Prąd przemienny, zmienny i stały – podstawy, które musisz znać

Włączamy latarkę – płynie prąd. Włączamy odkurzacz – płynie prąd. Skutek ten sam, ale czym tak naprawdę różni się prąd stały od przemiennego, a przemienny od zmiennego? Dowiedz się więcej.

Niezbędna wiedza na temat prądu elektrycznego

W poniższym artykule przedstawiamy niezbędne podstawy teoretyczne dotyczące prądu stałego, przemiennego i zmiennego.

Czym jest prąd elektryczny?

Prąd elektryczny definiuje się jako uporządkowany ruch nośników ładunków elektrycznych, który może odbywać się w przewodzącym medium stałym, ciekłym lub gazowym. Mierzy się go w amperach – są one jednostką oznaczającą ilość ładunku elektrycznego przepływającego w ciągu jednej sekundy. Wokół atomów tworzących medium znajdują się wolne elektrony rozmieszczone w sposób chaotyczny. Pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego, ładunki zostają wprawione w uporządkowany ruch. Takie zjawisko polega na oddziaływaniu pola elektrycznego na ładunki. Po umieszczeniu ładunku w polu elektrycznym innego ładunku, zaobserwujemy ruch ładunków uwarunkowany biegunowością pola elektrycznego. Ładunki jednoimienne będę się odpychać, a różnoimienne – przyciągać. Jeśli po jednej stronie przewodnika umieścimy ładunek dodatni, a z drugiej ładunek ujemny (np. podłączając baterię, która ma dwa bieguny – dodatni i ujemny), to elektrony zostaną przyciągnięte w stronę ładunków dodatnich pod wpływem pola elektrycznego wytworzonego przez różnicę potencjałów przyłożoną do końców przewodnika. Ta różnica potencjałów, która wymusza przepływ prądu elektrycznego, to napięcie elektryczne mierzone w woltach.

Prąd stały

Prąd stały (ang. DC – Direct Current) to prąd, którego wartość natężenia jest stała w dziedzinie czasu, podobnie jak jego kierunek przepływu. Najpopularniejszy przykład źródła prądu stałego (a właściwie napięcia stałego wymuszającego przepływ prądu stałego po zamknięciu obwodu z tym źródłem) stanowi bateria – źródło energii elektrycznej powstające wskutek reakcji chemicznych.

Prąd przemienny

W odróżnieniu od prądu stałego, prąd przemienny to taki, którego wartość natężenia jest zmienna w dziedzinie czasu, a jego kierunek przepływu zmienia się odpowiednio w stosunku do częstotliwości źródła zasilania (w Polsce częstotliwość znamionowa sieci elektroenergetycznej wynosi 50 Hz). O przebiegu czasowym napięcia lub prądu mówimy jako o przemiennym, jeśli jego wartość średnia całookresowa wynosi zero. Dzieje się tak, ponieważ przebiegi przemienne są antysymetryczne – obie połówki przebiegu przemiennego np. sinusoidalnego mają takie samo pole powierzchni, ale są umieszczone po przeciwnej stronie osi czasu. Najbardziej znanym rodzajem prądu przemiennego jest prąd sinusoidalnie zmienny, którego kształt przebiegu pozostaje zbliżony do sinusoidy. Taki prąd płynie przez przewody w sieciach elektroenergetycznych – od elektrowni do odbiorców docelowych – zasilanie prądem przemiennym zwyciężyło z wykorzystaniem prądu stałego, ponieważ proces zmiany prądów i napięć przemiennych jest dużo prostszy od zmiany wartości prądu i napięcia stałego.

