Господа, мы обсудили основные моменты, касающиеся постоянного тока. Теперь пришло время поговорить про переменный ток. Эта тема немного сложнее постоянного тока и одновременно с этим гораздо интереснее. Сегодня мы коротенечко рассмотрим вопросы, касающиеся переменного тока: что он из себя представляет, как выглядит, чем характеризуется и все в таком духе.
Для начала, призвав на помощь нами всеми любимого капитана Очевидность, введем определение. Как он подсказывает нам, переменный ток - это такой ток, который изменяется во времени. Изменяться он может по величине, направлению или по тому и другому вместе. Когда мы рассматривали постоянный ток , мы полагали, что в течении всего времени его величина постоянна: если сейчас течет 10 Ампер, то и полчаса назад текло 10 Ампер и через час будет течь 10 Ампер. Если же величина тока меняется (сейчас 10 Ампер в одну сторону, а через некоторое время 5 Ампер в другую сторону), то мы уже имеем дело с током переменным. То есть переменный ток можно рассматривать как некоторую зависимость (функцию) тока от времени: I(t). В каждые моменты времени t мгн имеет место быть конкретное значение I мгн =I(t мгн).
Переменный ток неразрывно связан с переменным напряжением. И если при постоянном токе они были просто связаны между собой через закон Ома , то здесь в общем случае все чуточку сложнее. Как именно сложнее - будем выяснять по ходу новых статей. Нет-нет, не переживайте, если дело касается обычных резисторов, закон Ома все так же продолжает выполняться . Для определенности мы будем в данной статье использовать термин "переменный ток", но все, что здесь сказано, применимо так же и для переменного напряжения: просто меняем I(t) на U(t) и все останется верным.
Переменный ток может быть периодическим
и непериодическим
. Периодический - это такой, который через некоторое время, называемое периодом,
полностью повторяет свою форму. Ниже на картинках это будет наглядно видно. Непериодический соответственно колбасится как ему вздумается и мы не можем в нем выделить какой бы то ни было период по крайней мере на протяжении времени наблюдения.
На рисунка 1-4 приведены различные виды переменных сигналов. С некоторыми из них позднее мы подробно познакомимся.
Рисунок 1 - Синусоидальный ток
Рисунок 2 - Прямоугольный ток
Рисунок 3 - Треугольный ток
Рисунок 4 - Шум
На всех этих картинках по оси Х у нас время, а по оси Y - величина тока в Амперах.
На рисунке 2 изображен ток, форма которого называется синусом
. Такая форма тока является одной из самых важных и мы будем его подробно рассматривать в дальнейшем. А начнем его изучать прямо в этой статье.
На рисунке 3 изображен прямоугольный ток . Он тоже весьма важен и его тоже мы будем потом подробно рассматривать.
На рисунке 4 изображен треугольный ток . И такая форма тока встречается не редко.
На рисунке 5 я изобразил ток хаотичной формы (шумовой) . С ним постоянно приходится иметь дело в радиотехнике. В ближайшее время его касаться не планирую, но со временем - вполне возможно.
Это лишь часть возможных форм токов, каждый из которых можно считать переменным. Безусловно, существуют и другие формы, главное, чтобы этот ток менялся во времени.
Знакомство с переменным током мы начнем с синусоидального тока. В общем виде закон изменения этого тока можно описать вот таким вот хитрым выражением
Давайте разберемся что здесь есть что. Для этого взглянем на рисунок 5 . Там наглядно все прорисовано.
Рисунок 5 - Синусоидальный ток
А m называется амплитудой тока. Она показывает, какую максимальную величину имеет синусоидальный ток, а именно величину того «пика», которого достигает синус. Это становится возможным благодаря тому, что чистый "математический" синус без какого бы то ни было множителя А m достигает в пике единички . Ясно, что если мы на единичку умножим наше число А m то получим в пике как раз это самое число А m . Очевидно, что чем больше А m , тем большего значения достигает ток.
Величины ω на рисунке 5 нет. Зато на рисунке 5 есть величина f и T. Что же это такое?
Т - это период тока. Это время в секундах, за которое сигнал совершает полный цикл своих изменений. Взглянете на рисунок 5. В точке А ток пересекает ось времени, начинает расти, идет вверх до точки B, где прекращает расти и начинает убывать, снова пересекает ось времени в точке С, идет в отрицательную полуплоскость до точки D, там перестает расти и начинает убывать и становится равным нулю в точке E. Видно, что начиная с точки Е характер изменения тока будет точно таким же, как если бы он начинался с точки А. Посему время, за которое ток изменяется от точки А до точки Е и есть период Т.
