Jednosmerna struja

Jednosmerna struja struja (crvena linija). Horizontalna osa meri vreme, dok vertikalna, struju ili napon.

Tipovi jednosmerne struje

Jednosmerna struja (engl. direct current; DC) je fizička pojava protoka električnog naelektrisanja od višeg ka nižem potencijalu i nepromenljivog je smera. Ovo se obično dešava u provodnicima, ali naelektrisanje takođe može da teče i kroz poluprovodnike, izolatore i čak u vakuumu kao električni mlaz. Kod jednosmerne struje, naelektrisanje teče u istom pravcu, za razliku od naizmenične struje.

Prvu komercijalnu mrežu za prenos električne energije je razvio Tomas Edison krajem 19. veka koristeći jednosmernu struju. Zbog toga što je naizmenična struja mnogo pogodnija za prenos i distribuciju od jednosmerne, danas skoro svi sistemi za prenos električne energije koriste naizmeničnu struju, prema ideji i realizaciji Nikole Tesle.

Skraćenice AC i DC se često koriste za označavanje naizmenične i jednosmerne struje, u kontekstu jačine ili napona struje.

Jednosmerna struja se može dobiti konvertovanjem naizmenične struje pomoću ispravljača, koji sadrži elektronske elemente (obično) ili elektromehaničke elemente (istorijski) koji dozvoljavaju struji da teče samo u jednom pravcu. Jednosmerna struja se putem invertora može pretvoriti u naizmeničnu struju.

Jednosmerna struja ima mnoštvo primena, od punjenja baterija do velikih napajanja za elektronske sisteme, motore i još mnogo toga. Veoma velike količine električne energije u obliku jednosmerne struje se koriste za topljenje aluminijuma i druge elektrohemijske procese. Takođe se koristi za neke vidove železnice, posebno u urbanim sredinama. Visokonaponska jednosmerna struja se koristi za prenos velikih količina energije sa udaljenih lokacija ili za unakrsno povezivanje mreža sa naizmeničnom strujom.

Istorija

Za više informacija pogledajte: Istorija prenosa električne energije

Centralna elektrana sa dinamima Braš Elektrik kompanije koja je generisala jednosmernu struju za lučne sijalice javne rasvete u Njujorku. Sa radom je započela u decembru 1880. godine u Zapadnoj dvadesetpetoj ulici br. 133. Visoki naponi koje je ova centrala stvarala omogućili su napajanje dve milje dugog strujnog kola.

Jednosmerna struja je proizvedena 1800. godine zaslugom italijanskog fizičara Alesandra Volta, pomoću njegovih galvanskih elemenata. Priroda struje kao fizičke pojave još uvek nije bila razjašnjena. Francuski fizičar Andre-Mari Amper je pretpostavljao da struja putuje u jednom smeru od pozitivnog do negativnog napona. Kada je francuski proizvođač instrumenata Ipolit Piksi izgradio prvi dinamo električni generator 1832. godine, on je otkrio da dok je magnet prolazio kroz namotaje žice u svakom polukrugu je dolazilo do preokreta smera električne struje, čime se stvarala naizmenična struja. Na predlog Ampera, Piksi je kasnije dodao komutator, vrstu „sklopke” u kojoj kontakti na osovini deluju putem kontaktnih „četki” radi produkcije jednosmerne struje.

Krajem 1870-ih i početkom 1880-ih godina počela se proizvoditi električna energija u elektranama. One su prvobitno građene radi napajanje elektrolučnog osvetljenja (popularnog tipa ulične rasvete) koje funkcioniše na vrlo visokom naponu (obično većem od 3000 volti) jednosmerne ili naizmenične struje. Nakon toga je usledila široka upotreba jednosmerne struje niskog napona za unutrašnju električnu rasvetu u poslovnim prostorijama i privatnim domovima, nakon što je pronalazač Tomas Edison 1882. godine otpočeo pružanje komunalnih usluga baziranih na njegovoj električnoj sijalici. Zbog značajnih prednosti naizmenične struje nad jednosmernom strujom, putem primene transformatora za podizanje i spuštanje napona radi omogućavanja prenosa na mnogo veća rastojanja, jednosmerna struja je tokom narednih nekoliko decenija zamenjena naizmeničnom strujom u isporuci električne energije. Sredinom pedesetih godina prošlog veka razvijen je prenos visokog napona za jednosmernu struju, i današnje vreme to je alternativna opcija sistemima visokih napona naizmenične struje pri prenosu na velika rastojanja. Pri primeni podmorskih kablova za premošćavanje veliki udaljenosti (npr. između zemalja, kao što je NorNed), primena jednosmerna struje je jedina tehnički izvodiva opcija. Za aplikacije koje zahtevaju jednosmernu struju, kao što su elektroenergetski sistemi s trećom šinom, naizmenična struja se distribuira na trafostanice, koja koristi ispravljač za pretvaranje u jednosmernu struju.

