Ηλεκτρισμός (Μέρος 3ο)

V = I ^. R

Ερμηνεία και ανάλυση του ηλεκτρισμού χωρίς τη χρήση των μαθηματικών εκφράσεων ώστε να γίνει κατανοητή η φυσική σημασία τους από αναγνώστες χωρίς γνώσεις Φυσικής και Μαθηματικών.

Ηλεκτρισμός (μέρος 1ο)       Ηλεκτρισμός (μέρος 2ο)

Στα ηλεκτρικά στοιχεία ο ένας πόλος έχει θετικό δυναμικό και ο άλλος αρνητικό, όπως αναφέραμε στο προηγούμενο κεφάλαιο και, για όσο τα στοιχεία λειτουργούν κανονικά^[1], η διαφορά δυναμικού των πόλων είναι σταθερή. Σύμφωνα με το νόμο του Ωμ τότε, αν συνδέσουμε έναν αντιστάτη σε ηλεκτρικό στοιχείο, το ρεύμα που θα διαρρέει το κύκλωμα θα είναι σταθερό και η ροή του θα έχει συνέχεια την ίδια φορά, κατά σύμβαση από τον θετικό πόλο προς τον αρνητικό. Ο τρόπος αυτός ηλεκτροδότησης του αντιστάτη ονομάζεται τροφοδοσία με συνεχές ρεύμα (DC -Direct Current-).

Το ρεύμα που χρησιμοποιούμε από το δίκτυο διανομής έχει διαφορετική μορφή. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων του ρευματοδότη δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται με τον χρόνο και μάλιστα αλλάζει πολικότητα. Η μεταβολή γίνεται με συγκεκριμένο ρυθμό^[2] παίρνοντας όλες τις τιμές, από μηδέν μέχρι κάποια μέγιστη (V₀) και η αλλαγή πολικότητας γίνεται σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές (με σταθερά διαστήματα) κάθε φορά που η διαφορά δυναμικού περνάει από το μηδέν, διαγράφοντας έτσι έναν πλήρη κύκλο. Στην Ευρώπη η εναλλαγή γίνεται 50 φορές το δευτερόλεπτο (50 κύκλοι) ενώ στην Αμερική 60 (50Hz-60Hz αντίστοιχα). Ο τρόπος αυτός ηλεκτροδότησης ονομάζεται τροφοδοσία με εναλλασσόμενο ρεύμα (AC -Alternating Current-). Αν ένας αντιστάτης τροφοδοτηθεί με ρεύμα αυτής της μορφής, το ρεύμα τότε μέσα από αυτόν δε θα είναι σταθερό ούτε θα έχει συνέχεια την ίδια φορά, αλλά θα μεταβάλλεται σύμφωνα με τις μεταβολές της διαφοράς δυναμικού. Επειδή όμως οι μεταβολές γίνονται πολύ γρήγορα, η θερμότητα (ή το φως) που παράγεται στον αντιστάτη^[3] θα μας φαίνονται σταθερά. Η τιμή της διαφοράς δυναμικού (τάση) συνεχούς ρεύματος που θα παρήγαγε το ίδιο θερμικό αποτέλεσμα αν τροφοδοτούσε τον ίδιο αντιστάτη ονομάζεται ενεργός τιμή της εναλλασσόμενης τάσης και είναι περίπου το 0.7 της μέγιστης τιμής^[4] (V₀). Για τις περισσότερες χώρες της Ευρώπης τα χαρακτηριστικά του δικτύου ηλεκτροδότησης είναι 230V, 50Hz αναφερόμενοι πάντα στην ενεργό τιμή της τάσης και τη συχνότητα εναλλαγής.

Οι ηλεκτρικές συσκευές λειτουργούν είτε με εναλλασσόμενο ρεύμα είτε με συνεχές ή μπορεί η ίδια συσκευή να έχει κυκλώματα που λειτουργούν με εναλλασσόμενο και κυκλώματα που λειτουργούν με συνεχές ρεύμα. Υπάρχουν διατάξεις που έχουν τη δυνατότητα να μετατρέψουν το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές (και το αντίθετο), συνεπώς ανεξάρτητα από τον τύπο του ρεύματος που λειτουργούν τα κυκλώματα των συσκευών, οι κατασκευαστές μπορούν να τις σχεδιάσουν να συνδεθούν για τροφοδοσία ηλεκτρικής ενέργειας με όποιον τρόπο εξυπηρετεί τις ανάγκες χρήσης. Δεν υπάρχει διάταξη να αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια με τη μορφή εναλλασσόμενου ρεύματος. Αντίθετα, υπάρχουν διατάξεις (συσσωρευτές, πυκνωτές) που μπορούν να αποθηκεύσουν ηλεκτρική ενέργεια με τη μορφή φορτίων ή σε χημικούς δεσμούς μορίων καθώς «φορτίζονται» με συνεχές ρεύμα και στη συνέχεια να τροφοδοτήσουν έναν καταναλωτή επίσης με συνεχές ρεύμα.

