Представить жилище современного человека без электрических розеток невозможно. И поэтому многие хотят знать больше о силе, несущей цивилизации тепло и свет, заставляющей работать все наши электроприборы. И начинают с вопроса: какой ток в нашей розетке, постоянный или переменный? И какой из них лучше? Чтобы ответить на вопрос, какой ток в розетке и чем обусловлен этот выбор, выясним, чем они отличаются.
Источники постоянного напряжения
Все эксперименты, проводимые учеными с электрическим током, начинались именно с него. Первые, еще примитивные, источники электроэнергии, подобные современным батарейкам, способны были выдавать именно постоянный ток.
Его основная особенность – неизменность величины тока в любой момент времени. Источниками, кроме гальванических элементов, являются специальные генераторы, аккумуляторы. Мощным источником постоянного напряжения является атмосферное электричество – разряды молний.
Источники переменного напряжения
В отличие от постоянного, величина переменного напряжения изменяется во времени по синусоидальному закону. Для него существует понятие периода – времени, за которое происходит одно полное колебание, и частоты – величины, обратной периоду.
В электрических сетях России принята частота переменного тока, равная 50 Гц. Но в некоторых странах эта величина равна 60 Гц. Это нужно учитывать при приобретении бытовых электроприборов и промышленного оборудования, хотя большая его часть прекрасно работает в обоих случаях. Но лучше в этом убедиться, прочитав инструкцию по эксплуатации.
Преимущества переменного тока
В наших розетках протекает переменный ток. Но почему именно он, чем он лучше постоянного?
Дело в том, что только величину переменного напряжения можно изменять с помощью преобразовательных устройств – трансформаторов. А делать это приходится многократно.
Теплоэлектростанции, гидроэлектростанции и атомные электростанции находятся далеко от потребителей. Возникает необходимость передачи больших мощностей на расстояния, исчисляемые сотнями и тысячами километров. Провода линий электропередач имеют малое сопротивление, но все же оно присутствует. Поэтому ток, проходя по ним, нагревает проводники. Более того, за счет разности потенциалов в начале и конце линии, к потребителю приходит меньшее напряжение, чем было на электростанции.
Бороться с этим явлением можно, либо уменьшив сопротивление проводов, либо снизив значение тока. Уменьшение сопротивления возможно только с увеличением сечением проводов, а это дорого, а порой – невозможно технически.
А вот уменьшить ток можно, увеличив значение напряжения линии. Тогда при передаче одной и той же мощности ток по проводам пойдет меньший. Уменьшаться потери на нагрев проводов.
Технически это выглядит так. От генераторов переменного тока электростанции напряжение подается на повышающий трансформатор. Например, 6/110 кВ. Далее по линии электропередач напряжением 110 кВ (сокращенно – ЛЭП-110 кВ) электрическая энергия отправляется до следующей распределительной подстанции.
Если эта подстанция предназначена для питания группы деревень в районе, то напряжение понижается до 10 кВ. Если при этом нужно отправить весомую часть принятой мощности энергоемкому потребителю (например, комбинату или заводу), могут использоваться линии напряжением 35 кВ. На узловых подстанциях для разделения напряжения между потребителями, находящихся на разном удалении и потребляющими разные мощности, используются трехобмоточные трансформаторы. В нашем примере это – 110/35/6 кВ.
Теперь напряжение, полученное на сельской подстанции, претерпевает новое преобразование. Его величина должна стать приемлемой для потребителя. Для этого мощность проходит через трансформатор 10/0,4 кВ. Напряжение между фазой и нулем линии, идущей к потребителю, становится равным 220 В. Оно и доходит до наших розеток.
Думаете, что это все? Нет. Для полупроводниковой техники, являющейся начинкой наших телевизоров, компьютеров, музыкальных центров эта величина не подойдет. Внутри них 220 В понижаются до еще меньшего значения. И преобразуется в постоянный ток.
Вот такая метаморфоза: передавать на большие расстояния лучше переменный ток, а нужен нам, в основном – постоянный.
Еще одно достоинство переменного тока: проще погасить электрическую дугу, неизбежно возникающую между размыкающимися контактами коммутационных аппаратов. Напряжение питания изменяется и периодически переходит через нулевое положение. В этот момент дуга гаснет самостоятельно при соблюдении определенных условий. Для постоянного напряжения потребуется более серьезная защита от подгорания контактов. Но при коротких замыканиях на постоянном токе повреждения электрооборудования от действия электрической дуги серьезнее и разрушительнее, чем на переменном.
Преимущества постоянного тока
Энергию от источников переменного напряжения нельзя хранить. Его можно использовать для зарядки аккумуляторной батареи, но выдавать она будет только постоянный ток. А что будет, если в силу каких-то причин остановится генератор на электростанции или оборвется линия питания села? Его жителям придется пользоваться фонариками на батарейках, чтобы не остаться в темноте.
Но и на электростанциях тоже есть источники постоянного напряжения – мощные аккумуляторные батареи. Ведь для того, чтобы запустить остановившееся из-за аварии оборудование, необходимо электричество. У механизмов, без которых запуск оборудования электростанции невозможен, электродвигатели питаются от источников постоянного напряжения. А также – все устройства защиты, автоматики и управления.
Также на постоянном напряжении работает электрифицированный транспорт: трамваи, троллейбусы, метро. Электродвигатели постоянного тока имеют больший вращающий момент на низких скоростях вращения, что необходимо электропоезду для успешного трогания с места. Да и сама регулировка оборотов двигателя, а, следовательно, и скорости движения состава, проще реализуется на постоянном токе.
Электрический ток — это то, без чего не мыслима сегодня наша жизнь, и без чего люди могли обходиться еще каких-то 150 лет назад. Все, на чем строится бытие современного человека, основано на токе. Телевизоры, компьютеры, освещение, холодильники и стиральные машины имеют в своей основе явление электропроводности, и заменить его чем-то другим пока не представляется возможным.
Что же представляет из себя ток и какие бывают его виды, мы рассмотрим в этой статье.
