Где используется переменный а где постоянный ток: Постоянный и переменный ток в технике » Детская энциклопедия (первое издание)

Содержание

Постоянный и переменный ток в технике » Детская энциклопедия (первое издание)

Что будет завтра Энергетика будущего

Гальванические элементы дают постоянный ток.

В наше время нет такой отрасли народного хозяйства, в которой не применялось бы электричество. И каждая из них предъявляет к электрическим машинам и аппаратам определенные требования, от которых зависит не только конструкция этих машин, но и род используемого тока. Хотя в технике и в промышленности широко используются и переменный и постоянный токи, области их применения весьма четко разграничены.

Впервые люди получили электрический ток от гальванических элементов. Эти элементы создавали в электрической цепи поток электронов, движущихся все время в одном определенном направлении. Такой ток получил название «постоянного».

Первые вращающиеся генераторы, электрические двигатели и приборы также работали на постоянном токе. И когда в конце прошлого столетия русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский предложил применять трехфазный переменный ток, многие ученые отнеслись к этому с недоверием. Даже знаменитый американский электротехник Эдисон считал переменный ток выдумкой, не заслуживающей внимания. Однако очень скоро переменный ток стали использовать во многих областях электротехники. Электрические генераторы переменного тока создают в электрической цепи поток электронов, непрерывно изменяющий направление своего движения. Так, в цепи электрической лампочки, освещающей вашу комнату, электроны успевают за одну секунду

Генераторы электрических станций вырабатывают переменный ток с частотой 50 пер/сек.

100 раз изменить направление своего движения: 50 раз они движутся в одном направлении и 50 — в обратном. Про такой ток говорят, что он имеет частоту 50 периодов в секунду.

Эта особенность движения электронов придает переменному току целый ряд свойств, определивших его главенствующее положение в современной электротехнике.

Одно из важнейших свойств переменного тока — его способность к трансформации. Как мы знаем, передача электрической энергии на большие расстояния возможна только при очень высоком напряжении, достигающем 110, 220 и даже 500-800 тыс. в. Столь высокое напряжение нельзя получить непосредственно в генераторах. В то же время для различных электрических машин и аппаратов нужен электрический ток напряжением в несколько десятков или сотен вольт. Вот здесь-то и пригодилась его способность к трансформации,—  она позволила с помощью трансформаторов изменять напряжение переменного тока в любых пределах.

С помощью трансформаторов можно изменять напряжение переменного тока в любых пределах.

Мало того. Соединение обмоток генератора в трехфазную систему позволило получить трехфазный переменный ток. Это система трех переменных токов, которые имеют одинаковую частоту, но различаются по фазе на одну треть периода. Трехфазный ток обладает важными достоинствами. Во-первых, трехфазные линии электропередач выгоднее однофазных: по ним при той же затрате проводов и изоляции можно передать больше электрической энергии, чем при однофазном переменном токе.

А во-вторых, благодаря свойству трехфазного переменного тока создавать вращающееся магнитное поле, удалось построить очень простые и надежные асинхронные электрические двигатели без коллектора и щеток.

Эти качества переменного тока и послужили причиной того, что в наши дни все промышленные электростанции вырабатывают только трехфазный переменный ток.

Больше половины электрической энергии, вырабатываемой этими электростанциями, расходуется электрическими двигателями. Чтобы они могли выполнять разнообразную работу, их делают различными и по устройству и по размерам.

Электрические двигатели позволили создать автоматические станочные линии.

Кроме простых асинхронных двигателей, которые широко используются для привода станков, есть двигатели с обмоткой и контактными кольцами на роторе. Они развивают большие усилия при трогании с места и поэтому успешно применяются на подъемных кранах. Есть еще синхронные двигатели, имеющие постоянную скорость вращения. По своим размерам электрические двигатели бывают маленькими — с катушку ниток — и огромными, как карусель.

Применение для привода станков сразу нескольких электрических двигателей дало возможность упростить механизмы станка, облегчило управление ими и позволило создать автоматические станочные линии.

Малые размеры электрических двигателей позволили использовать электрическую энергию там, где раньше применялся только ручной труд. Электрические дрели, пилы, рубанки и другой электрифицированный инструмент намного облегчили труд рабочих, сделали его более производительным.

Электрические полотеры, пылесосы, стиральные машины и холодильники пришли на помощь домашним хозяйкам.

Электрические дуговые и индукционные печи широко применяются в технике и промышленности. Небольшие печи сопротивления можно встретить в вагонах поездов, в троллейбусах и даже дома.

Переменный ток — хороший источник тепла. В мощных дуговых электропечах плавят и варят металл. Электрические печи сопротивления широко используются для кондиционирования воздуха, обогрева сушильных шкафов и различных помещений.

Электрические лампочки дают свет независимо от того, какой ток идет через их нити. Но поскольку передача переменного тока более экономична, а трансформаторы позволяют легко поддерживать необходимое для них напряжение, вся осветительная сеть городов и сел обслуживается переменным током.

Непрерывное изменение направления движения электронов в переменном токе, его способность к трансформации открыли ему широкую дорогу во многие области техники. Но не всегда хорош ток, все время меняющий свое направление. Вот вы сели в троллейбус, поезд метро или в вагон «электрички» на железной дороге. Здесь вы попали во владения постоянного тока.

Дело в том, что простые и удобные электрические двигатели переменного тока не позволяют в широких пределах плавно менять скорость своего вращения. А вспомните, сколько раз водителю приходится изменять скорость движения троллейбуса; с такой беспокойной работой хорошо справляется только двигатель постоянного тока. Питание этих двигателей осуществляется с тяговых выпрямительных подстанций.

Приходящий на них с электростанций переменный ток при помощи ртутных выпрямителей преобразуется в постоянный, а затем подается в контактную сеть — в провода и рельсы.

Применение тяговых двигателей постоянного тока на транспортных машинах оказалось настолько выгодным, что их можно встретить на тепловозах и теплоходах.

Их основными двигателями служат дизели, которые приводят в движение генераторы, вырабатывающие постоянный ток. А он в свою очередь заставляет работать электрические двигатели, вращающие колеса или гребные винты.

Однако высокая стоимость и сложность преобразовательных подстанций заставили ученых и инженеров задуматься над использованием переменного тока на транспорте. Сейчас уже есть участки железных дорог, использующие однофазный переменный ток. С успехом используют его и на многих дизель-электрических кораблях.

Для питания двигателей электровозов вдоль электрифицированной железной дороги устанавливаются тяговые выпрямительные подстанции, на которых переменный ток преобразуется в постоянный при помощи ртутных выпрямителей.

Дальнейшая электрификация железных дорог в нашей стране будет осуществляться преимущественно с использованием переменного тока напряжением 25 тыс. в. Этот ток будет превращаться в постоянный непосредственно на электровозах при помощи выпрямительных устройств.

Хорошие регулировочные способности электродвигателей постоянного тока позволили с успехом применить их также на подъемно-транспортных механизмах. На обычных кранах, которые вы видите на строительстве, работают двигатели переменного тока. Но на мощных подъемных кранах больших металлургических заводов устанавливают двигатели постоянного тока. Ведь здесь надо плавно поднимать и переносить огромные ковши с расплавленным металлом, разливать его в изложницы или подавать раскаленные болванки на прокатные станы.

Эти двигатели приводят в движение и механизмы гигантских шагающих экскаваторов.

В гальванических ваннах при помощи постоянного тока покрывают различные предметы тонким слоем никеля или хрома.

Двигатели постоянного тока могут развивать очень большие скорости вращения — до 25 тыс. об/мин. Это позволяет получать большую мощность при очень небольших размерах двигателя. Поэтому они незаменимы в качестве моторов управления, применяемых на самолетах для поворотов рулей, элеронов и закрылков, для подъема и опускания шасси и других механизмов.

Неизменное направление движения электронов в цепи постоянного тока определило большую и важную область его применения, в которой переменный ток с ним соперничать не может. Речь идет об электролизе — процессе, связанном с прохождением тока через жидкие растворы — электролиты. Под воздействием постоянного тока, проходящего через электролит, он разлагается на отдельные элементы, которые осаждаются на определенных электродах — на аноде или катоде. Это свойство широко используется в цветной металлургии — для получения алюминия, магния, цинка, меди, марганца. В химической промышленности при помощи электролиза получают фтор, хлор, водород и другие вещества.

В гальванотехнике электролиз применяют для осаждения металла на поверхность различных изделий.

Таким образом наносят защитные покрытия на металлические изделия (никелирование, хромирование), изготавливают металлические монументы, печатные формы и т. д. Гальванизацию применяют в медицине для лечения некоторых болезней.

Постоянное направление движения электронов помогает постоянному току соперничать с переменным в сварочном деле и некоторых видах освещения. При сварке постоянным током частички металла переносятся с электрода на изделие более правильно и шов получается качественнее, чем при сварке переменным током.

Зайдите на киностудию. Мощные дуговые кинопроекторы заливают светом съемочный павильон. На переменном токе дуга горит менее устойчиво, дает меньше света и издает гул, мешающий записи звука при киносъемке. Поэтому кинопрожекторы питают постоянным током, который дает бесшумную устойчивую дугу. В мощных военных прожекторах и дуговых кинопроекционных аппаратах также используется постоянный ток.

На киностудиях на постоянном токе работают мощные дуговые кинопрожекторы.

Чтобы получить переменный ток, нужно непрерывно вращать генератор переменного тока, а постоянный ток могут давать неподвижные аккумуляторные батареи или же гальванические элементы. Эти свойства источника электрического тока также в ряде случаев определяют область применения постоянного тока.