Το εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιείται για μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας από τους τόπους παραγωγής στους τόπους κατανάλωσης (αστικά κέντρα, βιομηχανίες κλπ), καθώς πλεονεκτεί έναντι του συνεχούς στον τομέα της παραγωγής και της μεταφοράς^[5]. Παράγεται από ειδικές γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος και μεταφέρεται με εναέρια ή υπόγεια καλώδια. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι η ευκολία με την οποία μπορεί να μετασχηματιστεί η ενεργός τιμή της τάσης του, κάτι που εξυπηρετεί στη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας.

Είδαμε σε προηγούμενο κεφάλαιο ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ροή του ρεύματος (ένταση του ρεύματος) τόσο περισσότερο θερμαίνονται οι αγωγοί και για αυτό το λόγο όταν υπάρχουν μεγάλες καταναλώσεις γίνεται χρήση χοντρών καλωδίων. Μια κατοικία, σύμφωνα με τις προδιαγραφές που έχουν θεσπιστεί για τα αστικά κέντρα, έχει δυνατότητα να καταναλώσει έως 35A εναλλασσόμενου ρεύματος με ενεργό τιμή τάσης 230V, συνεπώς συνολική μέγιστη ισχύ: 35A·230V=8.050W≅8kW. Μια μικρή πόλη με 1000 κατοικίες θα έπρεπε να τροφοδοτηθεί κατά το μέγιστο με 35.000A και συνολική μέγιστη ισχύ 8.000kW (8MW). Το πάχος των καλωδίων που θα απαιτούνταν για αυτή την ηλεκτροδότηση θα ήταν πολύ μεγάλο και το κόστος κατασκευής θα ήταν τεράστιο λόγω του μετάλλου των καλωδίων αλλά και της στήριξής τους^[6]. Για να περιοριστούν οι απαιτήσεις των καλωδίων θα μπορούσε να παρέχεται η απαιτούμενη ισχύς με υψηλότερη τιμή τάσης ώστε να είναι μικρότερη η ένταση του ρεύματος (διατηρώντας έτσι το γινόμενο της ισχύος σταθερό). Για παράδειγμα, αν η τιμή της τάσης ήταν 150.000V, η ένταση του ρεύματος θα ήταν κάτι λιγότερο από 55Α (150.000V·55A=8.250.000W≅8MW) και άρα θα απαιτούσε σημαντικά λεπτότερα καλώδια και χαμηλότερο κόστος. Η τάση των 150.000V όμως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αστική χρήση γιατί είναι πολύ επικίνδυνη και απαιτεί πολύ καλές μονώσεις. Μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί για μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας γιατί, καθώς γίνεται χρήση εναέριων γραμμών μεταφοράς, τα καλώδια βρίσκονται αρκετά ψηλά και μακριά από κατοικημένες περιοχές, ενώ όταν γίνεται χρήση υπόγειων (ή υποθαλάσσιων) γραμμών τα καλώδια είναι βαθιά θαμμένα με πολύ καλές μονώσεις, εκμηδενίζοντας έτσι τον κίνδυνο ατυχημάτων. Για να ικανοποιηθούν λοιπόν και οι δύο απαιτήσεις, οικονομική μεταφορά και ασφαλής χρήση, το ρεύμα που παράγεται στα κέντρα παραγωγής μετασχηματίζεται ανυψώνοντας την τάση του στα 150.000kV, μεταφέρεται μέσω του δικτύου ηλεκτροδότησης στα αστικά κέντρα με χαμηλή ένταση και στη συνέχεια μετασχηματίζεται ξανά σε χαμηλή τάση 230V και υψηλή ένταση ώστε να τροφοδοτηθούν οι αστικοί καταναλωτές. Σε κάθε μετασχηματισμό η ισχύς παραμένει σταθερή (το γινόμενο της τάσης επί την ένταση).

