Несмотря на то, что электрический ток является незаменимой частью современной жизни, многие пользователи не знают о нем даже основополагающих сведений. В данной статье, опустив курс базовой физики, рассмотрим, чем отличается постоянный ток от переменного, а также какое он находит применение в современных бытовых и промышленных условиях.
Вконтакте
Различие типов тока
Что такое ток, рассматривать здесь не будем, а сразу перейдем к основной теме статьи. Переменный ток отличается от постоянного тем, что он непрерывно изменяется по направлению движения и своей величине .
Изменения эти осуществляются периодами через равные временные отрезки. Для создания подобного тока применяют специальные источники или генераторы, выдающие переменную ЭДС (электродвижущую силу), которая регулярно изменяется.
Основополагающая схема упомянутого устройства для генерации переменного тока довольно проста. Это рамка в виде прямоугольника, изготавливаемая из медных проволок, которая закрепляется на ось, а затем при помощи ременной передачи вращается в поле магнита. Кончики этой рамки припаиваются к медным контактным колечкам, скользящим по непосредственно контактным пластинкам, вращаясь синхронно с рамкой.
При условии равномерного ритма вращения начинает индуцироваться ЭДС, которая периодически изменяется. Измерить ЭДС, возникшую в рамке, возможно специальным прибором. Благодаря появлению реально определить переменную ЭДС и вместе с ней переменный ток.
В графическом исполнении эти величины характерно изображаются в виде волнообразной синусоиды . Понятие синусоидального тока зачастую относится к переменному току, поскольку подобный характер изменения тока является наиболее распространенным.
Переменный ток – алгебраическая величина, а его значение в конкретный временной момент именуется мгновенным значением. Знак непосредственно самого переменного тока определяется по направлению, в котором в данный временной момент проходит ток. Следовательно, знак бывает положительным и отрицательным.
Характеристики тока
Для сравнительной оценки всевозможных переменных токов применяют критерии, именуемые параметрами переменного тока , среди которых:
- период;
- амплитуда;
- частота;
- круговая частота.
Период – отрезок времен, когда производится законченный цикл изменения тока. Амплитудой называют максимальное значение. Частотой переменного тока назвали количество законченных периодов за 1 сек.
Перечисленные выше параметры дают возможность отличать различные виды переменных токов, напряжений и ЭДС.
При расчете сопротивления разных цепей воздействию переменного тока допустимо подключить еще один характерный параметр, именуемый угловой либо круговой частотой . Этот параметр определяется скоростью вращения вышеупомянутой рамки под определенным углом в одну секунду.
Важно! Следует понимать, чем отличается ток от напряжения. Принципиальная разница известна: ток является количеством энергии, а напряжением называется мера .
Переменный ток получил свое название, потому что направление движения у электронов безостановочно изменяется, как и заряд. У него встречается различная частота и электрическое напряжение.
Это и является отличительной чертой от постоянного тока, где направление движения электронов неизменно . Если сопротивление, напряжение и сила тока неизменны, а ток течет только в одну сторону, то такой ток является постоянным.
Для прохождения постоянного тока в металлах потребуется, чтобы источник постоянного напряжения оказался замкнут на себя при помощи проводника, которым и является металл. В отдельных ситуациях для выработки постоянного тока применяют химический источник энергии, который называется гальваническим элементом.
Передача тока
Источники переменного тока – обычные розетки. Они располагаются на объектах разнообразного назначения и в жилых помещениях. К ним подключаются различные электрические приборы, которые получают необходимое для их работы напряжение.
Использование переменного тока в электрических сетях является экономически обоснованным, поскольку величина его напряжения может преобразовываться к уровню необходимых значений. Совершается это при помощи трансформаторного оборудования с допускаемыми незначительными потерями. Транспортировка от источников электроснабжения к конечным потребителям является более дешевой и простой.
Передача тока к потребителям начинается непосредственно с электростанции, где используется разновидность чрезвычайно мощных электрических генераторов. Из них получают электрический ток, который по кабелям направляется к трансформаторным подстанциям. Зачастую подстанции располагают неподалеку от промышленных либо жилых объектов электрического потребления. Полученный подстанциями ток преобразуется в трехфазное переменное напряжение.
В батарейках и аккумуляторах содержится постоянный ток , который отличается устойчивостью свойств, т.е. они не изменяются со течением времени. Он используется в любых современных электрических изделиях, а еще в автомобилях.