Автомобиль стоит на месте. Как завести его двигатель? К вашим услугам аккумуляторная батарея. Вы нажимаете кнопку стартера, и двигатель постоянного тока, получая питание от аккумуляторной батареи, заводит мотор. А когда мотор работает, он вращает генератор, который заряжает аккумулятор, восстанавливает израсходованную энергию. Такой обратимый процесс недоступен для переменного тока.

Что было бы, если бы в поездах освещение питалось переменным током? Остановился поезд — перестали вращаться колеса вагонов, а вместе с ним остановились бы электрические генераторы и свет в вагонах погас бы. Но этого не происходит, потому что под вагонами установлены генераторы постоянного тока, работающие параллельно с аккумуляторными батареями. Идет поезд — генераторы вращаются, дают энергию для освещения и одновременно заряжают батарею. Остановился состав — аккумуляторная батарея посылает ток в осветительную сеть.

Представьте себе, что на электростанции произошла авария: все турбо- или гидрогенераторы остановились и линии электропередачи, связывавшие ее с другими электростанциями, отключились. В таких случаях выручает постоянный ток, получаемый от больших аккумуляторных батарей. С его помощью приводят в движение вспомогательные механизмы, включают отключившиеся выключатели и снова пускают в работу главные турбо- или гидрогенераторы. Питание от аккумуляторной батареи очень надежно, поэтому все цепи защиты управления, автоматики и сигнализации на больших электростанциях работают на постоянном токе.

Аккумуляторные батареи применяются в различных областях техники.

Может ли плавать подводная лодка без постоянного тока? На поверхности воды может. В этом случае ее гребные винты вращаются дизелями. Но под водой дизели останавливаются — не хватает воздуха. Там работает двигатель постоянного тока, получающий энергию от аккумуляторных батарей. Когда лодка вновь всплывает на поверхность и включаются в работу дизели, электрический двигатель превращается в генератор и вновь заряжает батареи.

В шахтах не везде можно подвесить контактный провод для электровозов. Как же им передвигаться? И тут опять выручает аккумуляторная батарея. На многих шахтах рудничные аккумуляторные электровозы доставляют уголь из самых отдаленных забоев. Электрические тележки с аккумуляторами — электрокары — вы часто видите на вокзалах. Они есть и в цехах больших заводов и фабрик.

Обратите внимание, как кинооператор снимает какое-нибудь важное событие. В руках у него легкий киносъемочный аппарат, а на поясе — аккумулятор. Нажал кнопку, и аппарат заработал. Такие легкие аккумуляторные батареи широко применяются для переносных радиостанций, сигнальных устройств, электрических измерительных приборов.

Конечно, перечисленными здесь примерами не исчерпываются все области применения электрической энергии. Мы ничего не рассказали о ее использовании для телеграфной и телефонной связи, для радио и телевидения и других целей — об этом вы прочтете в соответствующих статьях нашего сайта.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Что будет завтра Энергетика будущего

.

Проектируем электрику вместе: Постоянный и переменный ток

Постоянный ток (DC).. Свободные электроны.. Направление электрического тока.. Переменный ток (AC).. Преимущества переменного тока.. Трансформатор напряжения (тока).. Постоянный ток

Электрическим током называется направленное движение носителей электрического заряда (в проводниках – это свободные электроны) под действием электрического поля.
Если полярность источника электрической энергии не меняется, то направление движения электронов в проводнике остается неизменным все время, когда цепь замкнута.

В такой цепи электроны выходят из отрицательного полюса (минус источника) и двигаются к положительному полюсу (плюс источника)  – одноименные заряды отталкиваются, противоположные – притягиваются.


Такое, неизменное по направлению движение носителей электрического заряда под действием электрического поля называется постоянным током.
Общим обозначением для любого источника постоянного тока (напряжения) является символ батареи (рис. 1).

Рис. 1. Постоянный ток (Direct Current – DC)

Важно напомнить, что в физике за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов (от плюса источника к минусу), т. е. противоположное истинному направлению. Причины такого несоответствия были рассмотрены здесь.


Рис. 2. Постоянный ток не меняет своего направления во времени, хотя величина его может меняться.   

Этот тип электрического тока  используется в большинстве игрушек, в многочисленных электронных приборах (телефоны, смартфоны, плеера, ноутбуки и т. д.), в автомобильной электронике и других устройствах, использующих аккумуляторы и выпрямители переменного тока.
                             

  Переменный ток

Электрический ток может протекать  в электрической цепи двумя разными способами.
При наличии постоянного источника электрической энергии мы имеем в такой цепи постоянный ток.

Если полярность источника электрической энергии периодически меняется, то мы имеем в такой цепи переменный ток (рис. 3). В этом случае направление электрического поля в проводнике меняется с частотой сети, а свободные электроны совершают колебательные движения относительно некоторого положения равновесия. При этом свободные электроны не движутся ни в одну, ни в другую сторону, но под действием переменного электрического поля (изменяющегося по синусоидальному закону) они совершают колебания в полном соответствии с изменениями электрического поля.


Рис. 3. Переменный ток (Alternating Current – AC)  
          

                                                                       

Таким образом, переменный ток – это ток, который с определенной периодичностью (50 или 60 раз в секунду – в зависимости от электрической системы, принятой в стране) меняет направление движения и величину (рис. 4).
У нас в России в бытовой сети используется стандарт переменного напряжения и тока  – 220 В, 50 Гц в отличие от США, где переменный ток в розетках меняет свое направление 60 раз в секунду (60 Гц). Под эти параметры сети рассчитаны все бытовые потребители (светильники, электродвигатели пылесосов и холодильников, стиральные машины и др.). Многие бытовые электроприборы работают на постоянном токе при напряжении в 5-12 вольт, однако из сети они получают переменный ток, а затем внутри электроприборов переменный ток с помощью выпрямительных устройств преобразуется в постоянный, если в этом есть необходимость.


Рис. 4. В течение одного периода колебания величина тока повышается до максимума, затем проходит через ноль, а потом происходит обратный процесс, но уже с другим знаком.

В чем преимущества переменного тока?

Можно спросить, а зачем нужен такой ток, в чем его преимущество?
Действительно, в некоторых случаях переменный ток (AC) не имеет никакого практического преимущества по сравнению с постоянным током (DC).
В тех случаях, когда электроэнергия используется для рассеивания энергии в виде тепла, полярность или направление тока не имеет значения до тех пор, пока существует достаточное напряжение и ток в нагрузке для получения требуемого тепла (рассеиваемой мощности).

Вместе с тем, на переменном токе можно построить электрические генераторы и двигатели, которые будут более простыми и более надежными, чем на постоянном токе.
Но главное, переменный ток наилучшим образом подходит для передачи электроэнергии на дальние расстояния.
Это становится возможным при использовании такого устройства, как трансформатор (рис. 5).



Рис. 5. Трансформатор «преобразует» переменное напряжение и ток.

В простейшем случае трансформатор представляет собой две индуктивные катушки, расположенные на общем сердечнике.
Если мы активируем одну катушку переменным током, то за счет эффекта взаимной индукции в другой катушке также будет создаваться напряжение переменного тока. Если количество витков W2 > W1, то и напряжение U2 > U1. И наоборот.

Способность трансформатора легко увеличивать или уменьшать напряжение переменного тока простым изменением числа витков вторичной обмотки дает переменному току непревзойденное преимущество в области распределения электроэнергии (рис. 6).

Рис. 6

При помощи трансформатора низкое напряжение вначале преобразуется в высокое напряжение, после чего его можно передавать на любые расстояния (при меньших значениях тока, меньшем диаметре проводов, с меньшими тепловыми потерями энергии).
У потребителей происходит обратное преобразование тока высокого напряжения – в переменный ток низкого напряжения.

Похожие статьи: 1. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
                              2. Направление электрического тока
                              3. Что такое электрический ток?
                              4. Проводники и изоляторы. Полупроводники
                              5. О скорости распространения электрического тока
                              6. Электрический ток в жидкостях 
                              7. Проводимость в газах
                              8. Электрический ток в вакууме
                              9. О проводимости полупроводников
  

Почему для передачи и распределения электрической энергии используют преимущественно переменный ток, а не постоянный?

Почему для передачи и распределения электрической энергии используют преимущественно переменный ток, а не постоянный?. Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное]

ВикиЧтение

Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное]
Кондрашов Анатолий Павлович

Почему для передачи и распределения электрической энергии используют преимущественно переменный ток, а не постоянный?

На заре электроэнергетики, когда маломощные генераторы электрического тока располагались на небольших расстояниях от потребителей (нередко в пределах одного населенного пункта), для передачи электрической энергии успешно использовали постоянный электрический ток. Сторонником использования в этих целях постоянного электрического тока был, например, Томас Алва Эдисон. Со временем потребность в электроэнергии возрастала, ее стали вырабатывать на крупных электростанциях с мощными агрегатами (с ростом мощности снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии). В связи с этим возникла также необходимость передавать электроэнергию на большие расстояния. Однако потери электроэнергии при ее передаче тем ниже, чем выше напряжение электрического тока. Это и обусловило целесообразность применения в линиях электропередачи переменного тока, напряжение которого (в отличие от постоянного тока) легко можно трансформировать почти без потерь мощности.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой?

Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой? У молодой пары долго не было детей. Им посоветовали съездить в Рим и в соборе святого Петра зажечь свечу. Через несколько лет человек, который дал совет супругам, случайно попал в городок, где они жили, и решил

Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой?

Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой? У молодой пары долго не было детей. Им посоветовали съездить в Рим и в соборе святого Петра зажечь свечу. Через несколько лет человек, который дал совет супругам, случайно попал в городок, где они жили, и решил

Почему в США (в отличие от России) не используют название «никотиновая кислота»?