Что такое ток
Итак, электрический ток — это целенаправленное движение электрических зарядов под действием электрического поля, а вернее, не самих зарядов, а их носителей, ведь заряды не могут существовать сами по себе, без какой-либо материальной основы. Одна движущаяся заряженная частица еще не ток, а вот две — уже ток. Правда, не ясно на каком расстоянии они должны быть друг от друга, чтобы быть током. Если, предположим, два электрона на расстоянии в километр друг от друга движутся в одну сторону с одинаковой скоростью, будут ли они током? Будут, но не током проводимости, а током конвекции.
По характеру токи бывают двух видов — постоянный и переменный, а протекать они могут в проводниках, в полупроводниках, в жидкостях и газах, и даже в вакууме.
Основными параметрами тока можно назвать напряжение и силу тока, а параметром проводящей среды — сопротивление, или проводимость.
Что нужно для того, чтобы тек ток
Для каждой среды минимальные условия протекания электрического тока свои. Например, для электролита достаточно, чтобы была лишь разность потенциалов, тогда как для проводящей электрической цепи необходима еще и замкнутость контура на себя
. В космосе же могут просто пролетать две заряженные частицы, даже на огромном расстоянии друг от друга, и это будет ток, ибо в определении понятия «электрический ток» нет критерия удаленности зарядов, но всякое направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля есть электрический ток.
Давайте разберем, что значит, под действием электрического поля. Дело в том, что в природе не существует изолированного электрического поля, ибо любое электрическое поле порождает магнитное и наоборот. В итоге, может существовать лишь электромагнитное поле, поэтому любое электромагнитное поле, разогнавшее заряженные частицы, автоматически порождает электрический ток, даже если его источником был постоянный магнит.
Что такое постоянный ток
Постоянный ток — это такое направленное движение заряженных частиц, параметры которого не меняются со временем . То есть, если сила тока, напряжение и сопротивление электрической цепи постоянны, а также ток течет все время только в одну сторону, то такой ток постоянен.
Для того, чтобы постоянный ток проходил в металле, необходимо, чтобы источник постоянного напряжения был замкнут на себя при помощи проводника (этого самого металла).
Постоянный ток используется сегодня практически во всей электронной технике, такой как компьютеры, мобильные телефоны, и вообще все, где есть большие блоки питания — это адаптеры, которые превращают переменный ток в постоянный.
Для того, чтобы получить постоянный ток, можно использовать химический источник энергии, который называют гальваническим элементом, можно применить аккумулятор а можно пользоваться генератором постоянного тока, который сегодня используют на производствах и на некоторых специфических объектах энергетики.
Переменный ток
Переменный ток в проводниках характеризуется тем, что он меняет свое направление и/или величину силы тока и напряжения, причем, он может делать это как периодически, так и не периодически.
Переменный ток запатентовал Никола Тесла и с тех пор он прочно вошел в нашу жизнь. Сейчас по проводам линий электроснабжения течет переменный ток, как и по нашим розеткам, и почти все бытовые электроприборы работают на переменном токе. Получить переменный ток можно при помощи специального источника, либо при помощи генератора (машины, которая преобразует движение в электричество).
Основные отличия переменного и постоянного тока
Давайте ответим на вопрос, почему вообще появилась необходимость создания переменного тока, ну был себе постоянный ток и был бы, ничего же плохого в нем не было. А дело вот в чем. Переменный ток нужен был для того, чтобы создать принципиально новый способ связи, такой, которого до этого еще не было на Земле — беспроводной способ передачи информации на расстоянии. Видимо почтовые голуби и телеграфы с телефонами уже не могли удовлетворять растущих потребностей цивилизации, а постоянный ток не может позволить электромагнитным волнам распространяться в пространстве
. И в этом есть первое отличие этих двух видов токов.
Переменный ток может вызвать распространение электромагнитны волн, а постоянный нет. Все антенны существуют благодаря переменному току.
Во-вторых, появилась необходимость передавать электроэнергию на сверхдальние расстояния , а при транспортировке постоянного тока появлялись большие индукционные потери. Переменный ток значительно сокращает эти потери, и в этом второе важное отличие.
При передаче переменного тока по проводам, потерь меньше, чем при передаче постоянного.
В -третьих, переменный ток дает возможность конденсатору и катушке накапливать заряд, в результате чего появляется, как бы, батарейка, которой не нужны внутри электролиты. А обычные батарейки и аккумуляторы, наподобие тех, что стоят в мобильных телефонах и ноутбуках заряжаются от постоянного тока. И это третье отличие.
Переменный ток может заряжать только конденсатор и катушку, а постоянный — химический источник энергии(аккумулятор).
Несмотря на то, что электричество прочно вошло в нашу жизнь, подавляющее большинство пользователей этого блага цивилизации не имеют даже поверхностного понимания, что такое ток, не говоря о том, чем отличается постоянный ток от переменного, какая между ними разница, и что такое ток вообще. Первым, кого ударило током, стал Алессандро Вольта, после чего он посвятил этой теме всю жизнь. Давайте и мы уделим внимание этой теме, чтобы иметь общее представление о природе электричества.
Томас Эдисон немного освежился в Нью-Йорке с уличными фонарями и его постоянным током. Переменный ток периодически меняется взад и вперед. Через секунду электричество в нашей электрической сети движется в 50 раз! После того, как были изобретены постоянный ток и переменный ток, оба изобретателя гарантировали друг друга. Не с оружием, а со словами. У них даже есть собаки, подключенные к электрической сети, чтобы показать, насколько опасно другое электричество.
Нам нужны оба типа электроэнергии, потому что оба имеют свои преимущества и недостатки. Он идеально подходит для зарядки аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Им нужен постоянный ток для зарядки, потому что ток всегда должен чередоваться в одном направлении. Это также относится к некоторым бытовым приборам. Просто все, что связано с батареями и перезаряжаемыми батареями, требует постоянного тока для зарядки. Например, фонарик или ноутбук, в котором есть батареи. И такие устройства нуждаются в постоянном токе, т.е. постоянном токе.
Откуда берётся ток и почему он разный?
Мы попробуем избежать сложной физики, и будем использовать для рассмотрения этого вопроса метод аналогий и упрощений. Но перед этим напомним старый анекдот про экзамен, когда честный студент вытащил билет «Что такое электрический ток».
