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:

  1. Czym charakteryzuje się dostarczany do domu prąd?
  2. Co to znaczy, że napięcie jest ujemne?
  3. Co to jest wartość skuteczna napięcia (prądu)?
  4. Dlaczego napięcie ma wartość 230V, zamiast np. 38V albo 489V?
  5. 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:

230V_1

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.

Elektron2
Napięcie dodatnie

Elektron1
Napięcie ujemne

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.

230V_2

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.

230V_dokwadratu

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 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.

Miernik_230V_1Miernik_230V_2
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? 🙂

print

Dodaj komentarz

46 komentarzy do "Co drzemie w naszych gniazdkach czyli napięcie 230V bez tajemnic"

Powiadom o
avatar
Sortuj wg:   najnowszy | najstarszy | oceniany
łukasz
Gość

Witam,
mam pytanie i jednocześnie prośbę o wyjaśnienie tego o czym wspomniał Jarek.To prawda że akumulator samochodowy 12V po zwarciu + i – nieźle popieści to więc dlaczego przy zwarciu + i – w baterii AA 15V nie odczujemy niczego?

Jarek
Gość

“im mniejsza wartość napięcia tym jest bezpieczniej” już na pierwszych zajęciach z elektryki by Cie wyrzucili za takie stwierdzenie napięcie to tylko różnica potencjałów nic nam nie zrobi. To natężenie prądu zabija bo ono mówi ile prądu jest w stanie przepłynąć przez Ciebie w danym czasie czytaj. usmażyć Cie Przykład akumulator 12V w aucie zewrzyj śrubokrętem + i – zobaczysz jak Cie popieści No ale przecież 12V miało być bezpiecznie….

Wiktor
Gość

Dostarczany prąd jest przemienny dlatego, że w takiej formie łatwo jest go przesyłać na dalekie odległości (np 110kV), a potem zmniejszyć jego wartość do 230V za pomocą transformatora. W ten sposób zmniejsza się straty. Prąd stały trochę trudniej się przesyła na dalekie odległości (ale się przesyła).
Drugą zaletą jest to, że silniki bezszczotkowe (3faz) aby się obracały potrzebują prądu przemiennego. Nie obciążają one tak sieci jakimiśtam harmonicznymi, nie odkształcają sinusa.
Prąd stały jest bardziej niebezpieczny.
W prądzie przemiennym bardzo łatwo i tanio można zmieniać napięcie aby zasilić różne urządzenia domowe.

Jak to mówili w szkole “ze względów ekonomicznych” , wszystko obraca się wokół pieniądza 😀

Adrian
Gość

Ale jak to się dzieje, że urządzenia nie dostają tego napięcia szczytowego tylko akurat skuteczne?

Szymon
Gość

Tak jak było wspomniane częstotliwość napięcia zmienia się 20 razy w ciągu sekundy (50Hz), więc trudno byłoby odczytać z ekranu miernika wartości zmieniające się właśnie te 20 razy w ciągu jednej sekundy. Miernik od razu “przelicza” wachania napięcia i podaje wartość skuteczną (która również się zmienia w czasie, ale o wiele wolniej – co pozwala na odczytanie wartości).

Mati
Gość

Mam pytanie może ono sie wydać banalne, ale naprawde dopiero zaczynam z elektryką , co znaczy ze nie ma natężenia ?? Myślałem że zawsze jest kiedy go nie ma … ?

Michał
Gość

Witam,

Mam pytanie. Rozumiem, że jeśli będziemy próbowali zasilić czajnik elektryczny baterią 1,6V to możemy sobie zrobić krzywdę z racji tego, że przez przewody przepłynie bardzo duży prąd?? Trochę ciężko mi to sobie wyobrazić.

Leszek
Gość

Na powyższe pytanie można odpowiedzieć krótko: bo Tesla wygrał wojnę z Edisonem.

Ampelios
Gość

Radku ja mam podobne pytanie do Alicji z tym, że w odwrotną stronę.
Chciałem zapytać, czy urządzenie, które kupie zagranicą (dokładnie elektronarzędzia stolarskie, pilarki, frezarki itp.) i będą oznaczone, że s przeznaczone do sieci 220 V i 50 Hz będą poprawnie działały w Polsce gdzie prąd w gniazdku ma mieć według norm 230 V i 50 Hz?

Jeżeli tak to kolejne moje pytanie co będzie w momencie gdy podniosą 230 do 240V bo z tego co czytałem podobno w całej UE mają ujednolicić normę.

I trzecie pytanie przepraszam, że aż tyle ale nie mam kogo zapytać, a dopiero zaczynam moją przygodę z majsterkowaniem, jak na razie narzędziami ręcznymi.
Na zagranicznych stronach często urządzenia są oznaczone np. Motor: 2 HP, 120V/240V, 15A/7.5A, prewired 120V, single-phase, 60 Hz – tutaj chodzi mi o te 120V/240V – jak to odczytać, tzn. że to urządzenie występuje w dwóch wersjach? Na 120V i 240V i czy w wersje 240V można podłączyć do gniazdka 230V?