Почему в США (в отличие от России) не используют название «никотиновая кислота»? Ассоциацию американских врачей обеспокоил тот факт, что из-за схожести названий никотиновой кислоты и никотина общественность может решить, что табак является источником витаминов. Поэтому

7.2. Экосистема (биогеоценоз), ее компоненты: продуценты, консументы, редуценты, их роль. Видовая и пространственная структура экосистемы. Цепи и сети питания, их звенья. Типы пищевых цепей. Составление схем передачи веществ и энергии (цепей питания). Правило экологической пирамиды. Структура и дина

7.2. Экосистема (биогеоценоз), ее компоненты: продуценты, консументы, редуценты, их роль. Видовая и пространственная структура экосистемы. Цепи и сети питания, их звенья. Типы пищевых цепей. Составление схем передачи веществ и энергии (цепей питания). Правило экологической

Авиационные преобразователи электрической энергии

Авиационные преобразователи электрической энергии Авиационные преобразователи электрической энергии являются вторичными источниками электрического тока. Они преобразуют электрическую энергию с данными параметрами в электрическую же энергию, но с другими

Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой?

Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой? У молодой пары долго не было детей. Им посоветовали съездить в Рим и в соборе святого Петра зажечь свечу. Через несколько лет человек, который дал совет супругам, случайно попал в городок, где они жили, и решил

2.8. Определение потребности в электрической энергии и мощности районных и объединенных энергосистем

2.8. Определение потребности в электрической энергии и мощности районных и объединенных энергосистем Расчет потребности в электрической энергии и мощности выполняется для определения объема вводов и структуры генерирующих мощностей, выявления степени

где используется каждый из них, параметры источника, частоты и знаки

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.

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 электромагнитной индукции 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.

Чем отличается постоянный ток от переменного

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.

[stop]Важно! Следует понимать, чем отличается ток от напряжения. Принципиальная разница известна: ток является количеством энергии, а напряжением называется мера потенциальной энергии.[/stop]

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.

Это интересно! Специальная теория относительности Эйнштейна: кратко и простыми словами

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.

Это интересно! Что такое закон всемирного тяготения: формула великого открытия

Преобразование тока

Рассмотрим отдельно процесс преобразования переменного тока в постоянный. Данный процесс производится при помощи специализированных выпрямителей и включает три шага:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.

Это интересно! Когда появилось и кто открыл электричество в России

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.

[warning]Внимание! В случае потребности преобразования переменного тока в постоянный используют трансформаторы напряжения, а еще блоки питания. В обратном же процессе для преобразования постоянного тока непосредственно в переменный используют специальные инверторы.[/warning]

Постоянный и переменный ток

Разница между постоянным и переменным током

Эдисон изобрёл и усовершенствовал немало устройств, необходимых для первых систем генерации и транспортировки постоянного тока. В течение короткого времени его компания смогла открыть более 200 станций в Северной Америке. Предприятие росло, и изобретатель для выполнения работ по усовершенствованию оборудования нанял Николу Теслу — молодого инженера из Европы. Новый сотрудник предложил вниманию Эдисона революционные для того времени работы, основанные на технологиях переменного значения. Идеи Тесла были отвергнуты и пути изобретателей разошлись.

Джордж Вестингауз, наоборот, отнёсся к открытиям сербского инженера с большим интересом и выкупил все патенты Тесла. После предприятия Вестингауза пережило немало потрясений, в том числе и связанных с мощными пропагандистскими компаниями Эдисона. Финалом борьбы стал момент, когда система Теслы была выбрана для освещения выставки в Чикаго. Это событие познакомило мир с преимуществами многофазной генерации AC и его транспортировки. С тех пор большинство электрических устройств и сетей заказывались уже под новый стандарт. Основными датами войны токов были:

  • 1870 г. — создание Эдисоном первого генератора DC;
  • 1878 г. — основание Edison Electric Light Co в Нью-Йорке;
  • 1882 г. — открытие Эдисоном генерирующей станции Pearl Street на 5 тыс. огней;
  • 1883 г. — изобретение Теслой трансформатора;
  • 1884 г. — изобретение Теслой генератора AC;
  • 1888 г. — демонстрация Теслой многофазной электрической системы, Вестингауз выкупает его патенты;
  • 1888 г. — казнь с помощью электрического стула, изобретённого Эдисоном как средство для пропагандистской компании, демонстрирующей опасность технологий Теслы.
  • 1893 г. — триумф Westinghouse Electric Company на Чикагской ярмарке.

Определение и свойства

Гальваническая батарея выдаёт стабильную разницу потенциалов на полюсах в течение длительного времени до момента завершения в ней химической реакции. Ток от подобного источника называют постоянным. Простое определение переменного тока, понятное для чайников и приемлемое для специалистов, можно построить от обратного: AC есть поток зарядов в проводнике, периодически меняющий свою величину и направление. В сетях энергоснабжения он регулярно изменяет амплитуду и полярность.

Эти изменения представляют собой бесконечные повторения последовательности идентичных циклов, формирующих на экране осциллографа синусоиду, в отличие от DC, который визуализируется как прямая.

Графическая иллюстрация важна для понимания того, какой ток называют переменным синусоидальным.

Поскольку из определения переменного тока следует, что изменения параметров являются регулярными, переменное электричество обладает рядом свойств, связанных с качеством и формой его отражения на графике. Эти основные свойства можно представить следующим списком:

  • Частота. Одно из наиболее важных свойств любого регулярного сигнала. Определяет количество полных циклов за конкретный период. Измеряется в герцах (циклах в секунду). В Европе для сетей электроснабжения составляет 50 Гц, в США и Канаде — 60 Гц.
  • Период. Иногда важно знать количество времени, необходимое для завершения одного цикла электрического сигнала, а не числа циклов в секунду времени. Период — понятие логически обратное частоте, означающее длительность одного цикла в секунду.
  • Длина волны. Характеристика, похожая на период, но может быть измерена из любой части одного цикла к эквивалентной точке в следующем.
  • Амплитуда. В контексте электрического тока — это наибольшее значения АС относительно нейтрального. Математически амплитуда синусоиды есть значение этой синусоиды на пике. Однако если речь идёт о системах питания, то лучше обращаться к понятию эффективного тока. В качестве эквивалента используется количество работы, которую способен сделать постоянный ток при напряжении, равном амплитуде исследуемого переменного тока. Для синусоидальной волны эффективное напряжение составляет 0,707 от амплитуды.

В случае с АС наиболее важные свойства — частота и амплитуда, так как все виды оборудования разрабатываются с учётом соответствия этим параметрам в линии электропередачи. Период требует внимания при проектировании электронных источников питания.

А длина волны, как параметр, становится важен, когда речь идёт о токах со значительно более высокой частотой, чем в сетях энергоснабжения.

Сравнение AC и DC

Направление потока электрической энергии определяет постоянный и переменный ток. Разница в том, что в первом случае заряды перемещаются в одном направлении и непрерывно, а во втором — направление потока меняется через равные интервалы. Последнее сопровождается чередованием уровня напряжения и сменой полюсов на источнике с положительного на отрицательный и наоборот, что делает процессы в нагрузках более сложными, чем в случае с постоянным напряжением.

Ключевым преимуществом DC состоят в том, что его можно легко аккумулировать или создавать в портативных химических источниках. Но использование AC позволяет осуществлять передачу электрической энергии на большие расстояния намного экономичнее. Дело в том, что мощность W=I*V, передаваемая от станции, не в полном объёме доставляется до точки назначения. Часть её расходуется на нагрев линий электропередачи в размере W= I2*R.

Очевидный способ сокращения потерь — уменьшение сопротивления за счёт наращивания толщины проводов. Но для его реализации существует экономический предел: толстые проводники стоят дороже. Кроме того, массивные провода требуют дорогих несущих конструкций.

Задача имеет блестящее решение, если изменить напряжение и силу тока при сохранении мощности. Например, при увеличении V в тысячу раз и соответствующем уменьшении I, значение мощности сохраняется прежним, но потери уменьшаются в миллионы раз, поскольку они находятся в квадратичной зависимости от силы тока. Остаётся проблема преобразования напряжения до безопасных значений при распределении его к потребителям.

Это невозможно в случае с DC, но переменный ток позволяет изменять значения I и V при сохранении мощности с помощью трансформаторов. Энергетические компании используют это свойство для транспортировки электричества. Способность к трансформации и определяет главное, практически применимое отличие переменного тока от постоянного.

Другим важным преимуществом является необычайная простота его производства и возможность реализации в несложных конструкциях электродвигателей. Электрические приводы — наиболее значимый способом применения AC.

Генерация и трансформация

Принцип генерации электричества прост. Если магнитное поле вращается вдоль стационарного набора катушек из витков проводника или, наоборот, катушка вращается вокруг стационарного магнитного поля, то благодаря явлению электромагнитной индукции на концах обмоток возникает разность потенциалов. С каждым изменением угла поворота в результате описанного кругового движения выходное напряжение также будет меняться как по величине, так и по направлению.

Описанный условный генератор при постоянной угловой скорости вращения вала производит синусоидальный AC с формой волны, ничем не отличающейся от поставляемого в бытовой сети. Реальные генераторы устроены значительно сложнее, но работают на том же принципах электромагнитной индукции.

Эти же законы помогают не только в производстве AC, но и в его передаче и распределении. Преобразования напряжения энергетическим компаниями невозможно осуществить без электрических машин, называемых трансформаторами. Вот почему это изобретение Теслы было так важно для революции в транспортировке электричества.

Любой трансформатор состоит из следующих элементов:

  • первичной и вторичных обмоток;
  • сердечника.

Слово «первичная» применяется для обмотки, на которую подаётся электрическое напряжение, нуждающееся в трансформации. Индуцированное напряжение на вторичной катушке всегда равно приложенному на первичной, умноженному на соотношение витков вторичной к первичной. Трансформатор позволяет пошагово изменять напряжение.