Извините профессор, я готовился, но забыл - ответил честный студент. - Как Вы могли! Упрекнул его профессор, Вы же единственный человек на Земле, который это знал! (с)
Но и телевидение или радио нуждаются в постоянном токе. Они не могут запускаться с переменным напряжением, которое всегда требует постоянного тока. Опять же, есть устройства, которые не имеют значения, что вы используете. Лампочки, например, просматривают этот сайт. Лампочка - это только провод, который нагревается, и текущее направление не имеет значения. Переменный ток используется с электродвигателями, то есть со всеми вращающимися устройствами. Например, блендер вращается. Или плита плиты также может работать с переменным током, который не поворачивается, однако он должен быть нагрет, а затем он как с лампочкой, в нем есть провод и тепло.
Это конечно шутка, но в ней огромное количество правды. Поэтому не станем искать Нобелевских лавров, а просто разберёмся, переменный ток и постоянный, в чём разница, и что принято считать источниками тока.
За основу мы примем допущение, что ток - это не движение частиц (хотя движение заряженных частиц тоже переносит заряд, а значит, создаёт токи), а движение (передача) избыточного заряда в проводнике от точки большого заряда (потенциала) к точке меньшего заряда. Аналогия - водохранилище, вода всегда стремится занять один уровень (уравнять потенциалы). Если открыть в плотине отверстие, вода начнёт течь под уклон, возникнет постоянный ток. Чем больше отверстие - тем больше воды будет протекать, сила тока вырастет, как и мощность, и количество работы, которую способен выполнить этот ток. Если не управлять процессом, вода разрушит плотину и немедленно создаст зону затопления с поверхностью одного уровня. Это короткое замыкание с выравниваем потенциалов, сопровождающееся большими разрушениями.
Но переменный ток имеет решающее преимущество, его можно производить в больших количествах на электростанциях, и его можно транспортировать намного лучше, чем постоянный ток, поскольку потери на больших расстояниях намного меньше. Таким образом, вне электростанции, перемените переменный ток в больших количествах на сухопутную линию, затем в распределительные коробки . Оттуда переменный ток распространяется на домашние хозяйства, и то, что мы тогда использовали, решает это устройство. Миксер будет напрямую использовать переменный ток.
Компьютер или телевизор сначала преобразуют переменный ток в постоянный ток. Это работает с так называемым преобразователем напряжения без проблем. Только благодаря преобразователю напряжения мы можем подключить телевизор к обычным источникам питания. Трансформатор напряжения уже установлен для всех устройств, которые требуют постоянного тока.
Таким образом, постоянный ток появляется в источнике(как правило, за счёт химических реакций), в котором возникает разница потенциалов в двух точках. Движение заряда от более высокого значения «+» к низкому «-» выравнивает потенциал, пока длится химическая реакция. Итог полного выравнивая потенциала, мы знаем - «батарейка села». Отсюда следует понимание, почему постоянное и переменное напряжение значительно отличаются по стабильности характеристик . Батарейка (аккумулятор) расходуют заряд, поэтому напряжение постоянного тока снижается со временем. Для поддержания его на одном уровне используют дополнительные преобразователи. Изначально человечество долго решало, чем отличается постоянный ток от переменного для повсеместного использования, т.н. «Война токов». Она закончилась победой переменного тока не только потому, что меньше потери при передаче на расстояние, но и генерация постоянного тока из тока переменного оказалась проще. Очевидно, что постоянный ток, получаемый таким образом (без расходуемого источника) имеет куда более стабильные характеристики. Фактически в этом случае переменное и постоянное напряжение жёстко связаны, и по времени зависят только от генерации энергии и количества расхода.
Электрическое сопротивление является мерой того, какое напряжение требуется для прохождения определенного тока через проводник. Это также означает, что определенное напряжение падает на каждый резистор в цепи. На практике существует три типа резисторов.
Резисторы сопротивления сопротивления в системах переменного тока. . На данный момент нас интересует только первый. Когда мы используем резистор как компонент, мы обычно говорим о омическом сопротивлении, т.е. о сопротивлении, которое не зависит от температуры, тока или напряжения. Таким образом, мы имеем постоянное сопротивление, и это позволяет использовать следующие примеры приложений.
Таким образом, постоянный ток по своей природе - это возникновение неравномерного заряда в объёме (химическая реакция), который можно перераспределить при помощи проводов, соединив точку высокого и низкого заряда (потенциала).
Остановимся на таком определении как общепринятом. Все остальные постоянные токи (не батарейки и аккумуляторы) являются производными от источника переменного тока. Например, на этой картинке синяя волнистая линия наш постоянный ток, как итог преобразования переменного.
Если бы мы подключили его непосредственно к источнику напряжения, он был бы сломан. Мы только что рассмотрели понижающую регуляцию напряженности, а также нашли решение. Только это решение имеет серьезную слабость: текущий. Если он изменяется, напряжение, которое падает через резистор, также изменяется. Но есть и решение для этого: делитель напряжения. Вот как это выглядит.
Почему высоковольтные кабели работают на 300 кВ?
Это вопрос, который задавал себе каждый раз или должен был ставить. Ответ следует из закона Ома и формулы для власти. Мощность определяет, сколько энергии требуется за время. Это означает, что для нашего источника питания 220 В используется ток. Теперь мы подключаем наше устройство с очень длинным силовым кабелем с этим разъемом. Мы включаем его, и это происходит: ничего. Здесь стоит упомянуть вышеупомянутую «внутреннюю реставрацию». Длинная линия подключения к источнику питания имеет такое высокое сопротивление, скажем так, что из-за падения напряжения на выходе для потребителя нет напряжения.
Обратите внимание на комментарии к картинке, «большое количество контуров и коллекторных пластин». Если преобразователь будет другим, картинка будет другой.
Та же синяя линия ток почти постоянный, но пульсирующий, запомним это слово. Здесь, кстати, чистый постоянный ток - красная линия.
Поскольку мощность не изменяется из-за более высокого напряжения на линии соединения, это означает, что ток протекает там, поэтому это наше падение напряжения и, следовательно, предельное. И это также является причиной того, что высоковольтные кабели также ведут 100 кВ - 300 кВ. Из-за высокого напряжения и связанного с ним более низкого тока влияние иногда очень высоких внутренних сопротивлений кабелей сводится к минимуму. Общее: Определение - это количество, указывающее, сколько работы или энергии необходимо для перемещения носителя заряда с определенным электрическим зарядом в электрическом поле.
