Постоянный ток. Определение и параметры
Постоянный ток (DC – Direct Current) – электрический ток, не меняющий своей величины и направления с течением времени.
В реальности постоянный ток не может сохранять величину постоянной. Например, на выходе выпрямителей всегда присутствует переменная составляющая пульсаций. При использовании гальванических элементов, батареек или аккумуляторов, величина тока будет уменьшаться по мере расхода энергии, что актуально при больших нагрузках.
Постоянный ток существует условно в тех случаях, где можно пренебречь изменениями его постоянной величины.
Постоянная составляющая тока и напряжения.
DC Если рассмотреть форму тока в нагрузке на выходе выпрямителей или преобразователей, можно увидеть пульсации – изменения величины тока, существующие, как результат ограниченных возможностей фильтрующих элементов выпрямителя.
В некоторых случаях величина пульсаций может достигать достаточно больших значений, которые нельзя не учитывать в расчётах, например, в выпрямителях без применения конденсаторов.
Такой ток обычно называют пульсирующим или импульсным. В этих случаях следует рассматривать постоянную DC и переменную AC составляющие.
Постоянная составляющая DC – величина, равная среднему значению тока за период.
AVG – аббревиатура Avguste – Среднее.
Переменная составляющая AC – периодическое изменение величины тока, уменьшение и увеличение относительно среднего значения .
Следует учитывать при расчётах, что величина пульсирующего тока будет равна не среднему значению, а квадратному корню из суммы квадратов двух величин – постоянной составляющей (DC) и среднеквадратичного значения переменной составляющей (AC
Вышеописанные определения, а так же термины AC и DC могут быть использованы в равной степени как для тока, так и для напряжения .
Отличие постоянного тока от переменного
По ассоциативным предпочтениям в технической литературе импульсный ток часто называют постоянным, так как он имеет одно постоянное направление.
В таком случае необходимо уточнять, что имеется в виду постоянный ток с переменной составляющей.
А иногда его называют переменным, по той причине, что периодически меняет величину. Переменный ток с постоянной составляющей.
Следует помнить, что постоянный ток или напряжение характеризует, кроме направления, главный критерий – постоянная его величина,
которая служит основой физических законов и является определяющей в расчётных формулах электрических цепей.
Постоянная составляющая DC, как среднее значение, является лишь одним из параметров переменного тока.
Для переменного тока (напряжения) в большинстве случаев бывает важен критерий – отсутствие постоянной составляющей, когда среднее значение равно нулю.
В таких случаях постоянная составляющая может существовать только в виде потерь, вызванных нелинейным характером нагрузок.
Параметры постоянного тока и напряжения
Сразу следует отметить, что устаревший термин “сила тока” в современной отечественной технической литературе используется уже нечасто и
признан некорректным. Электрический ток характеризует не сила, а скорость и интенсивность перемещения заряженных частиц. А именно, количество заряда, прошедшее за единицу времени через поперечное сечение проводника.
Единица измерения тока – Ампер.
Величина тока 1 Ампер – перемещение заряда 1 Кулон за 1 секунду.
Единица измерения напряжения – Вольт.
Величина напряжения 1 Вольт – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, необходимая для совершения работы 1 Джоуль при прохождения заряда 1 Кулон.
Для выпрямителей и преобразователей часто бывает важными следующие параметры для постоянного напряжения или тока:
Размах пульсаций напряжения (тока) – величина, равная разности между максимальным и минимальным значениями.
Коэффициент пульсаций – величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей AC напряжения или тока к его постоянной составляющей DC.
Похожие статьи: Параметры переменного тока.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
Переменный электрический ток – кратко формулы, мощность, применение (11 класс)
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 152.
Обновлено 10 Января, 2021
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 152.
Обновлено 10 Января, 2021
Из курса физики за 11 класс известно, что электрический ток — это движение по проводнику заряженных частиц. Ток может быть постоянным и переменным. Рассмотрим особенности переменного электрического тока.
Постоянный и переменный электрический ток
Действие электрического тока состоит в том, что носители заряда движутся по цепи под действием электрического поля источника тока и совершают работу на сопротивлении нагрузки (энергия при этом выделяется в виде тепла).
Исторически первыми источниками тока были гальванические элементы. В таких элементах электрическое поле не меняет направление. В цепи, подключенной к гальваническому элементу, носители движутся также в одном направлении.
Однако это не единственная возможность движения носителей. Носители могут не совершать поступательное движение, а колебаться вокруг некоторого среднего положения. При этом на сопротивлении нагрузки также будет выделяться мощность.
Электрический ток, в котором носители заряда движутся в одном направлении, называется постоянным. Если носители заряда не движутся в одном направлении, а совершают гармонические колебания вокруг некоторого среднего положения, такой электрический ток называется переменным.
