Prąd przemienny

5 VII 2020

I znowu przypomnijmy sobie to, o czym pisałem w poprzedniej historii. Żeby wykonać konkretną pracę, potrzebna jest konkretna moc. Moc to iloczyn napięcia i natężenia. Dla pracy nie ma znaczenia, czy napięcie będzie wysokie, a natężenie niskie, czy odwrotnie.

Każdy przewodnik posiada opór. Zarówno ten, który wykonuje pracę, jak żarówka czy silnik, jak i ten, który doprowadza do nich energię. Ponieważ opór przewodnika doprowadzającego napięcie powoduje jedynie straty, dąży się do tego, by był jak najmniejszy i by jak najmniejszy był prąd, który nim płynie.

Napięcie mierzymy w woltach [V], natężenie w amperach [A], moc — w watach [W], a opór w omach [Ω]

Moc to napięcie pomnożone przez natężenie.

Opór to napięcie podzielone przez natężenie.

Żeby zminimalizować straty przesyłu energii, będziemy dążyć do tego, by napięcie było jak najwyższe, a natężenie i opór — najniższe. Opór możemy zmniejszać stosując grubsze przewody z metali o niskim oporze własnym. Najlepsze byłoby srebro, lecz jest zbyt drogie. W warunkach domowych stosuje się miedź, a w polowych — aluminium, które ma wyższy opór, ale niższą wagę i jest tańsze.

O ile jednak opór domowej instalacji jest względnie niski, trzeba pamiętać, że stanowi jedynie ułamek odległości, jaką prąd elektryczny musi pokonać, by dotrzeć do gniazdka z odległej nieraz o kilkadziesiąt kilometrów elektrowni. Mało tego, jeśli dla jednego mieszkania wystarczą przewody od średnicy dwóch i pół milimetra, to już dla małego osiedla musiałyby to być grube liny. A dla całego miasta?

Z tych powodów wynika wniosek, że trzymanie się napięcia docelowego, czyli 230 woltów, na całej trasie prądu elektrycznego nie ma sensu. Ze wzorów wiemy już, że problemy rozwiążą się, gdy zmienimy napięcie na wyższe. Proporcjonalnie zmniejszy się nam prąd i straty.

Prąd przemienny

I tak też się robi. Mało tego, robi się to dwuetapowo. Elektrownia, produkując energię elektryczną od razu podwyższa napięcie do ponad stu tysięcy woltów. Dzięki temu można w prosty sposób przesłać olbrzymie jej ilości, korzystając z jednej linii. Jedyny problem to potrzeba zapewnienia dobrej izolacji, która wytrzyma tak wysokie napięcie. Dlatego słupy wysokiego napięcia są tak potężne.

W pobliżu miast czy większych zakładów pracy stawia się stacje elektroenergetyczne, w których zamieniane jest wspomniane wysokie napięcie na tak zwane napięcie średnie (stanowiące zwykle 15 tysięcy woltów), które już wieloma liniami biegnie do poszczególnych dzielnic czy fabryk. Dopiero w optymalnym miejscu ze względu na zapotrzebowanie energii o niskim napięciu, stawia się tak zwane transformatory rozdzielcze, które dostarczają napięcie 230 woltów do poszczególnych domów, sklepów, biur i wszędzie tam, gdzie jest potrzebne.

Dociekliwi zapytają: skąd trzy (albo wielokrotność trzech) przewodów na tych wszystkich słupach? A w przypadku linii niskiego napięcia cztery? Zresztą na liniach wysokiego napięcia także widać czwarty przewód, tylko cieńszy. To nie temat na dzisiejszy odcinek, jednak wspomnieć wypada. Upraszczając, prąd wytwarza się jak gdyby „trójkami”. To znaczy z elektrowni nie płynie jedno napięcie, a od razu trzy, związane ze sobą w ten sposób, że fazy poszczególnych przebiegów, bo są to prądy przemienne, są przesunięte o 120 stopni. Ale to tylko taka wzmianka, na razie załóżmy, że elektrownia wytwarza jak gdyby trzy tory energii, a my możemy korzystać tylko z jednego i wszystko będzie działać jak należy.

Zamiana napięć niskich w wysokie i na odwrót jest względnie prostą czynnością, choć nie darmową. Służą do tego transformatory, w których najogólniej mówiąc po stronie pierwotnej na chwilę zamienia się całą energię w pole magnetyczne, a zaraz potem, w części wtórnej, następuje proces odwrotny. Konkretniej wygląda to tak, że napięcie elektryczne zasila cewkę pierwotną, która magnesuje rdzeń, który z kolei indukuje w cewce wtórnej napięcie. Cała sztuka polega na tym, że stosunek tych napięć ma się dokładnie jak stosunek liczby zwojów cewek. Tak więc znając napięcie, którym dysponujemy i to, które chcemy otrzymać, wystarczy dobrać odpowiednio cewki i będziemy mogli zamieniać napięcia jak tylko nam się spodoba.