Взаимосвязь магнетизма и электричества
Теперь посмотрим, чем отличается переменный ток от постоянного тока, который зависит от материала. Самое главное - возникновение переменного тока не зависит от реакций в материале . Работая с гальваническим (постоянным током), быстро было установлено, что проводники притягиваются друг к другу как магниты. Следствием стало открытие, что магнитное поле при определённых условиях генерирует электрический ток. То есть, магнетизм и электричество оказались взаимосвязанным явлением с обратным преобразованием. Магнит мог дать ток в проводник, а проводник с током мог быть магнитом. На этой картинке моделирование опытов Фарадея, который, собственно говоря, и обнаружил это явление.
Это определение также легче представить. Для того, чтобы «ток» протекал в замкнутой системе, в качестве предпосылки требуется напряжение. Под этим электрическим напряжением понимается движущая сила, которая допускает или вызывает движение заряда. Резюме до настоящего времени: если ток или источник напряжения не загружается нагрузкой, ток не течет, и поэтому нет падения напряжения. Напряжение разомкнутой цепи можно измерить на контактах источника тока. Если к источнику тока или напряжения подключена нагрузка, то ток течет, а исходное напряжение разомкнутой цепи разделяется между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением источника напряжения.
Теперь аналогия для переменного тока. Магнитом у нас будет сила притяжения, а генератором тока - песочные часы с водой. На одной половине часов напишем «верх», на другой «низ». Переворачиваем наши часы и видим, как вода течёт «вниз», когда вся вода перетекла, переворачиваем ещё раз и вода у нас течёт «вверх». Притом, что ток у нас имеется в наличии, он меняет направление два раза за полный цикл. По науке это будет выглядеть так: частота тока зависит от частоты вращения генератора в магнитном поле. При определённых условиях мы получим чистую синусоиду, или просто переменный ток с разными амплитудами.
В этой главе теперь будут рассмотрены термины «источник напряжения» и источник тока. Источник напряжения: термины «источник тока» и «источник напряжения» не следует путать друг с другом. В принципе, источники тока и напряжения имеют противоположные свойства. Источник напряжения служит источником электрической энергии , который подает электрический ток в зависимости от подключенной нагрузки, но не может быть путано с источником тока. Важной характеристикой источника напряжения является то, что напряжение только низкое, или, в случае модели идеального источника напряжения, не зависит от принимаемого электрического тока.
Ещё раз! Это очень важно для понимания, чем отличается постоянный ток от переменного тока. В обеих аналогиях вода течёт «под уклон». Но в случае постоянного тока водохранилище опустеет рано, или поздно, а для тока переменного часы будут переливать воду очень долго, она в замкнутом объёме. Но при этом в обоих случаях вода течёт под уклон. Правда в случае переменного тока, она половину времени течёт под уклон, но вверх. Иначе говоря, направление движения переменного тока величина алгебраическая, то есть «+» и «-» непрерывно меняются местами, при неизменности направления движения тока. Постарайтесь обдумать и понять это отличие. Как модно говорить в сети: «Ты понял это, теперь ты знаешь всё».
Поскольку существенным свойством источника тока является то, что ток только низкий, или в модели идеального источника тока в кадре не зависит от электрического напряжения. Примерами источников напряжения являются батареи, солнечные элементы и генераторы и, в отличие от источников тока, не подают постоянный ток, а постоянное напряжение. Как правило, источники тока создаются с использованием источника напряжения и преобразования его в источник тока с помощью подходящей схемы.
В рамках термина «источник напряжения» все еще можно подразделить на идеальный и реальный источник напряжения. Идеальный источник напряжения - источник, который генерирует постоянное напряжение, не зависящее от тока и подключенных нагрузок. Реальные источники напряжения можно рассматривать как идеальный источник напряжения, который подает напряжение без нагрузки и зависит от внутреннего сопротивления, так что профиль напряжения на реальном источнике напряжения зависит от тока, который берется.
Чем обусловлено большое разнообразие токов
Если понимать в чем разница постоянного и переменного токов, возникает естественный вопрос - а зачем их так много, токов? Выбрали бы один ток как стандарт, и всё было бы одинаково.
Но, как говорится, «не все токи одинаково полезны», кстати, давайте подумаем, какой ток опаснее: постоянный или переменный, если мы примерно представили себе не природу тока, а скорее его особенности. Человек - это хорошо проводящий электричество коллодиум. Набор разных элементов в воде (мы на 70% из воды, если кто не в курсе). Если на такой коллодиум подать напряжение - ударить током, то частицы внутри нас начнут передавать заряд. Как и положено от точки высокого потенциала к точке с низким потенциалом. Опаснее всего стоять на земле, которая вообще является точкой с бесконечно нулевым потенциалом. Иначе говоря, мы передадим в землю весь ток, то есть разницу зарядов. Так вот при постоянном направлении движения заряда, процесс выравнивания потенциала в нашем организме происходит плавно. Мы словно песок пропускаем через себя воду. И можем безопасно «поглотить» много воды. При переменном токе картина немного другая - все наши частицы будет «дёргать» то туда то сюда. Песок не сможет спокойно пропускать воду, и весь будет взбаламучен. Поэтому ответ на вопрос, какой ток опаснее постоянный или переменный ответ однозначен - переменный. Для справки, опасная для жизни пороговая сила постоянного тока 300мА. Для переменного тока эти значения зависят от частоты и начинаются со значения 35мА. При токе в 50 герц 100мА. Согласитесь, разница в 3-10 раз сама по себе отвечает на вопрос: что опаснее? Но это не главный аргумент в выборе стандарта тока. Давайте упорядочим всё, что принимается во внимание при выборе вида тока:
Визуализация двух терминов: сначала снова выяснение тока и напряжения. Чем сильнее две стороны, тем сильнее сила, которая действует между ними и сильнее напряжение. Два источника тока и источника напряжения могут быть объяснены с помощью легкомысленного примера. Представляется горное озеро, представляющее собой напряжение в транспонированном смысле. Чем выше озеро, тем выше напряжение. Теперь вода из горного озера сворачивается в долину через трубы. Существует трубопровод от горного озера до долины.