Prąd sinusoidalnie zmienny

Skąd się bierze sinusoidalność przebiegów prądów i napięć zasilających nasze domowe urządzenia elektryczne? Zarówno w klasycznych elektrowniach opalanych paliwami kopalnymi, jak i w elektrowniach wiatrowych, napięcie elektryczne powstaje w generatorach, gdzie energia mechaniczna ruchu obrotowego wirnika generatora wykonanego z materiałów magnetycznych powoduje powstawanie pola magnetycznego w stojanie (nieruchomej części generatora), czego następstwem jest indukowanie napięcia w uzwojeniach nawiniętych na stojan. Wirnik i stojan generatora zostały zaprojektowane tak, aby zachować jak największą wierność odtwarzania przebiegu sinusoidalnego. Natomiast prąd przemienny uzyskany z paneli fotowoltaicznych powstaje w wyniku przekształcania prądu stałego za pomocą falowników – przekształtników energoelektronicznych, które działają dokładnie na odwrotnej zasadzie do zasilaczy napięcia stałego. Jedną z wartości charakteryzujących przebiegi zmienne w czasie, w tym przemienne, jest wartość skuteczna (RMS), określana jako taka wartość napięcia/prądu przemiennego, dla której takie samo napięcie/prąd stały spowoduje taką samą efektywność energetyczną obwodu. „Słynne” 230 V jest wartością skuteczną znamionową dla przebiegu napięcia sinusoidalnego w gniazdach elektrycznych, z których zasilamy nasze laptopy, ładowarki i inne odbiorniki. Wartość ta jest obliczona poprzez podzielenie maksymalnej wartości chwilowej napięcia (ok. 325 V) przez współczynnik szczytu, dla sinusoidy wynoszący √2

Prąd zmienny

Bardzo często na prąd przemienny o przebiegu sinusoidalnym zwyczajowo używa się określenia prąd zmienny. Jest to również prawidłowe, ale jeśli prąd przemienny będziemy przepuszczali przez układ prostownikowy (zarówno jedno- jak i dwupołówkowy), to przebieg prądu uzyskanego na wyjściu tego układu będzie dalej prądem zmiennym okresowo, ale już nie przemiennym, ponieważ jego wartość średnia całookresowa będzie różna od zera. Prąd zmienny może mieć także przebieg nieregularny o zmiennej częstotliwości. Do przykładowych przebiegów prądu zmiennego niesinusoidalnego, zaliczamy m.in. przebiegi trójkątne, piłokształtne, prostokątne, impulsowe, a ponadto przebiegi prostokątne o zmiennym współczynniku wypełnienia (PWM). Co ciekawe, wymienione przebiegi czasowe powstają w wyniku algebraicznego sumowania odpowiednich krotności harmonicznych podstawowych o odpowiednich amplitudach. Mówimy wówczas o sumowaniu sinusoid za pomocą szeregu Fouriera. Przykładowo, dla przebiegu prostokątny pozbawiony składowej stałej (antysymetryczny względem zera) o częstotliwości 50 Hz i amplitudzie 100 V, w jego skład będą wchodziły harmoniczne nieparzyste, a każda następna będzie miała wartość mniejszą o tyle razy względem pierwszej harmonicznej, ile wynosi odwrotność numeru tej harmonicznej. Zatem pierwsze cztery harmoniczne będą miały wartości:

50 Hz – 100 V (pierwsza harmoniczna);

150 Hz – 33 V (trzecia harmoniczna);

250 Hz – 6,60 V (piąta harmoniczna);

350 Hz – 0,94 V (siódma harmoniczna).

Prawo Ohma dla prądu stałego

Prawo Ohma jest jednym z najważniejszych praw elektrotechniki. Opisuje ono podstawową relację pomiędzy prądem a napięciem. Według prawa Ohma, natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest liniowo proporcjonalne do różnicy potencjałów (napięcia) na jego końcach i odwrotnie proporcjonalne do rezystancji tego przewodnika. Rezystancja (mierzona w omach) jest innymi słowy współczynnikiem proporcjonalności pomiędzy prądem a napięciem.

Prawo Ohma dla prądu przemiennego

W przypadku obwodów działających na sygnałach zmiennych w czasie, w kontekście prawa Ohma mówimy o impedancji obwodów, także mierzonej w Omach. Impedancja to wielkość zespolona składająca się z rezystancji (części rzeczywistej związanej z obecnością elementów rezystancyjnych) oraz reaktancji (części urojonej dotyczącej obecności elementów indukcyjnych i pojemnościowych). Wypadkowa wartość impedancji zależy od parametrów elementów RLC w obwodzie i częstotliwości napięcia źródła zasilania.