Рис. 2. Постоянный и переменный ток.Электрические параметры переменного тока
Переменный ток, так же, как и постоянный, имеет все электрические параметры: напряжение, силу тока, мощность. Мгновенные значения этих параметров имеют то же самое выражение и смысл.
Из этой формулы можно получить действующее значение силы тока. Оно должно быть таким, чтобы на том же сопротивлении R выделялась та же мощность:
$$I_{действ}={\sqrt{ P_{ср}\over R}} = {I_m\over \sqrt 2 }$$
Действующее значение напряжения находится аналогично:
$$U_{действ}= {U_m\over \sqrt 2 }$$
Отметим, что формула электрической мощности переменного тока для сопротивления с реактивной составляющей сложнее и включает учет сдвига фаз между током и напряжением. Эта тема рассматривается отдельно.
Что мы узнали?
Ток, при котором носители заряда движутся не постоянно в одном направлении, а колеблются вокруг некоторого среднего положения, называется переменным.
Он характеризуется теми же параметрами что и постоянный ток, однако при этом используются действующие значения напряжения и тока, которые в $\sqrt 2$ раз меньше амплитудных.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда – пройдите тест.
Олег Гаврюшкин
5/5
Оценка доклада
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 152.
А какая ваша оценка?
Основы электроники: постоянный и переменный ток
Электрический ток, который непрерывно течет в одном направлении, называется постоянным током или постоянным током . Электроны в проводе с постоянным током движутся медленно, но в конце концов они перемещаются от одного конца провода к другому, потому что продолжают двигаться в одном и том же направлении.
Напряжение в цепи постоянного тока должно быть постоянным или, по крайней мере, относительно постоянным, чтобы ток протекал в одном направлении.
Таким образом, напряжение, обеспечиваемое батареей фонарика, остается постоянным на уровне около 1,5 В.
Положительный конец батареи всегда положителен по отношению к отрицательному концу, а отрицательный конец батареи всегда отрицателен по отношению к положительному концу. Именно это постоянство толкает электроны в одном направлении.
Другой распространенный тип тока называется переменным током
В наиболее распространенной форме переменного тока, используемой в большинстве систем распределения электроэнергии по всему миру, напряжение меняется на противоположное 50 или 60 раз в секунду, в зависимости от страны. В Соединенных Штатах напряжение меняется на противоположное 60 раз в секунду.
Переменный ток используется почти во всех мировых системах распределения электроэнергии по той простой причине, что переменный ток намного эффективнее, когда он передается по проводам на большие расстояния.
Все электрические токи теряют мощность при протекании на большие расстояния, но цепи переменного тока теряют гораздо меньше мощности, чем цепи постоянного тока.
Электроны в цепи переменного тока на самом деле не движутся вместе с током. Вместо этого они как бы сидят и покачиваются взад-вперед. Они двигаются в одном направлении за 1/60 секунды, а затем разворачиваются и идут в другом направлении за 1/60 секунды. В результате они никуда не денутся.
Для вашего дальнейшего просвещения, вот несколько дополнительных интересных и полезных фактов о переменном токе:
Популярная игрушка под названием Колыбель Ньютона может помочь вам понять, как работает переменный ток. Игрушка состоит из набора металлических шариков, подвешенных на верёвке к раме таким образом, что шарики касаются друг друга по прямой линии.
Если вы оттянете мяч на одном конце линии от других шаров, а затем отпустите его, этот мяч вернется к линии шаров, ударится о тот, что на конце, и мгновенно оттолкнет мяч на другом конце линии.
линию от группы.Этот мяч немного качается вверх, а затем разворачивается и качается обратно вниз, чтобы ударить группу с другого конца, что затем отталкивает первый мяч от группы. Это попеременное движение вперед и назад продолжается удивительно долго, если игрушка тщательно сконструирована.
Переменный ток работает примерно так же. Электроны сначала движутся в одном направлении, но затем разворачиваются и движутся в другом направлении. Движение электронов в цепи вперед и назад продолжается до тех пор, пока напряжение продолжает меняться на противоположное.
Изменение направления напряжения в типичной цепи переменного тока не происходит мгновенно. Вместо этого напряжение плавно колеблется от одной полярности к другой. Таким образом, напряжение в цепи переменного тока постоянно меняется. Оно начинается с нуля, затем немного увеличивается в положительном направлении, пока не достигнет своего максимального положительного напряжения, а затем уменьшается, пока не вернется к нулю.
В этот момент оно увеличивается в отрицательном направлении, пока не достигнет своего максимального отрицательного напряжения, после чего снова уменьшается, пока не вернется к нулю. Затем весь цикл повторяется.
линию от группы.
