پاسخ به این سوال که چرا از جریان DCدر خانه‌ها استفاده نمی‌شود، به ویژگی‌های ذاتی جریان‌های مستقیم و نقاط ضعف آنها در مقایسه با جریان‌های متناوب (AC) برمی‌گردد. در واقع، جریان‌های AC را می‌توان به راحتی و بدون تلفات زیاد در فواصل طولانی منتقل کرد. همچنین در تماس مستقیم با ولتاژ برابر، ایمن‌تر هستند. در این مقاله سعی داریم این موضوع را بررسی کنیم.

الکتریسیته به عنوان جریان الکترون‌ها در سراسر یک رسانا مانند سیم تعریف می‌شود. جریان الکتریسیته به دو صورت برقرار می‌شود، از جمله AC و DC. تفاوت اصلی بین جریان‌های AC و DC در جهت حرکت الکترون‌ها نهفته است.

DC به جریان مستقیم اشاره دارد. جریان DC به عنوان جریان یک طرفه الکتریسیته تعریف می‌شود. در جریان DC، الکترون‌ها بدون هیچ گونه تغییر جهتی از یک ناحیه بار منفی به یک ناحیه بار مثبت حرکت می‌کنند. این حالت برخلاف جریان‌های متناوب است که در آن جریان می‌تواند در هر دو جهت حرکت کند. DC می‌تواند از هر دو ماده رسانا و نیمه‌هادی عبور کند.

در DC، شدت جریان با زمان تغییر می‌کند، اما جهت جریان ثابت می‌ماند. طبق تعریف، DC جریانی است که قطبیت آن هرگز معکوس نمی‌شود.

جریان متناوب، جریانی از بار است که جهت خود را به صورت دوره‌ای تغییر می‌دهد. در نتیجه، سطح ولتاژ همراه با جریان تغییر می‌کند. جریان متناوب نوعی جریان است که برای انتقال برق به مکان‌هایی که انسان‌ها در آن زندگی می‌کنند یا سفر می‌کنند، مانند خانه‌ها، صنایع یا ساختمان‌های دیگر، استفاده می‌شود.

یک آلترناتور، جریان متناوبی را تولید می‌کند که برای تولید جریان متناوب طراحی شده است. در یک میدان مغناطیسی، جریان القایی در امتداد یک حلقه سیم در حال چرخش جریان می‌یابد. چرخش سیم از طرق مختلف، مانند هر نوع توربین (باد، آب، بخار و غیره) حاصل می‌شود.

به دلیل چرخش سیم و ورود آن به قطب‌های مغناطیسی مختلف به صورت دوره‌ای، ولتاژ و جریان در داخل سیم متناوباً تغییر می‌کنند. بنابراین، جریان می‌تواند به شکل‌های مختلفی مانند سینوسی، مربعی، مثلثی یا سایر شکل‌های موج باشد. رایج‌ترین شکل جریان، شکل سینوسی است.

شکل سینوسی ولتاژ AC با معادله زیر بیان می‌شود.

V(t) ولتاژ است که تابعی از زمان است و Vp دامنه است. متغیر f فرکانس موج است. همچنین، t متغیر مستقل است. در نهایت، Φ فاز موج سینوسی است.

به عنوان مثال، باتری از جریان DCبرای انتقال جریان به مدار الکتریکی که در آن وجود دارد استفاده می‌کند. در یک سیستم باتری، انرژی الکتریکی از انرژی شیمیایی ذخیره شده در باتری تولید می‌شود. با اتصال باتری به مدار الکتریکی، یک جریان بار ثابت از ترمینال منفی به ترمینال مثبت باتری تأمین می‌شود.

شکل زیر تفاوت بین شکل موج‌های ACو DC را نشان می‌دهد.

جریان های DC و AC قابل تبدیل به یکدیگر هستند. برای تبدیل جریان DC به AC از اینورتر و برای تبدیل جریان AC به DC از یکسوساز استفاده می شود.

