Чем отличается переменный и постоянный ток: «Чем переменный ток отличается от постоянного?» — Яндекс.Кью - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Чем отличается постоянный ток от переменного. Что такое переменный ток

Постоянный электрический ток — это движение частиц с зарядом в определенном направлении. То есть его напряжение или сила (характеризующие величины) имеют одно и то же значение и направление. Это то, чем постоянный ток отличается от переменного. Но рассмотрим все по порядку.

История появления и «войны токов»

Постоянный ток раньше называли гальваническим из-за того, что его открыли в результате гальванической реакции. пробовал передавать его по линиям электрических передач. В то время велись нешуточные споры между учеными по этому вопросу. Они даже получили название «войны токов». Решался вопрос о выборе в качестве основного, переменного или постоянного. «Борьба» была выиграна переменным видом, так как постоянный несет существенные потери, передаваясь на расстоянии. Зато трансформировать переменный вид не составляет никакого труда, это то, чем постоянный ток отличается от переменного. Поэтому последний легко передавать даже на огромные расстояния.

Источники постоянного электрического тока

В качестве источников могут служить аккумуляторы или другие приборы, где он возникает посредством химической реакции.

Это и генераторы, где он получается в результате а после этого выпрямляется за счет коллектора.

Применение

В различных устройствах постоянный ток применяется довольно часто. С ним работают, например, многие бытовые приборы, зарядные устройства и генераторы автомобиля. Любой портативный аппарат запитывается от источника, вырабатавающего постоянный вид.

В промышленных масштабах его применяют в двигателях и аккумуляторах. А в некоторых странах им оснащают высоковольтные линии электропередач.

В медицине с помощью постоянного электрического тока проводят оздоровительные процедуры.

На железной дороге (для транспорта) используют и переменный, и постоянный виды.

Переменный ток

Чаще всего, впрочем, применяют именно его. Здесь среднее значение силы и напряжения за определенный период равны нулю. По величине и направлению он постоянно изменяется, причем с равными промежутками времени.

Чтобы вызвать переменный ток, используют генераторы, в которых во время электромагнитной индукции возникает Это осуществляется при помощи магнита, вращаемого в цилиндре (роторе), и статора, выполненного в виде неподвижного сердечника с обмоткой.

Переменный ток используют в радио, телевидении, телефонии и многих других системах ввиду того, что его напряжение и силу возможно преобразовывать, почти не теряя энергию.

Широко применяют его и в промышленности, а также в целях освещения.

Он может быть однофазным и многофазным.

Который изменяется согласно синусоидальному закону, является однофазным. Он изменяется в течение определенного промежутка времени (периода) по величине и направлению. Частота переменного тока является числом периодов за секунду.

Во втором случае самое большое распространение получил трехфазный вариант. Это система из трех электроцепей, которые имеют одинаковую частоту и ЭДС, сдвинуты по фазе на 120 градусов. Ее используют для питания электрических двигателей, печей, осветительных приборов.

Многими разработками в сфере электричества и практическим их применением, а также воздействием на переменный ток высокой частоты человечество обязано великому ученому Николе Тесла. До сих пор не все его труды, оставшиеся потомкам, являются познанными.

Чем постоянный ток отличается от переменного и каков его путь от источника до потребителя?

Итак, переменным называют ток, способный меняться по направлению и величине в течение определенного времени. Параметры, на которые при этом обращают внимание, это частота и напряжение. В России в бытовых электрических сетях подают переменный ток, имеющий напряжение 220 В и частоту 50 Гц. Частота переменного тока — это количество изменений направления частиц определенного заряда за секунду. Получается, что при 50 Гц он меняет свое направление пятьдесят раз, в чем постоянный ток отличается от переменного.

Его источником являются розетки, к которым подключают бытовые приборы под различным напряжением.

Переменный ток начинает свое движение от электрических станций, где имеются мощные генераторы, откуда он выходит с напряжением от 220 до 330 кВ. Далее переходит в которые находятся вблизи домов, предприятий и остальных конструкций.

В подстанции ток попадает под напряжением 10 кВ. Там он преобразовывается в трехфазное напряжение 380 В. Иногда с таким показателем ток переходит непосредственно на объекты (где организовано мощное производство). Но в основном его снижают до привычных во всех домах 220 В.

Преобразование

Понятно, что в розетках мы получаем переменный ток. Но часто для электрических приборов необходим постоянный вид. Для этой цели служат специальные выпрямители. Процесс состоит из следующих действий:

подключение моста с четырьмя диодами, имеющих необходимую мощность;
подключение фильтра или конденсатора на выход с моста;
подключение стабилизаторов напряжения для уменьшения пульсаций.

Преобразование может происходить как из переменного в постоянный ток, так и наоборот. Но последний случай будет реализовать значительно труднее. Потребуются инверторы, которые, помимо прочего, стоят совсем недешево.

Что такое переменный ток?

Основная масса начинающих радиолюбителей начинает изучение электроники с основ постоянного тока (DC), который течет в одном направлении и/или обладает напряжением постоянной полярности. Постоянный ток – это вид электричества, производимого батареями (имеющими положительные и отрицательные клеммы), или вид заряда, производимого трением определенных типов материалов друг о друга.

Однако, постоянный ток не является единственным видом электричества. Некоторые источники электропитания (в первую очередь роторные электромеханические генераторы) производят такое напряжение, полярность которого меняется с течением времени. Такой вид электричества известен как переменный ток (АС):

Так же как знакомое нам условное обозначение батареи используется для обозначения любого источника постоянного напряжения, кружок с волнистой линией внутри используется для обозначения любого источника переменного напряжения.

Можно было бы подумать, что практическое применение переменного тока ограничено. И действительно, в некоторых случаях переменный ток уступает постоянному по части практического применения. В тех системах, где электричество используется для рассеивания энергии в форме тепла, полярность или направление тока не имеет значения, – вполне достаточно, чтобы напряжения и тока хватало нагрузке для производства необходимого тепла (рассеивания энергии). Однако, используя переменный ток, можно создавать гораздо более эффективные электрогенераторы, электродвигатели и системы распределения энергии. Благодаря этому, в высокомощных системах преобладает использование именно переменного тока. Чтобы понять, почему это так, нам нужно узнать немного больше о переменном токе как таковом.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Это основополагающий принцип работы генератора переменного тока, или альтернатора.

Принцип работы альтернатора

Заметьте, как меняется полярность напряжения на катушках, когда при вращении возле них оказываются разные полюсы магнита. При соединении с нагрузкой такое напряжение будет создавать ток, периодически меняющий направление своего движения. Чем быстрее вращается вал альтернатора, тем быстрее будет вращаться магнит, и тем чаще напряжение будет менять полярность, а ток – направление за определённый промежуток времени.

Несмотря на то, что генераторы постоянного тока работают так же по принципу электромагнитной индукции, их устройство гораздо сложнее, чем у их соперников, генераторов переменного тока. У генераторов постоянного тока обмотка находится на валу (у альтернаторах на валу находится магнит), и эта вращающаяся обмотка соприкасается с неподвижными угольными «щётками». Такая конструкция необходима для переключения изменяющейся полярности на выходе катушки во внешнюю схему, чтобы на последней создавалась постоянная полярность:

Принцип работы генератора постоянного тока

Генератор, показанный на данном рисунке, производит два импульса напряжения за одно вращение вала. Оба импульса имеют одинаковую полярность. Чтобы генератор постоянного тока производил

постоянное напряжение, а не короткие импульсы за каждый полупериод вращения, создаётся набор обмоток, которые периодически входят в контакт с щётками. Приведенный выше рисунок в упрощенной форме показывает то, что вы увидите на практике.

Проблемы, связанные с возникновением и прерыванием электрического контакта при движении обмотки очевидны (искрение и перегрев), особенно если вал генератора вращается с большой скоростью. Если в среде вокруг генератора содержатся легковоспламеняющиеся или взрывоопасные пары, проблемы, связанные с искрообразованием, усугубляются. Для работы генератора переменного тока (альтернатора) никаких щёток и коммутаторов не требуется, поэтому он застрахован от проблем, присущих генераторам постоянного тока.

Генераторы переменного тока имеют очевидные преимущества перед генераторами постоянного тока и при использовании их в качестве электродвигателей. В отличие от электродвигателей постоянного тока, двигатели переменного тока не страдают проблемой соприкосновения щёток с подвижной обмоткой. Электродвигатели постоянного и переменного тока по своему устройству очень похожи на соответствующие электрогенераторы.

Таким образом, становится понятно, что конструкция генераторов и электродвигателей переменного тока гораздо проще конструкции генераторов и электродвигателей постоянного тока. Относительная простота этих устройств на практике выливается в гораздо большую надежность и рентабельность. Для чего же еще используют переменный ток? Наверняка должно быть что-то еще кроме применения его в генераторах и электродвигателях! И действительно, спектр применения переменного тока очень широк. Наверняка вы слышали о таком явлении, как

взаимная индукция. Она возникает при размещении двух или более обмоток таким образом, что переменное магнитное поле, создаваемое одной из обмоток наводит напряжение в другой. Если на одну обмотку мы подадим переменное напряжение, то на другой мы также получим переменное напряжение. Такое устройство известно как трансформатор.

Главное предназначение трансформатора состоит в его способности повышать и понижать напряжение на вторичной обмотке. Напряжение переменного тока, возникающее во вторичной обмотке равно напряжению переменного тока на первичной обмотке, умноженному на коэффициент отношения числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной. Если же со вторичной обмотки ток подаётся в нагрузку, то изменение тока на вторичной обмотке будет прямо противоположным: ток первичной обмотки умножается на коэффициент отношения числа витков первичной к числу витков вторичной обмотки. Механическим аналогом подобных отношений может служить пример с крутящим моментом и скоростью (вместо напряжения и тока, соответственно):

Если соотношение витков обмоток обратное, т.е. первичная обмотка имеет меньше витков, чем вторичная, то трансформатор увеличивает напряжение источника до более высокого уровня:

Способность трансформатора повышать и понижать переменное напряжение дает переменному току неоспоримое преимущество над постоянным в области распределения энергии (см. рисунок ниже). Гораздо эффективнее передавать электроэнергию на большие расстояния при высоком напряжении и низком токе (провода меньшего диаметра с меньшими потерями на сопротивление), а затем понижать напряжение и усиливать ток при подаче энергии конечным потребителям.

Благодаря трансформаторам передача электрической энергии на большие расстояния стала гораздо более практичной. Не имея возможности эффективного увеличения и понижения напряжения было бы непомерно дорого создавать системы энергообеспечения для больших расстояний (более нескольких десятков километров).

