Stejnosměrný proud

Rozbalit box

Obsah boxu

Stejnosměrný proud (anglicky Direct Current, zkráceně DC) je forma elektrického proudu, který v čase nemění směr svého toku. To znamená, že nosiče náboje (nejčastěji elektrony v kovových vodičích) se pohybují konstantně jedním směrem, od záporného pólu ke kladnému pólu zdroje. Dohodnutý (konvenční) směr proudu je však historicky stanoven opačně, tedy od kladného pólu k zápornému. Na rozdíl od střídavého proudu (AC), který svůj směr periodicky mění, je stejnosměrný proud stabilní a jeho napětí je konstantní.

📜 Historie

Historie stejnosměrného proudu je úzce spjata se samotnými počátky zkoumání elektřiny.

První objevy

Základy pro výrobu stejnosměrného proudu položil italský fyzik Alessandro Volta, který kolem roku 1800 sestrojil první galvanický článek (Voltův sloup), jenž byl schopen produkovat stálý elektrický proud. Tento objev navazoval na experimenty Luigiho Galvaniho s "živočišnou elektřinou". Voltův sloup se stal prvním praktickým zdrojem stejnosměrného proudu a otevřel dveře pro další výzkum v oblasti elektřiny a magnetismu.

Válka proudů

Nejvýznamnější období pro stejnosměrný proud nastalo na konci 19. století. Americký vynálezce Thomas Alva Edison byl jeho velkým zastáncem a postavil na něm celou svou elektrifikační síť v New Yorku v roce 1882. Edisonův systém využíval stejnosměrný proud pro osvětlení pomocí jeho žárovek.

Hlavní nevýhodou stejnosměrného proudu však byla obtížná a neefektivní transformace napětí, což omezovalo jeho přenos na delší vzdálenosti na několik kilometrů. Tento problém vyřešil Nikola Tesla se svým systémem střídavého proudu, který umožňoval snadnou transformaci napětí a efektivní přenos na stovky kilometrů.

To vedlo k nechvalně proslulé "válce proudů" mezi Edisonem (zastáncem DC) a Teslou, podporovaným Georgem Westinghousem (zastánci AC). Edison ve snaze dokázat nebezpečnost střídavého proudu neváhal veřejně zabíjet zvířata střídavým proudem a podílel se i na vývoji prvního elektrického křesla na střídavý proud. Nakonec však díky své efektivitě pro dálkový přenos zvítězil střídavý proud a stal se standardem pro elektrické rozvodné sítě po celém světě.

⚛️ Princip a charakteristiky

Konstantní směr toku: Elektrony proudí stále jedním směrem. Grafem ideálního stejnosměrného proudu je přímka.
Stálá polarita: Zdroj stejnosměrného napětí má jasně definovaný kladný (+) a záporný (-) pól. Při zapojování spotřebičů je nutné dodržet správnou polaritu, jinak může dojít k jejich poškození.
Nulová frekvence: Na rozdíl od střídavého proudu, který kmitá s určitou frekvencí (v Evropě 50 Hz), má stejnosměrný proud frekvenci nulovou.
Uskladnitelnost: Stejnosměrný proud lze chemicky "uskladnit" v zařízeních, jako jsou baterie a akumulátory.

Pro výpočet v jednoduchých stejnosměrných obvodech platí Ohmův zákon a Kirchhoffovy zákony.

💡 Zdroje stejnosměrného proudu

Stejnosměrný proud lze získat z různých zdrojů:

Galvanické články (Baterie): Primární (jednorázové) i sekundární (akumulátory) články přeměňují chemickou energii na elektrickou. Jsou základem pro napájení přenosné elektroniky.
Fotovoltaické články (Solární panely): Přeměňují světelnou energii (fotonů) přímo na stejnosměrný elektrický proud pomocí fotovoltaického jevu.
Usměrňovače: Elektronická zařízení, která přeměňují střídavý proud (AC) ze zásuvky na stejnosměrný proud (DC). Jsou součástí prakticky všech síťových adaptérů pro elektroniku (notebooky, mobilní telefony).
Dynamo: Rotační elektrický stroj, který přeměňuje mechanickou energii na stejnosměrnou elektrickou energii. Historicky byly důležité, dnes jsou z velké části nahrazeny alternátory s usměrňovači.
Termočlánek: Zařízení, které vyrábí stejnosměrné napětí na základě teplotního rozdílu mezi dvěma různými kovy (Seebeckův jev).