Преобразование тока
Рассмотрим отдельно процесс преобразования переменного тока в постоянный. Данный процесс производится при помощи специализированных выпрямителей и включает три шага:
- Первым шагом подключается четырехдиодный мост заданной мощности. Это в свою очередь позволяет задать движение однонаправленного типа у заряженных частиц. Кроме того, он понижает верхние значения у синусоид, свойственных переменному току.
- Далее подключается фильтр для сглаживания либо специализированный конденсатор. Это осуществляется с диодного моста на выход. Сам же фильтр способствует исправлению впадин между пиковыми значениями синусоид. А подключение конденсатора значительно снижает пульсации и приводит их к минимальным значениям.
- Затем производится подключение устройств, стабилизирующих напряжение, с целью снижения пульсаций.
Данный процесс, в случае необходимости, способен производиться в двух направлениях, конвертируя постоянный и переменный ток.
Еще одной отличительной чертой является распространение электромагнитных волн по отношению к пространству. Доказано, что постоянный тип тока не позволяет электромагнитным волнам распространяться в пространстве, а переменный ток может вызывать их распространение. Кроме того, при транспортировке переменного тока по проводам индукционные потери значительно меньше, нежели при передаче постоянного тока.
Обоснование выбора тока
Разнообразие токов и отсутствие единого стандарта обуславливается не только потребностью в различных характеристиках в каждой индивидуальной ситуации. В решении большинства вопросов перевес оказывается в пользу переменного тока. Подобная разница между видами токов обуславливается следующими аспектами:
- Возможность передачи переменного тока на значительные расстояния. Возможность преобразования в разнородных электрических цепях с неоднозначным уровнем потребления.
- Поддержание постоянного напряжения для переменного тока оказывается в два раза дешевле, нежели для постоянного.
- Процесс преобразования электрической энергии непосредственно в механическую силу осуществляется со значительно меньшими затратами в механизмах и двигателях переменного тока.
Изначально люди не знали, что такое ток. Был известен статический заряд, но никто не понимал и не осознавал природы электричества. Понадобились долгие века, пока Кулон разработал собственную теорию, а немецкий священник фон Клейн обнаружил, что банка способна запасать энергию. К тому времени, как Ван де Грааф создал первый генератор, любой уже знал, в чем отличие постоянного тока от переменного.
История переменного и постоянного электрического тока
Издавна, к примеру, люди видели, что кристалл турмалина притягивает пепел. Кстати, свойства пьезоэлектричества впервые описаны именно на примере турмалина.
В начала 19-го века было показано, что нагретый кристалл приобретает электрический заряд. За счёт деформации образовались два полюса:
- Южный (аналогический).
- Северный (антилогический).
Причём если температура после нагрева остаётся постоянной, электричество исчезает. Потом появление полюсов отмечается уже при охлаждении. Выходит, кристалл турмалина при изменении температуры вырабатывает электричество. Дальнейшие исследования показали, что размер потенциала зависит от:
- Поперечного сечения кристалла (среза поперёк полюсов).
- Разницы температур.
Прочие факторы влияния на величину заряда не оказывают. Указанное явление получило название пироэлектричества. Диэлектрик турмалин потихоньку заряжался от тока, текущего внутри. А заряд оставался на месте (определённые участки поверхности) из-за изолирующих свойств. Пока не замкнуть полюса турмалина проводником, кристалл продолжит копить заряд по мере изменения температуры. Линию, объединяющую полюса, назвали пироэлектрической осью.
Пьезоэлектричество открыто известной парой Кюри на основе турмалина в 1880 году. Осознавалось, что при изменении размеров кристалла начнут вырабатываться заряды, осталось лишь придумать методику для проведения опыта. Кюри использовал для этого статическое давление обычной массы. Эксперимент проводится на изолирующей поверхности. К примеру, масса в 1 кг вызывает появление в кристалле турмалина электрического заряда в пределах пяти сотых статических единиц.
Как появляется электрический ток
Любопытно, что стройная теория по описанному явлению ещё не создана. Важно указание, что в природе присутствуют заряды, получаемые различными методами. Во время грозы это происходит за счёт сил трения воздушных масс, молекул влаги и прочих явлений. Земля заряжена отрицательно, вверх постоянно течёт ток через атмосферу. Током называется движение носителей заряда в силу неких причин. К примеру, разницы потенциалов – перепад в уровне носителей между двумя точками пространства.
