جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC) چه هستند و چه تفاوتی دارند؟

جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC) دو نوعِ متفاوت از عبور جریان الکتریسیته یا شار الکتریکی در مدار هستند. در جریان مستقیم، بار الکتریکی در یک جهت عبور می کند. در جریان متناوب، بار الکتریکی به طور تناوبی جهت عوض می کند. ولتاژ نیز در مدارهای AC گاهی اوقات برعکس می­شود چون جریان، جهت عوض می کند. بیشتر وسایل الکترونیکی دیجیتال با DC کار می کنند.

با این حال درک برخی از مفاهیم DC آسان است. سیم کشی های بیشتر خانه ها AC است. از جمله مزیت های AC می توان به تغییرات سطح ولتاژ با استفاده از ترانسفور ماتور اشاره کرد این ویژگی باعث می شود که ابزار AC انتخابی برتر برای منتقل کردن جریان برق در فواصل دور باشد.

جریان متناوب (AC) چیست؟

جریان متناوب به معنی شار بار الکتریکی ای است که به­ طور تناوبی جهت عوض می کند. در نتیجه، سطح ولتاژ نیز همراه جریان برعکس می شود. AC برای تامین برق خانه ها، ساختمان­ها، دفاتر و غیره استفاده میشود. در شاخه های مختلف فیزیک و در پدیده های مرتبط با انتقال ، “شار” در تعریفی کلی و خلاصه به معنای جا به جایی یک حجم از کمیتی جابه‌جا شونده مانند آب، شار الکتریکی و یا جریان الکتریکی از یک سطح خاص در واحد زمان است.

تولید جریان AC

 ACتوسط دستگاهی که متناوب­ ساز نامیده می­شود، قابل تولید است. این دستگاه یک ژنراتور الکتریکی مخصوص است که برای تولید جریان متناوب طراحی شده است.

تولید جریان AC

در این دستگاه یک حلقه سیم درون میدان مغناطیسی چرخانده می شود، که باعث القای جریان الکتریکی داخل سیم می شود. انرژی چرخش سیم توسط منابع مختلفی مثل توربین بخار، توربین باد، جریان آب و غیره تامین میشود. چون سیم گردش میکند و متناوباً وارد قطبیت های مغناطیسی متفاوت می شود، ولتاژ و جریانِ درون سیم نیز تناوب میکند. برای تولید AC در مجموعه­ ای از لوله های آب، از ویژگی­های مکانیکی یک پیستون استفاده می کنیم که آب را داخل لوله عقب و جلو می­برد (جریان “متناوب” فرضی ما).

شکل امواج جریان AC

تا زمانی که جریان و ولتاژ متناوب باشند، AC میتواند به شکل تعدادی موج باشد. اگر یک نوسان نما به مدار AC وصل و ولتاژ آن را رسم کنیم، پس از مدتی طولانی ممکن است شکل های مختلفی از امواج را ملاحظه کنیم. موج سینوسی متداول ترین نوع AC است .ACدر بیشتر خانه ها و دفاتر، ولتاژی نوسان کننده دارد که موجی سینوسی تولید می کند.

موج سینوسی

شکل های دیگر AC عبارتند از موج مربعی و موج مثلثی. امواج مربعی اغلب در دستگاه های الکترونیکی دیجیتال و سوئیچ دار استفاده می شوند و عملکرد آن ها را آزمایش می کند.

موج مربعی

امواج مثلثی برای آزمایش وسایل الکتریکی خطی مثل آمپلی فایرها مفید هستند.

بیشتر بخوانید : پیشگیری از آسیب های شبکه های فشار ضعیف و ۲۰کیلو وات

کاربردهای جریان AC

پریزهای برق تقریباً در تمام خانه ­ها و دفاتر از AC استفاده می کنند، به این دلیل که تولید و ارسال برق AC به فواصل دور نسبتاً آسان است. در ولتاژهای بالا، مثلاً فراتر از ۱۱۰kV، انرژی کمتری در انتقال توان الکتریکی هدر میرود. ولتاژ بالاتر یعنی شدت جریان کمتر، و شدت جریان کمتر یعنی حرات تولیدی کمتر در اثر مقاومت در خط انتقال برق. ولتاژ بالای AC توسط ترانسفورماتورها به آسانی پایین آورده می­شود. AC همچنین قادر به تامین برق موتورهای الکتریکی است. موتورها و ژنراتورها دقیقا یک دستگاه هستند، اما موتورها انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می­کنند. این کار برای بسیاری از وسیله ­ها مثل یخچال، ماشین ظرف­شویی و غیره، که با AC کار می کنند، مفید است.

جریان مستقیم (DC) چیست؟

جریان مستقیم یعنی شار یا عبور یک طرفه بار الکتریکی. این جریان از منابعی مثل باتری، منابع تغذیه، سلول های خورشیدی، ترموکوپل یا دینام تولید می­شود. جریان مستقیم می­تواند در رساناها، مثل سیم، شار کند، اما می­تواند در عایق­ها، نیمه ­رساناها یا خلا نیز به­ شکل اشعه یونی یا الکترونی، شار کند.