🔌 Aplikace a využití

Ačkoliv v rozvodné síti dominuje střídavý proud, stejnosměrný proud je nepostradatelný v mnoha klíčových oblastech:

Elektronika: Všechna elektronická zařízení, jako jsou počítače, mobilní telefony, televizory a LED osvětlení, fungují interně na stejnosměrný proud. Proto potřebují adaptéry nebo interní zdroje, které převádějí střídavý proud ze sítě.
Automobilový průmysl: Celá elektrická soustava automobilů, včetně světlometů, palubních počítačů a startérů, je napájena ze stejnosměrné autobaterie.
Doprava: Stejnosměrný proud se široce využívá pro trakční napájení v dopravě, například pro tramvaje, trolejbusy, metro a železnice.
Elektrolýza a galvanické pokovování: Mnoho průmyslových chemických procesů, jako je výroba hliníku nebo chloru a pokovování, vyžaduje použití stejnosměrného proudu.
Svařování: Metody jako MIG/MAG často využívají stejnosměrný proud.
Ukládání energie: Všechny systémy pro ukládání elektrické energie, od malých baterií po velké bateriové úložné systémy pro obnovitelné zdroje, pracují se stejnosměrným proudem.
Přenos vysokého napětí (HVDC): Pro přenos velkých výkonů na velmi dlouhé vzdálenosti (stovky až tisíce km) se paradoxně vrací do hry stejnosměrný proud ve formě HVDC (High-Voltage Direct Current). Takový přenos má výrazně nižší ztráty než přenos střídavým proudem na stejné vzdálenosti. Umožňuje také propojovat nesynchronizované střídavé sítě.

🆚 Stejnosměrný vs. střídavý proud

Vlastnost	Stejnosměrný proud (DC)	Střídavý proud (AC)
Směr toku	Konstantní, jedním směrem	Periodicky se mění (např. 50x za sekundu)
Transformace napětí	Složitá a neefektivní (vyžaduje elektronické měniče)	Jednoduchá a vysoce efektivní pomocí transformátorů
Přenos na dálku	Velké ztráty na krátké vzdálenosti, ale velmi efektivní na extrémně dlouhé vzdálenosti (HVDC)	Velmi efektivní pro standardní rozvodné sítě (desítky až stovky km)
Ukládání	Lze snadno ukládat do baterií a akumulátorů	Nelze přímo ukládat, musí se nejprve přeměnit na DC
Hlavní využití	Elektronika, baterie, automobilový průmysl, HVDC přenos, elektrolýza	Veřejná rozvodná síť, napájení domácností a průmyslu, elektromotory

🤔 Pro laiky: Jaký je v tom rozdíl?

Představte si elektrický proud jako tok vody v hadici.

Stejnosměrný proud (DC) je jako voda tekoucí ze zahradní hadice. Vytéká stále stejným směrem a stejnou silou. Když hadici zapnete, voda teče jedním směrem ven. Takto funguje například baterie ve vašem telefonu – posílá "šťávu" do telefonu stále stejným směrem.
Střídavý proud (AC) je spíše jako voda v potrubí, kterou pohání píst, jenž se rychle pohybuje tam a zpět. Voda v potrubí tak neustále mění směr – chvíli teče dopředu, chvíli dozadu. I když se zdá, že nikam daleko neteče, tato neustálá změna směru dokáže přenášet obrovské množství energie. Takto funguje elektřina ve vaší zásuvce doma.

Vaše nabíječka na telefon je vlastně malý "překladatel" (usměrňovač), který si vezme "střídavou" elektřinu ze zásuvky a přemění ji na "stejnosměrnou", které rozumí baterie vašeho telefonu.

Zdroje