Striedavý prúd

Striedavý prúd je ked je Gabika nervozna a nevie co zo sebou.

Jeho vynálezcom je Nikola Tesla. Veľkou výhodou striedavého prúdu je to, že jeho transformácia prebieha takmer bez strát pomocou transformátora, ktorý sa skladá z primárneho a sekundárneho vinutia, tzn. že je pomerne ľahké zmeniť ho z malého na veľké a naopak.

Pri transformátore platí pravidlo, keď sa zvýši napätie 2-krát, prúd sa zníži 2-krát. Tento jav sa využíva pri prenose prúdu na diaľku.

Označenie

V schémach elektrických obvodov a na elektrických spotrebičoch sa striedavý prúd označuje:

• ~
• AC anglická skratka striedavého prúdu (alternating current)

Priebeh striedavého prúdu

Najčastejšou formou striedavého prúdu je tzv. harmonický striedavý prúd, v ktorom má okamžitá hodnota prúdu i napätí v čase t podobu sínusoidy:

$i(t)=I_{m}\cdot \sin(\omega t+\phi _{0})$,

$u(t)=U_{m}\cdot \sin(\omega t+\phi '_{0})$,

kde I_m je amplitúda striedavého prúdu, U_m amplitúda striedavého napätia, ω je uhlová frekvencia, φ₀ je začiatočná fáza striedavého prúdu a φ'₀ je začiatočná fáza striedavého napätia.

Okrem harmonického striedavého prúdu sa môžu vyskytovať aj iné priebehy, napr. trojuholníkový, pílový, obdĺžnikový a pod. Harmonický priebeh však umožňuje optimálny prenos energie a dá sa ľahko vyrábať (pozri ďalej), takže sa používa najčastejšie.

Striedavý prúd a napätie v obvode

Striedavý prúd a striedavé napätie v jednom obvode majú rovnakú frekvenciu, ale môžu mať rôznu začiatočnú fázu. Niektoré súčiastky spôsobujú fázový posun – rozdiel medzi fázami prúdu a napätia. Súčiastky s kapacitou (kondenzátor) posúvajú elektrický prúd pred napätie, súčiastky s indukčnosťou (cievka) posúvajú napätie pred prúd (pozri aj obvod RLC). Súčiastky iba s elektrickým odporom (rezistor) nevytvárajú žiadne fázové posunutie.

Vzťah medzi napätím a prúdom v striedavom obvode vyjadruje veličina impedancia. Veľkosť impedancie je vždy väčšia alebo sa rovná celkovému elektrickému odporu v obvode a závisí od zdanlivých odporov (induktancii a kapacitancii) jednotlivých súčiastok proti priechodu striedavého prúdu.

Napätie

Určenie napätia je komplikovanejšie, pretože tu rozlišujeme tri druhy napätia a podobne a tri druhy prúdu, ktoré sa od seba (pre sínusové kmity) líšia len v konštantnom pomere:

• Umax je maximálne napätie. V obvode sa vyskytuje len v dvoch momentoch, v 1/4 periódy kladnej, v 3/4 periódy zápornej. V zásuvke je Umax asi 325 V.

• Uef sa bežne udáva ako skutočné napätie, preto sa väčšinou značí ako samotné U. Získame ho ako odmocninu z priemeru mocnín okamžitého napätia. Možno to znie zložito, ale podstata je prostá. Okamžitý výkon na rezistore je priamo úmerný druhej mocnine okamžitého napätia. Spriemerujeme teda výkon a keď priemer odmocníme, získame napätie, ktoré by malo rovnaký výkon ako naše striedavé, keby bolo jednosmerné. V zásuvke je Uef 230 V. Platí, že:

U = 1/√2 . Umax = 0,7072 Umax

Umax = √2 . U = 1,4142 U

• Ustr sa používa pomerne málo, pretože v praxi má väčší význam sa zaoberať druhou mocninou napätia. Je to priemer absolútnych hodnôt napätia, čiže také U nameriame jednosmerným voltmetrom, keď napätie predtým usmerníme. (Priemer z neusmerneného U by bol samozrejme nula.) K ostatným má vzťah:

Ustr = 2 Umax / π = 0,6366 Umax

Umax = π . Ustř / 2 = 1,5708 Ustr

Ustr = √8 U / π = 0,9003 U

U = π . Ustr / √8 = 1,1107 Ustr

Výkon striedavého prúdu

Pre neustále sa meniacu okamžitú hodnotu striedavého prúdu a napätia sa mení aj elektrický výkon. Priemerný elektrický výkon striedavého prúdu možno vypočítať:

$P=U\cdot I\cdot \cos \phi$,

kde U a I sú efektívne hodnoty striedavého prúdu a napätia, φ je fázový posun medzi prúdom a napätím, člen cos φ sa nazýva účinník.