Разность потенциалов, которая получается на выходе, есть расчётная величина, зависящая от соотношения витков обмоток.

Используемые виды

В большинстве случаев под тем, какой ток называется переменным, подразумевают электричество из бытовой сети. Для многих далёких от электрики и электроники людей было бы неожиданностью узнать, что под АС подразумевается значительно более широкое понятие, чем электричество из розетки.

Краткий перечень переменных токов, используемых в сетях питания:

  • Однофазный. Простой вид, переменный по направлению. Коммерческий его тип имеет синусоидальный вид на графике и передаётся по двум проводникам.
  • Трёхфазный. Электричество для промышленных нужд обычно поставляется в виде трёх отдельных синусоид с пиками амплитуды в трети цикла друг от друга. Для передачи энергии таким способом требуется три (иногда четыре) проводника.
  • Двухполупериодный выпрямленный однофазный. Полученный из переменного с помощью выпрямителя таким образом, чтобы обратная половина цикла сменила полярность. Его можно рассматривать как пульсирующий постоянный ток без интервала между импульсами.
  • Полностью выпрямленное трёхфазное напряжение. Однополярный ток с небольшой пульсацией. Это свойство выгодно отличает его от DC.
  • Полуволновой выпрямленный. Получается после выпрямления AC простейшим образом с обрезанием части с обратной полярностью. В результате получается пульсирующее напряжение с интервалами без разности потенциалов на клеммах.
  • Импульсное напряжение. Широко применяется в современной цифровой технике и электронике. Во многих случаях волна не синусоидальной, а прямоугольной формы.

В современных приборах используются самые разнообразные формы тока и нередко одновременно. Даже освещение в XXI веке изменилось неузнаваемо со времён Эдисона. Традиционная лампа накаливания работала непосредственно от сети AC, а её светодиодный аналог предварительно выпрямляет синусоидальное напряжение, преобразуя затем его до нужных параметров без помощи дополнительных устройств.

Однако война токов может иметь своё продолжение в совсем недалёком будущем. Растущее количество источников DC, таких как солнечные батареи и ветряки, стало стимулом для разработки технологий транспортировки постоянного тока на большие расстояния при потерях, сопоставимыми с передачей AC. В мире уже построено несколько таких действующих объектов и, вполне возможно, через некоторое время они продемонстрируют на практике свои преимущества перед классическими энергосистемами.

Переменный ток и постоянный ток и его применение

Как переменный ток, так и постоянный ток описывает два типа тока, протекающего в цепи. В постоянном токе электрический заряд или ток течет в одном направлении. В переменном токе электрический заряд периодически меняет направление. Напряжение в цепях переменного тока также иногда меняется на противоположное, потому что ток меняет направление. Большая часть цифровой электроники, которую вы создаете, используя постоянный ток. Тем не менее, некоторые концепции переменного тока легко понять.Большинство домов подключено к сети переменного тока, поэтому, если вы хотите подключить свой проект мелодической коробки Tardis к розетке, вам нужно будет преобразовать переменный ток в постоянный. У переменного тока также есть некоторые полезные свойства, такие как возможность преобразовывать уровни напряжения с помощью одного компонента, например, трансформатора, поэтому изначально мы должны выбрать средства переменного тока для передачи электроэнергии на большие расстояния.


Что такое переменный ток (AC)

Переменный ток означает поток заряда, который периодически меняет направление.В результате уровень напряжения также меняется на противоположный вместе с током. AC используется для электроснабжения домов, зданий, офисов и т. Д.

Генерация переменного тока

переменного тока может быть произведен с помощью устройства, называемого генератором переменного тока. Это устройство представляет собой особый тип электрического генератора, предназначенного для выработки переменного тока.

Генерация переменного тока

Проволочная петля вращается внутри магнитного поля, которое индуцирует ток по проводу. Вращение провода происходит от различных ресурсов, таких как паровая турбина, ветряная турбина, проточная вода и так далее.Поскольку провод периодически поворачивается и меняет магнитную полярность, напряжение и ток на проводе чередуются. Вот небольшая анимация, демонстрирующая этот принцип:

Чтобы генерировать переменный ток в наборе водопроводных труб, мы подключаем механические характеристики поршня, который перемещает воду в трубах вперед и назад (наш «переменный» ток).

Формы сигналов

AC может иметь несколько форм сигналов, если ток и напряжение чередуются. Если мы подключим осциллограф к цепи переменного тока и построим график ее напряжения, в течение длительного времени мы можем увидеть несколько различных форм сигналов.Синусоидальная волна – наиболее распространенный тип переменного тока. Переменный ток в большинстве домов и офисов имеет колебательное напряжение, которое создает синусоидальную волну.

Синусоидальная волна

Другие формы переменного тока включают прямоугольную волну и треугольную волну. Прямоугольные волны часто используются в цифровой и переключающей электронике, а также используются для тестирования их работы.


Прямоугольная волна

Треугольная волна полезна для тестирования линейной электроники, такой как усилители.

Треугольная волна
, описывающая синусоидальную волну

Нам часто нужно описать форму волны переменного тока в математических терминах.В этом примере мы будем использовать обычную синусоидальную волну. Синусоидальная волна состоит из трех частей: частоты, амплитуды и фазы.

Рассматривая только напряжение, мы можем описать математическое уравнение синусоиды:

В (t) = Vp sin (2πft + Ø)

В (t) – это наше напряжение как функция времени, что означает, что наше напряжение изменяется с изменением времени.

ВП – амплитуда. Это описывает максимальное напряжение, которое наша синусоида может достигать в любом направлении, означает, что наше напряжение может быть + VP вольт, -VP вольт.

Функция sin () указывает, что наше напряжение будет в форме периодической синусоидальной волны, которая представляет собой плавные колебания около 0 В.

2π – это константа, которая преобразует частоту из циклов или герц в угловую частоту (радиан в секунду).

f указывает частоту синусоидальной волны. Это указывается в герцах или единицах в секунду.

t – наша зависимая переменная: время (измеряется в секундах). По мере того, как меняется время, наша форма волны меняется.

φ описывает фазу синусоидальной волны.Фаза – это мера того, насколько сдвинута форма сигнала во времени. Часто это число от 0 до 360, которое измеряется в градусах. Из-за периодической природы синусоидальной волны, если форма волны сдвинута на 360 °, она снова становится такой же, как если бы она была сдвинута на 0 °. Для простоты мы предполагаем, что в остальной части этого руководства фаза равна 0 °.

Мы можем обратиться к нашей надежной розетке за хорошим примером того, как работает форма сигнала переменного тока. В Соединенных Штатах в наши дома подается питание переменного тока с размахом 170 В (амплитуда) и 60 Гц (частота).Мы можем подставить эти числа в нашу формулу, чтобы получить уравнение

В (t) = 170 sin (2π60t)

Мы можем использовать наш удобный графический калькулятор, чтобы построить график этого уравнения. Если графического калькулятора нет, мы можем использовать бесплатную онлайн-программу для построения графиков, такую ​​как Desmos.

Приложения

Розетки для дома и офиса почти всегда используются в сети переменного тока. Это связано с тем, что создание и транспортировка переменного тока на большие расстояния относительно просты. При высоком напряжении, например, более 110 кВ, при передаче электроэнергии теряется меньше энергии.Более высокие напряжения означают более низкие токи, а более низкие токи означают меньшее тепловыделение в линии электропередачи из-за сопротивления. Переменный ток можно легко преобразовать из высокого напряжения с помощью трансформаторов.

AC также может питать электродвигатели. Двигатели и генераторы – это одно и то же устройство, но двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Это полезно для многих крупных бытовых приборов, таких как холодильники, посудомоечные машины и т. Д., Которые работают от сети переменного тока.

Что такое постоянный ток (DC)

Постоянный ток означает однонаправленный поток электрического заряда.Он производится из таких источников, как батареи, источники питания, солнечные элементы, термопары или динамо-машины. Постоянный ток может течь в проводнике, таком как провод, но также может течь через изоляторы, полупроводники или вакуум, как в электронных или ионных пучках.

Генерация постоянного тока

DC может быть сгенерирован несколькими способами

  • Генератор переменного тока, оснащенный устройством, называемым «коммутатор», может производить постоянный ток.
  • Преобразование переменного тока в постоянный с помощью устройства, называемого «выпрямитель».
  • Батареи обеспечивают постоянный ток, который образуется в результате химической реакции внутри батареи

Используя нашу аналогию с водой снова, DC подобен резервуару с водой со шлангом на конце.

Генерация DC

. Бак может выталкивать воду только в одном направлении: из шланга. Как и в случае с нашей батареей постоянного тока, когда резервуар опустеет, вода больше не течет по трубам.

Описание DC

DC определяется как «однонаправленный» ток; и ток течет только в одном направлении. Напряжение и ток могут изменяться в течение длительного времени, поэтому направление потока не меняется. Для упрощения предположим, что напряжение является постоянным. Например, батарея обеспечивает 1.5 В, которое можно описать математическим уравнением как:

В (t) = 1,5 В

Если построить график с течением времени, мы увидим постоянное напряжение

График DC

Приведенный выше график означает, что мы можем рассчитывать на то, что большинство источников постоянного тока обеспечат постоянное напряжение во времени. На самом деле батарея будет медленно разряжаться, а это означает, что напряжение будет падать по мере использования батареи. В большинстве случаев мы можем предположить, что напряжение постоянно.

Приложения

Все проекты электроники и запчасти для продажи на SparkFun работают на DC.Все, что работает от батареи, подключается к стене с помощью адаптера переменного тока или использует USB-кабель для питания, зависит от постоянного тока. Примеры электроники постоянного тока включают:

  • Сотовые телефоны
  • Фонари \
  • D&D Dice Gauntlet на основе LilyPad
  • Телевизоры с плоским экраном (переменный ток переходит в телевизор, который конвертируется в постоянный ток)
  • Гибридные и электромобили

Таким образом, речь идет о переменном токе, постоянном токе и их применениях.Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые сомнения относительно этой концепции или любых электрических и электронных проектов, пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, чем отличается переменный ток от постоянного ?

Фото:

Переменный ток – Energy Education

Переменный ток (AC) – это тип электрического тока, вырабатываемого подавляющим большинством электростанций и используемого в большинстве систем распределения электроэнергии.Переменный ток дешевле генерировать и имеет меньше потерь энергии, чем постоянный ток при передаче электроэнергии на большие расстояния. [1] Хотя для очень больших расстояний (более 1000 км) постоянный ток часто может быть лучше. В отличие от постоянного тока направление и сила переменного тока меняются много раз в секунду.

Недвижимость

Рис. 1. Анимация из моделирования [2] переменного тока PhET, которое было значительно замедлено.См. Постоянный ток для сравнения.

Переменный ток меняет направление потока заряда (60 раз в секунду в Северной Америке (60 Гц) и 50 раз в секунду в Европе (50 Гц)). Обычно это вызвано синусоидально изменяющимися током и напряжением, которые меняют направление, создавая периодическое движение назад и вперед для тока (см. Рисунок 1). Несмотря на то, что этот ток течет вперед и назад много раз в секунду, энергия по-прежнему непрерывно течет от электростанции к электронным устройствам.{2} R [/ math]

Мощность, передаваемая по линии, однако, имеет другое выражение:

[математика] P_ {передано} = IV [/ математика]

Как видно из первого уравнения, мощность, потерянная при передаче, пропорциональна квадрату тока через провод. Следовательно, предпочтительно минимизировать ток через провод, чтобы уменьшить потери энергии.Конечно, минимизация сопротивления также уменьшит потери энергии, но ток оказывает гораздо большее влияние на количество потерянной энергии из-за того, что его значение возводится в квадрат. Второе уравнение показывает, что если напряжение увеличивается, ток уменьшается эквивалентно для передачи той же мощности. Следовательно, напряжение в линиях передачи очень высокое, что снижает ток, что, в свою очередь, сводит к минимуму потери энергии при передаче. Вот почему переменный ток предпочтительнее постоянного тока для передачи электричества, так как намного дешевле изменить напряжение переменного тока.Однако существует предел, при котором больше не выгодно использовать переменный ток по сравнению с постоянным током (см. Передача HVDC).

Использование и преимущества

Большинство устройств (например, большие заводские динамо-машины), которые напрямую подключены к электросети, работают на переменном токе, а электрические розетки в домах и коммерческих помещениях также подают переменный ток. Устройства, которым требуется постоянный ток, например ноутбуки, обычно имеют адаптер переменного тока, который преобразует переменный ток в постоянный. [5]

Переменный ток является предпочтительным во всем мире, поскольку он имеет много явных преимуществ по сравнению с постоянным током. Для полной разбивки различий между ними см. AC vs DC. Некоторые преимущества включают: [6]

  • Дешевое и эффективное повышение напряжения с помощью трансформаторов. Как объяснялось выше, это позволяет осуществлять энергоэффективную передачу электроэнергии по линиям электропередач. Эта эффективная передача электроэнергии экономит энергетическим компаниям и потребителям много денег и помогает уменьшить загрязнение, поскольку электростанциям не нужно компенсировать потерю электроэнергии за счет использования большего количества топлива.
  • Низкие затраты на техническое обслуживание высокоскоростных двигателей переменного тока.
  • Легко отключить ток (например, с помощью автоматического выключателя), поскольку ток естественным образом стремится к нулю каждые 1/2 цикла. Например, автоматический выключатель может отключать примерно 1/20 постоянного тока от переменного тока.

Phet Simulation

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета, которая исследует, как работает переменный ток.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Какие виды использования постоянного тока?

Переменный и постоянный ток – два основных метода передачи электроэнергии.Постоянный ток чаще всего используется в объектах с батарейным питанием, а также в домашней электронике, в то время как переменный ток является основой для наиболее эффективной передачи энергии на большие расстояния. В приборах часто есть устройства, известные как инверторы, для преобразования переменного тока, который может использоваться только простейшими устройствами, на постоянный ток, который можно использовать в электронике благодаря своей стабильности потока. Технологии переменного и постоянного тока когда-то были конкурирующими технологиями. Технология постоянного тока является самой древней технологией и восходит к Багдадской батарее, найденной в Худжут-Рабу в 250 г. до н. Э.C., хотя ученые могут только предполагать, для чего он использовался.

Чем отличаются переменный и постоянный ток

Обычному человеку переменный и постоянный ток могут показаться очень похожими, поскольку оба являются электричеством; однако разница заключается в форме волны передаваемого электричества. Форма волны постоянного тока, если рассматривать ее в виде диаграммы, проиллюстрирована гладкой и менее изменчивой линией, похожей на рябь в пруду, которая остается почти полностью стабильной. Форма волны переменного тока чередуется между периодами высокого и низкого напряжения, создавая общий вид прямоугольной формы волны, быстро меняющейся под прямым углом на диаграмме.Еще одно важное отличие состоит в том, что постоянный ток движется только в одном направлении, а переменный – в двух. Частота этого изменения известна как цикл Герца. Разница между двумя уровнями напряжения служит для уменьшения коллизий, вызывающих потерю энергии во время передачи, что делает переменный ток лучшим форматом передачи на большие расстояния по сравнению с постоянным током, который страдает высокой степенью потерь энергии во время передачи.

Постоянный ток в электронике

Постоянный ток используется в любом устройстве, имеющем печатную плату, поскольку микросхемы в этих устройствах требуют постоянного однонаправленного потока электронов для работы и хранения данных.Каждый домашний ПК имеет встроенный в систему инвертор постоянного тока, который затем обеспечивает питание постоянного тока остальным устройствам внутри корпуса. Ноутбуки – совсем другое дело, так как они содержат батарею, которая уже дает питание в формате постоянного тока. Любой, кто брал с собой ноутбук в дорогу, знаком с громоздкой коробкой, расположенной где-то на шнуре питания, которая также является преобразователем постоянного тока. Постоянный ток также необходим для работы большинства электродвигателей; эти двигатели запускают все, от привода оптических дисков и вращения жесткого диска в компьютере до движений манипулятора на заводе-изготовителе.

Постоянный ток в производстве электроэнергии

Самые простые электрические генераторы вырабатывают энергию в формате постоянного тока, который затем преобразуется через трансформатор в формат переменного тока для передачи. Причина этого в том, что генераторы постоянного тока гораздо проще сконструировать, и они максимально используют энергию вращения, которую они используют. Другая причина того, что генераторы постоянного тока более популярны, заключается в том, что генераторы переменного тока требуют обширного инженерного оборудования и оборудования для фазовой синхронизации, размещенного последовательно друг с другом, тогда как постоянный ток легко поддается параллельной схеме.

Почему постоянный ток не используется в домах: все недостатки

– Реклама –

Ответ на вопрос, почему постоянный ток не используется в домах, восходит к внутренним характеристикам постоянного тока и их слабости по сравнению с переменным током (AC) . Фактически, переменные токи могут легко передаваться на большие расстояния без больших потерь. Они также более безопасны при прямом контакте при равном напряжении. В этой статье мы пытаемся разобраться в этом вопросе.

Характеристики постоянного и переменного тока

Электричество определяется как ток электронов в проводнике, таком как провод.Поток электроэнергии устанавливается двумя способами, включая переменный и постоянный ток. Принципиальная разница между переменным и постоянным токами заключается в направлении движения электронов.

DC означает постоянный ток. Постоянный ток определяется как однонаправленный ток электричества. В постоянном токе электроны перемещаются из зоны отрицательного заряда в зону положительного заряда без какого-либо изменения направления. Это состояние несмотря на переменные токи, при которых ток может двигаться в обоих направлениях. Постоянный ток может проходить как через проводящие, так и через полупроводниковые материалы.

В постоянном токе сила тока изменяется со временем, но направление тока остается неизменным. Согласно определению, постоянный ток – это ток, полярность которого никогда не меняется.

Символы переменного и постоянного тока (Ссылка: quora.com )

Переменный ток – это поток заряда, который периодически меняет свое направление. Следовательно, уровень напряжения меняется вместе с током. Переменный ток – это тип тока, который используется для передачи энергии в места, где люди живут или путешествуют, например, дома, промышленные предприятия или другие здания.

Генератор переменного тока вырабатывает переменный ток. В магнитном поле индуцированный ток течет по петле из вращающейся проволоки. Вращение проволоки осуществляется разными способами, например, от любых турбин (ветряных, водяных, паровых и т. Д.).

Из-за того, что провод закручивается и периодически проникает в различные магнитные поля, напряжение и ток внутри провода чередуются. Следовательно, ток может иметь разные формы, такие как синусоидальная, квадратная, треугольная или другие формы волны.Наиболее распространенной формой тока является форма синуса.

Синусоидальная форма переменного напряжения выражается следующим уравнением.

В \ left (t \ right) = V_p {\ mathrm {sin} \ left (2 \ pi ft + \ mathrm {\ Phi} \ right) \}

В (t) – это напряжение, которое является функцией времени, а V p – амплитудой. Переменная f – это частота волны. Кроме того, t – независимая переменная. Наконец, Φ – это фаза синусоидальной волны.

Например, аккумулятор использует постоянный ток для передачи тока в электрическую цепь, в которой он присутствует. В аккумуляторной системе электрическая энергия вырабатывается из химической энергии, хранящейся в аккумуляторе. При подключении аккумулятора к электрической цепи обеспечивается постоянный ток заряда от отрицательного полюса аккумулятора к положительному.

На следующем рисунке показана разница между формами сигналов постоянного и переменного тока.

осциллограмм переменного и постоянного тока (Артикул: elprocus.com )

Постоянный и переменный токи могут быть преобразованы друг в друга. Инвертор используется для преобразования постоянного тока в переменный, а выпрямитель используется для преобразования переменного тока в постоянный.

Объяснение причины, почему ток постоянного тока C равен N или U sed в H omes

Как правило, основной источник постоянного тока генерируется батареями, электрохимические или фотоэлектрические элементы. Однако наиболее предпочтительным в мире является AC.В соответствии с этим сценарием переменный ток преобразуется в постоянный.

Переменный ток обычно применяется в системах распределения электроэнергии по разным причинам. Самая значимая причина – готовность перейти с одного напряжения на другое. Сделать это с помощью DC значительно сложнее и дороже. Таким образом, чтобы преобразовать постоянный ток, переменный ток генерируется электронными схемами, а затем преобразовывается с помощью трансформатора и выпрямителя в постоянный ток.

Процесс преобразования переменного тока в постоянный происходит последовательно.Сначала в блоке питания есть трансформатор, который позже преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителя. Он ограничивает реверсирование тока, а фильтр используется для удаления пульсаций тока на выходе выпрямителя.

Огромное количество энергии переменного тока может быть преобразовано почти в любое желаемое напряжение с очень небольшой потерей энергии с использованием электрического трансформатора, включая катушки с соединенными генерируемыми магнитными полями.

Все проводники, переносящие электричество при комнатной температуре, обладают электрическим сопротивлением и поэтому нагреваются во время электрического тока.2

Для уменьшения потерь энергии важно поддерживать на низком уровне как сопротивление, так и электрический ток. Более низкий ток значительно важнее сопротивления из-за экспоненциального влияния на потери.

Мощность рассчитывается путем умножения вольт на амперы.

P = VI

Таким образом, для удельной мощности напряжение должно быть высоким, когда ток остается низким. В следующем уравнении числитель дроби постоянный, но знаменатель становится больше, поэтому произведение дроби уменьшается.

V = \ frac {P} {I}

Огромные трансформаторы используются в линиях электропередачи для управления высокими значениями напряжения с целью минимизации потерь.

Однако высокое напряжение небезопасно, особенно для жизни человека, поэтому вводить ток высокого напряжения в дом – недопустимое действие.

Затем мощность переменного тока быстро и эффективно преобразуется в почти безопасное напряжение на местных трансформаторах по месту жительства. Сделать это с DC не так просто и дешево.

Генератор энергосистемы в домах (Ссылка: windows2universe.org )

Итак, здесь мы можем обобщить все причины, по которым постоянный ток не используется в домах.

  • Функционально напряжение постоянного тока не может перемещаться очень далеко, если оно не начинает терять энергию.
  • Переменный ток надежно передается на большие расстояния в городах и генерирует больше энергии.
  • Постоянный ток более опасен, чем переменный, для того же напряжения, поскольку его проблематично высвободить при прикосновении, поскольку напряжение не превышает нуля.Мышцы сокращаются с постоянной силой в случае постоянного тока.
  • Электролитическая коррозия более вероятна при постоянном токе, чем при переменном токе.
  • Дуги постоянного тока гаснут не так быстро, потому что напряжение не проходит через ноль.
  • Асинхронные двигатели переменного тока несложно создать и сохранить. Двигатели постоянного тока нуждаются в коммутаторе и щетках или сложной электронной системе переключения.
  • С помощью трансформатора переменный ток можно легко преобразовать из высокого напряжения в низкое и наоборот.Таким образом, замечательным преимуществом переменного напряжения перед постоянным является повышение и понижение напряжения в зависимости от требований.
  • Производство переменного тока и связь могут выполняться с использованием меньшего количества подстанций, чем постоянного тока.
  • Если человеческое тело поражено переменным током, переменный ток входит в человеческое тело и выходит из него через определенные промежутки времени. Однако постоянный ток постоянно доставляет неудобства человеческому организму.
  • Место, окруженное переменным током больше постоянного.
Передача электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния (Артикул: peoi.org )

Сравнение приложений переменного и постоянного тока

Переменный ток в основном используется в отрасли производства и транспортировки электроэнергии. AC обеспечивает электричеством почти каждое домашнее хозяйство по всему миру. ДК в основном не применяется для этих целей по ряду причин. Например, выделение тепла из-за больших потерь мощности по сравнению с переменным током, более значительной опасности возникновения пожара, больших затрат и проблем, связанных с преобразованием высокого напряжения и низкого тока в низкое напряжение и высокий ток с помощью трансформаторов.

Переменный ток – более популярный ток в электродвигателях, машинах, преобразующих электрическую энергию в механическую. Постоянный ток часто встречается в устройствах, содержащих батареи, которые заряжаются путем подключения адаптера переменного тока к постоянному току в розетку или с помощью кабеля USB для зарядки. Примеры включают мобильные телефоны, фонарики, современные телевизоры и гибридные автомобили.

В Китае был реализован проект, согласно которому по линиям электропередачи постоянного тока подается энергия в дома с меньшими потерями энергии, чем по линиям переменного тока. Это показывает, что использование постоянного тока в домашних условиях становится все более популярным.Кроме того, компания Siemens установила линию постоянного тока высокого напряжения (HVDC) протяженностью 65 миль. Такие проекты могут беспрецедентно использовать возобновляемые источники энергии.

Тем не менее, хотя более высокие напряжения постоянного тока обычно вызывают более опасную передачу энергии и мониторинг сетей постоянного тока может быть сложной задачей, большие напряжения переменного тока могут быть снижены до более надежных уровней, когда они передаются от электростанции.

Заключение

С учетом всех вышеперечисленных описаний эксперты тестируют и представляют самый простой способ передачи энергии.Передача энергии переменным током зарекомендовала себя неоднократно. Кроме того, напряжение постоянного тока достигает точки, которая больше не считается неэффективным методом. Однако переменное напряжение по-прежнему остается самым надежным способом подачи энергии.

– Реклама –

Зависимость переменного тока (AC) от постоянного (DC)

Электрический ток – это количество электрических зарядов, проходящих через провод по отношению ко времени. Когда батарея подключается через проводник, электроны перемещаются от отрицательной клеммы к положительной клемме батареи.Они движутся с очень высокой скоростью (превышающей скорость света) и, таким образом, производят некоторое количество тепловой энергии. Благодаря этому светятся лампочки.

Электрический ток подразделяется на два типа: переменного тока, (переменного тока) и постоянного тока, (постоянный ток). Разница в том, что постоянный ток течет в одном направлении, тогда как переменный ток быстро меняет свое направление. И переменный, и постоянный ток имеют свое собственное применение, но переменный ток является более распространенным типом тока, который мы используем сегодня дома, в офисе и т. Д.

Никола Тесла и Томас Эдисон изобрели переменный и постоянный ток соответственно. Они боролись за стандартизацию нынешних обозначений. В конце концов, AC выиграл битву, когда запустил France Fair и, наконец, появился на свет.

Переменный ток (AC)

Электрический ток – это ток, который меняет направление много раз в секунду с регулярными интервалами. Обычно используется в источниках питания. Количество раз, когда ток меняет свое направление за одну секунду, можно определить как частоту переменного тока.50 Гц. частота означает, что она изменяется 50 раз в секунду. Частота в США 60 Гц. в то время как в Индии это 50 Гц.

переменного тока генерируется устройствами, называемыми генераторами переменного тока. Генератор – это машина, преобразующая механическую энергию в переменный ток. Он работает по принципу закона электромагнитной индукции Фарадея. Здесь механические источники механической энергии включают паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания и водяные турбины. Сегодня генератор обеспечивает почти всю мощность электрических сетей.

Форма волны переменного тока

AC может быть представлен множеством форм сигналов, таких как треугольная волна, прямоугольная волна, но наиболее распространенным представителем является синусоидальная волна. Он представлен амплитудой и временем. Амплитуда – это пиковое значение тока.

Форма сигнала переменного тока

Применения переменного тока:

AC широко используется в отраслях транспорта и производства электроэнергии. Практически каждый дом питается от сети переменного тока. Переменный ток также используется для питания электродвигателей. Постоянный ток не используется для электроснабжения домов из-за высокого риска затрат и преобразования напряжений.

Преимущества AC:

  • Переменный ток генерировать легче, чем постоянный.
  • Это дешевле.
  • Потери энергии при передаче незначительны.
  • AC можно легко преобразовать в постоянный ток.
  • Легко передать.
  • В переменном токе сопротивление больше постоянного.

Недостатки АС:

  • При высоком напряжении опасно работать с переменным током, поскольку удар переменного тока привлекателен, но удар постоянного тока имеет отталкивающий характер.
  • AC неэффективен и требует управления коэффициентом мощности для повышения эффективности.
  • Большинство устройств не работают напрямую от сети переменного тока.

Постоянный ток (DC)

Под постоянным током понимаются электрические заряды, протекающие в одном направлении. Этот тип тока чаще всего вырабатывается батареями.

Форма сигнала постоянного тока

Цепи постоянного тока имеют однонаправленный поток тока и, как и переменный ток, он не меняет направление периодически.

Форма сигнала постоянного тока представляет собой чистую синусоидальную волну.Как видите, напряжение постоянно во времени.

Форма сигнала постоянного тока

Приложения постоянного тока:

Питание постоянного тока широко применяется в низковольтных устройствах, таких как зарядка аккумуляторов, автомобильных и авиационных приложениях, а также почти во всех электронных устройствах, таких как мобильный телефон, музыкальные плееры и т. Д.

Преобразование переменного тока в постоянный:

Получаем DC от следующих вещей:

  1. Батареи, в которых происходят химические реакции, а затем эта химическая энергия преобразуется в электрическую.
  2. Преобразование переменного тока в постоянный через выпрямитель. Выпрямитель – это электронная схема, преобразующая переменный ток в постоянный. Эти выпрямители можно увидеть в наших мобильных зарядных устройствах, аккумуляторных батареях и т. Д. Большинство устройств питаются или заряжаются косвенно от переменного тока, а затем этот переменный ток преобразуется в постоянный ток.

Источники переменного и постоянного тока:

Источники переменного и постоянного тока могут быть обозначены этими символами.

Обозначения источников напряжения переменного и постоянного тока

Направление тока изменяется с регулярным интервалом времени в источнике переменного тока, в то время как в источнике постоянного тока изменение направления является постоянным.Вы можете увидеть разницу на рисунке ниже:

Направление тока

Преимущества DC:

  1. Он может питать большинство электронных устройств.
  2. Хранить DC легко.
  3. DC менее опасен, чем переменный ток, потому что постоянный ток отталкивает.

Недостатки ДЦ:

  1. Дороже в производстве.
  2. Трудно транспортировать.
  3. Трудно генерировать постоянный ток по сравнению с переменным током.

Зависимость переменного тока (AC) от постоянного (DC)

Томас Эдисон предложил сеть электростанций, которые вырабатывают энергию постоянного тока, и они могут обеспечивать электроэнергией дома ближе к 1 миле от этой электростанции. DC очень сложно перевезти из одного места в другое. Итак, Тесла придумал источник переменного тока, но Эдисон считал этот тип тока чрезвычайно опасным. Затем Westinghouse работал над системой распределения электроэнергии, используя патенты Tesla. Переменный ток можно легко транспортировать из одного места в другое с помощью трансформатора.Это может обеспечить электроэнергией дома, расположенные за много миль от электростанций, и, таким образом, охватить большее количество людей. AC наконец появился, когда он успешно работал на выставке France Fair.

Разница между переменным током (AC) и постоянным током (DC)

Основное различие между переменным и постоянным током – это их направления. Переменный ток меняет свое направление через равные промежутки времени, в то время как постоянный ток является однонаправленным потоком. Благодаря множеству преимуществ переменного тока, он используется для питания наших домов и офисов, в то время как постоянный ток используется для питания маломощных устройств.Переменный ток легче преобразовывать между уровнями напряжения, что делает передачу высокого напряжения более возможной. Напротив, постоянный ток присутствует почти во всей электронике.

Сводка

Таким образом, переменный и постоянный ток – это два типа электрического тока. У обоих есть свои преимущества и недостатки. Переменный ток более широко используется для питания зданий и офисов, в то время как постоянный ток более широко используется для питания электронных устройств. Наш образ жизни зависит от них обоих.

переменного тока против мощности постоянного тока и война токов

Многие из нас не понимают, как работает электричество.Достаточно того, что работает – вы включаете выключатель, и в комнате загорается свет. Поэтому может показаться удивлением узнать, что на самом деле существует два разных вида электричества, которые мы используем для питания многих устройств в нашей жизни. Они известны как переменный и постоянный ток или переменный и постоянный ток (не рок-группа 70-х годов).

Проще говоря, постоянный ток течет только в одном направлении, а переменный ток течет вперед и назад. Например, фонарик работает на постоянном токе, а заряд идет от аккумулятора и питает лампочку.С другой стороны, потолочный светильник в вашем доме использует переменный ток, полярность которого постоянно меняется, поскольку он проходит через электрическую систему вашего дома.

Но зачем нам два разных типа электричества и как были разработаны эти дуэльные системы? Ответ кроется в ожесточенном соперничестве между парой самых известных изобретателей в американской истории.

Истоки постоянного тока

До 1870-х годов люди полагались на газовые лампы, свечи или фонари, чтобы освещать свое окружение в ночное время.Были достигнуты успехи в элементарных батареях и электрическом освещении, но ничего достаточно практичного для повседневного использования. Все изменилось, когда Томас Эдисон изобрел лампу накаливания в 1879 году, которая была намного надежнее, чем все, что было раньше.

С появлением электрических лампочек появилась возможность снабжать электроэнергией дома и даже целые города, и Эдисон стремился захватить растущий рынок. Его лампы работали от постоянного тока, вырабатываемого электростанциями, известными как динамо-машины, которые использовали паровые двигатели для выработки электроэнергии.Изобретатель возглавил создание многочисленных электростанций постоянного тока в Нью-Йорке в 1880-х годах через свою компанию Edison Electric, предшественницу General Electric.

Электрическое освещение в домах и на предприятиях было откровением, но использование электричества постоянного тока имело свои недостатки. Электроэнергия поступала непосредственно от генерирующего объекта на 110 вольт, и могла пройти около мили или около того, прежде чем она потеряла слишком много напряжения. Это означало, что для строительства электростанций в городе будет использовано много ценной недвижимости, а сельские общины вообще не попадут в энергетическую революцию.

Повышение переменного тока

У одного из сотрудников Эдисона, молодого человека по имени Николай Тесла, возникла идея устранить некоторые недостатки постоянного тока. Тесла изобрел двигатель, вырабатывающий переменный ток. Переменный ток вырабатывается, что вполне уместно, с помощью генератора переменного тока, который вращает магнит внутри катушки с проводом, который создает электричество с постоянно меняющейся полярностью, когда провод взаимодействует с чередующимися сторонами магнитного поля.

Помимо самой новой формы электричества, ключом к идее Теслы были трансформаторы или катушки разных размеров для изменения напряжения электричества.Благодаря мощности трансформаторов переменный ток стал выгодным для крупномасштабной генерации и распределения, потому что чем выше напряжение, тем эффективнее передача. Линии высокого напряжения слишком опасны для проникновения в здание, но с помощью трансформатора напряжение можно снизить до более безопасного уровня по мере приближения к конечному пункту назначения – домам и офисам.

Напряжение постоянного тока было нелегко изменить, поэтому оно оказалось гораздо менее полезным для масштабных операций, так как вам остается выбор либо передавать при низком, неэффективном напряжении, либо отправлять опасно высокие уровни напряжения в дома людей. .

Война токов

Несмотря на обещание, проявленное изобретениями Теслы, Эдисон не был заинтересован в содействии развитию технологии, поэтому Тесла ушел, чтобы начать действовать самостоятельно. Результатом стал ряд патентов, которые он продал в 1888 году Джорджу Вестингаузу, основателю Westinghouse Electric Company.

Компании Westinghouse и Эдисона яростно боролись за прибыльные права на электрификацию американских городов в соревновании, получившем название «Война течений». Эдисон начал кампанию по лоббированию, которая пропагандировала опасность переменного тока в попытке предотвратить распространение изобретения Теслы.Чтобы продемонстрировать, что кондиционер может быть в буквальном смысле смертельным, сотрудники Эдисона изобрели электрический стул переменного тока, который использовался в штате Нью-Йорк для казни осужденных заключенных. Эдисон даже публично продемонстрировал, как убивал бездомных животных электрическим током, используя переменный ток, в своих попытках отвлечь публику от конкурирующей системы.

Конкуренция достигла апогея на Всемирной выставке 1893 года в Чикаго, когда Tesla выиграла контракт на поставку электроэнергии. Решающий удар пришелся на три года спустя, когда Джордж Вестингауз использовал Ниагарский водопад для питания генератора переменного тока, который принес электричество в Баффало на 26 миль в 1896 году.Таким образом, переменный ток доказал свою полезность и продолжил доминировать в электроэнергетическом секторе, поскольку в течение долгих лет и десятилетий в домах по всей территории Соединенных Штатов загорался свет.

Производство переменного и постоянного тока сегодня

В последние десятилетия технология генерации и передачи постоянного тока высокого напряжения, или HVDC, появилась на рынке, и в некоторых случаях работает более эффективно, чем переменный ток, но переменный ток по-прежнему является подавляющим победителем в электрической сети.

Большинство типов электростанций спроектированы на основе тех же основных принципов, что и генератор переменного тока Теслы, создавая переменный ток с помощью вращающегося магнитного поля. Угольные, газовые и атомные электростанции работают за счет нагрева воды и использования пара для вращения генератора, в то время как гидроэлектростанции и ветряные электростанции используют энергию природы для непосредственного вращения турбин.

Солнечные панели, напротив, вырабатывают постоянный ток. Если электричество подается в сеть или для питания электрической системы дома, его необходимо сначала преобразовать в переменный ток с помощью инвертора.В остальном наиболее распространенными источниками питания постоянного тока являются батареи. Соответственно, постоянный ток намного легче хранить, так как крупномасштабные аккумуляторы быстро распространяются вместе с производством возобновляемой энергии, у постоянного тока есть еще одна возможность закрепиться в электрической сети.

По высоковольтным линиям электропередачи обычно подается электричество переменного тока с напряжением около 345 000 вольт, а по местным линиям электропередачи – около 13 800 вольт, что по-прежнему чрезвычайно опасно для любого, кто вступает в контакт.К тому моменту, когда он достигает вашего дома, напряжение понижается с помощью трансформаторов до 120–240 вольт, чтобы вы могли безопасно питать свои электрические устройства и приборы.

Что для вас означают разные типы тока

Как переменный, так и постоянный ток играют важную роль в среднем домохозяйстве. Бытовая техника в вашем доме, например, холодильник, стиральная и посудомоечная машины, используют переменный ток. В домах, которые не подключены к газу, большинство печей, водонагревателей, духовок и сушилок также работают от переменного тока.