Για τον μετασχηματισμό του ρεύματος γίνεται χρήση ειδικών διατάξεων που ονομάζονται μετασχηματιστές. Οι μετασχηματιστές αποτελούνται από δύο πηνία που στο εσωτερικό τους (πυρήνας) έχουν ένα κοινό μαγνητικό υλικό (σίδηρος), είναι δηλαδή τυλιγμένα σε κοινό πυρήνα. Τα πηνία με αυτό τον τρόπο βρίσκονται σε επαγωγική σύζευξη. Το ένα πηνίο ονομάζεται πρωτεύων και διαρρέεται από το ρεύμα του οποίου η τάση είναι προς μετασχηματισμό, και το άλλο δευτερεύων και διαρρέεται από το ρεύμα της μετασχηματισμένης τάσης. Ο λόγος των σπειρών των δύο πηνίων ισούται με τον λόγο των τάσεων (N₁/N₂=V₁/V₂). Το μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται εξ αιτίας την εναλλασσόμενης τάσης που εφαρμόζεται στο πρωτεύων, δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο και επειδή έχουν κοινό πυρήνα με το δευτερεύον, επάγεται, εξ αιτίας του μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου, ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο στο δευτερεύον το οποίο δημιουργεί μεταβαλλόμενη διαφορά δυναμικού (τάση) στα άκρα του. Με κατάλληλη επιλογή σπειρών στα τυλίγματα των δύο πηνίων μπορεί να γίνει υποβιβασμός ή ανύψωση της τάσης.

Η μεταφορά του ρεύματος προς τα αστικά κέντρα  γίνεται με τη χρήση τριών γραμμών μεταφοράς (έχει επικρατήσει η ονομασία R, S, T). Οι τρείς γραμμές διαρρέονται από εναλλασσόμενο ρεύμα, όμως η κάθε μια βρίσκεται σε διαφορετική φάση του κύκλου της καθώς αυτή μεταβάλλεται και η διαφορά μεταξύ τους ανά δύο είναι 120^ο (τριφασικό ρεύμα). Η παραγωγή του τριφασικού ρεύματος γίνεται από γεννήτριες τριφασικού ρεύματος και ο μετασχηματισμός του από τριφασικούς μετασχηματιστές. Οι τριφασικές γεννήτριες διαθέτουν τυλίγματα για την κάθε φάση και το κοινό άκρο όλων των τυλιγμάτων είναι ο ουδέτερος. Ο ουδέτερος θα μπορούσε να αποτελέσει μια τέταρτη γραμμή μεταφοράς, όμως για οικονομία, συνδέεται στη γη, η οποία είναι καλός αγωγός ρεύματος, με μεταλλικές ράβδους και μεταλλικές πλάκες.

Στα αστικά κέντρα, το τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα μετασχηματίζεται σε χαμηλή τάση και ο ουδέτερος λαμβάνεται από τη γη με μεταλλικές ράβδους που τοποθετούνται σε κάθε καταναλωτή. Ο ουδέτερος συνδέεται στη συνέχεια σε μία τέταρτη γραμμή μεταφοράς η οποία, μαζί με τις τρεις φάσεις, διαμορφώνουν το δίκτυο μεταφοράς μέσα στις πόλεις. Ο ουδέτερος και μια φάση είναι τα δύο από τα τρία καλώδια που συνδέονται στους ρευματοδότες και χρησιμοποιούνται για τροφοδοσία των συσκευών. Η γείωση λαμβάνεται και αυτή από τη γη μια μεταλλική ράβδος, όμως δεν συνδέεται με το δίκτυο μεταφοράς της πόλης, αλλά αποτελεί το τρίτο καλώδιο του ρευματοδότη^[7].

Υπάρχουν συσκευές που τροφοδοτούνται με τριφασικό ρεύμα. Σε αυτές συνδέονται και οι τρεις φάσεις (ο ουδέτερος δεν είναι απαραίτητος). Συνήθως οι συσκευές αυτές είναι καταναλωτές μεγάλης ισχύος. Η ενεργός τάση (διαφορά δυναμικό) ανάμεσα σε οποιαδήποτε φάση και τον ουδέτερο είναι 230V και ονομάζεται φασική τάση, ενώ ανάμεσα σε δύο φάσεις είναι 380V και ονομάζεται πολική τάση. Υπάρχουν δύο τρόποι συνδεσμολογίας ενός τριφασικού καταναλωτή. Με τον έναν τρόπο εφαρμόζεται η φασική τάση στον καταναλωτή και ονομάζεται συνδεσμολογία αστέρα και με τον άλλο η πολική και ονομάζεται συνδεσμολογία τριγώνου (εικόνα 1).

Εικόνα 1. Τριφασικός καταναλωτής σε συνδεσμολογία α) Αστέρα και β) Τριγώνου.

Σας ευχαριστώ για την υποστήριξή σας ώστε να γίνει η ιστοσελίδα μου καλύτερη.

© 2019 Πορλιδάς Δημήτριος