AC atau DC: Mana yang lebih baik?

Sebagai ceritanya Pergi, band rock AC/DC mengambil namanya dari label pada mesin jahit tua di rumah muda saudara -saudara. Itu pasti berarti bahwa mesin dapat berjalan pada listrik arus bolak-balik atau arus langsung. Hari ini, semua perangkat elektronik yang bermodel baru di rumah kita hanya berjalan pada daya DC – bahkan perlengkapan pencahayaan, sekarang LED telah menggantikan lampu pijar.

Tapi tunggu. Listrik yang keluar dari soket dinding Anda bergantian saat ini. Itu berarti setiap perangkat perlu mengkonversi daya AC ke DC, serta mengurangi tegangan ke tingkat yang jauh lebih rendah yang digunakan dalam sirkuit digital. Jadi Anda mungkin bertanya: tidakkah lebih masuk akal memiliki outlet DC di rumah Anda?

Itu pertanyaan yang bagus, dan sebenarnya salah satu yang memicu perdebatan besar di masa -masa awal elektrifikasi. Thomas Edison menyukai sirkuit DC, tetapi Nikola Tesla mengira sirkuit AC adalah cara yang harus ditempuh. Jelas Tesla memenangkan argumen itu. Mari kita lihat mengapa!

Apa itu Listrik?

Listrik adalah aliran elektron melalui bahan konduktor seperti kawat logam. Anda dapat berpikir tentang jaringan listrik sebagai sistem sungai dan aliran dengan arus yang mengalir melalui mereka. Di sungai, perbedaan ketinggian menyebabkan air bergerak menurun; dalam saluran listrik, kekuatan yang menggerakkan arus voltase—Sebuah perbedaan energi potensial antara dua titik di sirkuit.

Analogi itu berfungsi untuk arus searah. Tetapi di sebagian besar jaringan, daya listrik ditransmisikan dengan tegangan bergantian. Itu berarti kutub negatif dan positif membalik -balik, menyebabkan elektron tanpa henti meluncur ke depan dan ke belakang alih -alih bepergian dalam aliran yang berkelanjutan.

Seperti yang dapat Anda bayangkan, itu membuat arus bergantian lebih rumit untuk dihadapi. Jadi Edison ada benarnya: Arus langsung jauh lebih sederhana. Bahkan, siapa pun dapat membuat sirkuit DC. Yang Anda butuhkan hanyalah baterai dan kawat untuk menghubungkan elektroda positif dan negatif. Anda bahkan dapat membuat baterai sendiri. Dapatkan dua logam yang berbeda, seperti seng dan tembaga, dan tempelkan di ujung kentang yang berlawanan. Asam dalam jus kentang bereaksi berbeda dengan dua logam, menciptakan sejumlah kecil tegangan – cukup untuk menerangi LED kecil. DC mudah.

Pemanggang Terbangan Langsung

Misalnya, misalkan Anda ingin membuat pemanggang roti DC. Pemanggang roti pada dasarnya adalah sebuah kotak dengan kawat di dalam yang menjadi panas saat arus berjalan melaluinya. Dan katakanlah pemanggang roti ini membutuhkan 1.000 watt daya. Oh, Kekuatan? Itulah waktunya (T) laju energi (E). Jadi jika Anda memasukkan 1 Joule energi ke dalam kawat dalam 1 detik, itu akan menjadi 1 watt daya (P):

Untuk daya listrik khususnya, kita dapat menghitungnya sebagai produk arus listrik (SAYA) dan tegangan (V):

Dengan itu, kita dapat menggambar diagram sirkuit pemanggang roti sederhana:

Kawat nichrome di dalam pemanggang bukan konduktor yang baik. Ini menghambat aliran arus, menyebabkan kawat memanas. Jadi ini pada dasarnya perangkat untuk mengubah energi listrik menjadi energi termal. Dalam diagram di atas, R Singkatan dari jumlah resistensi, yang diukur dalam ohm.