Для работы трансформаторов необходим только переменный ток. Поскольку явление взаимоиндукции основано на переменных магнитных полях, трансформаторы просто не будут работать на постоянном токе (постоянный ток способен создавать только постоянные магнитные поля) . Конечно, на первичную обмотку трансформатора можно подать постоянный прерывистый (импульсный) ток, чтобы создать переменное магнитное поле (как это делается в автомобильной системе зажигания, для создания искры в свече от низковольтной батареи постоянного тока), но в таком варианте импульсный постоянный ток ничем не отличается от переменного. Возможно, именно по этой причине переменный ток находит более широкое применение в энергосистемах.

Переменный ток – род тока, направление протекания которого непрерывно меняется. Становится возможным, благодаря наличию разницы потенциалов, подчиняющейся закону. В повседневном понимании форма переменного тока напоминает синусоиду. Постоянный способен изменяться по амплитуде, направление прежнее. В противном случае получаем переменный ток. Трактовка радиотехников противоположна школьной. Ученикам говорят — постоянный ток одной амплитуды.

Как образуется переменный ток

Начало переменному току положил Майкл Фарадей, читатели подробнее узнают ниже по тексту. Показано: электрическое и магнитное поля связаны. Ток становится следствием взаимодействия. Современные генераторы работают за счет изменения величины магнитного потока через площадь, охватываемую контуром медной проволоки. Проводник может быть любым. Медь выбрана из критериев максимальной пригодности при минимальной стоимости.

Статический заряд преимущественно образуется трением (не единственный путь), переменный ток возникает в результате незаметных глазу процессов. Величина пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, охваченную контуром.

История открытия переменного тока

Впервые переменным токам стали уделять внимание ввиду коммерческой ценности после появления на свет изобретений, созданных Николой Тесла. Материальный конфликт с Эдисоном отметил сильным отпечатком судьбы обоих. Когда американский предприниматель забрал назад обещания перед Николой Тесла, потерял немалую выгоду. Выдающемуся ученому не понравилось вольное обращение, серб выдумал двигатель переменного тока промышленного типа (изобретение сделал намного раньше). Предприятия пользовались исключительно постоянным. Эдисон продвигал указанный вид.

Тесла впервые показал: переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, резко снижая потери на активном сопротивлении. Приемная сторона параметры вновь возвращает к исходным. Неплохо сэкономите на толщине проводов.

Сегодня показано: передача постоянного тока экономически выгоднее. Тесла изменил ход истории. Придумай ученый преобразователи постоянного тока, мир выглядел бы иначе.

Начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. Опыты передачи энергии на значительные расстояния расставили факты по своим местам: неудобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.

Школьный вариант трактовки переменного и постоянного тока

Переменный ток демонстрирует ряд свойств, отличающих явление от постоянного. Вначале обратимся к истории открытия явления. Родоначальником переменного тока в обиходе человечества считают Отто фон Герике. Первым заметил: заряды природныедвух знаков. Ток способен протекать в разном направлении. Касательно Тесла, инженер больше интересовался практической частью, авторские лекции упоминают двух экспериментаторов британского происхождения:

Вильям Споттисвуд лишен странички русскоязычной Википедии, национальная часть — замалчивает работы с переменным током. Подобно Георгу Ому, ученый — талантливый математик, остается сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался муж науки.
Джеймс Эдвард Генри Гордон намного ближе практической части вопроса применения электричества. Много экспериментировал с генераторами, разработал прибор собственной конструкции мощностью 350 кВт. Много внимания уделял освещению, снабжению энергией заводов, фабрик.

Считается, первые генераторы переменного тока созданы в 30-е годы XIX века. Майкл Фарадей экспериментально исследовал магнитные поля. Опыты вызывали ревность сэра Хемфри Дэви, критиковавшего ученика за плагиат. Сложно потомкам выяснить правоту, факт остается фактом: переменный ток полвека просуществовал невостребованным. В первой половине XIX-го века выдуман электрический двигатель (авторство Майкла Фарадея). Работал, питаемый постоянным током.

Никола Тесла впервые догадался реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Понадобились две фазы переменного тока (сдвиг 90 градусов). Попутно Тесла отметил: возможны более сложные конфигурации (текст патента). Позднее изобретатель трехфазного двигателя, Доливо-Добровольский, тщетно силился запатентовать детище плодотворного ума.

Продолжительное время переменный ток оставался невостребованным. Эдисон противился внедрению явления в обиход. Промышленник боялся крупных финансовых потерь.

Никола Тесла изучал электрические машины

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Ученые доказали недавно: передавать постоянный ток выгоднее. Снижаются потери излучения линии. Никола Тесла перевернул ход развития истории, правда восторжествовала.

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Никола Тесла посетил конкурирующую с эдисоновской компанию, продвигая новое явление. Увлекся, часто ставил эксперименты на себе. В противовес сэру Хемфри Дэви, который укоротил жизнь, вдыхая различные газы, Тесла добился немалого успеха: покорил рубеж 86 лет. Ученый обнаружил: изменение направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду делает процесс безопасным для человека.

Во время лекций Тесла брал руками лампочку с платиновой нитью накала, демонстрировал свечение прибора, пропуская через собственное тело токи высокой частоты. Утверждал: явление безвредно, даже приносит пользу здоровью. Ток, протекая по поверхности кожи, одновременно очищает. Тесла говорил, экспериментаторы прежних дней (смотрите выше) пропускали удивительные явления по указанным причинам:

Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в прямом смысле: при помощи двигателя раскручивался ротор. Подобный принцип бессилен выдать токи высокой частоты. Сегодня проблематично, невзирая на нынешний уровень развития технологии.
В простейшем случае применялись ручные размыкатели. Вовсе нечего говорить о высоких частотах.

Сам Тесла использовал явление заряда и разряда конденсатора. Подразумеваем RC-цепочку. Будучи заряжен до определённого уровня, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление. Параметров элементов определяют скорость процесса, протекающего согласно экспоненциальному закону. Тесла лишен возможности использовать методы управления контуров полупроводниковыми ключами. Термионные диоды были известны. Рискнем предположить, Тесла мог использовать изделия, имитируя стабилитроны, оперируя с обратимым пробоем.

Однако вопросы безопасности лишены почетного первого места. Частоту 60 Гц (общепринятая США) предложил Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Сильно отличается от безопасного диапазона. Проще сконструировать генератор. Переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.

Через эфир

Поныне безуспешно ведутся споры, касаемо первооткрывателя радио. Прохождение волны через эфир обнаружил Герц, описав законы движения, показав, сродство оптическим. Сегодня известно: переменное поле бороздит пространстве. Явление Попов (1895 год) использовал, передавая первое Земное сообщение «Генрих Герц».

Видим, ученые мужи дружны между собой. Сколько уважения демонстрирует первое сообщение. Дата остается спорной, каждое государство первенство хочет присвоить безраздельно. Переменный ток создает поле, распространяющееся через эфир.

Сегодня общеизвестны диапазоны вещания, окна, стены атмосферы, различных сред (вода, газы). Важное место отводится частоте. Установлено, каждый сигнал можно представить суммой элементарных колебаний-синусоид (согласно теоремам Фурье). Спектральный анализ оперирует простейшими гармониками. Суммарный эффект рассматривается, как равнодействующая элементарных составляющих. Произвольный сигнал раскладывается преобразованием Фурье.

Окна атмосферы определяются аналогичным образом. Увидим частоты, проходящие сквозь толщу хорошо и плохо. Не всегда последнее оказывается негативным эффектом. Микроволновые печи используют частоты 2,4 ГГц, ударно поглощаемые парами воды. Для связи волны бесполезны, зато хороши кулинарными способностями!

Новичков тревожит вопрос распространения волны через эфир. Обсудим подробнее неразрешенную поныне учеными загадку.

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Взаимосвязь электрического, магнитного полей впервые продемонстрировал в 1821 году Майкл Фарадей. Чуть позднее показали: конденсатор пригоден для создания колебаний. Нельзя сказать, чтобы связь двух событий немедленно осознали. Феликс Савари разряжал лейденскую банку через дроссель, сердечником которому служила стальная игла.

Неизвестно доподлинно, чего добивался астроном, результат оказался любопытным. Иногда игла оказывалась намагниченной в одном направлении, иногда — противоположном. Ток генератора одного знака. Ученый правильно сделал вывод: затухающий колебательный процесс. Толком не зная индуктивных, емкостных реактивных сопротивлений.

Теорию процесс подвели позже. Опыты повторены Джозефом Генри, Вильямом Томпсоном, определившим резонансную частоту: где процесс продолжался максимальный период времени. Явление позволило количественно описать зависимости характеристик цепи от элементов составляющих (индуктивность и емкость). В 1861 году Максвелл вывел знаменитые уравнения, одно следствие особенно важно: «Переменное электрическое поле порождает магнитное и наоборот».

Возникает волна, векторы индукции взаимно перпендикулярны. Пространственно повторяют форму породившего процесса. Волна бороздит эфир. Явление использовал Генрих Герц, развернув обкладки конденсатора в пространстве, плоскости стали излучателями. Попов догадался закладывать информацию в электромагнитную волну (модулировать), что используется сегодня повсеместно. Причем в эфире и внутри полупроводниковой техники.

Где используется переменный ток

Переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Проще сказать, где применяется постоянный, читатели сделают выводы:

Постоянный ток применяется в аккумуляторах. Переменный порождает движение – не может храниться современными устройствами. Потом в приборе электричество преобразуется в нужную форму.
КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине выгодно применять указанные разновидности.
При помощи постоянного тока действуют магниты. К примеру, домофонов.
Постоянное напряжение применяется электроникой. Потребляемый ток варьируется в некоторых пределах. В промышленности носит название постоянного.
Постоянное напряжение применяется кинескопами для создания потенциала, увеличения эмиссии катода. Случаи назовем аналогами блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие значительно.

В остальных случаях переменный ток выказывает весомое преимущество. Трансформаторы — неотъемлемая составляющая техники. Даже в сварке далеко не всегда господствует постоянный ток, но в любом современном оборудовании этого типа имеется инвертор. Так гораздо проще и удобнее получить достойные технические характеристики.

Хотя исторически первыми получены были статические заряды. Вспомним шерсть и янтарь, с которыми работал Фалес Милетский.

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.

В данной расскажем что такое переменный электрический ток и трехфазный переменный переменный ток.

Понятие переменного электрического тока даётся в учебнике физики общеобразовательного учебного заведения — школы. — ток имеющий форму гармонического синусоидального сигнала, основными характеристиками которого являются действующее напряжение и частота, с течением времени изменяется по направлению и величине.

Частота – это количество полных изменений полярности переменного электрического тока за одну секунду. Это означает, что ток, в обычной бытовой розетке частотой 50 Герц за одну секунду меняет своё направление с положительного значения на отрицательное и обратно ровно пятьдесят раз. Одно полное изменение направления (полярности) электрического тока с положительного значения на отрицательное и снова на положительное называют — периодом колебания электрического тока . В течение периода Т переменный электрический ток меняет своё направление дважды.