Вода можно рассматривать как электроны. Если труба открыта в верхней части горного озера, вода течет вниз по трубе, которая является током в транспонированном смысле. Это означает, что чем больше воды в озере, тем больше воды будет «течь» вниз. Конечно, есть сопротивление на источнике напряжения или источнике тока. Это также можно представить. В представленном примере диаметр трубы будет сопротивлением. Чем более узкая трубка, тем меньше может течь вода. Узкая трубка обеспечивает устойчивость к потоку воды.
- Доставка тока на большие расстояния . Постоянный ток будет потерян почти весь;
- Преобразование в разнородных электрических цепях с неопределённым уровнем потребления. Для постоянного тока практически не решаемая задача;
- Поддерживать постоянное напряжение для переменного тока на два порядка дешевле, чем для тока постоянного;
- Преобразование электрической энергии в механическую силу гораздо дешевле в двигателях и механизмах переменного тока. Такие двигатели имеют свои недостатки и в ряде областей не могут заменить двигатели постоянного тока;
- Для массового использования, таким образом, постоянный ток имеет одно преимущество - он безопаснее для человека.
Отсюда и разумный компромисс, который выбрало человечество. Не один какой-то ток, а вся совокупность доступных преобразований от генерации, доставки потребителю, распределения и использования. Перечислять все мы не будем, но считаем главным ответом на вопрос статьи, «чем отличается постоянный ток от переменного» одно слово - характеристиками. Наверное, это самый правильный ответ для любых бытовых целей. А для понимания стандартов, предлагаем рассмотреть основные характеристики этих токов.
Математически можно объединить два термина. Горное озеро: толщина трубы = расход воды. Постоянный ток, переменный ток, постоянное напряжение, переменное напряжение - электрические переменные кратко объясняются. С осциллографом. Батареи как источники прямого напряжения.
Передача электрической энергии линиями с переменным током. Диаграмма напряжения постоянного напряжения. Диаграмма напряжения переменного напряжения . Электрический ток ненадолго Электрический ток перемещает носители заряда, они могут иметь как отрицательный заряд, так и положительный. В металле электроны могут свободно двигаться. Они перемещаются, потому что их возбуждает электрическое поле . Мерой интенсивности тока является электрический ток. Он измеряется в «Ампере», сокращенно А.
Основные характеристики применяемых сегодня токов
Если для постоянного тока с момента открытия характеристики остались в целом без изменений, то с переменными токами всё обстоит куда сложнее. Посмотрите на эту картинку - модель движения тока в трёхфазной системе от генерации до потребления
Электрическое напряжение коротко объяснено. Если в какой-то момент у нас много положительных зарядов, их электрическое поле привлекательно для электронов, они хотят перейти на положительные заряды. Чем больше положительных зарядов, тем сильнее сила, которая управляет электронами. Для количества электрических зарядов определена мера, это «электрическое напряжение». Это просто указывает на разницу в электрических зарядах между двумя точками.
Чтобы ток мог течь, должно быть напряжение. Что такое Полярность? Электрическое напряжение имеет два полюса - положительный положительный полюс и отрицательный отрицательный полюс. На плюсовом полюсе наблюдается электронный дефицит, электроны хотят мигрировать на этот положительный полюс. На минусовом полюсе наблюдается избыток электронов, электроны отталкиваются от минус-полюса. Вместо полярности иногда используется полярность. Что такое источник напряжения? Источник напряжения представляет собой двухполюсную составляющую, между двумя полюсами которой существует электрическое напряжение.
С нашей точки зрения очень наглядная модель, на которой понятно как снять одну фазу, две или три. Заодно видно как тот попадает к потребителю.
В итоге мы имеем цепочку генерации, переменное и постоянное напряжение (токи) на этапе потребителя. Соответственно чем дальше от потребителя, тем выше токи и напряжение. Фактически в нашей розетке самый простой и слабый - переменный однофазный ток, 220В с фиксированной частотой в 50 Гц. Только повышение частоты способно при этом напряжении сделать ток высокочастотным. Простейший пример стоит у Вас на кухне. СВЧ печать преобразует простой ток в высокочастотный, который собственно и помогает готовить. Кстати ответим на вопрос о мощности СВЧ - это как раз сколько «обычного» тока она преобразует в токи высокой частоты.
Стоит помнить о том, что любое преобразование токов не обходится «даром». Чтобы получить переменный ток, надо чем-то вращать вал. Чтобы получить из него ток постоянный, придётся часть энергии рассеять как тепло. Даже токи передачи энергии придётся рассеять в виде тепла при доставке в квартиру при помощи трансформатора. То есть любое изменение параметров тока сопровождается потерями. И конечно потерями сопровождается доставка тока потребителю. Это, казалось бы, теоретическое знание, позволяет понять, откуда возникают наши переплаты за энергию, снимая половину вопросов, почему на счетчике 100 рублей, а в квитанции 115.
Вернёмся к токам. Мы упомянули вроде бы все, и даже знаем, чем отличается постоянный ток от переменного, поэтому давайте, напомним какие токи, вообще есть.
- Постоянный ток , источником является физика химических реакций с изменением заряда, может быть получен преобразованием тока переменного. Разновидность - импульсный ток, который меняет свои параметры, в широком диапазоне, но не меняет направления движения.
- Переменный ток . Может быть однофазным, двухфазным или трёхфазным. Стандартным или высокочастотным. Такая простая классификация вполне достаточна.
Заключение или каждому току свой прибор
На фото генератор тока на Саяно-Шушенской ГЭС. А на этом фото место его установки.
А это обычная лампочка.
Не правда ли разница масштабов поражает, хотя первое создано, в том числе и для работы второго? Если обдумать эту статью, то становится понятно, что чем ближе прибор к человеку, тем чаще в нём применяется постоянный ток. За исключением двигателей постоянного тока и промышленного применения это действительно стандарт, основанный именно на том, что какой ток опаснее постоянный или переменный мы выяснили. На этом же принципе основаны характеристики бытовых токов, так как переменный ток 220В 50Гц является компромиссом между опасностью и потерями. Цена компромисса - защитная автоматика: от предохранителя до УЗО. Отойдя от человека, мы попадаем в зону переходных характеристик, где и токи и напряжения выше, и где опасность для человека не принимается во внимание, а уделяется внимание технике безопасности - зона промышленного использования тока. Дальше всего от человека, даже в промышленности находится передача энергии и генерация. Простому смертному тут делать нечего - это зона профессионалов и специалистов, которые умеют управлять этой мощью. Но даже при бытовом использовании электричества, и конечно при работах с электрикой, понимание основ природы токов никогда не будет лишним.