Jadi katakanlah catu daya DC kami berjalan pada 10 volt. Kita dapat menggunakan ini untuk menemukan tingkat resistensi yang dibutuhkan untuk mendapatkan roti panggang dan bersedih. Ada hubungan antara saat ini (SAYA) dan tegangan (V) Untuk resistor yang disebut hukum Ohm, dan itu memberi kita ekspresi berikut untuk kekuasaan:

Dengan 10 volt, kita membutuhkan resistensi 0,1 ohm (yang kecil) untuk mendapatkan kekuatan 1.000 watt. Tapi tunggu – bukan hanya elemen pemanas di dalam yang menciptakan resistensi di sirkuit. Kabel listrik yang Anda pasang ke dinding juga memiliki ketahanan. Kawat tembaga di dalam kabel adalah konduktor yang baik, tetapi panjang kabel itu sendiri meningkatkan resistensi.

Untuk membuat segalanya mudah, bayangkan bahwa kabel daya juga memiliki resistensi 0,1-ohm, sehingga resistensi total dalam sirkuit adalah 0,2 ohm. Itu berarti kita akan mendapatkan arus listrik yang lebih rendah, dan daya untuk pemanggang akan hanya 250 watt. Itu akan menjadi roti panggang yang tidak terbakar.

Untuk memperbaikinya, kita harus meningkatkan tegangan sumber daya. Mari rampanya hingga 100 volt. Dalam hal ini pemanggang roti kita bisa 10 ohm, jadi kabel daya 0,1 ohm tidak akan terlalu penting. Yah, ini bukan masalah untuk kabel listrik 3 kaki di rumah Anda. Tapi bagaimana dengan jalur transmisi dari pembangkit listrik ke kota Anda? Ini bisa lebih dari 100 kilometer.

Dengan kabel yang lebih lama Anda mendapatkan lebih banyak ketahanan, yang berarti kabel -kabel itu akan menjadi panas dan limbah energi. Sekali lagi, solusinya adalah menggunakan sumber tegangan yang lebih tinggi. Ingat P = IV ? Itu mengatakan Anda dapat memberikan daya yang sama dengan memiliki tegangan tinggi bodoh dengan arus rendah-rendah.

Ya, Anda memecahkan satu masalah dan itu hanya membuat masalah lain. Misalkan outlet dinding adalah 10.000 volt DC. Oh, tetapi Anda ingin mengisi daya ponsel Anda, dan membutuhkan DC 5 volt. Bagaimana Anda melakukannya? Oke, ada cara untuk membuatnya bekerja. Anda bisa menempatkan resistor besar secara seri dengan ponsel Anda dan itu akan mengubah energi listrik menjadi panas. Tapi sekali lagi, itu hanya membuang energi.

Pemanggang roti bolak-balik

Jadi apa yang terjadi jika kita beralih ke arus bergantian? Ingat, sirkuit AC dibuat dengan membalik kutub positif dan negatif bolak -balik, sehingga tegangan bergantian antara nilai positif dan nilai negatif (yang berarti arah perubahan aliran elektron). Berikut adalah plot tegangan sebagai fungsi waktu untuk dua jenis arus.

Sumber DC memiliki tegangan konstan, jadi itulah garis biru datar di atas. Sumber AC (merah) memiliki tegangan yang berosilasi antara +10 dan –10 volt, dan ada saat -saat ketika tegangan sebenarnya nol. Dalam contoh make-up ini, Anda dapat melihat bahwa tegangan beralih delapan kali dalam setengah detik. AC rumah tangga nyata bervariasi, tetapi di AS rata -rata sekitar 120 volt (plus dan minus) dengan frekuensi 60 hertz.

Jika kita mengambil pemanggang roti dan colokkan ke outlet AC 60-Hz, itu akan berjalan dengan baik. Karena bekerja hanya dengan membuat kawat panas, tidak masalah jika memiliki arus DC atau AC – dengan cara itu menjadi panas. Sama untuk bola lampu pijar. Faktanya, mereka benar -benar tidak jauh berbeda dari Toasters; Hanya saja kawat tungsten tipis di bola lampu menjadi sangat panas (hingga 4.500 derajat f) sehingga menyala dan menghasilkan cahaya.