Для визуального наблюдения синусоидальной формы переменного тока обычно используют . Для исключения поражения электрическим током и защиты осциллографа от сетевого напряжения по входу, используют разделительные трансформаторы. Для измерения периода нет разницы, по каким равнозначным (равноамплитудным) точкам его измерять. Можно по максимальным положительным, или отрицательным вершинам, а можно и по нулевому значению. Это поясняется на рисунке.

Из учебника физики мы знаем, что переменный электрический ток вырабатывается с помощью электрической машины – генератора. Простейшая модель генератора это магнитная рамка, вращающаяся в магнитном поле постоянного магнита.

Представим себе прямоугольную проволочную рамку с несколькими витками, равномерно вращающуюся в однородном магнитном поле. Возникающая в этой рамке э.д.с. индукции меняется по синусоидальному закону. Период колебания Т переменного электрического тока – это один полный оборот магнитной рамки вокруг своей оси.

магнитная рамка

Одними из важных характеристик электрического тока являются две величины переменного электрического тока – максимальное значение и среднее значение.

Максимальное значение напряжения электрического тока Umax — это величина напряжения, соответствующая максимальному значению синусоиды.

Среднее значение напряжения электрического тока Uср — это величина напряжения, равная значению 0,636 от максимального. Математически это выглядит так:

U ср = 2 * U max / π = 0,636 U max

Синусоиду максимального напряжения можно проконтролировать на экране осциллографа. Понять, что такое среднее значение переменного электрического напряжения можно проведя эксперимент по рисунку и описанию ниже.

Используя осциллограф, подключите к его входу синусоидальное напряжение. Ручкой вертикального смещения развёртки переместите «ноль» развёртки на самую нижнюю линию шкалы экрана осциллографа. Растяните и сместите горизонтальную развёртку так, чтобы одна полуволна синусоидального напряжения поместилась в десять (пять) клеток экрана осциллографа. Ручкой вертикальной развёртки (усилением) растяните развёртку так, чтобы максимальная амплитуда полуволны поместилась ровно в десять (пять) клеток экрана осциллографа. Определите амплитуду синусоиды на десяти участках. Суммируйте все десять значений и поделите на десять – найдите его «средний балл». В результате Вы получите значение напряжения, приблизительно равное 6,36 от его максимального значения — 10.

Измерительные приборы – вольтметры, цешки, мультиметры для измерения переменного напряжения имеют в своей схеме выпрямитель и сглаживающий конденсатор. Эта цепочка «округляет» множитель разницы максимального и измеряемого напряжения до числа 0,7. Поэтому, если Вы будете наблюдать на экране осциллографа синусоиду напряжения амплитудой 10 вольт, то вольтметр (цешка, мультиметр) покажет не 10, а около 7 вольт. Вы думаете что в Вашей домашней розетке – 220 вольт? Так и есть, но не совсем так! 220 вольт – это среднее значение напряжения бытовой розетки, усреднённое измерительным прибором — вольтметром. Максимальное же напряжение следует из формулы:

U max = U изм / 0,7 = 220 / 0,7 = 314,3 вольт

Именно поэтому, когда Вас «бъёт» током от электрической розетки 220 вольт, знайте, что это Ваша иллюзия. На самом деле, Вас трясёт напряжение около 315 вольт.

Трехфазный ток

Наряду с простым синусоидальным переменным током в технике широко используется так называемый трехфазный переменный ток . Мало того, трёхфазный электрический ток — это основной вид энергии используемый во всём мире. Трёхфазный ток приобрёл популярность по причине менее затратной передачи энергии на большие расстояния. Если для обычного (однофазного) электрического тока требуется два провода, то для трёхфазного тока, у которого энергия в три раза больше, требуется всего три провода. Физический смысл Вы узнаете в этой статье позже.

Представьте, если вокруг общей оси вращается не одна, а три одинаковые рамки, плоскости которых повернуты друг относительно друга на 120 градусов. Тогда возникающие в них синусоидальные э. д.с. также будут сдвинуты по фазе на 120 градусов (см. на рис).

Такие три согласованных переменных тока называют трехфазным током. Упрощённое расположение проволочных обмоток в генераторе трёхфазного тока иллюстрируется на рисунке.

Подключение обмоток генератора по трём независимым линиям показано на рисунке ниже.

Такое подключение шестью проводами довольно громоздко. Так как для явлений в электрических цепях важны только разности потенциалов, то один проводник может использоваться сразу для двух фаз, без снижения нагрузочной способности по каждой из фаз. Другими словами, в случае подключения обмоток генератора по схеме «звезда» с использованием «нуля», передача энергии от трёх источников производится по четырём проводам (см. рис.), в которых один является общим – нулевым проводом.

По трём проводам может передаваться энергия сразу от трёх (фактически независимых) источников электрического тока соединённых «треугольником».

В промышленных генераторах и преобразующих трансформаторах «треугольником» обычно подключается межфазное напряжение 220 вольт. При этом «нулевой» провод отсутствует.

«Звезда» применяется для передачи напряжения сети с использованием «нуля». При этом на фазе относительно «нуля» действует напряжение 220 вольт. Межфазное напряжение при этом равно 380 вольт.

Частым явлением во времена «нагло ворующей демократии» было сгорание бытовой аппаратуры в квартирах добропорядочных граждан, когда из-за слабой проводки сгорал общий «ноль», тогда в зависимости от того, какое количество бытовых приборов включено в квартирах, горели телевизоры и холодильники у того, кто их меньше всего включал. Вызвано это явлением «перекоса фаз», которое возникало при обрыве нуля. В розетку добропорядочных граждан вместо 220 вольт устремлялось межфазное напряжение 380 вольт. До настоящего времени во многих коммуналках и сооружениях напоминающих жильё наших российских городов и весей это явление до конца не искоренилось.

Разница между переменным и постоянным напряжением. Чем отличается постоянный ток от переменного

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.

Люди давно привыкли к благам электричества и многим все равно, какой ток в розетке. На планете 98% вырабатываемой электроэнергии – это переменный ток. Его намного легче производить и передавать на значительные расстояния, чем постоянный. При этом напряжение может многократно изменяться по величине в сторону понижения и повышения. Сила тока существенно влияет на потери в проводах.

Передача электроэнергии на расстояние

Параметры домашней сети всегда известны: переменный ток, напряжение 220 вольт и частота 50 герц. Они подходят преимущественно для электродвигателей, холодильников и пылесосов, а также ламп накаливания и многих других приборов. Многие потребители работают при постоянном напряжении в 6-12 вольт. Особенно это относится к электронике. Но питание приборов должно приводиться к одному типу. Поэтому для всех потребителей ток в розетке должен быть переменным, с одним напряжением и частотой.

Различие между токами

Переменный ток периодически изменяется по величине и направлению. С генераторов электростанции выходит переменный ток с напряжением 220-400 тыс. вольт. До многоэтажного дома оно снижается до 12 тыс. вольт, а затем на трансформаторной подстанции преобразуется до 380 вольт.

Ввод в частный дом может быть трехфазным или однофазным. Три фазы заходят в многоэтажный дом, а затем в каждую квартиру с межэтажного щитка, через снимается 220 вольт между нейтральным проводом и фазой.

Схема подключений в квартире от однофазной сети переменного тока

В квартире напряжение подается на счетчик, а с него поступает через отдельные автоматы на соединительные коробки каждого помещения. С коробок делается разводка по комнате на две цепи осветительных приборов и розеток. В схеме рисунка на каждое помещение приходится по одному автомату. Возможен другой способ подключений, когда на осветительную и розеточную цепи устанавливается по одному защитному устройству. В зависимости от того, на сколько ампер рассчитана розетка, она может быть в группе или к ней подключается отдельный автомат. Постоянный ток отличается тем, что его направление и свойства не изменяются со временем. Он применяется во всей электронике дома, светодиодной подсветке и в бытовых приборах. При этом многие не знают, какой ток в розетке. Он приходит из сети переменным, а затем преобразуется в постоянный внутри электроприборов, если в этом есть необходимость.

Если сделать схему снабжения квартиры постоянным током, обратное его преобразование в переменный обойдется значительно дороже.

Преобразователь постоянного тока

Параметры розеток

Определяющими характеристиками для розеток являются уровень защиты и контактная группа. Для хозяина квартиры при выборе розетки необходимо учитывать:

место установки: внешняя, скрытая, в помещении или снаружи;
форма и соответствие друг другу вилки и розетки, безопасность использования;
характеристики сети, особенно, сколько ампер через нее может проходить.

Требования к соединениям

Для подключения электроприбора к сети розетка с вилкой являются соответственно источником и приемником энергии, образуя штепсельное соединение. К нему предъявляются следующие требования.

Надежный контакт. Слабое соединение приводит к разогреву и выходу его из строя. Важно также обеспечить надежную фиксацию от самопроизвольного отключения. Здесь удобно применять пружинящие контакты в розетке.
Изоляция токонесущих частей друг от друга.
Защита от прикосновения руками или разными предметами к деталям, находящимся под напряжением. Для защиты от детей в розетках предусматриваются специальные шторки, открывающиеся только тогда, когда вставляется вилка.
Обеспечение полярности при подключении. Это важно, если через соединение течет постоянный ток или устройство применяется в сочетании с однополюсным выключателем. Конструкция розетки не допускает неправильного подключения.
Наличие заземления для приборов 1 класса защиты. В розетках важно правильно подключить заземление.

В зависимости от условий эксплуатации розетки выполняют с разными уровнями защиты, которые обозначаются кодом IP и следующими за ним двумя числами. Первое (0-6) означает, насколько устройство не допускает попадание внутрь предметов, пыли и т.п. Следующее (0-8) предусматривает защиту от воды. Если розетка обозначена кодом IP68, значит, она имеет самую высокую защиту от внешних воздействий.

По типам изделия обозначаются латинскими буквами. Отечественные выпускаются без заземления (С) и с заземлением (F).

Разновидности розеток

Приборы группы AC (~) предназначены для переменного тока. Постоянный ток обозначается DC (-).

Главным показателем является сила тока, которая допускается для той или иной розетки. Если на ней есть обозначение 6 А, то суммарная подключаемая нагрузка не должна превышать указанного количества ампер. При этом не имеет особого значения, переменный ток через нее проходит или постоянный.

Сколько нагрузки выдержит соединение, оценивают по общей мощности всех подключенных приборов. Для таких потребителей, как микроволновая печь, посудомоечная или стиральная машина используются отдельные розетки не менее чем на 16 ампер с обозначением типа тока. Особое место занимает электроплита, для которой сила номинального тока составляет 25 ампер или больше. Ее следует подключать через отдельное УЗО. За основу берется номинальный ток – количество ампер, которое способна пропустить розетка в течение длительного времени.