Сравним с напором воды. Когда преграда устраняется, поток хлынет в направлении меньшего давления. Теперь возьмём аналогию с кристаллом турмалина. Допустим, появились на его концах заряды. Дальше потребуется вызвать движение, к примеру, медной жилкой провода. Объединим полюса, и потечёт электрический ток. Движение носителей продолжится, пока потенциал не уравняется. При этом кристалл разряжается.
О переменности или постоянстве тока нельзя сказать в ходе указанного ходе процесса. Переменный и постоянный ток являются физическими идеалами, а используются в силу относительной простоты получения математических моделей и управления при помощи них технологическим оборудованием.
Электрический ток в действительности
На практике форма тока (зависимость плотности зарядов от времени) не синусоидальная. По разным причинам вид графика искажается. Это, к примеру, происходит при запуске оборудования и остановке, из-за наведённых помех различной природы. Форма переменного и постоянного тока искажается. Причём давно установлено, что это вредит аппаратуре. Для борьбы с подобной напастью требовались методы, и математики придумали спектральный анализ.
Колебание любой формы возможно представить в виде суммы с различным удельным весом простейших синусоид разной частоты. Получается, что по цепи двигается одновременно масса составляющих, в совокупности дающих ток. Причём не обязательно все составляющие двигаются заодно с основной массой. Представим элементы как группу муравьёв, каждый тащит в свою сторону, а результирующий эффект заставляет груз перемещаться лишь в одну. Упомянем, что помимо коэффициента (амплитуды) каждая составляющая обладает фазой (направлением), а именуется гармоникой.
Каскады техники устроены так, чтобы полезные частоты (преимущественно 50 Гц) проходили внутрь прибора, а прочее уходило на землю. Указан признак для решения затруднения, упомянутого в начале. Любое колебание представляется в виде набора полезных и вредных сигналов, исходя из этого, аппаратуру полагается конструировать надлежащим образом. К примеру, на описанном принципе работают все приёмники: избирательно пропускают ток нужной частоты. Так удаётся отрезать помехи, а волна передаётся с минимальными искажениями на большие расстояния.
Примеры использования переменного и постоянного тока
Приблизительно постоянным считается ток разряда автомобильного аккумулятора. Напряжение здесь постепенно падает, а потому даже при одинаковой нагрузке эффект разнится хронометрически. В целом, происходит это плавно. Ток течёт в одном направлении и проявляет приблизительно постоянную плотность. Аналогично работают:
- Аккумулятор сотового телефона.
- Батарейка любого типа.
- Аккумулятор питания ноутбуков.
В природе источников постоянного тока (генераторов), за исключением матушки-Земли, нет. Человеку гораздо удобнее создавать роторы, которые, вращаясь с конкретной частотой, создают условия для образования в катушках статора переменного электрического тока. Потом промышленная частота 50 Гц проходит по проводам и через подстанцию подаётся на потребителя.
Источником постоянного тока допустимо считать адаптеры. Это устройства, выполняющие преобразование переменного тока в постоянный. Допустим, у сотовых телефонов это +5 В, а для мобильных раций характерен большой разброс. Устройство постоянного тока может функционировать исключительно от номинала, для которого сконструировано. В противном случае либо работоспособность нарушается, либо – при больших отклонениях – возможен полный выход из строя.
Это касается и переменного, и постоянного тока. Теперь пришла пора сказать, что в промышленности преобразование постоянного тока в переменный и обратно не практикуется. Из соображений экономии двигатели работают от трёх фаз. Каждая считается переменным током частоты 50 Гц. Говорили выше, что у любой гармоники присутствует фаза. В рассматриваемом случае фаза равна 120 градусов. А круг образуется за счёт 360 градусов. Получается, что три фазы равно отстоят друг от друга. При подобном раскладе генераторам ГЭС легче производить энергию, поступающую в дома в неизменном виде. Но в квартиру заходит единственная фаза переменного тока.
Поэтому бытовые приборы по внутреннему устройству сильно отличаются от промышленных. Важными признаются параметры переменного тока. В любом государстве они стандартизированы и чётко выдерживаются. К параметрам переменного тока относят:
- Действующее значение напряжения — вызывающее в обычном проводнике постоянное идентичного номинала. Действующее значение ниже амплитуды в корень из двух раз либо близко к указанному. Требования для РФ составляют 220-230 В плюс-минус 10% от номинала.
- К частоте переменного тока предъявляются повышенные строгие требования. Предел отклонений от 50 Гц измеряется десятыми долями процента. Потому стабилизации движения вала на ГЭС уделяется столько внимания. От скорости его вращения зависит параметр.