تولید جریان DC

جریان مستقیم (DC) را می توان به چند طریق تولید کرد:

• یک ژنراتور AC مجهز به دستگاهی به نام “برگردان” می­تواند جریان مستقیم تولید کند
• تبدیل AC به DC در دستگاهی به نام “یک­سوساز”
• باتری­ها توسط واکنشی شیمیایی داخل خود باتری، DC تولید می کنند
• مجدداً در تشبیه آب، DC شبیه مخزن آبی است که لوله­ ای در انتها دارد.

تولید جریان DC

مخزن تنها می­تواند آب را در یک جهت روانه کند: خارج از لوله. مشابه باتری مولد DC، زمانی که مخزن خالی شود، آب دیگر درون لوله ها شار نمی­کند.

توصیف جریان DC

DC به عنوان عبور یا شار “یک طرفه” جریان تعریف می­شود؛ و جریان تنها در یک جهت شار می­کند. ولتاژ و جریان ممکن است با گذر زمان تغییر کنند، تا جهت شار تغییر نکند. برای ساده سازی، فرض می کنیم ولتاژ ثابت باشد.

مثلاً، یک باتری که ۱٫۵ ولت تامین می­کند، معادله ریاضی آن به صورت زیر است: V(t) = 1.5V اگر نمودار آن را بر حسب زمان رسم کنیم، ولتاژی ثابت می­بینیم. نمودار جریان  DC نمودار فوق به این معناست که می­توانیم از بیشتر منابع DC انتظار داشته باشیم با گذر زمان ولتاژی ثابت ارائه کنند. اما در حقیقت، باتری ذره ذره تخلیه می­شود، یعنی با مصرف باتری، ولتاژ آن افت می­کند. با این­ حال در بیشتر مواقع، می­توانیم فرض کنیم ولتاژ ثابت است. کاربردهای جریان DC

همه پروژه­ های الکتریکی با DC کار می­کنند. هرچیزی که با باتری کار کند، یا توسط آداپتو DC به دیوار وصل شود، یا از کابل USB استفاده کند، بر DC مبتنی است. مثال­هایی از وسایل الکتریکی DC عبارتند از:

• تلفن­های همراه
• چراغ قوه ها
• تاس دستکشی لیلی پد D&D
• تلویزیون های صفحه تخت
• وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی

مزایای کاربرد ولتاژ DC

جریان DC  جهت انتقال قدرت بالا بکاربرده می شود. هزینه انتقال در جریان DC به علت اینکه هادی کمتری مصرف می شود و نیاز به دکل های کوچک تر است ، پایین تر از Ac  می باشد. استفاده از هادی کوچک تر در جریانDC می توان عبور توان را به شکل الکتریکی کنترل نمود و پایداری سیستم را افزایش داد به منظور انتقال با کابل زمینی بسیار مناسب است

رقابت میان جریان ها

امروزه تمام منازل و سازمان ها از جریان AC استفاده می نمایند . که این امر یک سابقه طولانی تاریخی دارد. در سال ۱۸۸۶ کل شهر رم به جریان برق AC مجهز شد. و توماس ادیون در سال بعد نیروگاه برق DC را در آمریکا تاسیس کرد. و در سال بعد از آن جورج وستینگ هاوس حق اختراع موتورهای AC را از نیکولا تسلا خریداری نمود.

در اواخر قرن نوزده، تکنولوژی تبدیل جریان DC به ولتاژ بالا وجود نداشت و ادیسون مجبور بود از نیروگاه های کوچک برای توزیع برق در مراکز شهری استفاده کند. و امکان رساندن برق در شرایطی وجود داشت که فاصله نیروگاه تا مرکز استفاده تنها یک مایل باشد. در این سال ها تسلا و وستینگ هاوس همچنان بر روی بهتر کردن سیستم برق AC کار می کردند. و از یک سری مبدل ها برای بالا بردن ولتاژ AC استفاده می کردند که به این ترتیب توانستند فاصله نیروگاه تا کاربر را چندین مایل اضافه کنند و به افراد بیشتری برق برسانند.

در نهایت در سال ۱۸۹۳ نمایشگاهی در شهر فرانکفورت برگزار شد که در از اولین منتقل کننده راه دور جریان سه فاز AC رو نمایی گردید . این رویداد موجب افزایش سرمایه گذاری ها روی جریان AC گردید. در همین راستا وستینگ هاوس قراردادی برای کنترل برق آشار نیاگارا منعقد کرد که این کار باعث کنار رفتن جریان DC در ایالات متحده گردید. و استاندارد جریان AC در آمریکای شمالی ۱۲۰ ولت تا ۶۰هرتز و در اروپا بین ۲۲۰تا ۲۴۰ ولت و ۵۰هرتز تنظیم گردید.