Milyen folyamatok hozzák el az erőművi generátorról az otthonunkba a villamos energiát?

Igazából nem az elektronok mennek be a házba, hanem az elektromos tér. Az elektronok nem mennek sehová, mivel egyrészt nagyon lassan mozognak, (másodpercenként néhány millimétert), másrészt azt sem egy irányba, hanem oda vissza, vagyis csak rezegnek.

Az elektromos térerő, és ezáltal a feszültség az, ami galvanikus úton (azaz fémeken, fémek érintkezésén) keresztül, másrészt elektromágneses indukción keresztül (a transzformátorokban) végül eljut a konnektorba.

A kérdésed túl nagy területet fog át az energiaszállítás területéről.

Először is:

Sem a töltések nem választódnak szét az erőművekben, sem a feszültségek nem vándorolnak.

Azért kezdem ezzel, mert a rendszer működésének megértése pontos fogalomhasználatot tételez fel.

Megpróbálok "általánosságokban" válaszolni, a kérdés általánosságaihoz igazodva. Ha valamelyik részlet nem tiszta, konkrétan kérdezz rá!

A generátor a kapcsain villamos tert létesít. A rákapcsolt impedancián (ez itt bármi lehet) áramot hoz létre. Ez az áram a fogyasztó számára munkát végez.

A "fel" és "le" transzformálások lépéseinek sorozata a generátor kapcsai és a fogyasztó közé iktatódik be a következőképpen:

A generátor kapcsaira kapcsolt transzformátor primer tekercsén áram folyik keresztül, ami mágneses teret hoz létre, és az ezzel a változó mágneses térrel kapcsolódó szekunder tekercsben feszültséget indukál. Innentől kezdve analóg a transzformátor nélküli esettel, csak a menetszám áttétellel változtatott feszültségszinten. Ugyanis a generátorokat nem lehet technológiai okok miatt sem a különféle fogyasztók feszültség igényéhez igazítani, sem korlátlanul nagy feszültségszintűre készíteni. A transzformátorok az energiaszállítás miatt is szükségesek, mert csak a gazdaságos feszültségszinten (ami erősen távolságfüggő) szokásos az energiát szállítani.

Ha nagyon leegyszerűsítjük akkor először induljunk ki az elektrosztatika alapjaiból. Van egy pontszerű egységtöltés ami egy térben A-ból B-be jut. Ehhez A és B pont között feszültség különbség kell. Legyen valami ami vonzza a töltést. A feszültség definiciója az, hogy mekkora munkavégzés szükséges ahhoz, hogy ez a töltést A-ból B-be jusson. Mivel azzal sokra nem megyünk ha egy darab egységnyi pontöltést viszünk A-ból B-be bevezetjük az áramerrősség fogalmat, azaz azt, hogy az adott térrészen hány darab egységtöltés áramlik áta idő egység alatt. Elővesszük a munka-teljesítmény deffiniciókat P=dQ/dt (azaz a teljesítmény az időegység alatt végzett munka), és elkezdjük összerakni azokat. A feszültség az egységnyi töltésen végzendő munka, hogy A-ból B-be jusson, az áramerősség, hogy időegység alatt mennyi töltés áramlik, ebből nem túl bonyolultan következik, hogy P=U*I, ha ezt jobban megvizsgáljuk, találunk egy olyan jellemzőt ami az áramerrősség és a feszültség között teremet összefüggést ezt fogjuk ellenállásnak nevezni (Ohm törvénye) mégpedig P=I*I*R vagy P=U*U/R illetve U=R*I R=U/I stb. Ezek eddig a definiciós egyenletkből következnek. Nézzük a gyakorlatot. Elméleti feszültség generátornak nevezzük azt az eszközt amelyik A és B pont között feszültség különbséget tud létrehozni. Rögtön megvan az előző gondolatmenethez a két pont közti feszültség különbség. Ha egy A és B pont között van feszültség különbség és van köztük olyan töltés ami képes mozogni akkor megindul az áramlás (ld. elektrosztatika definició), hogy mennyi töltés fog mozogni attól függ, hogy mekkora az ellenállás A és B pont között (igazán ha fizikailaig nézzük a teljesítményből kell kiindulni, ld. fent). Azaz a generátor által végzett munka fogja a töltéseket mozgatni, ez időegység alatt a teljesítmény azaz P=U*I (ld fent.). Ezzel létrehoztunk egy "zárt" áramkört, azaz van benne egy darab ellenállás és van benne egy darab elméleti (ideális) feszültség generátor. A feszültség generátor egyik kivezetése az A a másik a B pont, és a kettő között ahol mozognak a töltések az az ellenállás. Ez a létező legegyszerűbb áramkör. Kérdés már csak az, hogy hogyan tudunk a gyakorlatban feszültség generátort alkotni, és hogyan tudjuk ezt a térben biztosítani. De mindig ehhez az alapmodellhez nyúlunk vissza. Technikailag a legegyeszerűbb egy váltakozó áramú generátor készítése, ebben minden időpillanatban más lesz a feszültség nagysága, de a fenti egyenletek igazak maradnak minden egyes időpillanatban. Ez remélem érthető (és ha valaki lepontozza, mert túlegyszerűsítettem a modellt rajz nélkül akkor azt az embert sajnálom és kérem írja le jobban, tudom, hogy nagyon-nagyon leegyszerűsített a modellem, de talán így megérthető).