- Нелинейные искажения считаются отдельной темой. Требований множество, определиться непросто. Особенно строго нормируются гармоники основной частоты, к примеру: 100, 150, 200, 250 Гц.
Подобные требования предъявляются и к параметрам постоянного тока. Допустим, известные автомобильные аккумуляторы в действительности включают в арсенал не 12, а 14 В. По мере разряда вольтаж падает. Если на аккумуляторе зарегистрировано напряжение 11,9 В, банка считается вышедшей из строя. Предлагаем внимательно читать инструкции. Дополним: в отдельных ноутбуках присутствует заряд бережного расхода энергии аккумулятора. В этом случае уровень поддерживается в рамках двух третей от полного. Считается, что тогда батарея прослужит дольше.
Итак, требования направлены на поддержание долгого и правильного функционирования оборудования. Параметры постоянного и переменного тока считаются фактором, определяющим надёжность и работоспособность системы.
Очень давно, учеными был изобретен электрический ток. Первым изобретением был постоянный. Но в последующем, проводя в своей лаборатории опыты, Никола Тесла изобрел переменный ток. Между ними было и есть много различий, согласно которым один из них используется в слаботочной аппаратуре, а другой имеет возможность преодолевать различные расстояния с небольшими потерями. Но многое зависит от величин токов.
Ток переменный и постоянный: разница и особенности
Отличие переменного тока от постоянного, можно понять исходя из определений. Для того чтобы лучше разобраться в принципе работы и особенностях, необходимо знать следующие факторы.
Основные отличия:
- Движение заряженных частиц;
- Способ производства.
Переменным, называют такой ток, в котором заряженные частицы, способны изменять направление движения и величину в определенное время. К главным параметрам переменного тока относят его напряжение и частоту.
В настоящее время, общественные электрические сети и различные объекты, используют переменный ток, с определенным напряжением и частотой. Данные параметры определяются оборудованием и устройствами.
Обратите внимание! В бытовых электросетях, используется ток величиной 220 Вольт и тактовой частотой 50 Гц.
Направление движения и частота заряженных частиц в постоянном токе неизменны. Данный ток для питания используют различные бытовые устройства, такие как телевизоры и компьютеры.
В связи с тем, что переменный ток, проще и экономичнее по способу производства и передачи на различные расстояния, он стал основой электрификации объектов. Производят переменный ток на различных электростанциях, с которых посредством проводников, то поступает к потребителю.
Постоянный ток, получают при преобразовании переменного тока или путем химических реакций (например, щелочная батарейка). Для преобразования, используют трансформаторы тока.
Какой уровень напряжения является допустимым для человека: особенности
Для того чтобы знать, какие значения электрического тока являются допустимыми для человека, составлены соответствующие таблицы, в которых указаны величины переменного и постоянного тока и время.
Параметры воздействия электрического тока:
- Сила;
- Частота;
- Время;
- Относительная влажность.
Допустимое напряжение прикосновения и ток, которые протекают через человеческое тело в различных режимах электроустановок, не превышают следующих значений.
Переменный ток 50 Гц, должен быть не более 2,0 Вольт и силой тока 0,3 мА. Ток с частотой 400 Гц напряжением 3,0 Вольт и сила тока 0,4 мА. Постоянный ток напряжением 8 и силой тока 1 мА. Безопасное воздействие тока с такими показателями, до 10 минут.
Обратите внимание! Если электромонтажные работы производятся при повышенных температурах и высокой относительной влажности, данные значения уменьшаются в три раза.
В электроустановках с напряжением до 100 Вольт, которые глухо заземлены, или изолирована нейтраль, безопасные токи прикосновения следующие.
Переменный ток 50 Гц с разбросом напряжения от 550 до 20 Вольт и силой тока от 650 до 6 мА, переменный ток 400Гц с напряжением от 650 до 36 Вольт, и постоянный ток от 650 до 40 Вольт, не должен воздействовать на тело человека в пределах от 0,01 до 1 секунды.
Опасный переменный ток для человека
Считается, что для жизни человека, переменный электрический ток наиболее опасен. Но это при условии, если не вдаваться в подробности. Многое зависит от различных величин и факторов.
Факторы, влияющие на опасное воздействие:
- Продолжительность контакта;
- Путь прохождения электрического тока;
- Сила тока и напряжение;
- Какое сопротивление тела.
Согласно правилам ПУЭ, самый опасный ток для человека, это переменный с частотой, которая варьируется в пределах от 50 до 500 Гц.
Стоит отметить, что при условии, сила тока не превышает 9 мА, то любой, может сам освободиться от токоведущей части электроустановки.
Если данное значение превышено, то для того чтобы освободиться от воздействия электрического тока, человеку нужно стронная помощь. Связано это с тем, что ток переменный, намного сильнее способен возбуждать нервные окончания, и вызывать непроизвольные судороги мышц.
Например, при касании токоведущей части устройства внутренней частью ладони, мышечная судорога будет сильнее сжимать кулак, с течением времени.
Почему еще переменный ток опаснее? При одинаковых значениях силы тока, переменный в несколько раз сильнее воздействует на организм.
Так как, переменный ток воздействует на нервные окончания и мышцы, то стоит понимать, что этим, том влияет и на работу сердечной мышцы. Из чего следует, что при контакте с переменным током, возрастает риск летального исхода.
Важным показателем, является сопротивление тела человека. Но при ударе переменным током с высокими частотами, сопротивление тела значительно снижается.
Какой величины опасен для человека постоянный ток
Опасным для человека, может быть и постоянный ток. Конечно переменный, в десятки раз опаснее. Но если рассматривать токи в различных величинах, то постоянный может быть намного опаснее переменного.
Воздействие постоянного тока на человека разделяют:
- 1 порог;
- 2 порог;
- 3 порог.
При воздействии постоянного тока перового порога (ток ощутимый), начинают немного дрожать руки, и появляется легкое покалывание.
Второй порог (ток не отпускающий), в пределах от 5 до 7 мА, является наименьшим значением, при котором человек, не может освободиться от проводника самостоятельно.
Данный ток считается не опасным, так как сопротивление тела человека выше, чем его значения.
Третий порог (фибрилляционный), при значениях от 100 мА и выше, ток сильно воздействует на организм и на внутренние органы. При этом ток при данных значениях, способен вызвать хаотичное сокращение сердечной мышцы и привести к его остановке.
На силу воздействия, влияют и другие факторы. Например сухая кожа человека, обладает сопротивлением от 10 до 100 кОм. Но если касание произошло мокрой поверхностью кожи, то сопротивление значительно снижается.
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.
Хотя электрические приборы мы каждый день используем в повседневной жизни, не каждый может ответить, чем отличается переменный ток от постоянного, несмотря на то, что об этом рассказывается в рамках школьной программы. Поэтому имеет смысл напомнить основные догматы.
Обобщенные определения
Физический процесс, при котором заряженные частицы движутся упорядоченно (направленно), называется электротоком. Его принято разделять на переменный и постоянный. У первого направление и величина остаются неизменными, а у второго эти характеристики меняются по определенной закономерности.
Приведенные определения сильно упрощены, хотя и объясняют разницу между постоянным и переменным электротоком. Для лучшего понимания, в чем заключается это различие, необходимо привести графическое изображение каждого из них, а также объяснить, как образуется переменная электродвижущая сила в источнике. Для этого обратимся к электротехнике, точнее ее теоретическим основам.
Источники ЭДС
Источники электротока любого рода бывают двух видов:
- первичные, с их помощью происходит генерация электроэнергии путем превращения механической, солнечной, тепловой, химической или другой энергии в электрическую;
- вторичные, они не генерируют электроэнергию, а преобразуют ее, например, из переменной в постоянную или наоборот.
Единственным первичным источником переменного электротока является генератор, упрощенная схема такого устройства показана на рисунке.
Обозначения:
- 1 – направление вращения;
- 2 – магнит с полюсами S и N;
- 3 – магнитное поле;
- 4 – проволочная рамка;
- 5 – ЭДС;
- 6 – кольцевые контакты;
- 7 – токосъемники.
Принцип работы
Механическая энергия преобразуется изображенным на рисунке генератором в электрическую следующим образом:
за счет такого явления, как электромагнитная индукция, при вращении рамки «4», помещенной в магнитное поле «3» (возникающее между различными полюсами магнита «2»), в ней образуется ЭДС «5». Напряжение в сеть подается через токосъемники «7» с кольцевых контактов «6», к которым подключена рамка «4».
Видео: постоянный и переменный ток – отличия
Что касается величины ЭДС, то она зависит от скорости пересечения силовых линий «3» рамкой «4». Из-за особенностей электромагнитного поля минимальная скорость пересечения, а значит и самое низкое значение электродвижущей силы будет в момент, когда рамка находится в вертикальном положении, соответственно, максимальное – в горизонтальном.
Учитывая изложенное выше, в процессе равномерного вращения индуктируется ЭДС, характеристики величины и направления которого изменяются с определенным периодом.
Графические изображения
Благодаря применению графического метода, можно получить наглядное представление динамических изменений различных величин. Ниже приведен график изменения напряжения с течением времени для гальванического элемента 3336Л (4,5 В).
Как видим, график представляет собой прямую линию, то есть напряжение источника остается неизменным.
Теперь приведем график динамики изменения напряжения в течение одного цикла (полного оборота рамки) работы генератора,.
Горизонтальная ось отображает угол поворота в градусах, вертикальная – величину ЭДС (напряжение)
Для наглядности покажем начальное положение рамки в генераторе, соответствующее начальной точке отчета на графике (0°)
Обозначения:
- 1 – полюса магнита S и N;
- 2 – рамка;
- 3 – направление вращения рамки;
- 4 – магнитное поле.
Теперь посмотрим, как будет изменяться ЭДС в процессе одного цикла вращения рамки. В начальном положении ЭДС будет нулевым. В процессе вращения эта величина начнет плавно возрастать, достигнув максимума в момент, когда рамка будет под углом 90°. Дальнейшее вращение рамки приведет к снижению ЭДС, достигнув минимума в момент поворота на 180°.
Продолжая процесс, можно увидеть, как электродвижущая сила меняет направление. Характер изменений поменявшей направление ЭДС будет таким же. То есть она начнет плавно возрастать, достигнув пика в точке, соответствующей повороту на 270°, после чего будет снижаться, пока рамка не завершит полный цикл вращения (360°).
Если график продолжить на несколько циклов вращения, мы увидим характерную для переменного электротока синусоиду. Ее период будет соответствовать одному обороту рамки, а амплитуда – максимальной величине ЭДС (прямой и обратной).
Теперь перейдем к еще одной важной характеристике переменного электротока – частоте. Для ее обозначения принята латинская буква «f», а единица ее измерения – герц (Гц). Этот параметр отображает количество полных циклов (периодов) изменения ЭДС в течение одной секунды.
Определяется частота по формуле: . Параметр «Т» отображает время одного полного цикла (периода), измеряется в секундах. Соответственно, зная частоту, несложно определить время периода. Например, в быту используется электроток с частотой 50 Гц, следовательно, время его периода будет две сотых секунды (1/50=0,02).
Трехфазные генераторы
Заметим, что наиболее экономически выгодным способом получения переменного электротока будет использование трехфазного генератора. Упрощенная схема его конструкции показана на рисунке.
Как видим, в генераторе используются три катушки, размещенные со смещением 120°, соединенные между собой треугольником (на практике такое соединение обмоток генератора не применяется в виду низкого КПД). При прохождении одного из полюсов магнита мимо катушки, в ней индуктируется ЭДС.
Чем обосновано разнообразие электротоков
У многих может возникнуть вполне обоснованный вопрос – зачем использовать такое разнообразие электротоков, если можно выбрать один и сделать его стандартным? Все дело в том, что не каждый вид электротока подходит для решения той или иной задачи.
В качестве примера приведем условия, при которых использовать постоянное напряжение будет не только не выгодно, ни и иногда невозможно:
- задача передачи напряжения на расстояния проще реализовывается для переменного напряжения;
- преобразовать постоянный электроток для разнородных электроцепей, у которых неопределенный уровень потребления, практически невозможно;
- поддерживать необходимый уровень напряжения в цепях постоянного электротока значительно сложнее и дороже, чем переменного;
- двигатели для переменного напряжения конструктивно проще и дешевле, чем для постоянного. В данном пункте необходимо заметить, что у таких двигателей (асинхронных) высокий уровень пускового тока, что не позволяет их использовать для решения определенных задач.
Теперь приведем примеры задач, где более целесообразно использовать постоянное напряжение:
- чтобы изменить скорость вращения асинхронных двигателей требуется, изменить частоту питающей электросети, что требует сложного оборудования. Для двигателей, работающих от постоянного электротока, достаточно изменить напряжение питания. Именно поэтому в электротранспорте устанавливают именно их;
- питание электронных схем, гальванического оборудования и многих других устройств также осуществляется постоянным электротоком;
- постоянное напряжение значительно безопаснее для человека, чем переменное.
Исходя из перечисленных выше примеров, возникает необходимость в использовании различных видов напряжения.
