Co je to AC/DC? Jak se v elektrárnách vyrábí elektrický proud? Kolik drátů má vedení vysokého napětí? K čemu je dobrý transformátor? Jak lze pomocí proudu roztočit magnetické pole a motor? Mají všechny zásuvky dvě zdířky? Mám doma jistič nebo pojistku? Co se stane, když nešťastník strčí drátek do zásuvky? Jsou toustovač a kávovar spojeny sériově nebo paralelně? Kdy mě zachrání proudový chránič? Co je to fáze a nulák? Která barva je nejnebezpečnější – modrá, hnědá, či žlutozelená? Měli jste někdy zkrat? Pojďme na to.
Klíčová slova: elektromagnetická indukce, střídavý proud, generátor střídavého proudu, alternátor, třífázová soustava, fázový a neutrální vodič, transformátor, elektromotor (asynchronní indukční), efektivní, maximální a sdružené napětí, zásuvka, jistič, proudový chránič, zkrat, nadproud.
Zápis k videím
Výklad a cvičení
Videa jsou umístěna na youtube i zde na serveru. Cvičení otevře webovou stránku s pracovním listem. Můžete si nechat zobrazit správné odpovědi (volba Answer Key – na PC nahoře, na mobilu dole > Others). Odpovědi se pak zobrazí dole na stránce. Odkaz quizizz je primárně pro učitele – s účtem na Quizizz můžete kvíz převzít a editovat.
Generátor střídavého proudu a třífázová soustava
Můžete si nejdříve zopakovat principy elektromagnetické indukce – video s experimenty. Prozkoumejte applet – vascak.cz: Alternátor
Efektivní, fázové a sdružené napětí
Střídavý elektromotor a točivé magnetické pole
Elektřina doma – rozvody, zásuvky, jističe, proudový chránič
yt: Elektrické obvody a spotřebiče (e-manuel), yt: Single phase electricity (Engineering Mindset)
Pokud jste tak ještě neučinili, projděte si dřívější kapitolu o elektrické energii a výkonu elektrického proudu!
Další
- prezentace Energetika nejen v ČR
- skupinová práce na celou hodinu – diskutujte výhody a nevýhody různých typů elektráren pro užití v ČR. Jaké elektrárny bychom měli stavět? Proč ano a proč ne? Pro každý typ si připravte obhajobu i kritiku! A vyzkoušejte si: https://enermix.cz/#/mix-selection
- Projděte si grafy výroby a spotřeby: https://www.ceps.cz/cs/data#Generation
- domácí práce: prohlédněte si doma rozvodnou skříňku a vyfoťte. Máte proudový chránič? Jaké údaje na něm vyčtete? Jakou nominální hodnotu má hlavní jistič? Jaké obvyklé hodnoty mají ostatní jističe? Jaké okruhy doma máte? Má nějaký spotřebič svůj vlastní okruh?
- Hezké zpracování tématu nabízí i online učebnice e-manuel: https://e-manuel.cz/kapitoly/elektromagneticke-stroje/
- Výborný zdroj informací: https://www.svetenergie.cz/cz/energetika-zblizka
Opravy chyb
Zatím žádné chyby nebyly odhaleny.
Shrnutí a vztahy
- Více než 90% světové elektrické energie se vyrábí na principu elektromagnetické indukce. Turbína otáčí (elektro)magnetem a okolní cívky cítí proměnný magnetický indukční tok a tedy se mezi jejich konci indukuje elektrické napětí a připojíme-li je do obvodu, tak jím začne protékat střídavý proud. Energetika v ČR pracuje se střídavým napětím o frekvenci 50 Hz a je založena na třífázové soustavě – z generátoru vedou tři fázové vodiče, přičemž napětí na nich je vzájemně fázově posunuto o 120°.
- Za elektrárnou se napětí transformuje na vysoké (např. 110 kV), z důvodu snížení tepelných ztrát na dálkovém vedení. Ke změně úrovně napětí slouží transformátor. V jednoduchém případě primární cívka a sekundární cívka na společném jádru. Střídavé napětí v primární cívce budí v jádru střídavé mag. pole, což cítí sekundární cívka a indukuje na sobě napětí. Čím více závitů, tím větší napětí: platí $U_1/U_2 = N_1/N_2$. Před městem a spotřebiteli se napětí transformuje na nižší, až na 230 V do našich zásuvek. Nabíječka mobilu dále mění 230 V (AC) na 5 V (DC), obsahuje tedy i usměrňovač.
- Průbeh střídavého napětí v zásuvce je sinusový s periodou 20 ms (frekvence 50 Hz), efektivním napětím 230 V a tedy maximálním napětím 325 V. Pro zásuvku tedy $U(t) = U_m\sin(2\pi\cdot 50\text{Hz} \cdot t + \varphi_0)$. Některé výkonné spotřebiče zapojené na všechny tři fáze (do trojúhelníku) mohou využívat takzvané sdružené napětí – rozdílové napětí mezi dvěma fázemi, jehož efektivní hodnota je 400 V.
- Třífázový elektromotor má principiálně konstrukci podobnou jako generátor AC, jen pracuje v opačném gardu. Připojením fázově posunutého napětí z různých fázových vodičů na cívky statoru vzniká mezi těmito točivé magnetické pole. (Elektro)magnet rotoru se pak orientuje do směru pole a točí se. Speciální a důležitý typ je asynchronní indukční motor, kde rotorem je vodivá klec. Když se okolo ní začne točit magnetické pole, v kleci se indukují proudy. Na vodiče s proudem začne působit magnetická síla a klec se začne točit. Točí se vždy trochu pomaleji než točivé pole (proto asynchronní). Třífázové motory se využívají jako silné motory. Běžné malé domácí spotřebiče jako např. mixer, zapojené do běžné zásuvky, jsou jednofázové motory.
- Doma do zásuvky na levou zdířku vede zpravidla fázový vodič (L, hnědý/černý) a na pravou neutrální (N, modrý). Na ochranný kolík pak zemnící (PE, žlutozelený). Při menším nadproudu v důsledku přetížení reaguje jistič pomalou tepelnou ochranou, při velkém nadproudu či zkratu se aktivuje rychlá elektromagnetická ochrana (ideálně do 50 ms). Charakteristikou jističe je nominální proud, často např. 16 A. Proudový chránič reaguje, když neutrálním vodičem neteče stejný proud jako fázovým (třeba při rozdílu již nad 30 mA).
K dalšímu studiu
- Grafy výroby a spotřeby v ČR: https://www.ceps.cz/cs/data#Generation
- Svět energie – Energetika zblízka
- Svět energie – distribuce elektřiny
- Svět energie – nadzemní vedení
- Pro hlubší pochopení vřele doporučuji sérii videí Základy elektrotechniky od Názorná elektrotechnika.
- yt: How does an alternator work? (Lesics)
- yt: How Alternators Work – Automotive Electricity Generator (Engineerging Mindset)
- yt: How does a transformer work? (Engineering Mindset)
- yt: How Does an Induction Motor Work? (Lesics)
- yt: Asynchronní motor (Názorná elektrotechnika) – hlubší pochopení
- yt: Single phase electricity (Engineering Mindset)
- yt: Two-way switching explained (Engineering Mindset)
- yt: What is a fuse? the basics explained (Engineering Mindset)