Постоянный ток
(direct current)
– это упорядоченное движение заряженных частиц в одном направлении.
Другими словами
величины характеризующие электрический ток, такие как напряжение или сила тока, постоянны как по значению, так и по направлению.
В источнике постоянного тока, например в обычной пальчиковой батарейке, электроны движутся от минуса к плюсу. Но исторически сложилось так, что за техническое направление тока считается направление от плюса к минусу.
Для постоянного тока применимы все основные законы электротехники, такие как закон Ома и законы Кирхгофа.
История
Изначально постоянный ток назывался – гальваническим током, так как впервые был получен с помощью гальванической реакции. Затем, в конце девятнадцатого века, Томас Эдисон, предпринимал попытки организовать передачу постоянного тока по линиям электропередачи. При этом даже разыгралась так называемая “война токов” , в которой шел выбор в качестве основного тока между переменным и постоянным. К сожалению, постоянный ток “проиграл” эту “войну”, потому что в отличие от переменного тока, постоянный, несет большие потери в мощности при передаче на расстояния. Переменный ток легко трансформировать и благодаря этому передавать на огромные расстояния.
Источники постоянного тока
Источниками постоянного тока могут быть аккумуляторы, либо другие источники в которых ток появляется благодаря химической реакции (например, пальчиковая батарейка).
Также источниками постоянного тока может быть генератор постоянного тока, в котором ток вырабатывается благодаря
явлению электромагнитной индукции, а затем выпрямляется с помощью коллектора.
Постоянный ток может быть получен с помощью выпрямления переменного тока. Для этого существуют различные выпрямители и преобразователи.
Применение
Постоянный ток, достаточно широко применяется в электрических схемах и устройствах. К примеру, дома, большинство приборов, таких как модем или зарядное устройство для мобильного, работают на постоянном токе. Генератор автомобиля, вырабатывает и преобразует постоянный ток, для зарядки аккумулятора. Любое портативное устройство питается от источника постоянного тока.
В промышленности постоянный ток используется в машинах постоянного тока, например в двигателях, или генераторах. В некоторых странах существуют высоковольтные линии электропередачи постоянного тока.
Постоянный ток также нашел свое применение и в медицине, например в электрофорезе – процедуре лечения с помощью электрического тока.
В железнодорожном транспорте, кроме переменного, используется и постоянный ток. Это связано с тем, что тяговые двигатели, которые имеют более жесткие механические характеристики , чем асинхронные, являются двигателями постоянного тока.
Влияние на организм человека
Постоянный ток в отличие от переменного является более безопасным для человека. Например, смертельным током для человека является 300 мА если это ток постоянный, а если переменный с частотой 50 Гц, то 50-100 мА.
Движение электронов в проводнике
Чтобы понимать что такое ток и откуда он берётся, нужно иметь немного знаний о строении атомов и законах их поведения. Атомы состоят из нейтронов (с нейтральным зарядом), протонов (положительный заряд) и электронов (отрицательный заряд).
Электрический ток возникает в результате направленного перемещения протонов и электронов, а также ионов. Как можно направить движение этих частиц? Во время любой химической операции электроны «отрываются» и переходят от одного атома к другому.
Те атомы, от которых «оторвался» электрон становятся положительно заряженным (анионы), а те к которым присоединился – отрицательно заряженными и называются катионами. В результате этих «перебеганий» электронов возникает электрический ток.
Естественно, этот процесс не может продолжаться вечно, электрический ток исчезнет когда все атомы системы стабилизируются и будут иметь нейтральных заряд (отличный бытовой пример – обычная батарейка, которая «садится» в результате окончания химической реакции).
История изучения
Древние греки первыми заметили интересное явление: если потереть камень янтаря об шерстяную ткань, то он начинает притягивать мелкие предметы. Следующие шаги начали делать ученые и изобретатели эпохи ренессанса, которые построили несколько интересных устройств, демонстрировавших это явление.
Новым этапом изучения электричества стали работы американца Бенджамина Франклина, в частности его опыты с Лейденовской банкой – первым в мире электроконденсатором.
Именно Франклин ввёл понятия положительных и отрицательных зарядов, а также он придумал громоотвод. И наконец, изучение электротока стало точной наукой после описания закона Кулона.
Основные закономерности и силы в электрическом токе
Закон Ома – его формула описывает взаимосвязь силы, напряжения и сопротивления. Открыт в 19м веке немецким ученым Георгом Симоном Омом. Единица измерения электросопротивления названа в его честь. Его открытия были очень полезны непосредственно для практического использования.
Закон Джоуля – Ленца говорит, что на любом участке электрической цепи совершается работа. В результате этой работы нагревается проводник. Такой тепловой эффект часто используется на практике в инженерии и технике (отличный пример – лампа накаливания).
Движение зарядов при этом совершается работа
Эта закономерность получила такое название потому что сразу 2 ученых примерно одновременно и независимо, вывели её с помощью опытов
.
В начале 19го века британский ученый Фарадей догадался, что изменяя количество линий индукции, которые пронизывают поверхность ограниченную замкнутым контуром, можно сделать индукционный ток. Посторонние силы, действующие на свободные частицы, называют электродвижущей силой (ЭДС индукции).
Разновидности, характеристики и единицы измерения
Электрический ток может быть или переменным , или постоянным .
Постоянный электроток — это ток, который не меняет своё направление и знак во времени, однако он может менять свою величину. Постоянный электроток в качестве источника чаще всего использует гальванические элементы.
Переменным называется тот, который меняет направление и знак по закону косинуса. Его характеристикой является частота. Единицы измерения в системе СИ – Герцы (Гц).
В последние десятилетия очень большое распространение получил . Это вид переменного тока, который включает в себя 3 цепи. В этих цепях действует переменные ЭДС одинаковой частоты, но развернутые по фазе одна относительно другой на треть периода. Фазой называют каждую отдельную электроцепь.
Почти все современные генераторы производят трёхфазный электроток.