Ампер – это единица измерения, по которой измеряется сила тока. Если указана только паспортная мощность, допустимый ток составит I = P/U, где U = 220 вольт. Тогда при мощности 2200 ватт сила тока будет равна 10 ампер.

Обратите внимание на подключение к розеткам электроприборов через удлинители. Здесь легко можно ошибиться с определением, сколько потребуется суммарной мощности нагрузки. Кроме того, удлинитель также должен соответствовать предъявляемым требованиям, поскольку у него имеются свои розетки с маркировкой.

Для переменного тока полярность в штепсельных соединениях особенно не нужна. Фазу обычно находят, если надо подключать к светильникам автомат или однополюсный выключатель. При их отключении прикосновение к нулевому проводу будет не таким опасным.

Розетки расширенной функциональности

Сейчас выпускают новые типы розеток с новыми функциями:

Встроенные таймеры отключения.
Переключение типа тока.
С индикацией величины нагрузки (цвет меняется от зеленого до красного).
Со встроенным УЗО.
С автоматической блокировкой.

Проверка подключения

Напряжение проверяется в розетке подключением вольтметра или тестера. При его наличии прибор укажет, сколько в ней вольт.

Тестер напряжения в розетке

Сила тока может определяться амперметром, подключенным последовательно с работающей нагрузкой.

Электрики проверяют наличие напряжения индикатором. Однополюсный – выполняется в виде отвертки с лампочкой. С его помощью можно найти фазу, но подключение нулевого провода он не покажет. Это можно сделать двухполюсным индикатором, подключив его между фазой и нулем. Легко можно проверить напряжение в розетке контрольной лампой, которому она должна соответствовать.

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.

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.

Как образуется переменный ток

История открытия переменного тока

Сегодня показано: передача постоянного тока экономически выгоднее. Тесла изменил ход истории. Придумай ученый преобразователи постоянного тока, мир выглядел бы иначе.

Школьный вариант трактовки переменного и постоянного тока

Вильям Споттисвуд лишен странички русскоязычной Википедии, национальная часть — замалчивает работы с переменным током. Подобно Георгу Ому, ученый — талантливый математик, остается сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался муж науки.
Джеймс Эдвард Генри Гордон намного ближе практической части вопроса применения электричества. Много экспериментировал с генераторами, разработал прибор собственной конструкции мощностью 350 кВт. Много внимания уделял освещению, снабжению энергией заводов, фабрик.

Никола Тесла изучал электрические машины

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в прямом смысле: при помощи двигателя раскручивался ротор. Подобный принцип бессилен выдать токи высокой частоты. Сегодня проблематично, невзирая на нынешний уровень развития технологии.
В простейшем случае применялись ручные размыкатели. Вовсе нечего говорить о высоких частотах.

Однако вопросы безопасности лишены почетного первого места. Частоту 60 Гц (общепринятая США) предложил Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Сильно отличается от безопасного диапазона. Проще сконструировать генератор. Переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.

Через эфир

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Где используется переменный ток

Постоянный ток применяется в аккумуляторах. Переменный порождает движение – не может храниться современными устройствами. Потом в приборе электричество преобразуется в нужную форму.
КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине выгодно применять указанные разновидности.
При помощи постоянного тока действуют магниты. К примеру, домофонов.
Постоянное напряжение применяется электроникой. Потребляемый ток варьируется в некоторых пределах. В промышленности носит название постоянного.
Постоянное напряжение применяется кинескопами для создания потенциала, увеличения эмиссии катода. Случаи назовем аналогами блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие значительно.

Чем отличается переменный ток от постоянного, использование диодного моста, виды тока.

Из самого названия можно понять, что в одном типе электрического тока имеется какое-то постоянство, а в другом типе – преобладает изменчивость. Но, чтобы лучше понять саму природу этих разновидностей электрической энергии давайте заглянем внутрь электрофизических процессов. Итак, а что собой вообще представляет электрический ток? В книгах дается следующее определение – это упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Дело в том, что если заглянуть внутрь любого вещества, то окажется что оно состоит из очень маленьких частиц, называемые атомами. Модель атома похожа на нашу солнечную систему. В центре находится ядро (состоящее из протонов и нейтронов), а вокруг ядра с огромной скоростью вращаются электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электрон – отрицательный.

У некоторых веществ электроны могут отрываться от ядра и переходить на соседний атом. Такие электроны (что оторвались) принято называть свободными. Именно благодаря им может создаваться электрический ток. То есть, если возникнет такая сила, которая может заставить все эти свободные электроны одновременно начать двигаться в одном направлении, то мы и получим ток электронов в веществе. Такие вещества, как можно было догадаться, являются проводниками электричества. Вещества, где нет свободных электронов, называются диэлектриками, они не способны проводить через себя ток. Сила, которая упорядочивает электроны и создает из движение – это внешнее электромагнитное поле, создаваемое извне (постоянные магниты и электромагниты).

Если движение электрически заряженных частиц имеет только одно направление, и при этом величина электрического напряжения также постоянна, то это и есть постоянный ток.

Если движение зарядов периодически меняет свое направление (движется то в одну сторону по проводнику, то в обратную), то это уже переменный ток. Поскольку происходит переполюсовка движения электрических зарядов, то и величина напряжения также изменяется.

Обычный переменный ток имеет синусоидальную форму и стандартную частоту 50 Гц. Это значит, что поток электронов за одну секунду меняет свое направление аж 50 раз. При этом напряжение имеет форму окружности, которая вначале плавно увеличивается, а дойдя до своего пика так же плавно уменьшается до нуля, потом меняет полярность и повторяет форму своего движения.

Где применяются постоянный ток, а где переменный? Дело в том, что эти два широко используемые типы токов имеют свои достоинства и недостатки. Постоянный ток повсеместно применяется для электрического питания различной низковольтной электронной аппаратуры. Именно электронные схемы нуждаются в постоянном токе. Причем для многих схем очень важна стабильность этого постоянства. То есть, хоть он и называется постоянным, но на деле трудно добиться идеально постоянной величины как напряжения, так и тока. Имеются различные скачки, плавания величин из-за изменения степени нагрузки, различных переходных процессов, перепадов температуры и т.д. В итоге делаются даже специальные схемы, которые стремятся выравнивать и стабилизировать все эти непостоянства тока.

Большим недостатком постоянного тока является то, что он при передачи на дальние расстояния имеет очень большие потери. Его сложно транспортировать от электростанций к конечным потребителям в таком же количестве, в каком он вырабатывается. А если еще точнее, то как известно, потери при передачи электроэнергии на большие расстояния можно значительно снизить с увеличением величины напряжения. То есть, если сделать большое напряжение и малый ток в линии электропередач, то КПД транспортировки будет относительно большим. Но ведь практически вся электроника использует низкое напряжение! А преобразование величины постоянного тока и напряжения имеет большие сложности и проблемы.

Такие проблемы (преобразования) в большей степени отсутствуют при использовании переменного тока. Дело в том, что когда происходит постоянное изменение величины тока и напряжения, то при использовании так называемых трансформаторов можно легко из большого напряжение и малого тока сделать наоборот, большой ток с меньшим напряжением. Причем эти трансформаторы имеют очень простую конструкцию. Они имеют сердечник (железный или ферритовый), на который намотан изолированный провод. На одну обмотку подается одна величина тока и напряжения, а с другой обмотки уже можно получить любую другую величину тока и напряжения.

Чтобы из переменного тока сделать постоянный используют очень простое устройство, называемое диодным мостом, выпрямителем. Он состоит из нескольких диодов, которые делают из двух полярностей одну. Но даже после диодного моста ток нельзя назвать постоянным, он скорей скачкообразный. И тут на помощь приходит такой компонент как электролитический конденсатор, фильтрующий эти скачки напряжения, делаю более ровную форму тока.

Ну, а для придания более идеальной постоянной формы тока уже используют различные стабилизаторы. В итоге мы высокое переменное напряжение понизили, после чего ему придали постоянную составляющую по форме и величине. Чтобы сделать из постоянного тока переменный, используют так называемые преобразователи тока и напряжения.

В сфере электроники также широко используется еще один тип электрического тока – называемый импульсным, который может иметь различную форму, чаще всего это прямоугольник. Думаю многим должны быть известны импульсные блоки питания, в которых и используются эти импульсные токи. Но в сфере питания электротехники основными типами тока являются именно постоянный и переменный (синусоидальной формы). Хотя переменный может быть еще однофазным и трехфазным, что также используется для питания определенных видов устройств.

Видео по этой теме:

P.S. По большому счету электрический ток один, и представляет собой упорядоченное движение электрически заряженных частиц. В большинстве случаев это движение электронов (отрицательных зарядов) внутри твердых проводников, и реже это движение ионов (положительных зарядов) в жидких и газообразных проводниках. А уже форма и направление движения этих электрических зарядов и образовывает различные типы электрического тока (постоянный, переменный, импульсный).

как HVDC спасли переменный ток / Хабр

В мире, казалось бы, победившего переменного тока назревает — нет, не революция, но органичная эволюция: постоянный ток не просто возвращается, а претендует на лавры победителя. Инвестиции в возобновляемые источники энергии и трансграничная передача электричества сделали высоковольтные сети постоянного тока как никогда актуальными. В этом посте мы рассказываем, почему постоянный ток уступил току переменному и как спустя век после «Войны токов» постоянный ток взял реванш.

Источник: Shutterstock

Постоянный ток — это основа современного технологического общества: вся полупроводниковая электроника, работающая от сети или аккумуляторов, использует постоянный ток, с его помощью добывают чистый алюминий, магний, медь и другие вещества. В бортовой сети автомобиля тоже постоянный ток, как и в электрической передаче дизельных судов. Ну и конечно электропоезда: трамваи, метро и некоторые электровозы питаются постоянным током. И космос: все рукотворные космические объекты функционируют исключительно благодаря постоянному току от батарей или РИТЭГов.

Помимо всего этого, есть еще одна область, где постоянный ток если не незаменим, то по крайней мере значительно эффективнее переменнее тока, — высоковольтные линии для передачи высокой мощности. Линии постоянного тока (HVDC, High-voltage direct current) еще век назад стали спасением высоковольтных линий переменного тока (HVAC, High-voltage alternating current). Если бы не постоянный ток, электричество в наших розетках было бы куда дороже и исчезало чаще, чем это происходит сейчас. Давайте разберемся в этой интересной истории «взаимовыручки».

Ирония судьбы постоянного тока

Чтобы оценить всю иронию ситуации с возвращением постоянного тока в высоковольтные линии электропередач, нужно вспомнить о событиях «Войны токов» — сражения апологетов постоянного тока в лице изобретателя и бизнесмена Томаса Эдисона и тока переменного, преимущества которого осознавал предприниматель Джордж Вестингауз. Вкратце напомним о том, как постоянный ток проиграл битву за то, чтобы стать основой мирового энергоснабжения.

