דרך קלה לדמיין את ההבדל בין זרמי AC ו-DC היא לשרטט את הכיוון שלהם מול הזמן. הראשון ייראה כמו קו ישר, והשני ייראה כמו קו גלי. מחזור אחד של עקומה זו הוא הבסיס הגרפי לאופן שבו מסומן זרם חילופין במעגלים ו פיקטוגרמות (~), וראשי התיבות AC (זרם חילופין) הפכו למונח מבוסס היטב ב טקסטים.
תוֹכֶן
- ייעודי DC ו-AC
- הרעיונות של אדיסון
- הניצחון של טסלה
- מלחמת חשמל מתקופת הרנסנס
ייעודי DC ו-AC
לכל המוליכים יש אלקטרונים חופשיים שיכולים לנוע בנוכחות הפרש פוטנציאלים. זרימה זו של חלקיקים טעונים בלולאה סגורה נקראת זרם חשמלי. אם מטען חשמלי נע בכיוון אחד בלבד, אזי תופעה זו נקראת זרם חשמלי קבוע, ייעודו "-» או DC (זרם ישיר).
ההגדרה של זרם חילופין יכולה להיגזר מההפך: זו תהיה תנועת המטענים שמשנים את כיוונם על בסיס תקופתי. רעידות רמקול יכולות ללבוש מגוון רחב של צורות, למשל:
- שן מסור;
- כיכר;
- מְשּוּלָשׁ;
- סינוסואידי.
זרם AC סינוסואיד הוא סוג זה של אנרגיה, אשר מועבר דרך רשתות חשמל מודרניות. היתרון העצום שלו עבור מערכות חשמל הוא בכך שהוא מקל על שינוי המתח המשודר באמצעות שנאים, וצורת הגל הזו קלה להפקה. תכונות אלו מאפשרות לכם לחסוך כמות עצומה של כסף ומשאבים חומריים בייצור והולכה של חשמל למרחקים ארוכים.
הדוגמה הבאה יכולה להמחיש את היתרונות של שימוש ב-AC על ידי חברות חשמל. נניח שיש תחנת כוח ככושר ייצור, המסוגלת להפיק 1 מיליון וואט של אנרגיה.
למען הבהירות, יהיה נוח לשקול 2 דרכים לשינוע אותו:
- העבר 1 מיליון אמפר עם מתח של 1 וולט על הרשתות.
- הובלת זרם בכוח של 1 אמפר ומתח של מיליון וולט.
ההבדל העיקרי הוא כדלקמן: במקרה השני, נדרש מוליך בעובי קטן להעברת אנרגיה, בעוד שבמקרה הראשון, לא ניתן לוותר על כבל בעל חתך רוחב עצום. לכן, חברות אנרגיה ממירות את האנרגיה המופקת למתח AC במתח גבוה מאוד לצורך תחבורה ואז יורדות בסמיכות לצרכנים.
יתרון נוסף של AC עבור כלי עזר הוא האמינות והפשטות המעולה של אלטרנטורים על פני דינמות. בנוסף, ל-AC יש את היתרונות הבאים:
- מאפשר הפעלה של מכונות חשמליות יעילות יותר, פשוטות ואמינות יחסית;
- לא הורס התקני מיתוג.
כל האלקטרוניקה והטכנולוגיה הדיגיטלית צורכת DC. ככלל, זרם ישר נוצר באמצעות תאים אלקטרוכימיים וגלווניים. אלו דרכים יקרות יחסית לייצור חשמל, לכן, ישנם עיצובים רבים של מכשירים, המרת AC ל-DC, על בסיס מניעת זרימת זרם בכיוון ההפוך ותיקון הסינוסואיד באמצעות מסננים.
בשילוב עם שנאים, מיישרים מאפשרים קבלת הפרמטרים הנדרשים ואיכות גבוהה מרשת DC.
הרעיונות של אדיסון
אי אפשר לדמיין חיים מודרניים בלי חשמל. על מנת שהוא ישמש למטרות אזרחיות ותעשייתיות, יש לא רק לייצר אותו, אלא גם למסור אותו לצרכן. הראשון שהחליט לייצר חשמל בכמויות גדולות ולהוביל אותו למפעלים, משרדים ו משקי בית, היה היזם האמריקאי תומס אדיסון - מהממציאים המשפיעים ביותר העולם.
כדי ליישם את הרעיון שלו, הוא תכנן ובדק מחוללי קיטור DC, מדי חשמל ואלמנטים של רשתות הפצה. החשמול הראשון של התאורה לא היה קל באותה תקופה. בעלי חברות הגז ראו באדיסון מתחרה מסוכן שעלול לסכן את העסקים שלהם. אבל שום דבר לא יכול לעצור את הממציא. לא העלות העצומה של הנחת כבלים במדרכות, ולא תאונות במהלך הבדיקה מנעו אותו בספטמבר 1882. להשיק את רשת התאורה הראשונה של חמשת אלפים מנורות.