- Сила и количество тока
Сила тока зависит от величины заряда, протекающего в электроцепи за единицу времени. Сила тока это отношение электрозаряда, проходящего сквозь сечение проводника, ко времени его прохождения.
В системе СИ единица измерения силы заряда – кулон (Кл), времени – секунда (с). В итоге получаем Кл/с, данную единицу называют Ампер (A). Измеряется сила электротока с помощью прибора – амперметра.
- Напряжение
Напряжение — это соотношение работы к величине заряда. Работа измеряется в джоулях (Дж), заряд в кулонах. Данная единица называется Вольт (В).
- Электрическое сопротивление
Показания амперметра на различных проводниках дают разные значения. А для того чтобы замерять мощность электроцепи пришлось бы использовать 3 прибора. Явление объясняется тем, что у каждого проводника различная проводимость. Единица измерения называется Ом и обозначается латинской буквой R. Сопротивление также зависит и от длины проводника.
- Электрическая емкость
Два проводника, которые изолированы один от второго, могут накапливать электрические заряды. Данное явление характеризуется физ. величиной, которую называют электрической емкостью. Её единицей измерения – фарад (Ф).
- Мощность и работа электрического тока
Работа электротока на конкретном участке цепи равняется перемножению напряжения тока на силу и время. Напряжение меряют вольтами, силу амперами, время секундами. Единицей измерения работы приняли джоуль (Дж).
Мощность электротока – это отношение работы ко времени её совершения. Мощность обозначают буквой P и измеряют ваттами (Вт). Формула мощности очень простая: Сила тока умноженная на напряжение тока.
Существует также единица именуемая ватт-час. Её не следует путать с ваттами, это 2 разные физические величины. В ваттах измеряют мощность (скорость потребления или передачи энергии), а в ватт-часах выражается энергия произведённая за конкретное время. Это измерение часто применяют в отношении бытовых электроприборов.
Например, лампа мощность которой равняется 100 Вт работала в течении одного часа, то она потребила 100 Вт*ч, а лампочка мощность которой 40 ватт потребит столько же электроэнергии за 2.5 часа.
Для того, чтобы замерять мощность электроцепи используют ваттметр
Какой вид тока эффективнее и какая между ними разница?
Постоянный электроток легко использовать в случае параллельного подключения генераторов, для переменного необходима синхронизация генератора и энергосистемы.
В истории произошло событие под названием «Война токов». Эта «война» произошла между двумя гениальными изобретателями – Томасом Эдисоном и Николой Теслой. Первый поддерживал и активно продвигал постоянный электроток, а второй переменный. «Война» закончилась победой Теслы в 2007 году, когда Нью-Йорк окончательно перешел на переменный.
Разница в эффективности передачи энергии на расстоянии оказалось огромной в пользу переменного тока. Постоянный электроток невозможно использовать, если станция находятся далеко от потребителя.
Но постоянный всё равно нашел сферу применения: он широко используется в электротехнике, гальванизации, некоторых видах сварки. Также постоянный электроток получил очень большое распространение в сфере городского транспорта (троллейбусы, трамваи, метро).
Естественно, не бывает плохих или хороших токов, у каждого вида есть свои преимущества и недостатки, самое главное – правильно их использовать.
Лишь немногие способны реально осознать, что переменный и постоянный ток чем-то отличаются. Не говоря уже о том, чтобы назвать конкретные различия. Цель данной статьи - объяснить основные характеристики этих физических величин в терминах, понятных людям без багажа технических знаний, а также предоставить некоторые базовые понятия, касающиеся данного вопроса.
Сложности визуализации
Большинству людей не составляет труда разобраться с такими понятиями, как «давление», «количество» и «поток», поскольку в своей повседневной жизни они постоянно сталкиваются с ними. Например, легко понять, что увеличение потока при поливе цветов увеличит количество воды, выходящей из поливочного шланга, в то время как увеличение давления воды заставит ее двигаться быстрее и с большей силой.
Электрические термины, такие как «напряжение» и «ток», обычно трудно понять, поскольку нельзя увидеть или почувствовать электричество, движущееся по кабелям и электрическим контурам. Даже начинающему электрику чрезвычайно сложно визуализировать происходящее на молекулярном уровне или даже четко понять, что собой представляет, например, электрон. Эта частица находятся вне пределов сенсорных возможностей человека, ее невозможно увидеть и к ней нельзя прикоснуться, за исключением случаев, когда определенное количество их не пройдет через тело человека. Только тогда пострадавший определенно ощутит их и испытывает то, что обычно называют электрическим шоком.
Тем не менее, открытые кабели и провода большинству людей кажутся совершенно безвредными только потому, что они не могут увидеть электронов, только и ждущих того, чтобы пойти по пути наименьшего сопротивления, которым обычно является земля.
Аналогия
Понятно, почему большинство людей не могут визуализировать то, что происходит внутри обычных проводников и кабелей. Попытка объяснить, что что-то движется через металл, идет вразрез со здравым смыслом. На самом базовом уровне электричество не так сильно отличается от воды, поэтому его основные понятия довольно легко освоить, если сравнить электрическую цепь с водопроводной системой. Основное различие между водой и электричеством заключается в том, что первая заполняет что-либо, если ей удастся вырваться из трубы, в то время как второе для передвижения электронов нуждается в проводнике. Визуализируя систему труб, большинству легче понять специальную терминологию.
Напряжение как давление
Напряжение очень похоже на давление электронов и указывает, как быстро и с какой силой они движутся через проводник. Эти физические величины эквивалентны во многих отношениях, включая их отношение к прочности трубопровода-кабеля. Подобно тому, как слишком большое давление разрывает трубу, слишком высокое напряжение разрушает экранирование проводника или пробивает его.
Ток как поток
Ток представляет собой расход электронов, указывающий на то, какое их количество движется по кабелю. Чем он выше, тем больше электронов проходит через проводник. Подобно тому, как большое количество воды требует более толстых труб, большие токи требуют более толстых кабелей.
Использование модели водяного контура позволяет объяснить и множество других терминов. Например, силовые генераторы можно представить как водяные насосы, а электрическую нагрузку - как водяную мельницу, для вращения которой требуется поток и давление воды. Даже электронные диоды можно рассматривать как водяные клапаны, которые позволяют воде течь только в одну сторону.