После того, как человечество подчинило себе электричество и научилось извлекать из него пользу в промышленности, дальновидные бизнесмены смекнули, что на электрификации городов в перспективе можно сколотить не просто капитал, а фантастическое состояние. Изобретатель Томас Эдисон отлично умел монетизировать свой талант инноватора и зарабатывал не столько на собственных изобретениях, сколько на усовершенствовании чужих идей. Одним из примеров такой успешной «доводки» стало создание лампы накаливания, которая появилась благодаря попавшем в руки Эдисона дуговым лампам с угольными электродами. Такие лампы хоть и давали свет, но в качестве постоянных источников освещения не годились — в те времена угольные дуговые лампы работали от силы несколько часов, а включить их можно было только один раз.

Первая серийная лампа Эдисона — еще с угольной нитью и временем работы в несколько десятков часов. Источник: Terren / Wikimedia Commons

Усовершенствовав конструкцию и создав свою знаменитую лампу накаливания, которая могла работать 40 часов, а после доработки 1200 часов, Эдисон осознал, что его лампочка может стать основой систем освещения городов и помещений — давая более яркий свет по сравнению со свечами и газовыми фонарями, лампы накаливания имели меньшую стоимость, не чадили, не жгли кислород в помещениях, а замены требовали реже, чем те же свечи. Производством ламп занялось предприятие Edison Electric Light, а генераторов постоянного тока — Edison General Electric. Продавая лампы ниже себестоимости, Эдисон завоевал рынок освещения, а для первых потребителей начал строить энергосети в Лондоне и Нью-Йорке.

Лампа накаливания может работать и с переменным, и с постоянным током, но Эдисон сделал выбор в пользу постоянного тока. Причина этого решения очень тривиальна и далека от физики. Как мы говорили, Эдисон был не только изобретателем, но и очень предприимчивым бизнесменом. В электричестве он видел не только способ дешевого освещения городов, но и возможность для модернизации промышленности за счет внедрения электрической тяги. Существовавшие в то время электромоторы работали только на постоянном токе.

К тому же для заработка на поставках электричества надо было как-то измерять потребление каждого абонента. Эдисон создал индивидуальный счетчик, представлявший собой резервуар с электролитом и пластиной, на которой под действием проходящего тока оседала медь — каждый месяц пластину взвешивали и по разнице массы вычисляли потребление электроэнергии. Такой счетчик работал только с постоянным током.

Счетчик постоянного тока конструкции Томаса Эдисона. «Передача показаний» заключалась в передаче банки с пластинами представителям энергетической компании. Источник: Thomas A. Edison Papers / edison.rutgers.edu

Но были у постоянного тока и нерешенные проблемы, главная из которых — невозможность передачи высокой мощности на большие (более 2 км) расстояния. Чтобы передать высокую мощность, которая необходима для электроснабжения предприятия или системы освещения города, в электросети нужно повысить либо ток, либо напряжение (мощность, напомним, равна произведению напряжения и силы тока). Но в конце XIX века не было способов менять напряжение постоянного тока. Выпускаемые в США электроприборы работали от напряжения 110 В, поэтому электростанции Эдисона, работавшие на паровых генераторах, должны были посылать в сеть именно 110 В.

Оставалось управлять силой тока. При повышении тока часть энергии уходит на нагрев проводов (с высоким напряжением такой проблемы нет). Для снижения потерь и нагрева нужно уменьшать сопротивление, увеличивая диаметр проводника или применяя материалы с хорошей электропроводностью, например, медь. И всё равно потери будут расти в зависимости от длины кабеля.

Чтобы сократить длину проводника до допустимой, потребители должны были располагаться не далее, чем в 1,5-2 км от электростанции, иначе мощность в сети падала до неприемлемых значений. Например, на 56-километровой линии между французскими городами Крей и Париж потери достигали 45%. Как Эдисон ни бился с проблемой потерь в сетях постоянного тока, решить ему ее так и не удалось. Единственным выходом было только строительство маломощных электростанций рядом с потребителями. Тогда это не казалось надругательством над экологией и жителями — именно такие станции и строила компания Эдисона. Первая из них была построена на Пёрл-стрит на Манхэттене в Нью-Йорке в 1882 году, в том же году началась прокладка подземных кабелей сети постоянного тока с напряжением 110 В.

Эдисон прокладывал под землей линии электропередач уличного освещения еще до того, как это стало модным в Москве. На иллюстрации укладка линии постоянного тока в Нью-Йорке в 1882 году. Источник: W. P. Snyder / Wikimedia Commons

Ошибочность своего выбора Томас Эдисон осознал, хотя и не признал публично, когда его конкурент по электрическому бизнесу — Джордж Вестингауз, — начал вкладываться в строительство электростанций и сетей переменного тока, имевших серьезные преимущества перед сетями тока постоянного. Благодаря уже изобретенным к тому моменту трансформаторам напряжение переменного тока можно было без труда повышать и понижать. Трансформаторы решали проблему передачи высокой мощности, ведь вместо силы тока можно было просто увеличить напряжение, для передачи которого не требовались толстые провода из дорогой меди.

Таким образом сети Вестингауза могли передавать очень высокую мощность по дешевым кабелям меньшего диаметра и при этом практически без потерь. Это доказывает пример 175-километровой сети переменного тока между немецким городом Лауффен-ам-Неккар и Франкфуртом — ее КПД составил 80,9% после запуска в 1891 году и 96% после модернизации — несравнимо выше 45% на втрое меньшей дистанции у сети постоянного тока.

Трехфазный генератор переменного тока в Лауффен-ам-Неккар, Германия. Источник: Historisches Museum, Frankfurt

У сетей переменного тока не было жесткого ограничения на длину. Благодаря этому стало возможным строительство гидроэлектростанций, электричество с которых могло передаваться в крупные города, расположенные за десятки и даже сотни километров от места выработки. А гидроэлектростанция — это куда более значимый и прибыльный проект, чем маломощная угольная станция внутри города.

«Война токов» продолжилась некрасивой пиар-кампанией Эдисона против переменного тока (показана, в частности в художественном фильме 2017 года «Война токов», или The Current War, режиссёра А. Гомес-Рехона), судебной и законотворческой волокитой против Вестингауза и постепенной потерей позиций бизнеса Эдисона под давлением всё более популярных сетей переменного тока. Последняя эдисоновская электростанция постоянного тока прекратила свою работу в 1981 году, что же до потребителей, в Сан-Франциско до сих пор сотни объектов (в основном старинные лифты) используют постоянный ток через выпрямители переменного тока. Но для нас это уже не так важно.

Постоянный ток спасает переменный

Всего через несколько лет после начала масштабного строительства электростанций и сетей переменного тока выяснилось, что переменный ток имеет проблемы при передаче энергии… на большие расстояния! Коронный разряд в высоковольтных воздушных линиях, на который может приходиться до половины потерь, поверхностный эффект, при котором переменный ток протекает по проводнику неравномерно и из-за этого требует проводники бо́льшего диаметра, реактивная мощность из-за высокого емкостного сопротивление подводных кабелей, «съедавшая» почти 100% переменного тока уже через 50 км — всё это вызывало потери процентов и десятков процентов мощности в первых магистральных сетях переменного тока.

Утечки на больших расстояниях — это во-первых. А во-вторых, объединение энергосетей переменного тока требовало идеальной синхронизации генераторов, расположенных в разных частях страны. При отсутствии синхронизации генератор в лучшем случае не будет подавать ток в сеть, в худшем — произойдет короткое замыкание.

Спасением высоковольтных сетей переменного тока стали высоковольтные сети постоянного тока, избавленные от некоторых недостатков конкурента. Постоянный ток не создает поверхностный эффект в проводнике и потому использует всю площадь сечения проводника с максимальной эффективностью (это уменьшает диаметр и стоимость проводов). В цепях постоянного тока нет реактивной мощности, поэтому в подводных кабелях с высокой емкостью потерь не происходит.

В высоковольтных сетях переменного тока толщина скин-слоя (отмечен буквой δ) определяется точкой падения плотности тока на 63%.В сетях с частотой 50 Гц скин-слой достигает 9,34 мм — часть объема дорогостоящего проводника просто не работает. Источник: biezl / Wikimedia Commons

Вырисовывалась замечательная синергия: электростанции и потребители используют переменный ток, но для его транспортировки на сотни километров применяются сети постоянного тока. Оставалась лишь одна «пустяковая» проблема — как превратить переменный ток в постоянный и обратно?

В конце XIX века швейцарский инженер Рене Тюри предложил использовать для соединения сетей с разным типом тока систему «мотор-генератор», в которой на одном конце сети переменный ток вращал мотор, приводящий в действие генератор постоянного тока, а на другом конце постоянный ток в свою очередь вращал мотор с генератором переменного тока. Идея, гениальная в своей простоте, но с невысоким КПД — двойное преобразование за счет моторов и генераторов «съедало» часть мощности. Тем не менее, других решений, кроме системы Тюри, не было, поэтому с 1883 года началось строительство магистральных сетей постоянного тока с машинами Тюри, связывающих крупные электростанции и города в Европе.

Одна из машин Тюри. Самая крупная из них, весом 4500 кг, генерировала 66 кВт. Источник: Wikimedia Commons

В 1902 году американец Питер Купер-Хьюитт изобрел ртутно-дуговой выпрямитель — несложное устройство для превращения переменного тока в постоянный. Оригинальный выпрямитель Купера-Хьюитта представлял собой замысловатую стеклянную колбу с выходящими из нее электродами, дно которой было заполнено ртутью. В работе выпрямитель выглядит очень эффектно. Впрочем, из-за хрупкости колбы стекло в выпрямителе вскоре заменили на металл.

Работа ртутно-дуговых выпрямителей завораживает. Увы, но сейчас полюбоваться такой красотой можно разве что в музеях — ртутные выпрямители давно не используются, да и те, что остались, сделаны из металла.

Ртутные выпрямители дали толчок к развитию высоковольтных сетей постоянного тока — вместо громоздких и ненадежных машин системы Тюри достаточно было установить выпрямители, в числе недостатков которых была только потенциальная токсичность при разгерметизации и необходимость в хорошем охлаждении из-за тепловых потерь. КПД устройства достигал 98-99%.

На смену ртутным выпрямителям были созданы газотроны и тиратроны (1940-е), полевые транзисторы с изолированным затвором MOSFET и полярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (1959 год), запираемые тиристоры GTO (1962 год) — более совершенные, компактные и надежные преобразователи.

