Čo je striedavý prúd?

Autíčko na diaľkové ovládanie jazdí na batérie. Chladnička beží na elektrinu zo zásuvky. Obe používajú elektrický prúd, no medzi nimi je prekvapivý rozdiel.

Prúd z batérie tečie vždy rovnakým smerom. Prúd zo zásuvky sa stále obracia!

Jedným smerom: jednosmerný prúd

Batéria má mínusový koniec (−) a plusový koniec (+). Tlačí elektróny von z mínusového konca, cez obvod a späť do plusového konca. Idú stále rovnakým smerom.

Prúd, ktorý tečie stále jedným smerom, sa volá jednosmerný prúd, skrátene DC. Jednosmerný prúd vyrábajú batérie a solárne panely.

Tam a späť: striedavý prúd

Elektrina v zásuvke funguje inak. Jej tlačenie stále mení stranu. Najprv tlačí elektróny jedným smerom, potom druhým, potom znova späť, stále dokola.

Elektróny v drôtoch preto necestujú dookola obvodom. Kývajú sa tam a späť na mieste, o menej, než je hrúbka vlasu. Prúd, ktorý takto neustále mení smer, sa volá striedavý prúd, skrátene AC.

Pri jednosmernom prúde sa elektróny posúvajú jedným smerom. Pri striedavom prúde sa kývajú tam a späť, takže prúd neustále mení smer.

Prepínaj medzi jednosmerným a striedavým prúdom a sleduj elektróny a graf. Kmitanie je poriadne spomalené, aby ho bolo vidieť.

Kanvica sa zohreje pri oboch druhoch prúdu. Jej elektróny narážajú do atómov, nech sa pohybujú ktorýmkoľvek smerom, a každý náraz vytvára teplo. Presne to robí odpor.

Čo vychádza zo zásuvky?

V Európe je tlačenie v zásuvke, teda napätie, asi 230 voltov. Kýve sa tam a späť 50-krát za sekundu. Hovoríme, že má frekvenciu 50 hertzov (Hz). Jeden hertz znamená raz za sekundu.

Iné krajiny používajú iné čísla. V Severnej Amerike dávajú zásuvky 120 voltov pri 60 hertzoch. Mnohé nabíjačky zvládnu oboje, no niektoré spotrebiče fungujú len v krajinách, pre ktoré ich vyrobili.

Prečo používame striedavý prúd?

Elektrárne sú často ďaleko od miest, ktoré elektrinu potrebujú. Elektrina tam putuje dlhými elektrickými vedeniami. Cestou drôty časť energie premárnia na teplo, pretože majú odpor.

Koľko energie sa premárni, závisí od prúdu. Veľký prúd drôty veľmi zohrieva, malý prúd len trošku.

Výkon je tlačenie krát tok. Inžinieri preto posielajú ten istý výkon s obrovským tlačením a malým tokom: so stovkami tisíc voltov. Cestou sa tak premárni oveľa menej energie.

Také vysoké napätie by však bolo doma smrteľné. Preto sa musí znova znížiť a so striedavým prúdom je to ľahké.

Stroj, ktorý sa volá transformátor, dokáže napätie striedavého prúdu zvýšiť alebo znížiť. Nemá žiadne pohyblivé časti, len dve cievky drôtu navinuté na kuse železa. S jednosmerným prúdom transformátor nefunguje.

Transformátor pri elektrárni zvýši napätie na dlhú cestu. Blízko domov ho iné transformátory postupne znížia na 230 voltov.

Nabíjačky menia AC na DC

Telefóny, notebooky a väčšina ďalších prístrojov potrebujú malý, stály jednosmerný prúd. Ich nabíjačky preto robia dve veci. Znížia napätie z 230 voltov na niekoľko voltov, napríklad na 5 voltov pre mnohé telefóny. A zmenia striedavý prúd na jednosmerný.

Televízory a počítače majú podobné časti zabudované vo vnútri.

Vojna prúdov

Asi pred 140 rokmi sa ľudia vášnivo hádali, ktorý druh prúdu používať. Thomas Edison postavil v roku 1882 v New Yorku jednu z prvých elektrických sietí. Používala jednosmerný prúd, ktorý sa dostal len do domov vzdialených od elektrárne menej ako asi 1,5 kilometra.

Vynálezca Nikola Tesla a podnikateľ George Westinghouse naopak stavili na striedavý prúd. Vďaka transformátorom sa dostal oveľa ďalej. Edison varoval, že vysoké napätie striedavého prúdu je nebezpečné.

