natura bardzo nie lubi zmian i, jak zauważył Faraday, zmiana pola magnetycznego nie jest tutaj wyjątkiem. Co zatem trzeba zrobić? Pamiętając, że prąd elektryczny płynie tylko w zamkniętym obwodzie, w pierwszej kolejności musimy stworzyć pętlę, łącząc końce naszego przewodu ze sobą. Aby zobaczyć czy prąd faktycznie płynie, końce przewodu możemy podłączyć do diody lub małej żarówki. Następnie bierzemy magnes i energicznie przysuwamy i odsuwamy go od pętli. Voilà! Właśnie przy pomocy pola magnetycznego (i siły naszych mięśni) stworzyliśmy prąd elektryczny!
Jeżeli chcesz wykonać ten eksperyment w domu, najlepiej będzie jeśli użyjesz magnesu neodymowego, malutkiej diody, a z drutu zrobisz kilkanaście lub nawet kilkadziesiąt pętli – im więcej drutu, tym działanie magnesu silniejsze. Ale dlaczego to właściwie działa? Heinrich Lenz, urodzony w Rosji fizyk postanowił dokładnie przestudiować temat. Sformułował on w 1834 roku prawo (nazwane później jego nazwiskiem), które stwierdza, że przewód wokół którego zmienia się pole magnetyczne reaguje tak, by tę zmianę powstrzymać. Kiedy magnes się zbliża, w pętli zaczyna płynąć prąd wytwarzający wokół niej pole magnetyczne próbujące odepchnąć magnes. Jeśli magnes się oddala, prąd płynie w pętli w drugą stronę, wytwarzające pole przyciągające magnes z powrotem. Wygląda to tak, jakby pętla miała w sobie pierwiastek złośliwości. Nic dziwnego więc, że prawo to zwane jest często Prawem Przekory.
Faraday i Lenz nie wiedzieli rzecz jasna co dokładnie dzieje się we wnętrzu przewodów, bowiem podstawowy nośnik prądu elektrycznego, elektron, odkryto dopiero 60 lat później i to on okazał się być tą wrażliwą, nielubiącą zmian cząstką. Z resztą dogłębna znajomość zjawiska nie była wtedy uczonym potrzebna. Dzięki Ørstedowi wiedzieli oni, że prąd tworzy magnetyzm, a teraz odkryli też, że magnetyzm może wytworzyć prąd. Koncepcja elektromagnetyzmu została dopełniona i nie pozostało nic innego jak zająć się magnetycznym wytwarzaniem prądu na skalę przemysłową.
Jak działa generator prądu
Poruszanie magnesem powoduje zapalenie żarówki. Jak odkrył Lenz, ruch w jedną, a potem drugą stronę powoduje przepływ prądu w dwóch różnych kierunkach, co innymi słowy oznacza przepływ prądu przemiennego (płynącego na przemian raz w jedną, raz w drugą stronę). Kto wie, może jeśli zajrzymy głębiej i spojrzymy na wykres owego prądu, to będzie nam on coś przypominał?
Czyż nie wygląda to jak daleki, niezbyt piękny kuzyn sinusoidy? Machanie magnesem ,,w tę i we w tę”, choć męczące, bezsprzecznie wytwarza prąd przemienny. Wystarczyło teraz zastąpić ten ruch jakimś powtarzalnym mechanizmem, by móc w sposób ciągły produkować prąd. A gdyby tak zamiast ruchu ,,przód-tył” wykorzystać… ruch obrotowy? Kiedy magnes się obraca, jego bieguny na przemian oddalają się i zbliżają do pętli, więc powinno to działać podobnie. Wirujący magnes to wirujące pole magnetyczne, a wirujące pole to zmienne pole i o to przecież chodzi. A może pójść o krok dalej i zamiast magnesu wprowadzić w ruch obrotowy sam przewód? Tak oto powstały dwie koncepcje generowania prądu przemiennego, które dzięki wykorzystaniu ruchu obrotowego nieco odmieniły kształt płynącego prądu.
Przyznam od razu, że powyższa animacja jest odrobinę oszukana. Magnes sztabkowy ze względu na swój kształt (i kształt generowanego pola) nieco zniekształca sinusoidę, dlatego w generatorach stosuje się magnesy o dopasowanym do danej konstrukcji kształcie. Niemniej najważniejsze w powyższej animacji jest to, że ruch obrotowy i sinusoida są ze sobą nierozerwalnie związane, o czym dokładniej pisałem tutaj:
Oczywiście w wytwarzaniu prądu przy pomocy ruchu obrotowego wcale nie chodziło o samą sinusoidę, bo tak jak wspomniałem nie była ona na początku specjalnie przydatna. Znacznie istotniejsze były dwie niepodważalne zalety. Przede wszystkim generator taki mógł być względnie małych rozmiarów, bo magnes (lub przewód) wirował i nie musiał przemieszczać się na boki. Po drugie można było do takiego ruchomego magnesu (lub przewodu) dołożyć łopatki i napędzać generator za pomocą wody płynącej w rzekach, czy spadającej z wodospadu. Pierwsze elektrownie (czy to eksperymentalne, czy komercyjne) były właśnie elektrowniami wodnymi (lub bardziej fachowo hydroelektrowniami). Dopiero później wykorzystano energię spalania do wytwarzania pary obracającej turbiną.
I choć pierwszy generator, który stworzył sam Faraday produkował prąd stały, to legenda głosi, że już wtedy zdawał on sobie sprawę z przyszłości jaka czeka prąd przemienny. Wieść niesie, że zapytany przez pewnego człowieka po co nam właściwie indukcja elektromagnetyczna i jej prąd zmienny odpowiedział, że tym kiedyś zasilać będziemy cały świat. Czy tak było naprawdę nikt niestety nie wie, a sam Faraday zmarł w 1867 roku na około 10 lat przed pierwszymi eksperymentalnymi elektrowniami prądu przemiennego.
Turbogeneratory
Patrząc na produkowane od początku XX wieku generatory nie znajdziemy w nich już prostego magnesu i pętli z kawałka przewodu. Turbogeneratory, bo tak są dziś zwane, stały się gigantycznymi urządzeniami zbudowanymi z wielu podzespołów. I choć z zewnątrz tego nie widać, to w środku cały czas korzystają one z tej samej, odkrytej w 1831 roku zasady, według której zmienne pole magnetyczne wytwarza prąd elektryczny. Co więcej do dziś wykorzystują one do tego ruch obrotowy, co widzimy po kształcie przedniej części obudowy widocznego na powyższym zdjęciu kolosa.
I choć w dzisiejszym artykule świadomie nie wchodziłem w żadne szczegóły, to myślę, że ogólny zarys produkcji prądu przemiennego jest dla Ciebie jasny. Na dogłębne zbadanie indukcji elektromagnetycznej i zwycięstwa prądu przemiennego nad stałym przyjdzie jeszcze czas. W kolejnych artykułach postaram się odpowiedzieć na pozostałe po dzisiejszej lekturze pytania:
- W jaki sposób pierwszy generator Faradaya oszukał zmienną naturę indukcji?
- Dlaczego przesył prądu zmiennego jest tańszy, niż stałego?
- Dlaczego pisząc o walce prądu stałego ze zmiennym nie wspomniałem o Edisonie i Tesli?
Na zakończenie zapraszam Cię już do kolejnego artykułu na temat podstaw prądu przemiennego. Udanej lektury!
A jeżeli nie chcesz przegapić żadnej nowej publikacji, to zapraszam do polubienia mojej strony na Facebooku lub do zapisu na newsletter poniżej.
Dzięki za poświęcony czas!
Bibliografia
- Elektrotechnika – S. Bolkowski,
- Podstawy Elektrotechniki i elektroniki – M. Doległo,
- https://www.britannica.com/biography/Alessandro-Volta – krótka biografia Alessandro Volty,
- https://en.wikipedia.org/wiki/Ames_Hydroelectric_Generating_Plant – historia hydroelektrowni w Ames
Mobilny Niezbędnik Elektryka
A może chciałbyś przeczytać ciekawą książkę?
Jak szybko płynie prąd?
Jeśli żarówka rozpala się w mgnieniu oka po naciśnięciu włącznika, to jak szybko tak naprawdę płynie prąd? Z prędkością światła? Nieco wolniej? Odpowiedź może cię zaskoczyć.
Prąd stały, zmienny i przemienny w prostych słowach
Czym różni się prąd stały od zmiennego? Jak wytworzyć prąd zmienny? Jak wygląda prąd przemienny? Co to jest okresowość sygnału? W prostych słowach o zmienności prądu.
Dlaczego przewód się nagrzewa? – Prawo Joule’a
Czemu przewody elektryczne się nagrzewają? Czym jest ciepło i temperatura? Ile energii traci się przez rezystancję? Jak brzmi Prawo Joule’a? Czy rezystancję można do czegoś wykorzystać?
Czym jest rezystancja?
Co to jest rezystancja i rezystywność? Czym jest przewodność i konduktancja? Co wpływa na rezystancję? Które materiały są najlepszymi przewodnikami?
W którą stronę płynie prąd?
W jakim kierunku płynie prąd? Czym jest umowny kierunek prądu? Czy prąd może płynąć w dwóch kierunkach jednocześnie?
Czym jest prąd elektryczny?
Co jest niezbędne, aby płynął prąd? Jakie są rodzaje prądu? Dlaczego tak ważny dla prądu jest ruch? Jaka jest jednostka prądu elektrycznego? Rozpoczynamy serię artykułów na temat elektrodynamiki!