I teraz co w sytuacji gdy na tej samej stronie producenta przy innym urządzeniu nie podają częstotliwości np. Motor: 3 HP, 220V, single-phase – tzn. że tutaj będzie 50 Hz.

Radku na koniec dziękuje za świetny artykuł i bardzo solidną dawkę wiedzy. Mam nadzieję, że będziesz kontynuował pisanie na blogu, bo naprawdę potrafisz pisać tak aby każdy zrozumiał.

Woytek
Gość

Witam, mam pytanie : jakie parametry powinien mieć prąd w gniazdku (oczywiście oprócz 230V) – ‘dorobiłem’ w mieszkaniu 2 gniazdka i tak się zastanawiam co mogę sprawdzić że jest to dobrze zrobione/podłączone ….

Grzegorz
Gość

Dzięki Radku za ciekawy artykuł. Widzę (w komentarzach), że jednak wiele osób myli kwestie wzrostu i spadku napięcia. Zgodnie ze wzorem U=I/R wzrost napięcia powoduje wzrost natężenia przy stałym oporze. I odwrotnie wzrost natężenia generuje wzrost napięcia. Bo są do siebie wprost proporcjonalne. A podniesienie napięcia pozwoli na obniżenie natężenia w celu uzyskania takiej samej mocy. I tu sprawdza się transformator. Kurcze – chciałem uprościć a chyba zagmatwałem. Pozdrawiam.

Grzeogrz
Gość

przepraszam za pomyłkę w wzorze I = U/R oczywiście.

Pascal
Gość

Po pierwsze, z tego co mi wiadomo, to elektrownie generują prąd zmienny. Tu by się przydało pokrótce opisać, jak to robią. Dla dalszych rozważań, pomijam istnienie elektrowni słonecznych, bo te chyba generują prąd stały. W elektrowni jądrowej, to mniej więcej wygląda tak, reaktor tworzy ciepło, bo rozpad ciężkich jąder jest egzoenergetyczny, woda chłodząca odbiera to ciepło i na wymienniku ciepła oddaję to wodzie z poza układu reaktor-chłodziwo. Woda odbierająca ciepło zmienia się w parę przegrzaną, i leci na turbiny, którymi obraca, na turbinach są przewody elektryczne, a z boku magnesy. Z praw elektromagnetycznych wiemy, że poruszanie przewodem elektrycznym w polu magnetycznym za indukuję przepływ elektronów, a jako, że przewody poruszają się po okręgu, to mamy zmienność prądu, bo cyklicznie powtarzają się pozycję wobec tych magnesów.
Po drugie, ktoś by spytał, a co za problem zamontować prostownik w takiej elektrowni, miel byśmy prąd stały. Tutaj, z tego co pamiętam z wykładów, problem jest taki, że przesył prądu stałego, jest bardzo kosztowny, (dużo energii się rozprasza), a okazuję się, że najtaniej jest wysyłać prąd o częstotliwości 50 Hz. Ciekawostką jest to, że taki prąd wchodzi w rezonans z naszymi mięśniami, (mózg ponoć wysyła sygnały prądem o zbliżonej amplitudzie), dlatego chwytając przewód elektryczny, nasze mięśnie się kurczą, i nie możemy oderwać zaciśniętej ręki od takiego przewodu.
Inną ciekawostką jest, to że większość urządzeń działa na prąd stały, więc mają one prostowniki, jednak taniej jest montować na urządzeniu prostownik, niż przesyłać prąd stały na wiele kilometrów.

Grzegorz
Gość

witam wszystkich i proszę o pomoc w domowych warunkach próbuje uzyskać napięcie niezmienne w prądzie zmiennym o natężeniu 1 mil volt na częstotliwości (ostatnio wypróbowanej 726 Hz) Gdy próbowałem dotknąć pręta aluminiowego a raczej miedzianej końcówki z około 40- 50 cm dostałem strzał jasnym łukiem prądu po czym zemdlałem, ,długo dochodziłem do siebie .Moje pytanie jak dostroić częstotliwość Hz do siebie znaczy się do swojego ciała ,jaką częstotliwość mam ja???.wgł. wzoru na to to nie działa znaczy się wzór specjalnie podaje zły wynik. Bardzo dziękuję za jakąkolwiek pomoc

Alicja
Gość

Jestem zupełnym laikiem jeżeli chodzi o prąd,dlatego mam pytanie:czy mogę podłączyć urządzenie o napiciu 230 V do gniazdka w którym jest napięcie 220 V ? Z góry dziękuję za odpowiedź.Pozdrawiam.