V roku 1893 rozžiaril striedavý prúd obrovskú svetovú výstavu v Chicagu. Čoskoro túto „vojnu prúdov“ vyhral. Celý príbeh si môžeš prečítať v článku o histórii elektriny.

Poďme hlbšie: Tvar striedavého prúdu pre dospelých a extra zvedavých

V európskej zásuvke napätie neskáče medzi dvoma hodnotami. Plynulo stúpa a klesá podľa krivky, ktorá sa volá sínusoida.

Napätie v európskej zásuvke v čase. Kýve sa medzi približne +325 a −325 voltmi a jeden celý kmit trvá 20 milisekúnd.

Jeden celý kmit sa volá perióda. Pri 50 Hz trvá jedna perióda $\frac{1}{50}$ sekundy, teda 20 milisekúnd. Prúd počas každej periódy dvakrát zmení smer, teda 100-krát za sekundu.
Napätie v každom okamihu je $u(t) = U_\text{m} \cdot \sin(2\pi f t)$ . Tu $u(t)$ je napätie v čase $t$ (v sekundách), $U_\text{m}$ je najväčšie napätie (amplitúda) a $f$ je frekvencia (50 Hz).
Prečo hovoríme 230 voltov, keď je vrchol asi 325? Hodnota 230 V je istý druh priemeru, ktorý sa volá efektívna hodnota (anglicky RMS). Striedavé napätie 230 V zohreje kanvicu presne tak ako stále jednosmerné napätie 230 V. Pri sínusoide je vrchol $\sqrt{2}$ -krát, teda asi 1,41-krát väčší: $230\ \text{V} \cdot \sqrt{2} \doteq 325\ \text{V}$ .

Poďme hlbšie: Ako funguje transformátor pre dospelých a extra zvedavých

Transformátor má dve cievky drôtu navinuté na tom istom železnom jadre. Striedavý prúd v prvej cievke vytvára magnetické pole, ktoré sa neustále zväčšuje, zmenšuje a obracia. Toto meniace sa pole vytvára napätie v druhej cievke. Tento jav, elektromagnetickú indukciu, objavil Michael Faraday v roku 1831. Napätia sú v rovnakom pomere ako počty závitov:

\frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1}

Tu $U_1$ a $U_2$ sú napätia na prvej a druhej cievke a $N_1$ a $N_2$ sú ich počty závitov. Stály jednosmerný prúd vytvára stále pole, ktoré nevytvorí žiadne napätie. Výkon zostáva takmer rovnaký: keď napätie stúpne, prúd klesne.

Poďme hlbšie: Koľko ušetrí vysoké napätie? pre dospelých a extra zvedavých

Výkon, ktorý sa vo vedení premárni na teplo, je $P_\text{straty} = R \cdot I^2$ , kde $I$ je prúd a $R$ je odpor vedenia (pozri elektrický výkon). Predstav si, že posielaš jeden milión wattov (1 MW):

pri 10 000 V je prúd 1 000 000 : 10 000 = 100 A;
pri 400 000 V je prúd 1 000 000 : 400 000 = 2,5 A.

Prúd je 40-krát menší, takže teplo premárnené v tom istom drôte je až 1 600-krát menšie (lebo $40^2 = 1\,600$ ).

Jednosmerný prúd sa však vracia. Niektoré veľmi dlhé vedenia a podmorské káble používajú vysokonapäťový jednosmerný prúd (HVDC). Moderná elektronika už dokáže meniť napätie aj pri jednosmernom prúde a na veľmi dlhé vzdialenosti, najmä pod morom, funguje jednosmerný prúd lepšie ako striedavý.

Poďme hlbšie: Kde obrázok s pílou nesedí pre dospelých a extra zvedavých

Píla dobre ukazuje kývanie, no nie to, odkiaľ sa berie energia. Elektróny v kanvici nikdy neprišli z elektrárne: zostávajú v drôte kanvice a len sa kývajú tam a späť. Po vedení sa šíri tlačenie, a to takmer rýchlosťou svetla. Energia tak tečie jedným smerom, z elektrárne do kanvice, hoci elektróny nikam nejdú.

Over sa

Prečo elektrické vedenia prenášajú elektrinu pri veľmi vysokom napätí?

Ukáž odpoveď

Cestou sa premárni menej energie na teplo — Pri veľkom tlačení stačí na ten istý výkon malý prúd. Malý prúd premárni oveľa menej energie na zohrievanie drôtov.