Wielu z nas tak naprawdę nie rozumie, jak działa elektryczność. Wystarczy, że działa – przekręcasz włącznik, a w pokoju zapala się światło. Zaskoczeniem może być więc fakt, że istnieją dwa różne rodzaje energii elektrycznej, którą wykorzystujemy do zasilania wielu urządzeń w naszym życiu. Są one znane jako prąd zmienny i prąd stały, lub AC i DC (nie chodzi o zespół rockowy z lat 70-tych).
W najprostszym ujęciu, prąd stały płynie tylko w jednym kierunku, podczas gdy prąd zmienny płynie tam i z powrotem. Na przykład, latarka pracuje na prądzie stałym, ładunek pochodzi z baterii i zasila żarówkę. Lampa sufitowa w Twoim domu, z drugiej strony, wykorzystuje prąd zmienny, który nieustannie zmienia biegunowość, gdy przepływa przez system elektryczny Twojego domu.
Ale dlaczego potrzebujemy dwóch różnych rodzajów energii elektrycznej i jak powstały te systemy? Odpowiedź leży w gorzkiej rywalizacji pomiędzy parą najbardziej znanych wynalazców w historii Ameryki.
Początki prądu stałego
Przed latami 70-tymi XIX wieku ludzie polegali na lampach gazowych, świecach i latarniach, aby oświetlić swoje otoczenie w nocy. Były postępy w dziedzinie podstawowych baterii i oświetlenia elektrycznego, ale nie było nic wystarczająco praktycznego do codziennego użytku. Wszystko zmieniło się, gdy w 1879 roku Thomas Edison wynalazł żarówkę, która była o wiele bardziej niezawodna niż wszystko, co pojawiło się wcześniej.
Dzięki żarówkom elektrycznym pojawiła się możliwość zasilania domów, a nawet całych miast, a Edison miał oczy skierowane na opanowanie rozwijającego się rynku. Jego żarówki działały na prąd stały, wytwarzany przez elektrownie znane jako dynamo, które używały silników parowych do generowania energii elektrycznej. W latach 80. XIX wieku wynalazca zainicjował budowę licznych stacji generujących prąd stały w Nowym Jorku za pośrednictwem swojej firmy Edison Electric, poprzednika General Electric.
Światła elektryczne w domach i firmach były objawieniem, ale wykorzystanie prądu stałego miało swoje minusy. Prąd pochodził bezpośrednio z instalacji generującej napięcie 110 V i mógł się przemieszczać tylko na odległość około jednej mili, zanim stracił zbyt wiele napięcia. Oznaczało to wykorzystanie wielu cennych nieruchomości w mieście do budowy elektrowni, podczas gdy społeczności wiejskie zostałyby całkowicie pominięte w rewolucji energetycznej.
Powstanie prądu zmiennego
Jeden z pracowników Edisona, młody człowiek o imieniu Nikolai Tesla, miał pomysł na rozwiązanie niektórych wad prądu stałego. Tesla wynalazł silnik, który generował prąd zmienny. Prąd zmienny jest wytwarzany, odpowiednio, za pomocą alternatora, który obraca magnesem wewnątrz zwoju drutu, co powoduje wytwarzanie energii elektrycznej o stale zmieniającej się biegunowości, ponieważ drut oddziałuje z różnymi stronami pola magnetycznego.
Poza samą nowatorską formą energii elektrycznej, kluczem do pomysłu Tesli były transformatory, czyli cewki o różnych rozmiarach, które modyfikowały napięcie prądu. Dzięki mocy transformatorów prąd zmienny stał się korzystny dla wytwarzania i dystrybucji na dużą skalę, ponieważ im wyższe napięcie, tym bardziej wydajny przesył. Linie wysokiego napięcia są zbyt niebezpieczne, by wprowadzać je do budynków, ale dzięki transformatorowi napięcie może zostać obniżone do bezpieczniejszych poziomów, gdy zbliża się do miejsca docelowego, czyli domów i biur.
Napięcia prądu stałego nie można łatwo zmienić, więc okazał się on mniej przydatny w przypadku operacji na dużą skalę, ponieważ pozostawiono wybór między przesyłaniem prądu o niskim, nieefektywnym napięciu, a przesyłaniem niebezpiecznie wysokiego napięcia do domów ludzi.
Wojna o prądy
Mimo obietnicy, jaką niosły ze sobą wynalazki Tesli, Edison nie był zainteresowany pomocą w rozwoju technologii, więc Tesla postanowił działać na własną rękę. W rezultacie uzyskał wiele patentów, które w 1888 roku sprzedał George’owi Westinghouse’owi, założycielowi Westinghouse Electric Company.