Эту статью можно найти в категории:
- General Electronics,
20.5: Переменный ток против постоянного тока
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 2683
- OpenStax
- OpenStax
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объяснять различия и сходства между переменным и постоянным током.
- Рассчитать среднеквадратичное значение напряжения, тока и средней мощности.
- Объясните, почему переменный ток используется для передачи энергии.
Переменный ток
Большинство рассмотренных выше примеров, особенно те, в которых используются батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он, таким образом, также является постоянным. Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического заряда только в одном направлении. Это устойчивое состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник переменного напряжения. Переменный ток (AC) представляет собой поток электрического заряда, который периодически меняет направление на противоположное. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь известна как цепь переменного тока. Примеры включают коммерческую и жилую энергию, которая удовлетворяет многие из наших потребностей.
На рисунке \(\PageIndex{1}\) показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичного питания постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.
На рисунке \(\PageIndex{2}\) показана схема простой цепи с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано, с напряжением 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 говорят, что напряжение и ток совпадают по фазе, как показано на рисунке \(\PageIndex{1b}\).
Рисунок \(\PageIndex{2}\): Разность потенциалов \(В\) между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для \(V\) задается как \(V = V_{0} sin 2 \pi ft\). Ток в резисторе колеблется туда-сюда точно так же, как управляющее напряжение, поскольку \(I = V / R\). Например, если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, поскольку ток многократно проходит через ноль. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстрое для ваших глаз, но если вы помахаете рукой между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе.
{2}2\pi ft\), как показано на рисунке \(\PageIndex{3}\).
Налаживание связей: домашний эксперимент — освещение переменного/постоянного тока
Проводите рукой вперед-назад между лицом и флуоресцентной лампочкой. Наблюдаете ли вы то же самое с фарами на вашем автомобиле? Объясните, что вы наблюдаете. Внимание! Не смотрите прямо на очень яркий свет.
Чаще всего нас интересует средняя мощность, а не ее колебания — например, 60-ваттная лампочка в вашей настольной лампе потребляет в среднем 60 Вт. Как показано на рисунке 3, средняя мощность \(P_{ave}\) равна \[P_{ave} = \frac{1}{2}I_{0}V_{0}. \label{20.6.3}\] Это видно из графика, так как площади выше и ниже линии \(\left(1/2\right)I_{0}V_{0}\) равны, но это также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств.
Точно так же мы определяем среднее или среднеквадратичное значение тока \(I_{rms}\) и среднее значение или среднеквадратичное значение напряжения \(V_{rms}\) равно
\[I_{rms} = \frac{I_{0}}{ \sqrt{2}}\label{20.6.4}\]
и
\[V_{rms} = \frac{V_{0}}{\sqrt{2}}.\label{20.6.5} \]
, где rms означает среднеквадратичное значение, особый вид среднего значения. В общем, для получения среднеквадратичного корня конкретную величину возводят в квадрат, находят ее среднее (или среднее) и извлекают квадратный корень. Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. 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. Стандартной практикой является указывать \(I_{rms}\), \(V_{rms}\) и \(P_{ave}\), а не пиковые значения. Например, в большинстве бытовых электросетей напряжение переменного тока составляет 120 В, а это означает, что \(V_{rms}\) равно 120 В.
Обычный автоматический выключатель на 10 А отключит устойчивое напряжение \(I_{rms}\), превышающее 10 А. Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет \(P_{ave} = 1,0 кВт\) и так далее. Вы можете думать об этих среднеквадратичных и средних значениях как об эквивалентных значениях постоянного тока для простой резистивной цепи. 9{2}_{rms}R.\label{20.6.11}\]
Пример \(\PageIndex{1}\): Пиковое напряжение и мощность для переменного тока
(a) Каково значение пикового напряжения для сети переменного тока 120 В?
Стратегия
Нам говорят, что \(V_{rms}\) равно 120 В, а \(P_{ave}\) равно 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
Решение уравнения \(V_{rms}=\frac{V_{0}}{\sqrt{2}}\) для пикового напряжения \(V_{0}\) и подстановка известного значения для \(V_{rms}\) дает \[V_{0} = \sqrt{2} V_{rms} = 1,414\left(120 V\right) = 170 V.
\]
Обсуждение
Это означает, что переменное напряжение колеблется от 170 В до \(-170 В\) и обратно 60 раз в секунду. Эквивалентное постоянное напряжение равно 120 В.
(b) Какова пиковая потребляемая мощность лампочки переменного тока мощностью 60,0 Вт?
Решение
Пиковая мощность представляет собой произведение пикового тока на пиковое напряжение. Таким образом, \[P_{0} = I_{0}V_{0} = 2\left(\frac{1}{2} I_{0} V_{0} \right) = 2P_{ave}.\] Мы известно, что средняя мощность равна 60,0 Вт, поэтому \[P_{0} = 2\left(60,0 Вт\right) = 120 Вт.\]
Обсуждение
Итак, мощность колеблется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за цикл), а средняя мощность составляет 60 Вт.
