Striedavý prúd Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Striedavý prúd (AC) — elektrický prúd, ktorý periodicky mení svoju veľkosť aj smer (polaritu). Na rozdiel od jednosmerného prúdu elektróny nekmitajú stále jedným smerom, ale pravidelne sa „presýpajú" tam a späť. Práve striedavý prúd tečie v zásuvkách našich domácností a je základom celej elektrizačnej sústavy.

2. Jednosmerný prúd (DC) — prúd, ktorý tečie stále jedným smerom a má nemennú polaritu (+ a −). Vzniká napríklad v batériách, akumulátoroch a fotovoltických článkoch. Práve podľa smeru toku ho rozlišujeme od striedavého: DC má jeden smer, AC smer periodicky obracia.

3. Perióda T — čas, za ktorý striedavý prúd vykoná jeden úplný kmit (jednu zmenu „tam a späť"). Označuje sa T a meria sa v sekundách (s). Je to základná časová charakteristika striedavého prúdu, z ktorej sa odvodzuje frekvencia.

4. Frekvencia f — počet period (kmitov) za jednu sekundu, meria sa v hertzoch (Hz). Platí vzťah f = 1 / T, teda frekvencia a perióda sú navzájom prevrátené hodnoty. Vyššia frekvencia znamená, že prúd mení smer rýchlejšie.

5. Sieťová frekvencia 50 Hz — v Európe (aj na Slovensku) má striedavý prúd v zásuvke frekvenciu 50 Hz, čo znamená, že za jednu sekundu sa smer prúdu zmení 100-krát a vykoná 50 úplných kmitov. Tomu zodpovedá perióda T = 1/50 s = 0,02 s. V USA sa naopak používa frekvencia 60 Hz.

6. Sieťové napätie 230 V — v domácich zásuvkách na Slovensku je striedavé napätie s efektívnou hodnotou 230 V. Toto napätie je životu nebezpečné, preto sa elektrina musí používať opatrne a obvody chrániť poistkami a ističmi. Efektívna hodnota udáva napätie, ktoré by malo rovnaké tepelné účinky ako rovnako veľké jednosmerné napätie.

7. Sínusový priebeh — veľkosť striedavého napätia a prúdu sa v čase mení podľa sínusovej krivky (vlnovky). Striedavo dosahuje kladné a záporné maximá (amplitúdy) a medzitým prechádza nulou. Tento plynulý priebeh je dôsledok otáčania cievky v magnetickom poli generátora.

8. Generátor (alternátor) — zariadenie, ktoré vyrába striedavý prúd na princípe elektromagnetickej indukcie: pri otáčaní cievky v magnetickom poli (alebo magnetu pri cievke) sa v nej indukuje striedavé napätie. Generátory v elektrárňach poháňa para, voda alebo vietor, ktoré roztáčajú ich rotor. Práve preto je v sieti striedavý a nie jednosmerný prúd.

9. Elektromagnetická indukcia — jav, pri ktorom vzniká indukované napätie pri zmene magnetického poľa prechádzajúceho cievkou. Objavil ho Michael Faraday v roku 1831 a je fyzikálnym základom činnosti generátorov aj transformátorov. Bez indukcie by nebola možná výroba ani premena striedavého prúdu.

10. Transformátor — zariadenie, ktoré mení (transformuje) veľkosť striedavého napätia pomocou dvoch cievok navinutých na spoločnom železnom jadre. Funguje len pre striedavý prúd, pretože potrebuje premenlivé magnetické pole na indukciu napätia v druhej cievke. Podľa počtu závitov cievok napätie buď zvyšuje, alebo znižuje.

11. Primárna a sekundárna cievka — primárna cievka je pripojená na vstupné napätie, sekundárna dodáva výstupné napätie. Pomer napätí sa rovná pomeru počtu závitov: U₁/U₂ = N₁/N₂. Ak má sekundárna cievka viac závitov, transformátor napätie zvyšuje; ak menej, napätie znižuje.

12. Rozvod elektrickej energie — elektráreň vyrobí striedavý prúd, ktorý transformátory pred prenosom na veľkú vzdialenosť zvýšia na veľmi vysoké napätie (až stovky kV). Vysoké napätie znamená menší prúd vo vedení, a teda menšie straty energie (zahrievanie drôtov). Pred dodaním do domácností sa napätie ďalšími transformátormi opäť zníži na bezpečných 230 V.

13. Výhoda striedavého prúdu — hlavnou výhodou striedavého prúdu je, že jeho napätie možno jednoducho a s malými stratami meniť transformátorom. Práve preto sa na celosvetový rozvod energie používa AC, a nie DC. Umožňuje to hospodárny prenos elektriny na stovky kilometrov od elektrárne k spotrebiteľovi.