Efektívne hodnoty striedavého prúdu a napätia sú hodnoty takého jednosmerného prúdu a napätia, ktorého výkon by bol rovnaký ako je výkon daného striedavého prúdu a napätia. Veľkosť efektívnej hodnoty striedavého prúdu a napätia s harmonickým priebehom je

$I_{ef}={\frac {\sqrt {2}}{2}}I_{m}\approx 0{,}707\cdot I_{m}$,

$U_{ef}={\frac {\sqrt {2}}{2}}U_{m}\approx 0{,}707\cdot U_{m}$,

kde I_m je amplitúda striedavého prúdu a U_m je amplitúda striedavého napätia.

Výroba striedavého prúdu

Striedavý prúd vzniká elektromagnetickou indukciou v generátore, nazývanom alternátor. Frekvencia otáčania rotora v generátore určuje frekvenciu striedavého prúdu. Ak sa otáčanie rotora deje so stálou uhlovou rýchlosťou, vzniknutý striedavý prúd má harmonický priebeh.

Trojfázový prúd

Praktická výroba striedavého prúdu sa deje v generátoroch obsahujúcich 3 cievky. Striedavý prúd, vznikajúci v takom generátore sa nazýva trojfázový prúd. Striedavý prúd, ktorý sa indukuje v každej z cievok, sa nazýva fáza.

Vodivým spojením jednej svorky od každej cievky vznikne vodič s nulovým elektrickým potenciálom, ktorý sa nazýva nulovací vodič (v žargóne nulák). Elektrické napätie medzi nulovacím vodičom a druhou svorkou cievky sa nazýva fázové napätie, napätie medzi dvomi fázami sa nazýva združené napätie. Pre harmonický priebeh platí:

$U_{s}=2U_{0}\cdot \sin {\frac {\pi }{3}}\approx 1{,}73\cdot U_{0}$.

Striedavý prúd sa používa kvôli jeho ľahšej výrobe v elektrárňach a menej stratovému prenosu na diaľku oproti jednosmernému prúdu. Menšie straty sa dosahujú transformáciou vyrobenej elektriny na veľmi vysoké napätie a nízky prúd, čím sa znižuje prílišné zahrievanie vedenia. Transformácia prúdu a napätia prebieha v transformátoroch.

Použitie striedavého prúdu

Striedavý prúd (v Európe s frekvenciou 50 Hz a v Amerike s frekvenciou 60 Hz) sa používa v bežných domácich elektrických spotrebičoch (žiarovka, žiarivka, spotrebiče obsahujúce elektromotor). V niektorých spotrebičoch (počítač) treba použiť jednosmerný prúd obvykle s nižším napätím, ktorý môže vzniknúť transformáciou a potom usmernením striedavého prúdu.

Pre použitie v domácnostiach sa vysoké napätie znižuje v rozvodniach a uličných transformátoroch na efektívnu hodnotu fázového napätia 230 V. V bytovom rozvode sa väčšinou vytvára niekoľko okruhov (zásuvky, svetlá, elektrický sporák), z ktorých každý sa pre rovnomernejšie zaťaženie pripája k inej fáze. Pre silnejšie elektromotory sa používa združené trojfázové napätie 400 V. V Amerike sa v domácnostiach používa elektrický prúd s napätím 110 V a frekvenciou 60 Hz

Striedavý prúd sa používa aj v palubných sieťach niektorých dopravných prostriedkov (lietadlá, lode). V týchto prípadoch sa zvyčajne používa striedavý prúd s vyššou frekvenciou (typicky 400 Hz) na zníženie strát a zmenšenie rozmerov a hmotnosti transformátorov.

Pozri aj

• Jednosmerný prúd