توضیح دلیل عدم استفاده از جریان DCدر خانه‌ها

به طور کلی، منبع اصلی جریان مستقیم توسط باتری‌ها، سلول‌های الکتروشیمیایی یا فتوولتائیک تولید می‌شود. با این حال، ACمحبوب‌ترین منبع در جهان است. بر اساس این سناریو، AC به DC تبدیل می‌شود.

جریان متناوب معمولاً به دلایل مختلف در سیستم‌های توزیع برق اعمال می‌شود. مهمترین دلیل، آمادگی برای تبدیل از یک ولتاژ به ولتاژ دیگر است. انجام این کار با DC به طور قابل توجهی پیچیده‌تر و گران‌تر است. بنابراین برای تبدیل جریان DC، AC توسط مدارهای الکترونیکی تولید می‌شود و سپس با یک ترانسفورماتور و یکسوکننده به DCتبدیل می‌شود.

فرآیند تبدیل AC به DC در مراحل متوالی اتفاق می‌افتد. در ابتدا، منبع تغذیه شامل یک ترانسفورماتور است که بعداً با استفاده از یکسوکننده به DC تبدیل می‌شود. این ترانسفورماتور جریان را از معکوس شدن محدود می‌کند و از یک فیلتر برای حذف نوسانات جریان در خروجی یکسوکننده استفاده می‌شود.

مقادیر زیادی از توان AC را می‌توان با استفاده از یک ترانسفورماتور الکتریکی، شامل سیم‌پیچ‌هایی با میدان‌های مغناطیسی تولید شده که به هم متصل هستند، تقریباً به هر ولتاژ دلخواهی با اتلاف انرژی بسیار کم تبدیل کرد.

تمام رساناهایی که در دمای اتاق الکتریسیته را حمل می‌کنند، مقاومت الکتریکی دارند و بنابراین در طول جریان الکتریسیته گرم می‌شوند.

گرمای تولید شده متناسب با مقاومت الکتریکی و توان دوم جریان الکتریکی است.

برای کاهش تلفات انرژی، پایین نگه داشتن مقاومت و جریان الکتریکی ضروری است. جریان پایین‌تر به دلیل تأثیر نمایی بر تلفات، به طور قابل توجهی مهم‌تر از مقاومت است.

توان با ضرب ولت در آمپر محاسبه می‌شود.

بنابراین برای توان مخصوص، وقتی جریان پایین نگه داشته می‌شود، ولتاژ باید بالا باشد. در معادله زیر، صورت کسر ثابت است، اما مخرج بزرگتر می‌شود، بنابراین حاصل کسر کاهش می‌یابد.

ترانسفورماتورهای عظیم در خطوط انتقال برق برای کنترل مقادیر ولتاژ بالا و به حداقل رساندن تلفات استفاده می‌شوند.

با این حال، ولتاژهای بالا به خصوص برای جان انسان ایمن نیستند، بنابراین هدایت جریان ولتاژ بالا به داخل خانه قابل قبول نیست.

پس برق AC به سرعت و به طور کارآمد در ترانسفورماتورهای محلی در محل سکونت به ولتاژی تقریباً ایمن تبدیل می‌شود. انجام این کار برای برق DCبه آسانی یا ارزانی برق ACنیست.

بنابراین، در اینجا می‌توانیم تمام دلایلی را که چرا جریان DC در خانه‌ها استفاده نمی‌شود، خلاصه کنیم.

از نظر عملکردی، ولتاژ DC نمی‌تواند در فواصل خیلی دور ارسال شود مگر اینکه از دست دادن انرژی  را بپذیریم.

جریان ACبرای انتقال در فواصل طولانی‌تر در داخل شهرها قابل اعتماد است و توان بیشتری تولید می‌کند.

جریان DCدر ولتاژ یکسان مضرتر از جریان AC است زیرا در صورت لمس، رها شدن آن مشکل‌تر است زیرا ولتاژ از صفر تجاوز نمی‌کند. در مورد جریان DC، عضلات با نیروی ثابت منقبض می‌شوند.