Частота f - величина, обратная периоду:
Она показывает сколько периодов (по рисунку 5 - изменений от точки А до точки Е) умещается в одной секунде времени.
Соответсвенно чем больше частота, тем меньше пириод и наоборот.
Изменяется частота в герцах. Если частота 1 Гц - это значит, что время изменения тока от точки А до точки Е равно 1 секунда. Если частота, например, 50 Гц (как в наших с вами розетках), это значит, что за 1 секунду успевает произойти 50 полных циклов изменения тока от точки А до точки Е. Если частота 2,4 ГГц (как в некоторых процессорах, и, кроме того, на такой частоте работает всеми нами любимый Wi-Fi), это значит, что за 1 секунду сигнал претерпевает аж 2,4 миллиарда итераций от точки А до точки Е!
С периодом Т (и, соответственно, с частотой f) плотно связана другая величина - как раз та самая ω, которая стоит в нашей формуле под синусом. Называется она круговая частота и связана она следующим образом
Господа, надеюсь, вы помните из курса математики, что синус - сама по себе функция периодическая и период синуса как раз равен 2·π радиан. Ну или 360°, что тоже самое, однако я предпочитаю обычно вести расчет в радианах. То есть для простого классического математического синуса расстояние от точки А до точки Е равно 2·π=6,28 радиан. Как же теперь увязать эти радианы со временем и с нашим периодом? Ведь в нашем графике тока у нас по оси Х именно время, а не радианы. Очень просто. Полагаем, что 2·π радианам соответствует наш период Т. Для того же, чтобы посчитать скольки радианам соответствует произвольное время t 1 надо выполнить следующее преобразование: . Знаю, звучит запутанно, поэтому давайте разберем на примере. Давайте запишем зависимость тока от времени для периода Т=4 секунды. Как будет выглядеть преобразованная формула синуса для этого случая? Как-то так
Изображаем это на рисунке 6.
Рисунок 6 - Синусоидальный ток с периодом 4 секунды
Видите, все честно, на графике наглядно видно, что период синуса равен, как мы и хотели, четырем секундам.
Итак, с амплитудой разобрались, с круговой частотой вроде тоже. Осталось последнее - φ 0 - начальная фаза. Что же это такое? Все просто, господа. Фаза здесь - это просто сдвиг графика тока по временной оси . То есть график тока будет стартовать не с нуля, а с какого-то другого значения. Действительно, если мы в нашу формулу для зависимости тока от времени подставим время, равное нулю, то получим
Из этого выражения очевидно еще и то, что фаза измеряется в градусах или радианах: только градусы или радианы имеют право стоять под синусом.
Давайте возьмем наш график тока с периодом Т=4 секунды и положим, что начальная фаза равна 30° или, что тоже самое, 0,52 радина. Имеем
Построим график для данного случая на рисунке 7.
Рисунок 7 - Синусоидальный ток с периодом 4 секунды и начальной фазой 30°
Внимательный читатель, посмотрев попристальнее на график, изображенный на рисунке 7, скажет: так фаза вообще какая-то скользкая штука. Она ж зависит от того, где мы поставим нолик
, то есть когда начнем наблюдать сигнал. И вообще может быть чуть ли не любой. Господа, замечание абсолютно верно! Сама по себе как таковая фаза достаточно редко когда интересна. Гораздо интереснее разность фаз между несколькими сигналами.
Взгляните на рисунок 9. На нем изображены два графика: один зеленый имеет начальную фазу в φ 0_зелен =90°, а второй синий - φ 0_син =90°
. Разность фаз между ними
Рисунок 8 - Два сигнала, сдвинутые по фазе
И заметьте, господа, эта разность фаз одна и таже всегда для любой точки этих графиков . Без привязки к нулю и к началу. Вот это уже гораздо интереснее и может много где пригодиться.
Вообще фаза такая штука, что как-то традиционно на нее обращается не очень много внимания, между тем, как на самом деле это очень важная величина. Фазовая модуляция, трехфазные цепи, фазированные антенные решетки, фазовые системы автоподстройки частоты, когерентная обработка сигналов - вот лишь малая область систем, где фаза сигнала является одним из главнейших факторов. Поэтому, господа, постарайтесь с ней подружиться .