Современный тиристорный конвертер AC/DC. Источник Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Когда каждый процент на счету

Несмотря на заметный прогресс в области выпрямления тока, оборудование для преобразования переменного тока в постоянный и обратно до сих пор стоит очень больших денег. Настолько больших, что строительство сетей переменного тока, даже с учетом повышенного расхода материала для проводов, выходит сильно дешевле. Вне зависимости от длины линии, стартовая цена высоковольтной магистрали постоянного тока обязательно включает стоимость двух преобразователей в начале и конце линии — габаритных и очень дорогих устройств, производимых всего несколькими компаниями в мире, в числе которых и Toshiba. На это оборудование приходится до половины стоимости сети.

Но по мере увеличения длины магистрали стоимость линии на переменном токе растет быстрее, чем на токе постоянном. Виной тому сложность магистрали HVAC — для передачи аналогичной мощности HVDC нужно вдвое меньше проводников меньшего диаметра, а значит, вдвое меньше опор, которые и сами стоят немало, и требуют крайне дорогостоящего монтажа. При длине линии около 600 км стоимость HVDC и HVAC равна, но на больших расстояниях, порядка 2000 км, HVDC выходит сильно дешевле, чем HVAC, примерно на 30-40%, а это сотни миллионов долларов экономии.

Стоимости HVDC и HVAC пересекаются на линии, длинной около 600 км. Далее HVDC становится заметно выгодней. Источник: wdwd / Wikimedia Commons

На каждые 1000 км линии потери в HVDC составляют 2-3%, а самое современное оборудование позволяет снизить этот параметр до 1%. Потери в HVAC могут достигать 6%. Даже в самых эффективных сетях переменного тока с самым лучшим оборудованием потери будут на 30-40% больше, чем в HVDC Несколько процентов от полной мощности — вроде бы терпимая ерунда? Когда речь идет о сетях, передающих несколько гигаватт, каждый процент превращается в десятки потраченных впустую мегаватт, которые можно было бы использовать для электроснабжения маленького города. Не говоря уже о потерянной прибыли.

Прошлое, настоящее и будущее HVDC

HVDC-ветка в между Данией и Швецией передает 350 МВт всего по двум проводникам. Всего два провода — это отличительная особенность воздушных линий постоянного тока, в линиях переменного тока проводников больше в два-три раза. Встречаются и монополярные HVDC с всего одним проводником (второй вывод из выпрямителя соединяют с землей), но их использование несет проблемы для подземных металлоконструкций, поэтому чаще применяется биполярная схема с двумя проводниками. Источник: Shuttertock

HVDC является оптимальным решением для связи сетей стран, разделенных морем. Так ветка между итальянским городом Чепагатти и муниципалитетом Котор в Черногории, которая экспортирует электроэнергию в Италию, пролегает по дну Адриатического моря — используй эта 400-километровая ветка переменный ток, емкостные потери в кабеле были бы слишком большими, и это бы удорожало стоимость электроэнергии для Италии. Кстати, в строительстве этой линии участвовала Toshiba: мы поставили преобразователи напряжения.

Но всё же больше всего Toshiba поучаствовала в строительстве HVDC-сетей в Японии, где исторически сложилась очень необычная ситуация: западная часть страны эксплуатирует ток с частотой 60 Гц, а восточная — 50 Гц. Эта коллизия, которую уже невозможно устранить, возникла еще в конце XIX века, когда Япония одновременно закупила генераторы в Европе и США с выходной частотой тока 50 Гц и 60 Гц соответственно. Результатом поспешного решения далекого прошлого стала вынужденная необходимость строить HVDC-ветки для соединения энергосистем разных частей страны.

HVDC-сети и вставки постоянного тока в Японии помогала строить Toshiba. Первой стала вставка для соединения внутри страны сетей на 50 Гц и 60 Гц, построенная в 1977 году при участии Toshiba. Ее мощность на момент постройки составила 600 МВт. К 2021 году Toshiba провела глубокую модернизацию вставки, увеличив ее мощность на 900 МВт и уменьшив число используемых тиристоров, что позволило немного сэкономить на оборудовании.

Элегазовые выключатели и трансформатор на линии 550 кВ, соединяющей восточную и западную энергосети Японии. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Первая высоковольтная линия постоянного тока, длиною 193 км, связала острова Хоккайдо и Хонсю в 1979 году. Сеть передает 300 МВт с напряжением 250 кВ. В 2000 году мы поставили тиристорные конверторы для мощнейшей подводной HVDC-линии между островами Сикоку и Хонсю — ветка передает 1400 МВт. На момент строительства линии в ней использовались самые крупные в мире тиристоры, которые в следующий раз применялись только 10 лет спустя при постройке китайской HVDC Lingbao 2.

Третья японская HVDC, построенная между островами Хоккайдо и Хонсю, была запущена совсем недавно — в 2019 году. Toshiba выступила главным поставщиком преобразователей на полярных транзисторах с изолированными затворами (IGBT).

На сегодняшний день в мире построено более 150 сетей HVDC и 50 вставок постоянного тока. Среди них есть как объекты, построенные в 1970-х годах прошлого века, так и совсем новые. Около 10 HVDC в Европе находятся в стадии строительства прямо сейчас с планируемым сроком запуска 2021-2025 годы. Строящиеся линии соединяют некоторые европейские страны с Великобританией (для выравнивания нагрузки на европейскую энергосеть), тянуть до которой подводный HVAC бессмысленно.

Однако интерес к HVDC-сетям в последние годы растет, и причина тому — «зеленая» энергетика. В отличие от угольных, газовых и атомных электростанций, возобновляемые источники энергии имеют очень четкую географию: в одних областях больше солнечных дней, в других чаще и стабильней дует ветер.

В Германии около 63 ГВт установленной мощности приходится на ветряные электростанции, 7,8 ГВт из которых — оффшорные станции, расположенные в Северном море в десятках километров от берега. Если нужно передать гигаватты мощности от «ветряков» по кабелям, лежащим под водой, лучшим выбором будет, как вы помните, сеть постоянного тока.

Вот так аккуратно выглядит конвертор для HVDC будущей оффшорной ветряной электростанции Dogger Bank на севере Великобритании. Агрегат будет полностью автономным, не требующим присутствия технического персонала. Источник: Aibel

В Австралии компания Sun Cable готовится приступить к постройке гигантской фотовольтаической (солнечной) электростанции, мощностью 14 ГВт. Причем электроэнергию с нее будут потреблять не в Австралии, а в Сингапуре, куда она будет поступать по подводной HVDC-сети.

Чем больше в мире будет появляться масштабных проектов, связанных с возобновляемыми источниками энергии, тем сильнее будут востребованы высоковольтные линии постоянного тока. Не стоит фантазировать о том, что однажды мечты Эдисона осуществятся и в наших розетках переменное напряжение сменится постоянным, — этого не будет, пожалуй, никогда. Тем лучше, что переменный и постоянный токи пришли к органичному сосуществованию и взаимовыручке в деле электроснабжения планеты.

20.5 Переменный ток в сравнении с постоянным током – College Physics главы 1-17

Большинство примеров, рассмотренных до сих пор, и особенно те, в которых используются батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он, таким образом, также является постоянным. Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического заряда только в одном направлении. Это устойчивое состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник переменного напряжения. Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление.Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь известна как цепь переменного тока. Примеры включают коммерческую и жилую энергию, которая удовлетворяет многие из наших потребностей. На рис. 1 показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичной мощности постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.

Рисунок 1. (a) Напряжение постоянного тока и ток постоянны во времени, как только ток установится. (b) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока с частотой 60 Гц.Напряжение и ток синусоидальны и находятся в фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковые напряжения источников переменного тока сильно различаются. Рисунок 2. Разность потенциалов В между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для В имеет вид В = В ₀ sin 2πft .

На рис. 2 показана схема простой цепи с источником переменного напряжения.Напряжение между клеммами колеблется, как показано, с напряжением переменного тока, заданным

[латекс]\boldsymbol{V = V_0 \;\textbf{sin} \; 2 \pi ft},[/латекс]

, где [latex]\boldsymbol{V}[/latex] — напряжение в момент времени, [latex]\boldsymbol{t}[/latex], [latex]\boldsymbol{V_0}[/latex] — пиковое напряжение, а [латекс]\boldsymbol{f}[/латекс] — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления [латекс]\boldsymbol{I = V/R}[/латекс], поэтому переменный ток равен

[латекс]\boldsymbol{I = I_0 \;\textbf{sin} \; 2 \pi ft},[/латекс]

, где [latex]\boldsymbol{I}[/latex] — текущий момент времени [latex]\boldsymbol{t}[/latex], а [latex]\boldsymbol{I_0 = V_0/R}[/latex] — пиковый ток.В этом примере говорят, что напряжение и ток совпадают по фазе, как показано на рисунке 1(b).

Ток в резисторе колеблется туда-сюда точно так же, как и управляющее напряжение, поскольку [latex]\boldsymbol{I = V/R}[/latex]. Например, если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, поскольку ток многократно проходит через ноль. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстрое для ваших глаз, но если вы помахаете рукой между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе.2\; 2 \pi ft}[/latex], как показано на рисунке 3.

Установление связей: домашний эксперимент — освещение переменного/постоянного тока

Проведите рукой вперед-назад между лицом и флуоресцентной лампочкой. Наблюдаете ли вы то же самое с фарами на вашем автомобиле? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение: Не смотрите прямо на очень яркий свет .

Рисунок 3. Мощность переменного тока в зависимости от времени. Так как напряжение и ток здесь совпадают по фазе, их произведение неотрицательно и колеблется от нуля до I ₀ В ₀ .Средняя мощность (1/2)I ₀ В ₀ .

Чаще всего нас интересует средняя мощность, а не ее колебания — например, 60-ваттная лампочка в вашей настольной лампе потребляет в среднем 60 Вт. Как показано на рисунке 3, средняя мощность [latex]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}}}[/latex] равна

[латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}} =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{1}{2}}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{I_0 V_0}. [/латекс]

Это видно из графика, так как площади выше и ниже линии [latex]\boldsymbol{(1/2)I_0V_0}[/latex] равны, но это также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств.Точно так же мы определяем средний или среднеквадратический ток [latex]\boldsymbol{I _{\textbf{rms}}}[/latex] и среднее или среднеквадратичное напряжение [latex]\boldsymbol{V _{\textbf{rms}}}[/ латекс] будет, соответственно,

[латекс]\boldsymbol{I_{\textbf{rms}} =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{I_0}{\sqrt{2}}}[/латекс]

[латекс]\boldsymbol{V_{\textbf{rms}} =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{V_0}{\sqrt{2}}} .[/латекс]

, где rms означает среднеквадратичное значение, особый тип среднего значения.В общем, для получения среднеквадратичного корня конкретную величину возводят в квадрат, находят ее среднее (или среднее) и извлекают квадратный корень. Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Сейчас

[латекс] \boldsymbol {P _ {\ textbf {ср.}} = I _ {\ textbf {rms}} V _ {\ textbf {rms}}}, [/ латекс]

что дает

[латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}} =}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{I_0}{2} \cdot \frac{V_0}{2}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{=}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{1}{2}}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{I_0 V_0},[/латекс]

, как указано выше.Стандартной практикой является цитирование [латекс]\boldsymbol{I_{\textbf{rms}}}[/latex], [латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{rms}}}[/латекс] и [латекс] \boldsymbol{P_{\textbf{ave}}}[/latex], а не пиковые значения. Например, в большинстве бытовых электросетей используется переменное напряжение 120 В, а это означает, что [латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{среднеквадратичное значение}}}[/латекс] равно 120 В. ]\boldsymbol{I_{\textbf{rms}}}[/latex] более 10 А. Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет [латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}}=1.0 \;\textbf{kW}}[/latex] и так далее. Вы можете думать об этих среднеквадратичных и средних значениях как об эквивалентных значениях постоянного тока для простой резистивной цепи.