Različite definicije

U elektrotehnici, termin jednosmerna struja je obično sinonim za konstantnu struju. Na primer, napon na krajevima jednosmernog naponskog izvora je konstantan bez obzira na promenu otpornosti potrošača kojom se opterećuje izvor.. Takva jednosmerna struja ima konstantan napon, ali struja može varirati u skladu sa Omovim zakonom. Moguće je potrošač priključiti i na konstantan strujni izvor, kada će struja kroz otpornik biti nepromenljiva bez obzira na moguću promenu otpora potrošača, što sa druge strane izaziva promenu napona. U idealnoj situaciji, kada se nepromenljivi otpornik poveže na konstantni izvor (bilo naponski bilo strujni) struja koja teče kroz njega i napon na njegovim krajevima su vremenski nepromenljivi.

Pojam jednosmerne struje se ponekad vezuje uz pojam nepromenljivog polariteta. Uz ovu definiciju, napon jednosmerne struje može da se menja tokom vremena ali je sve vreme jedan kraj na pozitivnijem potencijalu od drugog i može pasti na nulu, ali ne sme promeniti polaritet. Takav je neobrađen napon na izlazu ispravljača ili fluktuirajući zvučni signal u telefonskoj liniji.

Može se dokazati da se složeni periodični talasni oblik struje i napona u linearnoj sredini Furijeovom transformacijom može rastaviti na sumu jednosmerne komponente i komponente koju čini sinusoidalna (prostoperiodična) vremenski promenljiva struja. Srednja vrednost vremenski promenljive komponente je nula.

Neki oblici jednosmerne struje (kao oni koje proizvodi regulator napona) skoro da nemaju varijacije u naponu, ali možda još uvek imaju varijacije u izlaznoj snazi i struji.

Izvori

Hemijski izvori

Hemijski izvori su bili prvi generatori koji su u dužem vremenskom intervalu mogli da proizvedu električnu struju. Italijan Luiđi Galvani, profesor anatomije, je primetio da se noge mrtve žabe grče kada ih je spojio sa dva komada različitog metala. Alesandro Volta, profesor fizike, je bio ubeđen da uzrok grčenju treba tražiti u električnoj struji koju proizvode ti metali. Posle mnogih eksperimenata, on je 1800. izumeo Voltin stub. Volta je nagomilao pločice od bakra i gvožđa jedne na druge, a između njih je stavio papirne uloške prethodno umočene u slanu vodu. To je proizvelo struju i predstavljalo je prvu bateriju.

Postoje desetina vrsta hemijskih izvora koji se međusobno razlikuju po upotrebljenim metalnim elektrodama i elektrolitima, a time i svojim električnim osobinama. Hemijski izvori se dele na primarne i sekundarne izvore. Primarni izvori se mogu upotrebiti samo jednom, dok se sekundarni izvori mogu puniti propuštanjem jednosmerne struje u suprotnom smeru. Pošto su izvori ovakve vrste sposobni da akumuliraju energiju, oni su dobili ime akumulatori. Svi hemijski izvori imaju zajedničku osobinu da ako kroz njih postoji struja kao posledica njihove elektromotorne sile (ili u slučaju sekundarnih izvora kao posledica spoljašnjeg priključenog napona koji deluje suprotno od te EMS), obavezno dolazi do hemijskih promena na elektrolitu ili na elektrodama. U mnogim slučajevima dolazi do izdvajanja nekog gasa (na primer, vodonika) na jednoj od elektroda. Pored još nekih efekata mehurići gasa obrazuju oko elektrode izolacioni sloj, zbog čega struja kroz izvor postepeno slabi i na kraju sasvim nestaje.

Danas se od primarnih izvora najviše koristi cink-ugljenične baterije i alkalne baterije. Olovni i čelični akumulatori primenu nalaze u automobilima, a nikl-kadmijumske i litijum-jonske baterije se koriste u mobilnim telefonima.

Elektromagnetski izvori

U ove spadaju električni generatori jednosmjerne struje. Putem elektromagnetske indukcije, izmjenični napon je proizveden u rotoru (armaturi) i preko komutatora pretvoren u istosmjerni napon za dalju upotrebu.

Elektrostatički izvori

Kondenzatori raznih oblika u kojima je pohranjena energija mogu poslužiti kao kratkotrajni izvori istosmjerne struje. Kod većih kapaciteta i napona, energija pražnjenja može biti neugodna ili smrtonosna.