Hubert
Gość

Witam,
moje gratulację za naprawdę świetny blog Radek! Chciałbym jeszcze zapytać o kierunek prądu przemiennego w sieci elektrycznej. Jak odbywa się przekazywanie prądu elektrycznego przemiennego z elektrowni (generatora) do domowego gniazdka elektrycznego ? Mam na myśli głównie kierunek przepływu prądu w sieci. Czy z każdym okresem zmiany napięcia prąd płynie linią wysokiego napięcia raz z elektrowni do naszych gniazdek, a chwilę później w stronę odwrotną? Wogóle nie potrafię wyobrazić sobie funkcjonowania tego zjawiska w skali przemysłowej.

dominik
Gość

Powyższe wyliczenie Usk kojarzy mi się z matematyczną sztuczką – pomyśl jakąś liczbę, przeprowadź kilka działań na niej, by na koniec wrócić na początek, ponieważ podyktowane kroki wzajemnie się znoszą.

PIOTR
Gość

P = (500A)² * 0.00672Ω = 1680W A wiec 0,00672Ω to jest rezystancja miedzi 2,5mm2 na odcinku metra ?zakladam ze to metr przewodu 2,5mm2 L1 jak to bedzie sie mialo do całego obwodu czy zakladajac ze mamy metr miedzi 2,5mm2 zasilajacego urzadzenie i ww rezystancje czy do tego nalezy doliczyc kolejna rezystancje przewodu neutralnego TEJ SAMEJ DLUGOSCI 1METRA,kolejne 0,00672Ω poniewaz 2metry wynosi obwod zasilajacy tego urzadzenia a co za tym idzie i moc jaka zuzylby przewod tez trzeba by podwoic???

krzych
Gość

a ja mam pytanie dlaczego np. miernik fluke 376 z true RMS pokazuje w gniazdku sieciowym 239,8V ?

Michał
Gość

Świetny blog Radek, w końcu ktoś jest w stanie wytłumaczyć tą czarną magię jaką dla mnie jest elektryka. Nie jestem dobry z fizyki więc proszę o wyrozumiałość…może czegoś tutaj nie rozumiem, ale możesz mi wytłumaczyć skąd:
“Natężenie = Napięcie/Opór), to im wyższe napięcie tym natężenie, płynące w przewodach wysokiego napięcia jest mniejsze.”
Opór w przewodach jest stały więc jak zwiększymy napięcie to wartość natężenia nie powinna również wzrastać? tak jak we wzorze dzielimy coraz większą wartość (napięcie) przez stały opór w kablu?
z góry dzięki za odp.

Dawid
Gość

Próbując odpowiedzieć na Twoje pytanie natknąłem się na dwie odpowiedzi:
– Liniami wysokiego napięcia lepiej jest (przy mniejszych stratach), “transportować do Naszych domów prąd przemienny, a nie stały.

Pisałeś w poprzednich artykułach, że Nasze rachunki za prąd są wprost proporcjonalne do natężenia prądu, jaki pobieramy, czyli analogicznie do oporników (urządzeń elektrycznych), jakie mamy podłączone do domowego obwodu elektrycznego.

Cytuję:
“Strata energii podczas przesyłania jest proporcjonalna do kwadratu wartości natężenia prądu, co oznacza, że jeśli przesyłamy energię przy 10 razy większym natężeniu, straty będą 100 razy większe. Ilość możliwej do wykonania pracy jest prawie równa ilości dostarczonej energii (różnica wynika ze sprawności).”

Nie wiem, czy dobrze rozumuję, ale jeśli podstawimy wszystko do wzoru na natężenie,
(Natężenie = Napięcie/Opór), to im wyższe napięcie tym natężenie, płynące w przewodach wysokiego napięcia jest mniejsze.

– Przeglądając pomocnicze animacje, których używałeś w poprzednich artykułach, natknąłem się na taki, w którym przedstawiłeś układ o zasilaczu rzędu 12V. Prąd ten “płynął” przez układ tylko w jednym kierunku. Przedstawiłeś też spadek napięcia, z 12V, na 2,4V i w końcu na 0V. Spadki napięcia w prądzie przemiennym występują samoistnie, tak samo jak wzrost napięcia (Czy się mylę?). W takim razie, czy układ elektryczny z prądem przemiennym nie jest lepszy przez to, że do zasilacza trafić może wtórnie napięcie o różniej wartości, a nie po spadku napięcia, równemu 0V, jak to wygląda przy układzie z Napięciem stałym?

Dysponuję jedynie swoim mózgiem i znajomością budowy i działania rozrusznika samochodowego, więc moje rozmyślania na temat elektryki mogą być niezrozumiałe, jednakże cieszę się, że jest coś takiego, jak ta strona 🙂

Janek
Gość

Zajęcia z fizyki chyba przespałem, ciekawy ten blog i ja jako stary facet zacząłem się interesować elektryką 😉

wpDiscuz