Постоянный ток
Какая разница между постоянным и переменным током, становится ясно уже из названия. Первый представляет собой движение электронов в одном направлении. Очень просто визуализировать его с использованием модели водяного контура. Достаточно представить, что вода течет по трубе в одном направлении. Обычными устройствами, создающими постоянный ток, являются солнечные элементы, батареи и динамо-машины. Практически любое устройство можно спроектировать так, чтобы оно питалось от такого источника. Это почти исключительная прерогатива низковольтной и портативной электроники.
Постоянный ток довольно прост, и подчиняется закону Ома: U = I × R. измеряется в ваттах и равна: P = U × I.
Из-за простых уравнений и поведения постоянный ток относительно легко осмыслить. Первые системы передачи электроэнергии, разработанные Томасом Эдисоном еще в XIX веке, использовали только его. Однако вскоре разница в переменном токе и постоянном стала очевидной. Передача последнего на значительные расстояния сопровождалась большими потерями, поэтому через несколько десятилетий он был заменен более выгодной (тогда) системой, разработанной Николой Теслой.
Несмотря на то что коммерческие силовые сети всей планеты в настоящее время используют переменный ток, ирония заключается в том, что развитие технологии сделало передачу постоянного тока высокого напряжения на очень больших расстояниях и при экстремальных нагрузках более эффективной. Что, например, используется при соединении отдельных систем, таких как целые страны или даже континенты. В этом заключается еще одна разница в переменном токе и постоянном. Однако первый по-прежнему используется в низковольтных коммерческих сетях.
Постоянный и переменный ток: разница в производстве и использовании
Если переменный ток намного проще производить с помощью генератора, используя кинетическую энергию, то батареи могут создавать только постоянный. Поэтому последний доминирует в схемах питания низковольтных устройств и электроники. Аккумуляторы могут заряжаться только от постоянного тока, поэтому переменный ток сети выпрямляется, когда аккумулятор является основной частью системы.
Широко распространенным примером может служить любое транспортное средство - мотоцикл, автомобиль и грузовик. Генератор, устанавливаемый на них, создает переменный ток, который мгновенно преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя, поскольку в системе электроснабжения присутствует аккумулятор, и большинству электроники для работы требуется постоянное напряжение. Солнечные элементы и топливные ячейки также производят только постоянный ток, который затем при необходимости можно преобразовать в переменный с помощью устройства, называемого инвертором.
Направление движения
Это еще один пример разницы постоянного тока и переменного тока. Как следует из названия, последний представляет собой поток электронов, который постоянно меняет свое направление. С конца XIX века почти во всех бытовых и промышленных электрических всего мира используется синусоидальный переменный ток, поскольку его легче получить и гораздо дешевле распределять, за исключением очень немногих случаев передачи на большие расстояния, когда потери мощности вынуждают использовать новейшие высоковольтные системы постоянного тока.
У переменного тока есть еще одно большое преимущество: он позволяет возвращать энергию из точки потребления обратно в сеть. Это очень выгодно в зданиях и сооружениях, которые производят больше энергии, чем потребляют, что вполне возможно при использовании альтернативных источников, таких как солнечные батареи и Тот факт, что переменный ток позволяет обеспечить двунаправленный поток энергии, является основной причиной популярности и доступности альтернативных источников питания.
Частота
Когда дело доходит до технического уровня, к сожалению, объяснить, как работает переменный ток, становится сложно, поскольку модель водяного контура к нему не совсем подходит. Однако можно визуализировать систему, в которой вода быстро меняет направление потока, хотя не понятно, как она при этом будет делать что-то полезное. Переменный ток и напряжение постоянно меняют свое направление. Скорость изменения зависит от частоты (измеряемой в герцах) и для бытовых электрических сетей обычно составляет 50 Гц. Это означает, что напряжение и ток меняют свое направление 50 раз в секунду. Вычислить активную составляющую в синусоидальных системах довольно просто. Достаточно разделить их пиковое значение на √2.
Когда переменный ток меняет направление 50 раз в секунду, это означает, что лампы накаливания включаются и выключаются 50 раз в секунду. Человеческий глаз не может это заметить, и мозг просто верит, что освещение работает постоянно. В этом заключается еще одна разница в переменном токе и постоянном.
Векторная математика
Ток и напряжение не только постоянно меняются - их фазы не совпадают (они несинхронизированные). Подавляющее большинство силовых нагрузок переменного тока вызывает разность фаз. Это означает, что даже для самых простых вычислений нужно применять векторную математику. При работе с векторами невозможно просто складывать, вычитать или выполнять любые другие операции скалярной математики. При постоянном токе, если по одному кабелю в некоторую точку поступает 5A, а по другому - 2A, то результат равен 7A. В случае переменного это не так, потому что итог будет зависеть от направления векторов.
Коэффициент мощности
Активная мощность нагрузки с питанием от сети переменного тока может быть рассчитана с помощью простой формулы P = U × I × cos (φ), где φ - угол между напряжением и током, cos (φ) также называется коэффициентом мощности. Это то, чем отличаются постоянный и переменный ток: у первого cos (φ) всегда равен 1. Активная мощность необходима (и оплачивается) бытовыми и промышленными потребителями, но она не равна комплексной, проходящей через проводники (кабели) к нагрузке, которая может быть рассчитана по формуле S = U × I и измеряется в вольт-амперах (ВА).
Разница между постоянным и переменным током в расчетах очевидна - они становятся более сложными. Даже для выполнения самых простых вычислений требуется, по крайней мере, посредственное знание векторной математики.
Сварочные аппараты
Разница между постоянным и переменным током проявляется и при сварке. Полярность дуги оказывает большое влияние на ее качество. Электрод-позитивная сварка проникает глубже, чем электрод-негативная, но последняя ускоряет наплавление металла. При постоянном токе полярность всегда постоянная. При переменном она меняется 100 раз в секунду (при 50 Гц). Сварка при постоянном предпочтительнее, так как она производится более ровно. Разница в сварке переменным и постоянным током заключается в том, что в первом случае движение электронов на долю секунды прерывается, что приводит к пульсации, неустойчивости и пропаданию дуги. Этот вид сварки используется редко, например, для устранения блуждания дуги в случае электродов большого диаметра.