Primene

Instalacije jednosmerne struje obično imaju drugačije tipove utičnica, sklopki i instalacionog pribora od onih kojih se koriste za naizmenične struje, najviše zahvaljujući malom naponu za koji se koriste. Obično je kod jednosmerne struje važno da se ne obrne polaritet osim ako uređaj ima ispravljački most da ispravi ovo (najveći broj uređaja koji koriste baterije nemaju ovo).

Prenos električne energije jednosmernom strujom visokog napona se koristi za prenos energije na velike razdaljine i za podmorske kablove, sa naponima od nekoliko kV do MV.

Jednosmerna struja se često sreće u uređajima koji koriste niske napone, naročito tamo gde se oni napajaju iz baterija ili sunčevih ćelija, pošto one mogu da proizvode samo jednosmernu struju. Većina uređaja sa sopstvenim napajanjem koristi jednosmernu struju, iako su alternatori naizmenični uređaji koji koriste ispravljače da proizvedu jednosmernu struju. Većina elektronskih kola zahteva jednosmerno napajanje. Uređaji koji koriste gorive ćelije (PEM ćelija od mešavine vodonika i kiseonika uz pomoć katalizatora proizvodi elektricitet i vodu kao sporedan proizvod) takođe daju samo jednosmernu struju.

Većina telefona je povezana upredenim paricama i iznutra razdvaja naizmeničnu komponentu napona (audio signal) od jednosmerne komponente napona (koji se koristi da napaja telefon).

Računari se priključuju na standardne priključke (naizmeničnog napona) 220V, ali se u ispravljačkoj jedinici generišu jednosmerni naponi od +3.3V, +5V, +12V, -5V, -12V koji se razvode do potrošača u unutrašnjosti računara. Telekomunikaciona oprema koristi standard -48V jednosmerne pobude. Negativan polaritet je postignut uzemljenjem pozitivnog kraja napojnog sistema i baterije.

Vidi još

• Rat struja

Literatura

• Edwin James Houston; Arthur Edwin Kennelly (1896). The Electric Motor and the Transmission Power. The W. J. Johnston Company. Pristupljeno 2009-01-07. 
• Jim Harter (2005). World Railways of the Nineteenth Century. JHU Press. ISBN 978-0-8018-8089-6. 
• National Council on Electricity Policy. „Electricity Transmission: A primer” (PDF). Arhivirano iz originala (PDF) 2008-12-01. g. Pristupljeno 2009-01-06. 
• David Oakes Woodbury (1949). A Measure for Greatness: A Short Biography of Edward Weston. McGraw-Hill. Pristupljeno 2009-01-04. 
• John Patrick Barrett (1894). Electricity at the Columbian Exposition. R. R. Donnelley & sons company. Pristupljeno 2009-01-04. 
• Guarnieri, M. (2013). „The Beginning of Electric Energy Transmission: Part One”. IEEE Industrial Electronics Magazine. 7 (1). doi:10.1109/MIE.2012.2236484. 
• Engineers, Institution of Electrical (1880-03-24). „Notes on the Jablochkoff System of Electric Lighting”. Journal of the Society of Telegraph Engineers. IX (32). Pristupljeno 2009-01-07. 
• Guarnieri, M. (2013). „Switching the Light: From Chemical to Electrical” (PDF). IEEE Industrial Electronics Magazine. 9 (3). doi:10.1109/MIE.2015.2454038. 
• Mel Gorman. „Charles F. Brush and the First Public Electric Street Lighting System in America”. Ohio History. Kent State University Press. Ohio Historical Society. 70. 
• Richard Shelton Kirby; Frances A. Davis (1990). Engineering in History. Courier Dover Publications. ISBN 978-0-486-26412-7. Pristupljeno 2009-01-04. 
• Charles Francis Brush. Hebrew University of Jerusalem. Arhivirano iz originala 2009-02-24. g. Pristupljeno 2009-01-04. 
• Richard Dennis (2008). Cities in Modernity: Representations and Productions of Metropolitan Space, 1840–1930. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-46470-3. Pristupljeno 2009-01-04. 

Spoljašnje veze

• „AC/DC: What's the Difference?”. Edison's Miracle of Light, American Experience. (PBS)
• Direct current (electronics) na sajtu Enciklopedija Britanika
• AC/DC: What's the Difference? Arhivirano na sajtu Wayback Machine (26. avgust 2017) – PBS Learning Media
• DC And AC Supplies Arhivirano na sajtu Wayback Machine (28. decembar 2016) – ITACA