На сегоня заканчиваем, господа. Сегодня была вводная статья в мир переменного тока. Дальше будем разбираться в нем более подробно. Всем вам большой удачи, и пока!
Вступайте в нашу
Содержание:
Не первое десятилетие продолжаются споры, какой же вид тока опаснее - переменный или постоянный. Одни утверждают, что именно выправленное напряжение несет большую угрозу, другие искренне убеждены, что синусоида переменного тока, совпав по амплитуде с биением человеческого сердца, останавливает его. Но, как всегда бывает в жизни, сколько людей - столько и мнений. А потому, стоит взглянуть на этот вопрос чисто с научной точки зрения. Но сделать это стоит языком, понятным даже для чайников, т.к. не у каждого имеется электротехническое образование. При этом, наверняка любому хочется узнать происхождение постоянного и переменного тока.
С чего же стоит начать? Да, наверное, с определений - что же такое электричество, почему его называют переменным либо постоянным, какой из этих видов опаснее и почему.
Большинству известно, что постоянный ток можно получить от различных блоков или элементов питания, а переменный поступает в квартиры и помещения посредством электросети и благодаря ему работают бытовые электроприборы и освещение. Но мало кто задумывался, почему одно напряжение позволяет получить другое и для чего это нужно.
Имеет смысл ответить на все возникшие вопросы.
Что такое электрический ток?
Электрическим током называют постоянную или переменную величину, которая возникает на основе направленного или упорядоченного движения, создаваемого заряженными частицами - в металлах это электроны, в электролите - ионы, а в газе - и те, и другие. Иными словами, говорят, что электрический ток «течет» по проводам.
Некоторые ошибочно полагают, что каждый заряженный электрон двигается по проводнику от источника до потребителя. Это не так. Он лишь передает заряд на соседние электроны, сам оставаясь на месте. Т.е. его движение хаотично, но микроскопично. Ну а уже сам заряд, двигаясь по проводнику, достигает потребителя.
Электрический ток имеет такие параметры измерения, как: напряжение, т.е. его величина, измеряющаяся в вольтах (В) и сила тока, которая измеряется в амперах (А). Что очень важно, при трансформации, т.е. уменьшении или увеличении при помощи специальных устройств, одна величина воздействует на другую обратно пропорционально. Это значит, что уменьшив напряжение посредством обычного трансформатора, добиваются увеличения силы тока и наоборот.
Ток постоянный и переменный
Первое, что следует понять - это разницу между постоянным и переменным током. Дело в том, что переменный ток не только проще получить, хотя это тоже немаловажно. Его характеристики позволяют передачу на любые расстояния по проводникам с наименьшими потерями, особенно при более высоком напряжении и меньшей его силе. Именно поэтому линии электропередач между городами являются высоковольтными. А уже в населенных пунктах ток трансформируется в более низкое напряжение.
А вот постоянный ток очень просто получить из переменного, для чего используют разнонаправленные диоды (т.н. диодный мост). Дело в том, что переменный ток (АС), вернее частота его колебаний, представляет собой синусоиду, которая, проходя через выпрямитель, теряет часть колебаний. Тем самым на выходе получается постоянное напряжение (АС), не имеющее частоты.
Имеет смысл конкретизировать, чем же, все-таки, они отличаются.
Различия токов
Конечно же, главным различием переменного и постоянного тока является возможность переправки DC на большое расстояние. При этом, если таким же путем переправить постоянный ток, его просто не останется. По причине разности потенциалов он израсходуется. Так же стоит отметить то, что преобразовать в переменный очень сложно, в то время как в обратном порядке подобное действие вполне легко выполнимо.
Намного экономичнее преобразование электричества в механическую энергию именно при помощи двигателей, работающих от АС, хотя и имеются области, в которых возможно применение механизмов только прямого тока.
Ну и последнее по очереди, но не по смыслу - все-таки переменный ток безопаснее для людей. Именно по этой причине все приборы, используемые в быту и работающие от DC, являются слаботочными. А вот совсем отказаться от применения более опасного в пользу другого никак не получится именно по указанным выше причинам.
Все изложенное приводит к обобщенному ответу на вопрос, чем отличается переменный ток от постоянного - это характеристики, которые и влияют на выбор того или иного источника питания в определенной сфере.