Зачем использовать переменный ток для распределения электроэнергии?
Большинство крупных систем распределения электроэнергии работают на переменном токе. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоких напряжениях, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве стран мира), которые мы используем дома и на работе.
Экономия за счет масштаба делает строительство нескольких очень крупных электростанций дешевле, чем строительство множества мелких. Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно, чтобы потери энергии в пути были сведены к минимуму. Как мы увидим, высокое напряжение может передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкое напряжение. (См. рис. 4.) Из соображений безопасности напряжение у пользователя снижено до привычных значений. Решающим фактором является то, что переменное напряжение намного проще увеличивать и уменьшать, чем постоянное, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.
В точке использования трансформаторы снижают напряжениеПример \(\PageIndex{2}\): Потери мощности меньше при высоковольтной передаче
(a) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при 200 кВ ? 9{2} \left(1,00 \Omega\right) = 250 кВт.\]
(c) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?
Решение
Потери в процентах представляют собой отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100: \[% потерь = \frac{250kW}{100 МВт} \times 100 = 0,250 %.\ ]
Обсуждение
Одна четвертая процента является приемлемой потерей. Заметим, что если бы передавалось 100 МВт мощности при напряжении 25 кВ, то понадобился бы ток 4000 А. Это приведет к потере мощности в линиях 16,0 МВт, или 16,0%, а не 0,250%. Чем ниже напряжение, тем больше требуется тока и тем больше потери мощности в линиях передачи с фиксированным сопротивлением. Конечно, можно построить линии с меньшим сопротивлением, но для этого нужны более крупные и дорогие провода.
Если бы сверхпроводящие линии можно было производить экономично, то в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в одной из последующих глав, в сверхпроводниках также существует предел тока. Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи мощности, а напряжение переменного тока гораздо легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупномасштабных систем распределения электроэнергии.
Широко известно, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредными. Так что не только напряжение определяет опасность. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока. Томас Эдисон считал, что удары переменного тока более вредны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные споры, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой, которые выступали за использование переменного тока в первых системах распределения электроэнергии.
Переменный ток преобладает во многом благодаря трансформаторам и меньшим потерям мощности при передаче высокого напряжения.
ИССЛЕДОВАНИЯ PHET: ГЕНЕРАТОР
Генерировать электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.
Рисунок \(\PageIndex{5}\): Генератор
Резюме
- Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического тока только в одном направлении. Это относится к системам, в которых напряжение источника постоянно.
- Источник напряжения системы переменного тока (AC) выдает \(V= V_{0} \sin{2\pi} ft\), где \(V\) – напряжение в момент времени \(t\), \(V_{0}\) — пиковое напряжение, а \(f\) — частота в герцах.
- В простой цепи \(I = V/R\), а переменный ток равен \(I = I_{0} \sin{2\pi}ft\), где \(I\) – ток в момент времени \ (t\), а \(I_{0} = V_{0}/R\) — пиковый ток.
- Средняя мощность переменного тока равна \(P_{ave} = \frac{1}{2} I_{0}V_{0}\).
- Средний (среднеквадратический) ток \(I_{rms}\) и среднее (среднеквадратичное) напряжение \(V_{rms}\) и \(I_{rms} = \frac{I_{0}}{\sqrt{2} }\) и \(V_{rms} = \frac{V_{0}}{\sqrt{2}}\), где rms обозначает среднеквадратичное значение.
- Таким образом, \(P_{ave} = I_{rms}V_{rms}\). 9{2}R\), аналогично выражениям для цепей постоянного тока.
Глоссарий
- постоянный ток
- (DC) поток электрического заряда только в одном направлении
- переменный ток
- (AC) поток электрического заряда, который периодически меняет направление на противоположное
- Напряжение переменного тока
- напряжение, синусоидально колеблющееся во времени, выраженное как В = В 0 sin 2 πft , где В — напряжение в момент времени t, В 0 — пиковое напряжение, а f — частота в герцах
- Переменный ток
- ток, синусоидально колеблющийся во времени, выраженный как I = I 0 sin 2 πft , где I — ток в момент времени t, I 0 — пиковый ток, а f частота в герцах
- Действующее значение тока
- среднеквадратичное значение тока, \(I_{rms}=I_0/\sqrt{2}\), где I 0 пиковое значение тока в системе переменного тока
- среднеквадратичное напряжение
- среднеквадратичное значение напряжения, \(V_{rms}=V_0/\sqrt{2}\), где В 0 пиковое напряжение в системе переменного тока
Эта страница под названием 20.