Подводя итог, при работе с переменным током закон Ома и уравнения для мощности полностью аналогичны уравнениям для постоянного тока, но для переменного тока используются среднеквадратические и средние значения. Таким образом, для переменного тока закон Ома записывается как

[латекс]\boldsymbol{I _{\textbf{rms}} =}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{V{\textbf{rms}}}{R}}.[/latex]

Различные выражения для мощности переменного тока [латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}}}[/латекс] равны

[латекс] \boldsymbol {P _ {\ textbf {аве}} = I _ {\ textbf {rms}} V _ {\ textbf {rms}},} [/ латекс]

[латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}} =}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{rms}}^2}{R},}[/latex]

[латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}} = I_{\textbf{rms}}^2 R} .[/латекс]

Пример 1: Пиковое напряжение и мощность для переменного тока

(a) Каково значение пикового напряжения для сети переменного тока 120 В? (b) Какова пиковая мощность, потребляемая лампочкой переменного тока мощностью 60,0 Вт?

Стратегия

Нам говорят, что [latex]\boldsymbol{V_{\textbf{rms}}}[/latex] составляет 120 В, а [latex]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}}}[/latex] составляет 60,0 Вт. Мы можем использовать [latex]\boldsymbol{V_{\textbf{rms}} = \frac{V_0}{\sqrt{2}}}[/latex], чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем манипулировать определением мощности найти пиковую мощность по заданной средней мощности.

Раствор для (а)

Решение уравнения [латекс]\boldsymbol{V_{\textbf{rms}} = \frac{V_0}{\sqrt{2}}}[/latex] для пикового напряжения [латекс]\boldsymbol{V_0}[/ латекс] и подстановка известного значения для [латекс]\жирный символ{V _{\textbf{rms}}}[/латекс] дает

[латекс]\boldsymbol{V_0 = \sqrt{2} V_{\textbf{rms}} = 1,414(120 \;\textbf{V}) = 170 \;\textbf{V}.}[/latex]

Обсуждение для (а)

Это означает, что переменное напряжение колеблется от 170 В до –170 В и обратно 60 раз в секунду.Эквивалентное постоянное напряжение равно постоянным 120 В.

Раствор для (б)

Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом,

[латекс]\boldsymbol{P_0 = I_0 V_0 = 2 \; (}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{1}{2}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{I_0 V_0 ) = 2P _{\textbf{ave}}.}[/latex]

Мы знаем, что средняя мощность равна 60,0 Вт, поэтому

[латекс]\boldsymbol{P_0 = 2(60.0 \;\textbf{W}) = 120 \;\textbf{W}.}[/latex]

Обсуждение

Итак, мощность колеблется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за цикл), а средняя мощность составляет 60 Вт.

Большинство крупных систем распределения электроэнергии работают на переменном токе. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоких напряжениях, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве стран мира), которые мы используем дома и на работе. Экономия за счет масштаба делает строительство нескольких очень крупных электростанций дешевле, чем строительство множества мелких. Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно, чтобы потери энергии в пути были сведены к минимуму. Как мы увидим, высокое напряжение может передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкое напряжение.(См. рис. 4.) Из соображений безопасности напряжение у пользователя снижено до привычных значений. Решающим фактором является то, что переменное напряжение намного проще увеличивать и уменьшать, чем постоянное, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Рисунок 4. Мощность распределяется на большие расстояния при высоком напряжении для снижения потерь мощности в линиях передачи. Напряжение, генерируемое электростанцией, повышается с помощью пассивных устройств, называемых трансформаторами (см. главу 23.7 «Трансформаторы»), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру).В месте использования трансформаторы снижают передаваемое напряжение для безопасного бытового и коммерческого использования. (Источник: GeorgHH, Wikimedia Commons)

Пример 2: Меньшие потери мощности при высоковольтной передаче

(а) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 200 кВ? (b) Какова мощность, рассеиваемая линиями передачи, если они имеют сопротивление [латекс]\boldsymbol{1,00 \;\Омега}[/латекс]? в) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?

Стратегия

Нам дано [латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}} = 100 \;\textbf{MW}}[/latex], [латекс]\boldsymbol{V_{\textbf{rms}} = 200 \ ;\textbf{кВ}}[/latex], а сопротивление линий равно [latex]\boldsymbol{R = 1.2 (1,00 \;\Омега) = 250 \;\textbf{кВт}}.[/latex]

Раствор

Процент потерь – это отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100:

[латекс]\boldsymbol{\% \;\textbf{потеря} =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{250 \;\textbf{кВт}}}{100 \;\textbf{МВт}} }[/латекс] [латекс]\жирныйсимвол{\раз 100=0,250\%}.[/латекс]

Обсуждение

Одна четвертая процента является приемлемой потерей. Заметим, что если бы передавалось 100 МВт мощности при напряжении 25 кВ, то понадобился бы ток 4000 А.Это приведет к потере мощности в линиях 16,0 МВт, или 16,0%, а не 0,250%. Чем ниже напряжение, тем больше требуется тока и тем больше потери мощности в линиях передачи с фиксированным сопротивлением. Конечно, можно построить линии с меньшим сопротивлением, но для этого нужны более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было производить экономично, то в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в одной из последующих глав, в сверхпроводниках также существует предел тока.Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи мощности, а напряжение переменного тока гораздо легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупномасштабных систем распределения электроэнергии.

Широко признано, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое напряжение. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредными. Так что не только напряжение определяет опасность. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока.Томас Эдисон считал, что удары переменного тока более вредны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные споры, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой, которые выступали за использование переменного тока в первых системах распределения электроэнергии. Переменный ток преобладает во многом благодаря трансформаторам и меньшим потерям мощности при передаче высокого напряжения.

Исследования PhET: Генератор

Генерируйте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.

Рис. 5. Генератор

Проблемные упражнения

1: а) Чему равно тепловое сопротивление лампочки мощностью 25 Вт, работающей от сети переменного тока 120 В? б) Если рабочая температура лампы 2700°С, каково ее сопротивление при 2600°С?

2: Некоторое тяжелое промышленное оборудование использует переменный ток с пиковым напряжением 679 В. Каково среднеквадратичное значение напряжения?

3: Определенный автоматический выключатель срабатывает, когда среднеквадратичное значение тока равно 15.0 А. Каков соответствующий пиковый ток?

4: Военные самолеты используют переменный ток с частотой 400 Гц, потому что на этой более высокой частоте можно проектировать более легкое оборудование. Каково время одного полного цикла этой мощности?

5: Турист из Северной Америки берет свою бритву мощностью 25,0 Вт, 120 В переменного тока в Европу, находит специальный адаптер и подключает ее к сети 240 В переменного тока. Предполагая постоянное сопротивление, какую мощность потребляет бритва при ее поломке?

6: В этой задаче вы проверите утверждения, сделанные в конце потерь мощности для Примера 2.а) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 25,0 кВ? (b) Найдите потери мощности в линии передачи [latex]\boldsymbol{1.00 – \;\Omega}[/latex]. (c) Какой процент потерь это представляет?

7: Кондиционер небольшого офисного здания работает от сети переменного тока 408 В и потребляет 50,0 кВт. а) Каково его эффективное сопротивление? (b) Какова стоимость работы кондиционера в жаркий летний месяц, когда он работает по 8 часов в день в течение 30 дней и стоит электричество [латекс]\boldsymbol{9.00 \;\textbf{центов/кВт} \cdot \;\textbf{ч}}[/латекс]?

8: Какова пиковая потребляемая мощность микроволновой печи на 120 В переменного тока, которая потребляет 10,0 А?

9: Каков пиковый ток через комнатный обогреватель мощностью 500 Вт, работающий от сети переменного тока 120 В?

10: Два разных электрических устройства имеют одинаковую потребляемую мощность, но одно предназначено для работы от сети переменного тока 120 В, а другое от сети переменного тока 240 В. а) Каково отношение их сопротивлений? б) Каково отношение их токов? (c) Если предположить, что его сопротивление не изменится, во сколько раз увеличится мощность, если устройство на 120 В переменного тока подключить к сети 240 В переменного тока?

11: Нихромовая проволока используется в некоторых радиационных нагревателях.2}[/latex], нужен, если рабочая температура 500º C? в) Какую мощность он потребляет при первом включении?

12: Найдите время после [latex]\boldsymbol{t = 0}[/latex], когда мгновенное напряжение переменного тока частотой 60 Гц впервые достигает следующих значений: (a) [latex]\boldsymbol{V_0/2 }[/латекс] (б) [латекс]\boldsymbol{V_0}[/латекс] (в) 0,

13: (a) В какие два раза в первый период после [latex]\boldsymbol{t = 0}[/latex] мгновенное напряжение переменного тока частотой 60 Гц равно [latex]\boldsymbol{V_{\ textbf{rms}}}[/латекс]? (b) [латекс]\boldsymbol{-V _{\textbf{rms}}}[/латекс]?

Physics4Kids.com: Электричество и магнетизм: переменный ток

В нашем мире есть два основных типа тока. Одним из них является постоянный ток (DC), который представляет собой постоянный поток электронов в одном направлении. Другой — переменный ток, представляющий собой поток зарядов, меняющий направление. Такие ученые, как Чарльз Протеус Стейнмец и Никола Тесла , добились больших успехов, когда мощность переменного тока была просто научным экспериментом. Заряды (электроны) должны всегда течь, чтобы иметь ток.Однако поток зарядов не всегда должен быть в одном направлении. В переменном токе заряды движутся в одном направлении в течение очень короткого времени, а затем меняют направление. Это происходит снова и снова.

Ученые описывают цикл переключения направлений как частоту . Частота измеряется в Гц (Гц). Говорят, что токи, которые повторяют чаще в течение определенного периода времени, имеют более высокую частоту. Мощность переменного тока переключается 60 раз в секунду в США.