Передача тока на большие расстояния
У некоторых людей возникает вопрос, на который выше был дан поверхностный ответ: почему по линиям электропередач (ЛЭП) приходит очень высокое напряжение? Если не знать всех тонкостей электротехники, то можно согласиться с этим вопросом. Действительно, ведь если бы по ЛЭП приходило напряжение в 380 В, то не пришлось бы устанавливать дорогостоящие трансформаторные подстанции. Да и на их обслуживание тратиться не пришлось бы, разве не так? Оказывается, что нет.
Дело в том, что сечение проводника, по которому протекает электричество, зависит только от силы тока и от его потребляемой мощности и совершенно в стороне от этого остается напряжение. А это значит, что при силе тока в 2 А и напряжении в 25 000 В можно использовать тот же провод, как и для 220 В с теми же 2 А. Так что же из этого следует?
Здесь необходимо вернуться к закону обратной пропорциональности - при трансформации тока, т.е. увеличении напряжения, уменьшается сила тока и наоборот. Таким образом, высоковольтный ток отправляется к трансформаторной подстанции по более тонким проводам, что обеспечивает и меньшие потери при передаче.
Особенности передачи
Как раз в потерях и состоит ответ на вопрос, почему невозможно передать постоянный ток на большие расстояния. Если рассмотреть DC под этим углом, то именно по этой причине через небольшой отрезок расстояния электроэнергии в проводнике не останется. Но главное здесь не энергопотери, а их непосредственная причина, которая заключается, опять же, в одной из характеристик AC и DC.
Дело в том, что частота переменного тока в электрических сетях общего пользования в России - 50 Гц (герц). Это означает амплитуду колебания заряда между положительным и отрицательным, равную 50 изменений в секунду. Говоря простым языком, каждую 1/50 с. заряд меняет свою полярность, в этом и заключается отличие постоянного тока - в нем колебания практически либо совершенно отсутствуют. Именно по этой причине DC расходуется сам по себе, протекая через длинный проводник. Кстати, частота колебаний, к примеру, в США отличается от российской и составляет 60 Гц.
Генерирование
Очень интересен вопрос и о том, как же генерируется постоянный и переменный ток. Конечно, вырабатывать можно как один, так и другой, но здесь встает проблема размеров и затрат. Дело в том, что если для примера взять обычный автомобиль, ведь куда проще было бы поставить на него генератор постоянного тока, исключив из схемы диодный мост. Но тут появляется загвоздка.
Если убрать из автомобильного генератора выпрямитель, вроде бы должен уменьшиться и объем, но этого не произойдет. А причина тому - габариты генератора постоянного тока. К тому же и стоимость при этом существенно увеличится, потому и применяются переменные генераторы.
Вот и получается, что генерировать DC намного менее выгодно, чем АС, и тому есть конкретное доказательство.
Два великих изобретателя в свое время начали так называемую «войну токов», которая закончилась только лишь в 2007 году. А противниками в ней были Никола Тесла совместно с Джорджем Вестингауз ом, ярые сторонники переменного напряжения, и Томас Эдисон, который стоял за применение повсеместно постоянного тока. Так вот, в 2007 году город Нью-Йорк полностью перешел на сторону Теслы, ознаменовав тем самым его победу. На этом стоит немного подробнее остановиться.
История
Компания Томаса Эдисона, которая называлась «Эдисон Электрик Лайт», была основана в конце 70-х годов XIX века. Тогда, во времена свечей, керосиновых ламп и газового освещения лампы накаливания, выпускаемые Эдисоном, могли работать непрерывно 12 часов. И хотя сейчас этого может показаться до смешного мало - это был настоящий прорыв. Но уже в 1880-е годы компания смогла не только запатентовать производство и передачу постоянного тока по трехпроводной системе (это были «ноль», «+110 В» и «-110 В»), но и представить лампу накаливания с ресурсом в 1200 часов.
Именно тогда и родилась фраза Томаса Эдисона, которая впоследствии стала известна всему миру, - «Мы сделаем электрическое освещение настолько дешевым, что только богачи будут жечь свечи».
Ну а уже к 1887-му в Соединенных Штатах успешно функционирует больше 100 электростанций, которые вырабатывают постоянный ток и где используется для передачи именно трехпроводная система, которая применяется в целях хотя бы небольшого снижения потерь электроэнергии.
А вот ученый в области физики и математики Джордж Вестингауз после ознакомления с патентом Эдисона нашел одну очень неприятную деталь - это была огромная потеря энергии при передаче. В то время уже существовали генераторы переменного тока, которые не пользовались популярностью по причине оборудования, которое бы на подобной энергии работало. В то время талантливый инженер Никола Тесла еще работал у Эдисона в компании, но однажды, когда ему было в очередной раз отказано в повышении зарплаты, Тесла не выдерживал и ушел работать к конкуренту, которым являлся Вестингауз. На новом месте Никола (в 1988 году) создает первый прибор учета электроэнергии.