خوردگی الکترولیتی در جریان DC بیشتر از جریان AC محتمل است.

قوس‌های DCبه دلیل عبور نکردن ولتاژ از صفر، به سرعت خاموش نمی‌شوند.

ایجاد و نگهداری موتورهای القایی AC ساده است. موتورهای DC به کموتاتور و جاروبک یا یک سیستم سوئیچینگ الکترونیکی پیچیده نیاز دارند.

با کمک یک ترانسفورماتور، جریان AC را می‌توان به راحتی از ولتاژهای بالا به ولتاژهای پایین و برعکس تبدیل کرد. بنابراین، یک مزیت قابل توجه ولتاژ AC نسبت به DC، افزایش و کاهش ولتاژ بر اساس نیاز است.

تولید و ارتباط AC را می‌توان با استفاده از پست‌های برق کمتری نسبت به DCانجام داد.

اگر بدن انسان با جریان متناوب دچار شوک شود، جریان متناوب در دوره‌های زمانی منظم وارد و از بدن انسان خارج می‌شود. با این حال، جریان مستقیم دائماً برای بدن انسان مشکل ایجاد می‌کند.

محلی که توسط جریان متناوب احاطه شده است، بیشتر از جریان مستقیم است.

مقایسه بین کاربردهای AC و DC

جریان متناوب اساساً در صنعت تولید و انتقال برق استفاده می‌شود. AC تقریباً برای هر خانه‌ای در سراسر جهان برق فراهم می‌کند. DCعمدتاً به دلایلی برای این اهداف استفاده نمی‌شود. به عنوان مثال، تولید گرما به دلیل تلفات بیشتر برق در مقایسه با AC، خطرات قابل توجه‌تر ایجاد آتش‌سوزی، هزینه‌های بیشتر و مشکلات ناشی از تبدیل ولتاژ بالا و جریان کم به ولتاژ پایین و جریان زیاد با کمک ترانسفورماتورها.

جریان AC جریان محبوب‌تری در تأمین انرژی موتورهای الکتریکی است، ماشینی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. جریان مستقیم در دستگاه‌هایی که حاوی باتری هستند و با اتصال آداپتور AC به DC به پریز برق یا استفاده از کابل USB برای شارژ شارژ می‌شوند، رایج است. نمونه‌هایی از آن شامل تلفن‌های همراه، چراغ قوه‌ها، تلویزیون‌های مدرن و خودروهای هیبریدی است.

در چین، پروژه‌ای اجرا شده است که در آن خطوط انتقال DC برق را با تلفات انرژی کمتری نسبت به AC به خانه‌ها منتقل می‌کنند. این نشان می‌دهد که استفاده خانگی از برق DC در حال محبوب‌تر شدن است. همچنین، شرکت زیمنس یک خط جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) با فاصله 104 کیلومتری تأسیس کرده است. چنین پروژه‌هایی می‌توانند استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر را به طور بی‌سابقه‌ای افزایش دهند.

با این حال، ولتاژهای DC بالاتر معمولاً باعث انتقال برق خطرناک‌تر می‌شوند و نظارت بر شبکه‌های DC می‌تواند چالش برانگیز باشد، در حالیکه ولتاژهای AC بزرگ را می‌توان هنگام انتقال از نیروگاه به سطوح قابل اطمینان‌تری کاهش داد.

نتیجه‌گیری

با تمام توضیحات فوق، متخصصان در حال آزمایش و ارائه ساده‌ترین راه برای انتقال برق هستند. انتقال برق با جریان ACبارها خود را ثابت کرده است. علاوه بر این، ولتاژ DC به نقطه‌ای می‌رسد که دیگر روشی ناکارآمد محسوب نمی‌شود. با این حال، ولتاژ ACهنوز قابل اعتمادترین راه برای تأمین برق است.