Поскольку Интернет является глобальным ресурсом, мы должны также упомянуть, что в мире существуют различные частоты переменного тока. Хотя мы все используем переменный ток, переключение происходит по-разному в течение определенного периода времени. Большинство стран используют частоты переменного тока либо 50 Гц, либо 60 Гц.

Почему мы используем переменный ток во всем мире? Дешевле и проще делать устройства для питания от сети переменного тока. Это дешевле, потому что вы можете очень легко увеличивать и уменьшать ток для питания переменного тока.Выключатели питания переменного тока также дешевле в производстве. Вероятно, самым большим преимуществом переменного тока является то, что вы можете использовать высокого напряжения с малыми токами, чтобы уменьшить потери при передаче энергии. Помните, что потеря энергии увеличивается, чем больше у вас столкновений, а уменьшение тока уменьшает количество столкновений (и уменьшает нагрев проводов). Вы можете передавать энергию с помощью постоянного тока, но при передаче энергии постоянного тока теряется много энергии. Вам пришлось бы приложить гораздо больше усилий для передачи мощности постоянного тока на то же расстояние.БОЛЬШОЕ ПРИМЕЧАНИЕ: НИКОГДА не прикасайтесь к розеткам в вашем доме. Вас ударит током. Электричество — это нечто большее, чем напряжение. Это , текущие , которые убьют вас.

Проще всего увидеть переменный ток в действии у себя дома. Все приборы и светильники в вашем доме, вероятно, работают от сети переменного тока. Существуют также преобразователи мощности, которые преобразуют мощность постоянного тока в мощность переменного тока, когда вам нужно электричество и поблизости нет розеток (например, в кемпинге).

Или поищите на сайтах по конкретной теме.

Разница между переменным током и постоянным током

До сих пор мы ограничивали наше обсуждение цепями постоянного тока (DC). В отличие от цепи постоянного тока, в цепи переменного тока (AC) есть элементы, величина и направление которых меняются со временем. В случае цепи постоянного тока направление и величина тока и напряжения в цепи не меняются со временем, за исключением переходных процессов в катушках индуктивности и конденсаторах. Разницу между переменным током и постоянным током можно выделить на следующем рисунке.Он показывает, что направление и величина постоянного тока постоянны, в то время как для переменного тока они меняются вокруг нулевых точек во времени.

Разница между формой волны переменного тока (слева) и постоянного тока (справа)

Приведенный выше график показывает, что постоянный ток может быть представлен только величиной и направлением, в то время как этих условий недостаточно для переменного тока. Чтобы полностью ввести понятие переменного тока, мы должны определить некоторые другие термины.

Следующая анимация показывает поведение переменного тока через резистор, предполагая, что величина изменяется в соответствии с формой сигнала.

Изменение направления переменного тока два раза за цикл

Сравнение переменного тока и постоянного тока:

Форма волны:

Сравнение переменного и постоянного тока, кривая величины, т. е. напряжение или ток в зависимости от времени, градусов, радиана и т. д. называется формой волны.

Мгновенное значение:

Величина любой величины, такой как напряжение или ток, по отношению к определенному значению времени, градусам, радианам и т. д. называется мгновенным значением.

Пиковая амплитуда:

Максимальное значение величины переменного тока, такой как напряжение и ток, достигает формы волны.

Пиковое значение:

Разница между максимальным и минимальным значением сигнала называется размахом величины переменного тока.

Периодическая форма сигнала:

Если часть сигнала повторяется через определенное время, градус, радиан и т. д. Сигнал называется периодическим сигналом. И эта часть формы волны называется циклом. Это количество переменного тока.

Период времени:

Время, необходимое для завершения сигнала, называется периодом времени.Обозначается буквой T в секундах. Обозначает явление переменного тока.

Цикл:

Форма волны одного периода времени называется циклом.

Частота:

При сравнении переменного и постоянного тока постоянный ток имеет нулевую частоту. Количество циклов в одном периоде времени называется частотой. Частота представлена в циклах в секунду или Герцах (название в честь ученого).

$f=\frac{1}{T} $ (в герцах) ИЛИ

$\frac{cycle}{second}$

Синусоида:

Форма волны переменного напряжения в большинстве случаев синусоидальная (синусоидальная волна или косинусоидальная волна), если не указано иное.В основном отклики сопротивления, емкости или индуктивности не влияют на форму волны. Синусоидальные волны могут быть нанесены на график в градусах или радианах. Где градусы и радианы имеют следующую связь

$360 \quad deg=2\pi \quad radians$

Где $\pi $ – отношение длины окружности к диаметру окружности и равно 22/ 7.

Угловая скорость:

Если радиус-вектор круга вращается вокруг своего центра с постоянной скоростью, вертикальная проекция вектора может быть представлена в виде синусоиды.Скорость, с которой вращается вектор, называется угловой скоростью.

$Угловая скорость=\frac{Расстояние }{Время}$

$\omega =\frac{\alpha }{t}=\frac{2\pi }{T}=2\pi f$

синусоида для напряжения может быть представлена следующей формулой.

$e=E_{m} Sin \omega t$

Где $E_{m}$ показывает пиковое напряжение сигнала напряжения, а $\omega $ – угловая скорость сигнала.

Среднее значение формы волны:

Среднее значение синусоиды представляет собой отношение площади под синусоиды к длине синусоиды.{T}{V_{m} sin\alpha d\alpha }}{T-T_{0}}$

Где TT$_{0}$ – период синусоидальной волны переменного тока, а $V_{m} sin \alpha $ – сигнал переменного тока.

Среднеквадратичное значение (RMS):

Среднеквадратичное значение сигнала переменного тока обеспечивает взаимосвязь между переменным и постоянным током. Среднеквадратичное значение синусоидального переменного тока дает информацию о доставке той же мощности соответствующим источником постоянного тока. Обычно используется среднеквадратичное значение сигнала переменного тока, если оно не указано отдельно. Формула для среднеквадратичного значения сигнала переменного тока:

$V_{rms}=\frac{V_{m}}{sqrt{2}}$

Где $V_{m}$ — пиковое напряжение переменного тока. синусоидальный.Соотношение сохраняется и для тока.

Формат синусоидального напряжения и тока:

Основной математический формат для синусоидального напряжения:

$v=V_{m}sin \alpha $

$v=V_{m}sin \omega t$

Где V$_{m}$ — пиковое напряжение сигнала, ω — угловая скорость сигнала, t — время от начала вращения. Угловая скорость ω представляет собой положение мгновенного значения на форме волны, где время t определяет число оборотов.

Помните, что строчная буква обозначает мгновенное значение, а прописная буква с нижними индексами «m» означает пиковое значение, т.{o })$, их сигналы могут быть показаны следующим образом .

Первый сигнал начнется с нулевых точек на осях, где второй начнется 30 ^o позже.

Общая форма уравнения фазового соотношения:

$v=V_{m}sin \alpha \pm \theta $

Фазовое соотношение двух или более сигналов можно найти с помощью аналогового и цифрового осциллографа. Где величина квантилей переменного тока измеряется в среднеквадратичном значении с помощью цифрового мультиметра, вольтметра и амперметра. Для измерения частоты используется специальный измерительный прибор частотомеры.

Вывод:

Разница между переменным током и постоянным током заключается в многократном изменении направления и величины тока в секунду. Наши бытовые приборы используют переменный ток, тогда как электронные устройства, такие как портативные устройства, используют питание постоянного тока.

Электричество – переменный и постоянный ток – электричество, мощность, единица измерения и напряжение

Постоянный ток или постоянный ток возникает в результате электрического заряда, который движется только в одном направлении. Автомобильный аккумулятор , например, обеспечивает постоянный ток, когда он подает электрический заряд через стартер или через фары автомобиля.Направление этого тока не меняется.

Ток, который периодически меняет направление, называется переменным током или переменным током. Наши дома снабжены переменным током, а не постоянным током, потому что использование переменного тока позволяет повышать или понижать напряжение с помощью электромагнитного устройства, называемого трансформатором . Без трансформаторов для изменения напряжения по мере необходимости было бы необходимо распределять электроэнергию при более безопасном низком напряжении, но при гораздо более высоком токе.Более высокий ток увеличит потери при передаче в линиях электропередач. Без возможности использовать высокое напряжение было бы необходимо размещать генераторы рядом с местами, где требуется электроэнергия.

Южная Калифорния получает большую часть своей электроэнергии от гидроэлектростанций в штате Вашингтон через необычно длинную линию электропередачи постоянного тока, которая работает при напряжении около одного миллиона вольт.

Чем отличается постоянный ток от переменного. Что такое переменный ток

История появления и «войны токов»

Источники постоянного электрического тока

Применение

Переменный ток

Чем постоянный ток отличается от переменного и каков его путь от источника до потребителя?

Преобразование

Как образуется переменный ток

История открытия переменного тока

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Через эфир

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Где используется переменный ток

Что такое электрический ток?

Ток постоянный и переменный

Различия токов

Передача тока на большие расстояния

Особенности передачи

Генерирование

История

Выводы

Трехфазный ток

Разница между переменным и постоянным напряжением. Чем отличается постоянный ток от переменного

Сложности визуализации

Аналогия

Напряжение как давление

Ток как поток

Постоянный ток

Постоянный и переменный ток: разница в производстве и использовании

Направление движения

Частота

Векторная математика

Коэффициент мощности

Сварочные аппараты

Различие между токами

Параметры розеток

Требования к соединениям

Розетки расширенной функциональности

Проверка подключения

История переменного и постоянного электрического тока

Как появляется электрический ток

Электрический ток в действительности

Примеры использования переменного и постоянного тока

Различие типов тока

Характеристики тока

Передача тока

Преобразование тока

Обоснование выбора тока

Как образуется переменный ток

История открытия переменного тока

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Через эфир

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Где используется переменный ток

Рекомендуем также

Чем отличается переменный ток от постоянного, использование диодного моста, виды тока.

как HVDC спасли переменный ток / Хабр

Ирония судьбы постоянного тока

Постоянный ток спасает переменный

Когда каждый процент на счету

Прошлое, настоящее и будущее HVDC

20.5 Переменный ток в сравнении с постоянным током – College Physics главы 1-17

Установление связей: домашний эксперимент — освещение переменного/постоянного тока

Пример 1: Пиковое напряжение и мощность для переменного тока

Пример 2: Меньшие потери мощности при высоковольтной передаче

Исследования PhET: Генератор

Проблемные упражнения

Physics4Kids.com: Электричество и магнетизм: переменный ток

Разница между переменным током и постоянным током

Сравнение переменного тока и постоянного тока:

Форма волны:

Мгновенное значение:

Пиковая амплитуда:

Пиковое значение:

Периодическая форма сигнала:

Период времени:

Цикл:

Частота: