Co drzemie w naszych gniazdkach czyli napięcie 230V bez tajemnic

30 marca 201525 lutego 2018 Radek

Dzisiejszy artykuł to zastrzyk wiedzy w temacie prądu o standardowym napięciu dostarczanym do naszych domowych gniazdek. Postaram się nie przynudzać i przejrzyście opisać to zagadnienie, odpowiadając wam (i sobie) na następujące pytania:

Czym charakteryzuje się dostarczany do domu prąd?
Co to znaczy, że napięcie jest ujemne?
Co to jest wartość skuteczna napięcia (prądu)?
Dlaczego napięcie ma wartość 230V, zamiast np. 38V albo 489V?
Jak to wygląda w praktyce?

Jeśli jesteś świeży w tematyce związanej z elektrycznością, niektóre pojęcia używane w tym artykule mogą być dla Ciebie nieznane. W celu uzupełnienia wiedzy, zajrzyj do Akademii Elektryka.

1. Czym charakteryzuje się dostarczany do domu prąd?

Prąd dostarczany przez zakład energetyczny do domu / mieszkania ma kilka podstawowych własności:

Rodzaj prądu: przemienny (AC)
Napięcie: 230V [Volt]
Częstotliwość: 50Hz [Herz]

Zanim napiszę coś więcej, wykresik:

Tak wygląda przebieg napięcia. Co tu widzimy:

Wartość napięcia jest zmienna w czasie (napięcie przemienne) i ma kształt sinusoidy. W jednej chwili jego wartość może wynosić 30V, ułamek sekundy później 210V, a po chwili -300V. (Wszystko pod kontrolą, to jest nadal “prąd o napięciu 230V” czytaj dalej 🙂 )
Zmiana wartości napięcia, która jest widoczna na schemacie, trwa 20 milisekund, czyli w ciągu sekundy taki sam przebieg powtarza się 50 razy (stąd częstotliwość 50 Hz).
Maksymalna wartość napięcia to 325V, a minimalna -325V.

2. Co to znaczy, że napięcie jest ujemne?

Znak dodatni lub ujemny napięcia definiuje jedynie kierunek przemieszczania się elektronów w przewodzie. Nic ponad to. Prąd przemienny charakteryzuje się zatem tym, że elektrony płyną raz w jedną raz w drugą stronę.

Dla odbiornika przystosowanego do napięcia przemiennego nie ma jednak znaczenia w którą stronę płyną elektrony. Bez względu na ich kierunek przepływając przez urządzenie dostarczają energię elektryczną.

3. Co to jest wartość skuteczna napięcia (prądu)?

W punkcie pierwszym przedstawiłem wykres, przebieg napięcia w prądzie przemiennym o napięciu 230V. Jednak nigdzie tego napięcia 230V nie widać, a jednak posługujemy się takim właśnie opisem. Wynika to z uproszczenia i w tym przypadku (jawnego) niedopowiedzenia. Otóż wykres ten przedstawia przebieg prądu przemiennego o napięciu skutecznym wynoszącym 230V.

Za chwilę postaram się zobrazować skąd taka wartość pojawiła się (matematycznie).

Pomijając jednak obliczenia, wartość napięcia skutecznego prądu przemiennego informuje nas o tym, jakie napięcie prądu stałego należałoby podać, aby dostarczyć identyczną co w prądzie przemiennym moc do urządzenia.
Err… jeszcze raz?
Jeżeli do urządzenia (np. żarówki) podamy:

a) prąd przemienny o napięciu skutecznym 230V
b) prąd stały o napięciu 230V

dostarczona moc w obu przypadkach będzie identyczna (żarówka będzie świecić tak samo jasno).

Okej, teraz czas na relaks w postaci wyjaśnienia, skąd napięcie skuteczne się wzięło. Jeśli nie jesteś tym zainteresowany, przejdź do kolejnego punktu.

Dlaczego 230V?

Nie zamierzam tutaj wyprowadzać wzorów matematycznych, całkować, kombinować. Jeśli tego poszukujesz, zerknij np. tutaj (anglojęzyczne wiki).

Wspominałem powyżej, że prąd przemienny o napięciu skutecznym dostarcza taką samą moc do urządzenia, co prąd stały o takim samym napięciu. Potrzebujemy zatem porównać moc dostarczoną w jednym i drugim przypadku. Wzór na moc gdy nie mamy do dyspozycji natężenia prądu jest następujący:

P = U²/R (MOC = Napięcie ² / Opór)

W przypadku prądu stałego sprawa jest prosta bo do wzoru podstawiamy 230V i opór elektryczny tutaj zależny od urządzenia. Jeśli chodzi o prąd przemienny to nie możemy podstawić do wzoru całej sinusoidy napięcia. Więc co? Najłatwiej jest obliczyć średnią. Ale nie średnią sinusoidy przedstawionej powyżej, bo ta wynosi 0V.
Wracając do wzoru na moc, potrzebujemy napięcia podniesionego do potęgi 2, czyli najpierw podnieśmy sinusoidę do “kwadratu”, a dopiero potem wyliczmy z niej średnią.

Średnia z tego wykresu wynosi U² = 52900 V². Wartość tą możemy podstawić do wzoru na moc i sprawa będzie załatwiona. Ale my dążymy do tego, żeby poznać napięcie, a nie napięcie do kwadratu. Zatem:

U = √52900 V² = 230V

I ot cała tajemnica. 🙂

Tak na marginesie i w celu uproszczenia, wartość skuteczna dla przebiegu sinusoidalnego wynosi:
Usk = Um / √2 (325V / √2 =~ 230V)

4. Dlaczego napięcie ma wartość 230V, zamiast np. 38V albo 489V?

Napięcie elektryczne na poziomie 230V to swego rodzaju kompromis (z historycznym uzasadnieniem o którym możesz przeczytać tutaj). Kompromis pomiędzy bezpieczeństwem, a skutecznością dostarczenia mocy do urządzeń.

Bezpieczeństwo

Jak wiadomo, im mniejsza wartość napięcia tym jest bezpieczniej. Choćbyśmy nie wiadomo jak się starali, bateria AA (paluszek) o napięciu 1.5V nie zrobi nam krzywdy. W drugą zaś stronę, jeśli napięcie będzie rzędu 1000V lub więcej, to stanowi to śmiertelne zagrożenie dla człowieka. Dlatego chcemy, żeby wartość napięcia była jak najmniejsza najlepiej na poziomie 2V 😉 .

Moc

Ale hola, nie jest to takie proste. Załóżmy, że mamy czajnik elektryczny, mały, o mocy 1000W. Jeśli będziemy chcieli dostarczyć taką moc prądem elektrycznym o napięciu 2V (absolutnie hipotetycznie) to ze wzoru na moc (P = U * I => I = P / U) otrzymujemy, że natężenie prądu będzie wynosiło 500A(!!). Jest to gigantyczne natężenie prądu jak na domowe warunki. Gdyby prąd o takim natężeniu przepłynął przez domowe przewody, natychmiast by one spłonęły. Dlaczego?
Zerknijmy na inny wzór na moc: P = I² * R.
Wynika z niego, że dostarczana moc jest w dużym stopniu zależna od natężenia prądu. Należy tutaj przypomnieć, że przewody miedziane mają pewien opór, choć bardzo mały (aluminiowe zaś nieco większy). Podstawiamy do wzoru opór jaki stawia metr przewodu miedzianego o przekroju 2.5mm² czyli:
P = (500A)² * 0.00672Ω = 1680W

Czyli metr przewodu pobierałby więcej mocy niż nasz czajnik elektryczny. A gdzie by ta energia się podziała? Zostałaby zamieniona oczywiście na ciepło (dużo ciepła).

Rozwiązaniem mogłoby być zamontowanie przewodów o dużo większym polu przekroju, jednak bądźmy realistami. Oprócz tego, że nie byłoby praktyczne przeciąganie przewodów o szerokości ramienia, to nikt by za to nie zapłacił.

Kompromis

Napięcie nie może być zbyt niskie, ponieważ straty energii będą zbyt duże, nie może być też zbyt wysokie, bo to byłoby zbyt niebezpieczne. Stąd kompromis, obecnie wynosi on 230V (być może wkrótce będzie to 240V). Nie jest to absolutnie bezpieczne napięcie, ale przynajmniej mniej dotkliwe w skutkach od wyższego napięcia.

Wartość ta nie jest oczywiście jedyną słuszną, jest po prostu ustaleniem. Założeniem dzięki któremu jakiekolwiek domowe urządzenie elektryczne możemy podpiąć do gniazdka i będzie działać (jeśli jest sprawne 🙂 ). W USA przyjęto napięcie na poziomie ~~110V~~ 120V i też jest to jak najbardziej akceptowane rozwiązanie.

5. Jak to wygląda w praktyce?

Myślę, że teoretycznych rozważań na dzisiaj już wystarczy. Na koniec jeszcze przedstawię, co pokaże miernik uniwersalny, gdy sprawdzimy napięcie w domowym gniazdku.

UWAGA! Jeśli nie wiesz w jaki sposób wykonywać pomiary napięcia multimetrem, NIE PRÓBUJ naśladować tego co widzisz na powyższym zdjęciu. Najpierw naucz się wykonywać pomiar napięcia, o tutaj.

Bez względu na to w jaki sposób podepniemy sondy miernika, pokaże on taką samą wartość (no prawie, różnicę zrzucam na karb błędu pomiarowego 🙂 ). I co najważniejsze pokaże wartość napięcia skutecznego. Proste mierniki (taki jak ten na załączonym obrazku) wyliczają w bardzo prosty sposób napięcie skuteczne. Wyznaczane jest napięcie maksymalne sinusoidy, które jest następnie dzielone przez 1.41 (czyli √2). Czyli miernik zakłada, że sinusoida prądu przemiennego jest idealna. I to jest ok, bo często nie odbiega ona tak bardzo od ideału.
Ale nie zawsze jest tak pięknie, dlatego na rynku dostępne są mierniki (dużo droższe) z oznaczeniem “true RMS”, które wartość skuteczną wyznaczają z rzeczywistego przebiegu przemiennego.

Chcę więcej!

Jeśli informacje przedstawione w tym artykule nie są dla Ciebie wystarczające, zerknij na artykuł znajdujący się na sąsiedzkim blogu elektronicznym. 🙂

Pytanie na koniec

W artykule miałem odpowiedzieć na jeszcze jedno pytanie, ale po namyśle stwierdziłem, że dam wam się wykazać w komentarzach. Czy wiesz dlaczego dostarczany do domu prąd jest przemienny, a nie stały jak w bateriach? 🙂

Podobne artykuły

Multimetr pierwsze starcie – pomiar napięcia...

Próbnik napięcia, czyli podstawowe narzędzie elekt...

O wyłączniku nadmiarowo-prądowym cz.1

Niech moc (bierna) będzie z tobą! – cz.2

59
Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

najnowszy najstarszy oceniany

Gość

anonanon

Dobry art ale
” W USA przyjęto napięcie na poziomie 110V i też jest to jak najbardziej akceptowane rozwiązanie.”
w USA 110V odeszło w zapomnienie dziesiątki lat temu. Standardem jest 120V

Autor