Powiedziałem, że nie ma nic za darmo. Otóż transformator nie jest urządzeniem idealnym. Część energii zmarnuje się, grzejąc go. Stąd te charakterystyczne kaloryferki, które możemy zobaczyć na słupach. No i jest jeszcze jeden problem.

Rdzeń transformatora, używając znanych metafor, jest jak gąbka. Można go nasycić polem magnetycznym do pewnego poziomu i więcej nie wejdzie. Potem trzeba go z tego pola „wycisnąć”, niczym wodę z gąbki, by móc znowu go nasycić. Zupełnie jak przy zbieraniu rozlanej wody. Jedna gąbka, ale wiele razy nasycamy i wyciskamy.

W przypadku energii elektrycznej takie wyciskanie będzie polegać na zaprzestaniu doprowadzania napięcia albo wręcz odwróceniu jego kierunku. Trzeba to zrobić, zanim rdzeń się nasyci, bo potem energia zacznie nam się bardzo szybko zamieniać na ciepło. Zatem wszystko dobiera się tak, by rdzeń dał sobie radę, bądź co bądź z potężnym polem magnetycznym w wypadku transformatorów wielkich mocy, w określonym czasie, czyli przez jedną setną sekundy. Potem następuje zmiana biegunów i znowu można nasycać rdzeń. I oczywiście indukować napięcie w cewce wtórej, co jest zasadniczym sensem istnienia transformatora.

Napięcie to, z różnych względów, powinno się zmieniać ciągle i płynnie, zgodnie z funkcją sinusoidalną. Zatem nie jest tak, że przez chwilę prąd płynie w jedną stronę, a za moment natychmiast w drugą.

I ten powód sprawia że, wydawałoby się, tak niepraktyczne napięcie, zmieniające się sto razy na sekundę, czyli powtarzające cykl pięćdziesiąt razy w ciągu sekundy, stało się standardem. Niepraktyczność tego jest tak naprawdę pozorna. Niewiele urządzeń wymaga do pracy napięcia stałego o wartości sieciowej. Wszelkie ładowarki, komputery i temu podobny sprzęt i tak potrzebuje niższego napięcia, więc dodatkowe wyprostowanie go po obniżeniu nie stanowi problemu. Żarówki czy grzałki zasilane wprost z sieci pracują równie sprawnie na napięciu stałym jak i zmiennym. Co do silników elektrycznych, te o mniejszej mocy i stałych obrotach można zbudować tak, by pracowały z napięciem przemiennym, a silniki większej mocy pracują ze wspomnianym prądem trójfazowym. Silniki komutatorowe pracują na dowolnym rodzaju napięcia, a zresztą obecnie coraz częściej stosuje się silniki sterowane mikroprocesorami, które rządzą się zupełnie innymi prawami.

Teraz już, patrząc na gniazdko elektryczne, będziemy wiedzieć, że nie można określić bieguna dodatniego i ujemnego, ponieważ to wszystko zmienia się pięćdziesiąt razy na sekundę. Ale niejeden z was słyszał pewno, że jedna z dziurek kopie, a druga jest bezpieczna. Skąd się to bierze?

Zacznijmy od tego, że żadna z dziurek nie jest bezpieczna. Nie wolno ich tak traktować, ponieważ nie możemy ufać w solidność pracy elektryka ani producentowi puszek czy złącz. Paradoksalnie zerwanie się gdzieś połączenia w ścianie może sprawić, że ta rzekomo bezpieczna dziurka będzie ukrywała śmiertelne niebezpieczeństwo. Jeden z biegunów w gniazdku związany jest z ziemią. Dla bezpieczeństwa stosuje się jeszcze trzecie złącze. Mowa o tym wystającym bolcu. Ono również połączone jest z ziemią, ale osobnym torem i lokalnie. Przynajmniej w porządnych, nowych instalacjach, bo w starszych tak dobrze nie jest. Ale to temat na inną historię.

Patrząc tylko na obie dziurki kontaktu możemy założyć, że przez jedną setną sekundy w jednej pojawia się dodatnie napięcie, rośnie do maksimum i maleje do zera. W drugiej dzieje się to samo, tylko że napięcie jest ujemne. Ale patrząc już z perspektywy ziemi, w jednej z dziurek nic się nie dzieje, a w drugiej napięcie rośnie do maksimum, maleje, przechodzi przez zero i maleje dalej do minimum, po czym rośnie, przechodzi przez zero i tak bez przerwy.