Именно с этого момента и начинается та самая «война токов».
Выводы
Попробуем обобщить изложенную информацию. На сегодняшний день невозможно представить пользование (как в быту, так и на производствах) каким-то одним из видов электричества - практически везде присутствует и постоянный, и переменный ток. Ведь где-то необходим постоянный, но его передача на дальние расстояния невозможна, а где-то переменный.
Конечно, доказано, что АС намного безопаснее, но как быть с приборами, помогающими экономить электроэнергию во много раз, в то время как они могут работать только на DC?
Именно по этим причинам сейчас токи «мирно сосуществуют» в нашей жизни, закончив «войну», которая продлилась более 100 лет. Единственное, что не стоит забывать - насколько бы одно ни было безопаснее другого (постоянное, переменное напряжение - не важно), оно может нанести огромный вред организму, вплоть до летального исхода.
И именно поэтому при работе с напряжением необходимо тщательно соблюдать все нормы и правила безопасности и не забывать про внимательность и аккуратность. Ведь, как говорил Никола Тесла, электричества не стоит бояться, его стоит уважать.
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.
Переменным называется электрический ток, I, изменяющийся по величине и направлению с определённой периодичностью, T. В классическом определении, переменный ток представляет собой гармонические колебания изменяющиеся по форме синусоиды. Периодичность изменения направления и величины называется частотой, f, выражаемой в Герцах, Гц. Частота отражает, сколько раз за секунду происходит смена направления тока. Российские сети работают на частоте 50 Гц. Это значит, напряжение меняет полярность, а ток направление 50 раз за секунду.
Свойства переменного тока
С переменным током неразрывно связано явление возникновения электромагнитной индукции. Переменный ток, пропущенный через обмотку, формирует вокруг неё изменяющееся во времени магнитное поле, которое приводит к появлению электродвижущей силы, ЭДС и электрического тока в проводнике, взаимодействующем с этим полем.
Электромагнитная индукция — ключевое явление, обеспечивающее генерацию, транспортировку, использование электроэнергии. Именно электромагнитная индукция лежит в основе принципа действия трансформаторов, генераторов, двигателей. Это физическое явление определило преимущественное использование переменного тока для электроэнергетики.
Переменный ток входит в повседневную жизнь не только в виде розетки, от которой питаются наши компьютеры, телевизоры, холодильники, лампы освещения. Он способен вызывать резонансные явления в цепях, обладающих емкостью и индуктивностью. Это свойство используется для излучения электромагнитных волн, называемых радиоволнами. Радиоволны - это электромагнитные волны, излучаемые антенной, питающейся токами высокой частоты. Диапазон радиочастот от 3 до 3*10 12 Гц. На радиочастотах работают системы радиосвязи, беспроводные системы передачи данных Bluetooth, WiFi, WiMAX, спутниковое и эфирное телевидение, мобильные телефоны, навигационные системы.
Мощное высокочастотное электромагнитное поле способно вызывать нагрев. Эта особенность широко используется в бытовых микроволновых СВЧ печах, индукционных плитах. На производстве с помощью индукционных печей нагревают заготовки, закаливают и плавят металл.
Трёхфазная и однофазная сеть
Различие заключается в количестве проводников и уровне напряжения между ними.
Токи, протекающие в трёхфазной сети имеют вид синусоид, сдвинутых между собой на 120º.
Трёхфазная сеть состоит из трёх фазных проводников, АВС. Однофазная сеть использует один из фазных проводов и нулевой N.
Напряжение между фазами в точках A, B, C, называется линейным, Uл. Между нулевым N и одним из фазных проводов - фазным, Uф. Фазное напряжение меньше линейного в 1,73 раза, что составляет 58 % от его величины. Такое напряжение используется в европейских странах, Росиии, на него рассчитано большинство бытовых приборов.
Преимущества переменного тока
Основные преимущества перед постоянным определили его как основу энергетики:
- генератор переменного напряжения проще и дешевле генератора постоянного;
- способность к трансформации в любые уровни напряжения;
- простое преобразование в механическую энергию;
- легко преобразуется в постоянный.