Ez a kép minden áramköri "darabkára" alkalmazható. A modellt ha a fogyasztó felöl nézzük akkor van a lakásban a villanykörte egy csomó vezeték és van valahol az utca végén egy transzformátor. A fenti modellt alapul véve ebben a hálózatrészben a feszültség generátor a transzformátor, az "ellenállás" a transzformátor vesztesége, az összes vezeték és a fogyasztó (pl. villanykörte), ezen az áramkörön hajtja keresztül a töltéseket a "transzformátor". Technikailag ez esetben az utolsó szakasz figyelembe vételével a transzformátor az ideális generátor. A transzformátor indukciós elven működik, azaz a primer tekercsebn átfolyó áram indukál feszültséget a szekunder tekercsben (ld. indukció törvény, ezt még hozzá vesszük). Azaz ha a transzformátort tekintük ideiális generátornak akkor annak szekunder feszültsége a primer áramtól függ. A trafó primer árama meg attól függ, hogy milyen "generátorról" van táplálva azaz a két trafó közti szakasz megint úgy néz ki, hogy van egy tápláló trafó és van egy "fogyasztó" trafó, ebben a körben az áramerősség megint a korábbiaknak megfelelő. Viszont itt már figyelembe kell venni (indukció törvény és a fizika talán legerősebb törvénye az energiamegmaradás törvényével kiegészíve) a táplált trafó fogyasztói (szekunder) áramát. És így tovább és így tovább. Amíg eljutunk az erőmű forgó generátoráig, a generátor itt is az indukció elvén működik, csak itt nem egy másik trafóról visszük be az energiát hanem a tengelyen ami forog (ld. energia megmaradás).

A legegyszerűbb így elképzelni:

A vezetékben végig szabad elektronok sora van, amelyek közt elektromos taszítás működik. Az erőműben valamilyen folyamat révén "meglökik" az első elektront. Az közelebb kerül a másodikhoz, tehát jobban fogja taszítani, Ez által a második elektron is megindul, majd az ugyanúgy elkezdi tolni a harmadikat stb. Végül az az elektron is megmozdulna, ami nálad a konnektorban van, a vezeték végén. De nem mozdul meg, mert annak mér nincs hova menni. Csak egy erő hat rá (a sorban mögötte álló elektronok ereje), ami szeretné kilökni a vezeték végén. Ha egy fogyasztót kapcsolsz a konnektorra, akkor ez az utolsó elektron mégis ki tid törni a vezetékből, és most a te fogyasztódban, és annak vezetékében lévő elektronokat lökdösi tovább. Aztán ebben a fogyasztóban a mozgó elektronok valamilyen munkát végeznek, és elvesztik a "lendületüket". Ha pl. a fogyasztó egy izzó, akkor az elektronok "súrlódnak" benne, ezáltal felmelegítik, és az izzani kezd.

Modellezhető az egész folyadékokkal is. Ilyenkor a vezetékeket csöveknek kell tekinteni, amelyekben folyadék van, a feszültséget pedig nyomásnak. Az erőműben ráadják a nyomást a cső végére, nálad pedig a konnektor úgy viselkedik, mint egy csap. Ha nem kapcsolsz rá semmit, akkor a csap nincs nyitva. Ha meg rákapcsolsz, akkor a víz beleáramlik, és ezzel az áramló vízzel munkát végezhetsz (pl. meghajthatsz egy kereket).

Persze ezek csak analógiák, még az első is. Hiszen ezekben a modellekben a hatás nem fénysebességgel terjedne, hanem csak hangsebességgel. Ezért pontosabb úgy tekinteni, hogy a vezetékben nem az elektronok mozgása terjed, nem a mozgásba jövő elektronok adják át egymásnak a lendületet, hanem maga az elektromos tér változása. Mert az már valóban fénysebességgel terjed.

A tér változásának a terjedéséhez persze nem lenne szükség vezetékekre, hiszen az a vákuumban is terjed (így jönnek létre a rádióhullámok vagy a fény is). A vezeték, a fém viszont magába sűríti, magába zárja ezt a teret, így az sokkal koncentráltabban, és sokkal kisebb gyengüléssel tud a fém vezetékben terjedni. (nem szóródik szét a tér minden irányába, és nem gyengül négyzetesen).

Hogy hogy jön létre a feszültség a generátorban, ahhoz már az indukciót kell alaposabban ismerni. A lényege az, hogy Maxwell törvényei szerint a változó mágneses tér elektromos teret hoz létre (és fordítva). Tehát ha egy mágnes mozgatsz vagy forgatsz, akkor annak környezetében elektromos tér keletkezik. Ha pedig ebben a térben egy zárt vezeték van, akkor abban az elektromos tér hatására áram jön létre.

Ennek mélyebb oka a relativitás-elméletben található meg, mert a relativitás szerint az elektromos és a mágneses tér ugyanannak a dolognak a két vetülete.

Ha a feszültséget nyomásként akarod elképzelni, mint a vízvezetékes példában, akkor elég sok jelenség megérthető, pl. a vékonyabb, hosszabb csöveknek nagyobb az ellenállása az áramló vízzel szemben, ahogy a vékonyabb, hosszabb vezetékeknek nagyobb az elektromos ellenállása. Vagy érthetővé válik, hogy miért nem veszélyes a sok tízezer voltos sztatikus feszültség, és miért tud agyonütni a sokkal alacsonyabb hálózati feszültség. Mert nem csak az számít, hogy mekkora nyomás van a csövekben, hanem az is, hogy ehhez mekkora vízhozam társul. A sorba és párhuzamosan kötött ellenállások eredő ellenállása is szemléltethető így. Viszont ez a víznyomásos analógia a váltóáram speciális jelenségeit már nem tudja megmagyarázni, és az indukciót sem.