1. Poučka

Striedavý prúd je elektrický prúd, ktorý pravidelne mení svoju veľkosť aj smer. Jednosmerný prúd tečie stále jedným smerom. V slovenskej elektrickej sieti má striedavé napätie efektívnu hodnotu 230 V a frekvenciu 50 Hz (za sekundu sa smer prúdu zmení 100-krát, t. j. 50 celých cyklov). Transformátor je zariadenie, ktoré mení (zvyšuje alebo znižuje) striedavé napätie.

2. Vysvetlenie

Predstav si, že prúd je pohyb elektrónov vo vodiči.

1. Pri jednosmernom prúde (napr. z batérie) sa elektróny pohybujú stále jedným smerom — od – pólu k + pólu.
2. Pri striedavom prúde sa smer pohybu stále otáča tam a späť. Hodnota napätia plynule narastá, klesá na nulu, prepóluje sa a znova narastá na druhú stranu — opisuje sínusový priebeh.
3. Koľkokrát za sekundu prebehne celý takýto cyklus, určuje frekvencia (značka f, jednotka hertz, Hz). U nás je to 50 Hz.
4. Striedavý prúd vzniká v generátore (alternátore) v elektrárni — otáčaním cievky v magnetickom poli sa indukuje striedavé napätie.
5. Striedavý prúd sa používa preto, lebo sa dá ľahko transformovať — meniť jeho napätie pomocou transformátora. To umožňuje prenášať energiu na veľké vzdialenosti s malými stratami.

3. Príklady a prečo je to dôležité

Príklad 1 — perióda sieťového prúdu: Sieťový prúd má frekvenciu 50 Hz. Aká je jeho perióda?
Zápis: f = 50 Hz, T = ?
Vzorec: T = 1 / f
T = 1 / 50 = 0,02 s

Príklad 2 — počet kmitov: Koľko úplných kmitov vykoná sieťový prúd s frekvenciou 50 Hz za 1 minútu?
50 Hz znamená 50 kmitov za sekundu, 1 min = 60 s.
N = 50 · 60 = 3000 kmitov

Príklad 3 — znižovací transformátor: Primárna cievka má N₁ = 1000 závitov, sekundárna N₂ = 50 závitov. Na primárnu pripojíme U₁ = 230 V. Aké je výstupné napätie U₂?
Vzorec: U₁ / U₂ = N₁ / N₂, z toho U₂ = U₁ · N₂ / N₁
U₂ = 230 · 50 / 1000 = 11,5 V

Príklad 4 — počet závitov: Transformátor má zmeniť 230 V na 23 V. Primárna cievka má 2000 závitov. Koľko závitov musí mať sekundárna?
N₂ = N₁ · U₂ / U₁
N₂ = 2000 · 23 / 230 = 200 závitov

Príklad 5 — prečo vysoké napätie (prax): Vedením treba preniesť výkon 100 kW. Aký prúd tečie pri napätí 400 V a aký pri 100 000 V?
Vzorec: P = U · I, teda I = P / U; P = 100 kW = 100 000 W
Pri 400 V: I = 100 000 / 400 = 250 A
Pri 100 000 V: I = 100 000 / 100 000 = 1 A
Menší prúd menej zohrieva vodiče, preto sú menšie straty.
→ pri vysokom napätí stačí prúd len 1 A namiesto 250 A

Príklad 6 — jednosmerný alebo striedavý: Ktorý prúd dáva batéria v ovládači a ktorý zásuvka v byte?
Batéria má stále kladný a záporný pól, prúd tečie jedným smerom.
Zásuvka je napájaná z generátora, prúd 50-krát za sekundu urobí kmit tam a späť.
→ batéria: jednosmerný, zásuvka: striedavý

Príklad 7 — transformátor a batéria: Prečo transformátor pripojený na batériu nefunguje?
Transformátor potrebuje meniace sa magnetické pole v primárnej cievke, aby sa v sekundárnej indukovalo napätie.
Jednosmerný prúd vytvorí stále rovnaké pole, nič sa nemení.
→ pri jednosmernom prúde sa v sekundárnej cievke napätie neindukuje

Prečo je to dôležité: Vďaka striedavému prúdu a transformátorom vieme dopraviť elektrinu z elektrárne do domov stovky kilometrov ďaleko bez veľkých strát. Bez toho by moderná elektrická sieť nemohla fungovať a museli by sme mať elektráreň v každej dedine.

Precvič si

1. Ktoré z týchto zdrojov dávajú jednosmerný prúd: batéria, zásuvka, powerbanka, dynamo na bicykli?
2. V USA má sieť frekvenciu 60 Hz. Aká je perióda? Zaokrúhli na tisíciny sekundy.
3. Striedavý prúd má periódu 0,01 s. Aká je jeho frekvencia?
4. Transformátor má N₁ = 500 závitov a N₂ = 25 závitov. Na vstupe je 230 V. Aké je výstupné napätie?
5. Nabíjačka mení 230 V na 5 V. Primárna cievka má 920 závitov. Koľko závitov má sekundárna?
6. Vedením treba preniesť výkon 230 000 W. Aký prúd by tiekol pri napätí 230 V a aký pri 230 000 V? Koľkokrát je druhý menší?