Генератор переменного напряжения конструктивно проще, он более компактный, имеет меньшую массу медных деталей, а потому дешевле.
За счёт явления электромагнитной индукции появляется возможность повышать и понижать напряжение до любого уровня с помощью трансформаторов.
Трехфазная сеть очень эффективно используется при работе электродвигателей. Благодаря сдвигу фаз, в машине образуется вращающееся магнитное поле, увлекающее за собой статор. Современные электромоторы имеют КПД на уровне 90%.
Где используется
Переменный ток частотой 50 Гц является промышленным стандартом в энергетике, применяется во всех отраслях промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, жилом секторе. На переменном токе работает электрооборудование рудников заводов, фабрик. Он вращает двигатели станков, насосов, конвейеров, подъёмных механизмов. Им снабжается вся инфраструктура метрополитенов от освещения, эскалаторов до электропоездов. Тоже самое относится к электрифицированным железным дорогам. В наши дома и квартиры так же подаётся переменное напряжение.
Как поставляется электроэнергия
Цепь поставки состоит из нескольких звеньев и упрощённо выглядит так:
- Генератор электростанции вырабатывает переменный электрический ток с частотой 50 Гц.
- Трансформаторы на электростанции повышают напряжение до десятков или сотен тысяч вольт. Энергия поступает на магистральные линии электропередач, ЛЭП.
- Трансформаторы на распределительных подстанциях понижают напряжение, энергия передаётся потребителям.
Повышение с последующим понижением напряжения имеет огромный смысл. Нужно это для того, чтобы передать энергию на большие расстояния с наименьшими затратами. Крупные электростанции могут находятся в сотнях, а то и тысячах километров от потребителей. Высокое напряжение позволяет уменьшить сечение проводников, снизить потери при передаче энергии на большие расстояния. Из формулы мощности P = U*I очевидно, при неизменной мощности повышение напряжение приводит к снижению тока, а следовательно, потребуется меньшее сечение проводов.
Например, станция генерирует 100 МВт мощности, которую нужно передать в соседний город при напряжении ЛЭП 1000 В, ток в линии I = P/U= 100*10 6 /1000 = 100 000 кА. Для таких токов потребуется проводник сечением 10 000 мм 2 . При повышении U до 100 кВ, сечение проводника уменьшится в 100 раз. По этой причине магистральные ЛЭП способны работать под напряжением 220-750 кВ.
На стороне потребителя напряжение снижается с помощью трансформаторов до необходимой величины. В ряде случаев используются промежуточные уровни: 10, 6, 0.6, 0.4 кВ для локальных ЛЭП или отдельных потребителей.
Переменный электрический ток (AC, аббревиатрура от англ. alternating current) - это меняющийся по своей величине и направлению с определенной периодичностью электрический ток. В электротехнике в качестве буквенного обозначения электрического тока принято использовать знак тильда (~).
Источниками переменного электрического тока служат генераторы переменного тока, создающие переменную электродвижущую силу, изменение величины и направления которой происходит через определенные промежутки времени.
Основные параметры переменного тока
Для его описания используют следующие параметры (см. график):
- Период (T) - длительность времени в течение которого электрический ток совершает один полный цикл изменений, возвращаясь к своей начальной величине;
- Частота (f) - параметр, определяющий количество полных колебаний электрического тока за одну секунду, единица измерения - 1 Герц (Гц). Так, напр. стандарт частоты тока, принятый в отечественных энергосистемах составляет 50 Гц или 50 колебаний в секунду.
- Амплитуда тока (Im) - максимальное достигаемое мгновенное значение величины тока за период, как видно из представленного графика - высота синусоиды;
- Фаза - состояние переменного синусоидального электрического тока: мгновенное значение, изменение направления, возрастание (убывание) в цепи. Переменный ток может быть как однофазным, так и многофазным.
Наибольшее распространение получили трехфазные системы, представляющие собой три отдельных эл. цепей с одинаковой частотой и ЭДС, с углом сдвига φ=120°. Более подробно с понятием можно ознакомиться в статье Принцип создания трехфазной цепи переменного тока.
Применение переменного тока
Переменный синусоидальный электрический ток используется практически во всех отраслях хозяйства. Широкое применение переменного тока обусловлено во многом экономической эффективностью его использования в системах электроснабжения, простотой в преобразовании из энергии низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот.
Эта возможность позволяет уменьшить потери электроэнергии при ее передаче на большие расстояние по проводам, существенно снизив площадь их поперечного сечения.