Daya AC lebih efisien

Dengan AC, kami masih memiliki masalah yang sama dengan saluran listrik yang panjang. Anda perlu memiliki tegangan tinggi dan arus rendah sehingga Anda tidak kehilangan terlalu banyak energi dari kabel panas. Tapi AC memiliki keuntungan yang bagus: mudah untuk mengambil tegangan tinggi dan mengubahnya menjadi tegangan rendah. Ini dimungkinkan karena sifat berosilasi dari hukum induksi saat ini dan Faraday.

Hukum Faraday mengatakan bahwa jika Anda mengubah kekuatan medan magnet di dalam lingkaran kawat, Anda akan menghasilkan arus listrik. Dalam klip di bawah ini, Anda dapat melihat bahwa ketika saya memasukkan magnet yang kuat ke dalam kumparan kawat atau menariknya keluar, level saat ini (diukur dalam amp) melompat ke atas.

Anda juga dapat melakukan ini tanpa magnet jika Anda menggunakan dua kumparan kawat. Dalam video di bawah ini, saya menghubungkan dan melepaskan baterai koin kecil ke koil utama. (Anda tidak dapat melihat kumparan, tetapi mereka berada di dalam kotak abu -abu kecil di latar depan.)

Koil sekunder tidak terhubung ke sumber daya apa pun. Tetapi perubahan arus di kumparan primer membuat medan magnet yang berubah, dan itu menginduksi arus di koil sekunder. Bahkan dengan baterai kecil ini Anda dapat melihat bahwa saya mendapatkan arus yang diinduksi besar. Lihatlah:

Tapi bukan itu saja! Kita bisa mengubah voltase diinduksi dalam koil kedua dengan mengubah rasio jumlah loop di setiap koil. Jika koil yang diinduksi memiliki 100 loop dan koil primer memiliki 1.000 loop, tegangan yang diinduksi adalah 100/1.000 atau 0,1 kali input. Jika Anda membalikkannya, Anda bisa mendapatkan tegangan output yaitu 10 kali input.

Kami menyebutnya transformator (karena mengubah tegangan). Mereka adalah masalah besar. Inilah yang kecil di dalamnya:

Ini adalah salah satu “batu bata listrik” yang digunakan semua gadget Anda untuk dihubungkan ke soket dinding. Kedua kumparan itu berdampingan, dan Anda dapat melihat bahwa yang di sebelah kanan memiliki lebih banyak “belokan” daripada yang di sebelah kiri. Jadi, jika Anda memiliki input AC 120 volt, output akan lebih rendah (dalam hal ini 12 volt). Ada beberapa hal lain di sana yang mengambil AC tegangan yang lebih rendah dan mengubahnya menjadi output DC; Itu disebut penyearah tegangan.

Untuk lebih jelasnya, Anda tidak dapat menggunakan transformator AC dengan sirkuit DC. Maksud saya, secara teknis mungkin untuk mengambil input DC, mengubahnya menjadi AC, dan kemudian mengubahnya – tetapi mengapa hal -hal tambahan ketika Anda hanya dapat mengirimkan daya AC ke rumah? Itulah yang kami lakukan. Ketika Anda melihat saluran transmisi tegangan tinggi raksasa itu, mereka adalah sirkuit AC tegangan-tinggi.

Jadi begitulah cara kerjanya. Anda memiliki beberapa pembangkit listrik yang berjalan dengan bahan bakar fosil atau hidroelektrik atau apa pun. Anda perlu menjadikan ini output AC dan kemudian meningkatkan tegangan menjadi sesuatu yang gila seperti 100.000 volt. Ini berarti Anda dapat mengirimkannya pada saluran listrik yang panjang pada arus yang sangat rendah sehingga tidak ada banyak kehilangan daya.

Ketika saluran listrik menuju kota, ia masuk ke gardu. Ini pada dasarnya hanyalah transformator raksasa lain yang mengurangi tegangan AC menjadi sesuatu yang lebih mudah dikelola, seperti 10.000 volt. Akhirnya, arus melewati satu lagi transformator untuk mendapatkannya ke AC 240 volt yang memasuki rumah Anda. Peralatan besar seperti pengering pakaian menggunakan seluruh 240 V, dan untuk outlet listrik Anda yang dipotong menjadi dua untuk memberi Anda 120 V.

Tapi semua ini tidak mungkin dengan kekuatan DC. Itu tidak akan praktis. Aturan AC!