תוך 5 שנים פעלו יותר מ-50 תחנות כוח של אדיסון. למרות ההצלחה הגדולה, הממציא לא הצליח להרחיב את הגיאוגרפיה של רשתות החשמל שלו לכל העולם. תושבי האזורים שבהם נמצאו תחנות הכוח התלוננו על עשן ופיח, ואילצו את סגירת מתקני אדיסון. לפיכך, הדור הראשון של תחנות כוח פחמיות הפסיק לפעול בסופו של דבר, ופינה את מקומו לאלפי AC חדשים ומייצרים.
הניצחון של טסלה
רוב החשמל המוקדם שחולק היה זרם ישר, ולא היו תקנים לצרכנים. לדוגמה, מנורות קשת נזקקו לכמה אלפי וולט, בעוד מנורות ליבון אדיסון דרשו 110 וולט. החשמליות של סימנס פעלו מ-500 וולט, ומנועים תעשייתיים במפעלים יכלו להיות שונים פי כמה לחץ.
חברות החשמל נאלצו ליצור ולתחזק כמה קווי ייצור בו-זמנית עבור סוגים שונים של עומסים. אנו יכולים לומר שהיו שני מכשולים עיקריים לשימוש נרחב ברשתות DC:
- קרבה של גנרטורים לעומסים;
- קשיים באספקת מגוון מתחים.
המדען הקרואטי טסלה, שעבד עם אדיסון, האמין שהשימוש בזרם חילופין ברשתות חשמל יכול לפתור את הבעיות הללו. מחלוקתם לגבי הסיכויים למתח חילופין הסתיימה בעובדה שחוקר AC המשיך בעבודתו עם המתחרה של אדיסון, ג'ורג' וסטינגהאוס. טסלה לא גילתה זרם חילופין, אלא הייתה הממציאה של הגנרטור הסינכרוני והמנוע האסינכרוני, כמו גם מחברת הפטנטים הנוגעים לפעולת מכשירים פוליפאזיים.
היתרונות של AC לייצור ותחבורה היו ברורים, אבל אדיסון, במקום להודות בכך, נשאר איתן בקידום DC וניסה להכפיש את מתחריו. הוא החל להפיץ את הרעיון ש-AC קטלני לבעלי חיים ולבני אדם. לדוגמה, אדיסון אפילו הפך לממציא הכיסא החשמלי AC במטרה לתפוס מקום לקמפיין תעמולה על הסכנות של AC.
למרות שהקמפיין האנטי-פרסומי הצליח והניב תוצאות מוחשיות, שמחת הניצחון של אדיסון הייתה קצרת מועד. בשנת 1892 הפיזיקאי הגרמני פולק המציא מיישר מכני שבעזרתו אפשר היה להטעין סוללות חשמליות, וקיום תחבורה DC איבד את ההצדקה האחרונה שלו. כבר ב-1893 הודלק התערוכה העולמית של שיקגו מרשת AC, שהייתה תחילתו של ניצחון הזרם המחליף במאה ה-20, והאירועים התחרותיים בין ממציאים נכנסו להיסטוריה כ"מלחמת הזרמים".
מלחמת חשמל מתקופת הרנסנס
הגידול בשימוש במקורות אנרגיה מתחדשים במאה ה-21 הוביל להופעתם של רשתות חשמל מבוזרות בקנה מידה קטן עם צריכת החשמל כמעט במקום הייצור. עבור מערכות חשמל כאלה, היתרונות של AC אינם חשובים, ולכן השימוש בזרם ישר בהם מוצדק.
אלקטרוניקה מודרנית בעלת ביצועים גבוהים התקדמה בהמרת אנרגיה ויכולה להפוך זרם ישר בטווחי מתח של עד 800 קילו וולט. וולט ביעילות גבוהה יותר ממכוניות חשמליות AC. חידושים אלו הפכו לבסיס לבניית קווי זרם ישר במתח גבוה (HVDC) להעברת עודפי אנרגיית שמש או רוח מאזור אחד לאחר. בניית HVDC עולה בערך פי שניים מבנייה מסורתית, אך בשל ההפסדים הנמוכים והידידותיות לסביבה של המערכת כולה, השקעה כזו מוצדקת.
יותר ויותר מכשירי חשמל דורשים זרם ישר. מחשבים, תאורת LED ומכשירים אלקטרוניים אחרים צריכים להמיר ולתקן את החשמל. מספר כלי הרכב החשמליים צפוי לגדול בשנים הקרובות. מערכות הפצת DC מודרניות מסוגלות לחסל ממירים בבית לאורך זמן מתח וקל לשלב תאים פוטו-וולטאיים ברשתות ביתיות ותעשייתיות ו סוללות אחסון.
שידור DC במתח גבוה היא כיום טכנולוגיה מוכחת ומוכחת במדינות כמו גרמניה וסין. אבל ליישום נרחב מעשית, יש עדיין הרבה בעיות לא פתורות. איך שתי הטכנולוגיות יתקיימו במקביל? מה יהיו אמצעי אבטחה יעילים? אילו צעדים טכניים ומשפטיים יידרשו כדי לעבור ל-DC? היתרונות וההיקף של שינויים כאלה הם כה משמעותיים, שככל הנראה, אנחנו מדברים על שינוי פרדיגמה.