Westinghouse i firmy Edisona toczyły zaciętą walkę o lukratywne prawa do elektryfikacji amerykańskich miast w ramach konkursu nazwanego „wojną prądów”. Edison rozpoczął kampanię lobbingową, która wyolbrzymiała niebezpieczeństwa związane z prądem zmiennym, próbując zapobiec rozpowszechnianiu się wynalazku Tesli. Aby zademonstrować, że prąd zmienny może być dosłownie śmiertelny, pracownicy Edisona wynaleźli krzesło elektryczne na prąd zmienny, które było używane przez stan Nowy Jork do egzekucji skazanych więźniów. Edison przeprowadził nawet publiczne pokazy rażenia prądem bezpańskich zwierząt, próbując odwieść opinię publiczną od konkurencyjnego systemu.
Konkurencja rozgorzała w 1893 roku na Światowych Targach w Chicago, kiedy to Tesla wygrał kontrakt na dostawę energii elektrycznej na imprezę. Decydujący cios nastąpił trzy lata później, gdy George Westinghouse wykorzystał wodospad Niagara do zasilenia generatora prądu zmiennego, który w 1896 roku dostarczył prąd na odległość 26 mil do Buffalo. W ten sposób prąd zmienny udowodnił swoją przydatność i zdominował sektor elektroenergetyczny, zapalając światła w domach w całych Stanach Zjednoczonych w kolejnych latach i dekadach.
Dzisiejsze generowanie prądu zmiennego i stałego
W ostatnich dekadach na rynku pojawiła się technologia generowania i przesyłania prądu stałego o wysokim napięciu, czyli HVDC, która w niektórych przypadkach działa bardziej efektywnie niż prąd zmienny, ale prąd zmienny nadal jest przeważającym zwycięzcą w sieci elektrycznej.
Większość typów elektrowni jest zaprojektowana w oparciu o te same podstawowe zasady, co alternator Tesli, tworząc prąd zmienny za pomocą wirującego pola magnetycznego. Elektrownie węglowe, gazowe i jądrowe działają na zasadzie podgrzewania wody i wykorzystywania pary wodnej do obracania generatora, podczas gdy elektrownie wodne i wiatrowe wykorzystują siłę natury do bezpośredniego obracania turbin.
Z drugiej strony, panele słoneczne wytwarzają prąd stały. Jeśli energia elektryczna ma trafić do sieci lub zasilić domową instalację elektryczną, musi zostać najpierw przekształcona na prąd zmienny za pomocą falownika. W przeciwnym razie, najczęstszym źródłem prądu stałego są akumulatory. W związku z tym, że prąd stały jest znacznie łatwiejszy do przechowywania, więc wraz z rozpowszechnianiem się na dużą skalę magazynowania w akumulatorach w połączeniu z wytwarzaniem energii odnawialnej, prąd stały ma kolejną szansę na zdobycie większego przyczółka w sieci elektrycznej.
Linie wysokiego napięcia zazwyczaj przenoszą prąd zmienny o napięciu około 345 000 woltów, podczas gdy lokalne linie przesyłowe mają napięcie około 13 800 woltów, co nadal jest niezwykle niebezpieczne dla każdego, kto się z nim zetknie. W momencie dotarcia do twojego domu, napięcie jest obniżane przez transformatory do 120 i 240 woltów, abyś mógł bezpiecznie zasilać swoje urządzenia elektryczne i sprzęt AGD.
Co oznaczają dla ciebie różne rodzaje prądu
Zarówno prąd zmienny jak i stały odgrywają ważną rolę w przeciętnym gospodarstwie domowym. Urządzenia w twoim domu, takie jak lodówka, pralka i zmywarka używają prądu zmiennego. W domach, które nie są podłączone do linii gazu ziemnego, większość pieców, podgrzewaczy ciepłej wody, piekarników i suszarek działa również na prąd zmienny.
Ale prąd stały ma swoje zastosowania. Zmienna część prądu zmiennego zachodzi szybko – w Stanach Zjednoczonych elektrony zmieniają kierunek 60 razy na sekundę, co jest znane jako 60 herców. Jednak mimo że przemiana zachodzi tak szybko, przy każdej zmianie kierunku prądu występują niewielkie straty mocy. Nie stanowi to problemu dla żarówek i innych urządzeń, które są przystosowane do prądu zmiennego, ale nowoczesne, wrażliwe urządzenia elektroniczne nie radzą sobie tak dobrze z nawet niezmiernie krótkimi przerwami w dostawie prądu.
Dlatego wiele nowszych urządzeń, takich jak ładowarki do telefonów komórkowych, komputery i telewizory, korzysta z prądu stałego, używając adapterów zasilania do konwersji prądu zmiennego pochodzącego z gniazdek ściennych. Rynek prądu stałego będzie się rozwijał dzięki samochodom elektrycznym, zasilanym prądem stałym z akumulatorów.
Więc, choć wojna prądów skończyła się ponad 100 lat temu, rywalizacja między prądem zmiennym a stałym o zasilanie naszego codziennego życia trwa nadal.