Но у постоянного тока есть свои применения. Переменная часть переменного тока происходит быстро – в Соединенных Штатах электроны меняют направление 60 раз в секунду, также известное как 60 Гц. Однако, несмотря на то, что изменение происходит так быстро, каждый раз, когда ток меняет направление, возникают крошечные потери мощности. Это не проблема для лампочек или других приборов, которые рассчитаны на использование переменного тока, но современная чувствительная электроника не справляется даже с неизмеримо короткими перерывами в подаче электроэнергии.

Вот почему многие новые устройства, такие как зарядные устройства для сотовых телефонов, компьютеры и телевизоры, используют постоянный ток, используя адаптеры питания для преобразования переменного тока, поступающего из настенных розеток. Рынок постоянного тока будет продолжать расширяться за счет электромобилей, которые работают на постоянном токе от своих батарей.

Следовательно, хотя Война Токов, возможно, закончилась более 100 лет назад, конкуренция между переменным и постоянным током за власть в нашей повседневной жизни продолжается.

20,5: Переменный ток в сравнении с постоянным

Переменный ток

Большинство рассмотренных до сих пор примеров, особенно те, которые используют батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он также становится постоянным. Постоянный ток (DC) – это поток электрического заряда только в одном направлении. Это установившееся состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник напряжения, изменяющийся во времени. Переменный ток (AC) – это поток электрического заряда, который периодически меняет направление. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь называется цепью переменного тока. Примеры включают коммерческую и бытовую энергетику, которая удовлетворяет многие наши потребности. На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичных источников постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (a) Напряжение и ток постоянного тока постоянны во времени после установления тока. (b) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока частотой 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и совпадают по фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковое напряжение источников переменного тока сильно различаются.

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана схема простой схемы с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано на рисунке: напряжение переменного тока определяется как \ [V = V_ {0} sin 2 \ pi ft, \ label {20.6.1} \], где \ (V \) – напряжение в момент времени \ (t \), \ (V_ {0} \), \ (V_ {0} \) – пиковое напряжение, а \ (f \) – частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления \ (I = V / R \), поэтому переменный ток равен

\ [I = I_ {0} sin 2 \ pi ft, \ label {20.6.2} \]

, где \ (I \) – ток в момент времени \ (t \), а \ (I_ {0} = V_ {0} / R \) – пиковый ток. В этом примере считается, что напряжение и ток находятся в фазе, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1b} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): разность потенциалов \ (V \) между выводами источника переменного напряжения колеблется, как показано.Математическое выражение для \ (V \) дается \ (V = V_ {0} sin 2 \ pi ft \).

Ток в резисторе меняется взад и вперед, как напряжение возбуждения, поскольку \ (I = V / R \). Например, если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, она становится ярче и гаснет 120 раз в секунду по мере того, как ток постоянно проходит через ноль. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстро для ваших глаз, но если вы помахаете рукой вперед и назад между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе.{2} 2 \ pi ft \), как показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): мощность переменного тока как функция времени. Поскольку напряжение и ток здесь синфазны, их произведение неотрицательно и колеблется от нуля до \ (I_ {0} V_ {0} \). Средняя мощность равна \ (\ left (1/2 \ right) I_ {0} V_ {0} \).

Установление соединений: домашний эксперимент — AC / DC Lights

Помашите рукой между лицом и люминесцентной лампой. Вы наблюдаете то же самое с фарами на своей машине? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение: Не смотрите прямо на очень яркий свет.

Чаще всего нас интересует средняя мощность, а не ее колебания – например, у лампочки 60 Вт в настольной лампе средняя потребляемая мощность 60 Вт. Как показано на рисунке 3, средняя мощность \ (P_ {ave} \) равна \ [P_ {ave} = \ frac {1} {2} I_ {0} V_ {0}. \ label {20.6.3} \] Это видно из графика, поскольку области выше и ниже линии \ (\ left (1/2 \ right) I_ {0} V_ {0} \) равны, но также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств.Точно так же мы определяем средний или действующего тока \ (I_ {rms} \) и среднее значение или среднеквадратичное напряжение \ (V_ {rms} \), соответственно, равным

\ [I_ {rms} = \ frac {I_ {0}} {\ sqrt {2}} \ label {20.6.4} \]

и

\ [V_ {rms} = \ frac {V_ {0}} {\ sqrt {2}}. \ Label {20.6.5} \]

, где среднеквадратичное значение означает среднеквадратичное значение, особый вид среднего. Как правило, для получения среднеквадратичного значения конкретная величина возводится в квадрат, определяется ее среднее значение (или среднее значение) и извлекается квадратный корень.Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Теперь \ [P_ {ave} = I_ {rms} V_ {rms}, \ label {20.6.6} \], что дает

\ [P_ {ave} = \ frac {I_ {0}} {\ sqrt {2}} \ cdot \ frac {V_ {0}} {\ sqrt {2}} = \ frac {1} {2} I_ {0} V_ {0}, \ label {20.6.7} \]

, как указано выше. Стандартная практика – указывать \ (I_ {rms} \), \ (V_ {rms} \) и \ (P_ {ave} \), а не пиковые значения. Например, большая часть бытовой электроэнергии составляет 120 В переменного тока, что означает, что \ (V_ {среднеквадратичное значение} \) равно 120 В. Обычный автоматический выключатель на 10 А прерывает постоянный \ (I_ {среднеквадратичное значение} \) более 10 А.Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет \ (P_ {ave} = 1,0 кВт \) и так далее. Вы можете рассматривать эти среднеквадратичные и средние значения как эквивалентные значения постоянного тока для простой резистивной цепи.

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

\ [I_ {rms} = \ frac {V_ {rms}} {R}. \ Label {20.6.8} \]

Различные выражения для мощности переменного тока \ (P_ {ave} \):

\ [P_ {ave} = I_ {rms} V_ {rms}, \ label {20.{2} _ {rms} R. \ label {20.6.11} \]

Пример \ (\ PageIndex {1} \): пиковое напряжение и мощность для переменного тока

(a) Каково значение пикового напряжения для сети 120 В переменного тока?

Стратегия

Нам говорят, что \ (V_ {rms} \) составляет 120 В, а \ (P_ {ave} \) – 60,0 Вт. Мы можем использовать \ (V_ {rms} = \ frac {V_ {0}} {\ sqrt { 2}} \), чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданной средней мощности.

Решение
Решая уравнение \ (V_ {rms} = \ frac {V_ {0}} {\ sqrt {2}} \) для пикового напряжения \ (V_ {0} \) и подставляя известное значение для \ (V_ {rms} \) дает \ [V_ {0} = \ sqrt {2} V_ {rms} = 1.414 \ влево (120 В \ вправо) = 170 В. \]

Обсуждение

Это означает, что напряжение переменного тока меняется от 170 В до \ (- 170 В \) и обратно 60 раз в секунду. Эквивалентное постоянное напряжение составляет 120 В.

(b) Какова пиковая потребляемая мощность лампочки переменного тока мощностью 60,0 Вт?

Решение

Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом, \ [P_ {0} = I_ {0} V_ {0} = 2 \ left (\ frac {1} {2} I_ {0} V_ {0} \ right) = 2P_ {ave}. \] Мы знаю, что средняя мощность 60.0 Вт, и поэтому \ [P_ {0} = 2 \ left (60,0 Вт \ справа) = 120 Вт. \]

Обсуждение

Таким образом, мощность меняется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за каждый цикл), а средняя мощность составляет 60 Вт.

Зачем использовать переменный ток для распределения электроэнергии?

Большинство крупных систем распределения электроэнергии – это переменный ток. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоком напряжении, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве частей мира), которые мы используем дома и на работе. Благодаря эффекту масштаба строительство нескольких очень крупных электростанций обходится дешевле, чем строительство множества небольших.Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно минимизировать потери энергии в пути. Как мы увидим, высокие напряжения могут передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкие напряжения. (См. Рис. 4.) По соображениям безопасности напряжение у пользователя снижено до знакомых значений. Решающим фактором является то, что намного легче увеличивать и уменьшать напряжение переменного тока, чем постоянного, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Мощность распределяется на большие расстояния при высоком напряжении, чтобы уменьшить потери мощности в линиях передачи.Напряжение, генерируемое на электростанции, повышается пассивными устройствами, называемыми трансформаторами (см. Трансформаторы), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру). В месте использования трансформаторы снижают напряжение

Пример \ (\ PageIndex {2} \): потери мощности меньше для высоковольтной передачи

(a) Какой ток необходим для передачи мощности 100 МВт при 200 кВ?

Стратегия

Нам дано \ (P_ {ave} = 100 MW \), \ (V_ {rms} = 200 kV \), а сопротивление линий равно \ (R = 1.{2} \ left (1.00 \ Omega \ right) = 250 кВт. \]

(c) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?

Решение

Процент потерь – это отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100: \ [% loss = \ frac {250 кВт} {100 МВт} \ times 100 = 0,250%. \]

Обсуждение

Четверть процента – приемлемая потеря. Обратите внимание, что если бы мощность 100 МВт была передана при 25 кВ, то потребовался бы ток 4000 А.Это приведет к потере мощности в линиях на 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 потребуются более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было бы экономично производить, в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в следующей главе, в сверхпроводниках тоже есть предел.Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи энергии, а напряжение переменного тока намного легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Широко признано, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредными. Таким образом, опасность определяется не только напряжением. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока.Томас Эдисон считал, что электрические разряды более опасны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные бои, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Тесла, которые выступали за использование переменного тока в ранних системах распределения энергии. Преобладал переменный ток в значительной степени благодаря трансформаторам и более низким потерям мощности при передаче высокого напряжения.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *