Чем отличается постоянное напряжение от переменного

Одной из характеристик тока является напряжение. В каждом случае оно вырабатывается определенным источником. Рассмотрим подробней эту физическую величину и выясним, чем отличается постоянное напряжение от переменного.

• Небольшое отступление
• Сравнение

Небольшое отступление

Вспомним, что такое «ток». Он представляет собой явление, при котором заряженные частицы перемещаются в определенном направлении. Если эти, скажем, электроны или ионы устремляются всегда в одну и ту же сторону, ток называют постоянным. А когда движение частиц периодически принимает другое направление, говорят о переменном токе.

Перейдем к напряжению. Его суть часто раскрывается по аналогии с водой. Последняя не течет сама по себе. Например, в наклонной трубе жидкость движется вниз под воздействием силы тяжести. И чем выше вода от земли, тем большей потенциальной энергией она обладает. Так же и с током: частицы «текут» под влиянием напряжения. При этом в начале своего пути они обладают большим потенциалом, а в конечной точке – меньшим.

к содержанию ↑

Сравнение

Больший потенциал обозначается плюсом, меньший – минусом. Когда говорят про отличие постоянного напряжения от переменного, имеют в виду, остаются ли на своих местах «+» и «–» при движении заряженных частиц. В случае с постоянным напряжением полярность всегда одна и та же. Примером здесь является такой источник, как батарейка. Важно, что напряжение подобного рода характерно для постоянного тока, схематично обозначаемого прямой линией.

При переменном напряжении положительный и отрицательный потенциалы на каждом из концов проводника чередуются с прохождением времени. Соответствующий пример – обычная электросеть, к которой приборы подключаются через розетку. В этом случае действует переменный ток, графически представляемый волнистой линией. Его частота, к примеру 50 Гц, означает в том числе, сколько раз в секунду чередуются относящиеся к напряжению плюс и минус.

Лучше понять, в чем разница между постоянным и переменным напряжением, поможет следующая схема:

На первом графике продемонстрировано, что с течением времени (t) постоянное напряжение (U) сохраняет свою величину. На втором изображении видна динамика переменного напряжения: оно то нулевое, то максимальное, то минимальное. При этом отчетливо видно, что все значения периодически повторяются. Надо сказать, переменное напряжение часто, но не всегда приобретает свои параметры именно по синусоидальному закону. В других случаях изображение на графике имеет несколько иной вид.

Постоянное и переменное напряжение — Всё о электрике

Напряжение переменного тока

Напряжение – это физическая величина, характеризующая работу эффективного электрического поля, совершающего перенос заряда из одной точки проводника в другую. Оно есть везде, где есть токовая сила и пропорционально зависит от него, как и сопротивление. Каждый знает, что в его домашней розетке 220 В, но мало кто догадывается, какой именно это вид величины. Стоит подробнее разобраться с постоянным и переменным напряжением, в чем их различия, и какие виды переменного напряжения существуют.

Напряжение переменного тока

Как известно еще с уроков физики, ток – это движение заряженных частиц, которое возникает под воздействием на них электромагнитного поля, разности потенциалов и напряженности. Основная характеристика любого напряжения – это зависимость от времени. Исходя из этого, различают постоянную и переменную величины. Значение постоянного с течением времени практически не изменяется, а переменного – изменяется.

В свою очередь переменная характеристика бывает периодической и непериодической. Периодическое – это напряжение, значения которого повторяются через одинаковые интервалы времени. Непериодическое же способно изменяться в любой отрезок времени.

Напряженность в переменной цепи – это такой параметр, который изменяет свою величину с течением времени. Для упрощения разъяснений в дальнейшем будет рассматриваться синусоидальное гармоническое переменное напряжение.

Минимальное время, в течение которого переменная величина повторяется, называется периодом. Абсолютно любую периодическую величину можно записать зависимостью от какой-либо функции. Если время – это t, то зависимость будет обозначаться F(t). Таким образом, любой период во времени имеет вид: F(t+-T) = F(t), где T – период.

Физическая величина, которая является обратной периоду, называется частотой. Она равна 1/T. Единицей ее измерения является герц, в то время как единицей измерения периода стала секунда.

f = 1/T, 1 Гц = 1/с = с в минус первой степени.

Важно! Чаще всего встречается функциональная зависимость переменной сети в виде синусоиды. Именно поэтому она была взята за основу этого материала.

Из математики известно, что синусоида – это простейшая периодическая функция, и с ее помощью из нескольких синусоид с кратными частотами можно представить любые другие периодические функции.

Синусоидальная напряженность в абсолютно любой промежуток времени может описать моментальная характеристика: u = U * sin(ωt + φ), где ω = 2πf = 2π/T, где U – максимальное напряжение (амплитуда), ω – угловая скорость изменения, φ – начальная фаза, которая определяется смещением функции относительно нулевой точки координат.

Часть (ωt + φ) – это фаза, которая характеризует значение напряжения в конкретный промежуток времени. Из этого выходит, что амплитуда, угловая скорость и фаза – это основные характеристики переменных сетей, определяющие их значения в любой интервал времени.

Важно! При рассмотрении синусоидальной функции фазу часто принимают за ноль. На практике также часто прибегают к еще некоторым параметрам, включающим действующее и среднее напряжение, коэффициент формы.

Отличие между переменным и постоянным напряжением

Разница между двумя этими величинами не только в названии. Все зависит от вида тока. В обычной розетке дома ток переменный. Это значит, что направление движения заряженных частиц в нем постоянно изменяется. Более того, у переменных токовых сил разная частота и напряжение. Например, в розетке на 220 вольт обычная частота равна 50 Гц, что означает смену направления движения электронов и их зарядов 50 раз в секунду. Напряжение в этом плане означает максимальную скорость, с которой движутся электроны по цепи.

Еще одно отличие изменчивого направления движения частиц и, как следствие, напряжения от постоянного, в том, что в нем постоянно изменяется заряд. Значение U в такой сети бывает равно то 100 %, то 0 %. Если оно всегда было полным, то потребовался бы провод очень большого диаметра.

Постоянное же направление – это ток, который не изменяет координаты своего движения. Его можно наблюдать в аккумуляторах и батареях. Попадает он туда через зарядное устройство, конвертирующее любой поток из розетки в постоянный.

Виды напряжения переменного тока

В случае наиболее распространенного синусоидального напряжения часто рассматривают его виды:

• Мгновенное, которое определяется для произвольного момента времени t.
• Действующее, производящее один и тот же тепловой эффект, равный по величине постоянной характеристики. Оно определяется выполненной активной работой первого полупериода.
• Средневыпрямленное, определяемое как модуль величины выпрямленного напряжения за один цикл гармонического колебания.

Если электрический поток передается по воздушным линиям, то упоры и их размеры напрямую зависят от величины напряжения, которое применяется в сети. Его величина между фазами именуется линейным напряжением, а между землей и каждой из фаз – фазным.

Двухфазный ток

Двухфазный ток – это когда идет передача сразу двух токов разного направления. Параметр напряженности для двухфазной сети сдвинут по фазе на угол в 90 градусов. Передается такой ток двумя проводниками: два фазных и два нулевых. Применяется в электрических сетях переменного тока. Для этого используют два контура, значения которых сдвинуты по фазе на 90 градусов. В каждом контуре используется четыре линии – по две штуки на каждую из фаз. Иногда применяется и один провод с большим диаметром, чем у двух других. Преимуществом двухфазный сетей был плавный запуск электродвигателей, но они были вытеснены трехфазными.

Трехфазный ток

Трехфазная система – это система электрической цепи, работающая на трех цепях, в которых действуют силы одной и той же частоты, но сдвинутые по фазе друг от друга на одну треть периода или на 120 градусов. Каждая отдельная цепь такой системы называется фазой, а система из трех сдвинутых по фазе токов называется трехфазным током.

Практически все современные генераторы в домах и на электростанциях представляют собой генераторы трехфазного тока. Фактически это один большой генератор, состоящий из трех маленьких двигателей, которые генерируют токи, электродвижущие силы в них сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов или одну треть периода.

Виды источников переменного напряжения

Среди основных источников непостоянного напряжения можно выделить такие компоненты, как:

• Электростанция;
• Генератор непостоянного тока;
• Промышленная и домашняя электросеть.

Главным источником непостоянных токовых сил и напряжения является электростанция или промышленная электросеть. Использование такого тока обосновано тем, что его намного легче передавать на большие расстояния по проводникам и просто преобразовать в постоянный электрический ток. Переменные параметры передаются со станции к трансформаторам, которые преобразуют напряжение непостоянного тока, не являясь его источниками. Генераторы вырабатывают такой ток путем преобразования механической энергии в электрическую.

Как можно измерить переменное напряжение

Изменять непостоянную напряженность сети, как и любые другие электрические характеристики сети, можно с помощью специальных измерительных приборов: вольтметров, амперметров, омметров. Современные тестеры и мультиметры содержат в себе функции их всех, поэтому лучше пользоваться ими. Для того чтобы измерить параметр, следует следовать инструкции:

• Найти шкалу измерения на приборе, которая чаще всего находится справа.
• Выставить предел измерения, зная, что, например, в розетке приблизительно 220 вольт.
• Взять щупы и вставить их в источник. При этом неважно, какой щуп куда будет вставлен.
• Произвести измерения с учетом техники безопасности.
• Зафиксировать полученные показатели.

Таким образом, отличие постоянного напряжения от переменного есть, и оно существенное. На основании постоянных и непостоянных токовых сил изготовлены генераторы, конвертирующие механическую энергию в электрический ток различных видов, который можно быстрее и дальше подать по проводам.

Переменный и постоянный ток: в чем разница, история развития, применение

Детей учат, что пальцы в розетку совать нельзя! А почему? Потому что будет плохо. С более подробным объяснением часто бывают проблемы: какое-то там напряжение, ток, что-то куда-то течет. Чтобы вы в будущем могли сами объяснить своим детям, что к чему, мы сейчас объясним вам. Эта статья про переменный и постоянный токи, их отличия, применение и историю электричества вообще. Науку нужно делать интересной, и мы скромно пытаемся этим заниматься по мере сил.

Например: какой ток у нас в розетках? Переменный, конечно! Напряжением 220 Вольт и частотой 50 Герц. А сеть, по которой передается ток – трехфазная. Кстати, если при словах «фаза» и «ноль» вы впадаете в ступор, почитайте что это такое, и день будет прожит вдвойне не зря! Но не будем забегать вперед. Обо всем по порядку.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Краткая история электричества

Кто изобрел электричество? А никто! Люди постепенно понимали, что это такое и как им пользоваться.

Все началось в 7 веке до нашей эры, в один солнечный (а может и дождливый, кто знает) день. Тогда греческий философ Фалес заметил, что, если потереть янтарь о шерсть, он будет притягивать легкие предметы.

Потом были Александр Македонский, войны, христианство, падение Римской империи, войны, падение Византии, войны, средневековье, крестовые походы, эпидемии, инквизиция и снова войны. Как вы поняли, людям было не до какого-то там электричества и натертых шерстью эбонитовых палочек.

В каком году изобрели слово «электричество»? 1600 году английский естествоиспытатель Уильям Гилберт решил написать труд «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Именно тогда и появился термин «электричество».

Через сто пятьдесят лет, в 1747 году Бенджамин Франклин, которого мы все очень любим, создал первую теорию электричества. Он рассматривал это явление как флюид или нематериальную жидкость.

Именно Франклин ввел понятие положительного и отрицательного зарядов (до этого разделяли стеклянное и смоляное электричество), изобрел молниеотвод и доказал, что молния имеет электрическую природу.

Бенджамина любят все, ведь его портрет есть на каждой стодолларовой купюре. Помимо работы в точных науках, он был видным политическим деятелем. Но вопреки распространенному заблуждению, Франклин не был президентом США.

Дальше пойдет перечисление важных для истории электричества открытий.

1785 год – Кулон выясняет, с какой силой противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.

1791 год – Луиджи Гальвани случайно заметил, что лапки мертвой лягушки сокращаются под действием электричества.

Принцип работы батарейки основан на гальванических элементах. Но кто создал первый гальванический элемент? Основываясь на открытии Гальвани, другой итальянский физик Алессандро Вольта в 1800 году создает столб Вольта – прототип современной батарейки.

На раскопках рядом с Багдадом нашли батарейку возрастом больше двух тысяч лет. Какой древний айфон с ее помощью подзаряжали – остается загадкой. Зато известно точно, что батарейка уже «села». Этот случай как бы говорит: может быть, люди знали об электричестве намного раньше, но потом что-то пошло не так.

Уже в 19 веке Эрстед, Ампер, Ом, Томсон и Максвелл совершили настоящую революцию. Был открыт электромагнетизм, ЭДС индукции, электрические и магнитные явления связали в единую систему и описали фундаментальными уравнениями.

Кстати! Если у вас нет времени, чтобы самостоятельно разбираться со всем этим, для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

20 век принес квантовую электродинамику и теорию слабых взаимодействий, а также электромобили и повсеместные линии электропередач. Кстати, знаменитый электромобиль Тесла работает на постоянном токе.

Конечно, это очень краткая история электричества, и мы не упомянули очень много имен, которые повлияли на прогресс в этой области. Иначе пришлось бы написать целый многотомный справочник.

Постоянный ток

Сначала напомним, что ток – это движение заряженных частиц.

Постоянный ток – это ток, который течет в одном направлении.

Типичный источник постоянного тока – гальванический элемент. Проще говоря, батарейка или аккумулятор. Один из древнейших артефактов, связанных с электричеством – багдадская батарейка, которой 2000 лет. Предполагают, что она давала ток напряжением 2-4 Вольта.

Где используется постоянный ток:

• в питании большинства бытовых приборов;
• в батарейках и аккумуляторах для автономного питания приборов;
• для питания электроники автомобилей;
• на кораблях и подводных лодках;
• в общественном транспорте (троллейбусах, трамваях).

Проще всего представить постоянный ток наглядно, на графике. Вот как он выглядит:

Постоянный ток

Бытовые приборы работают на постоянном токе, но в розетки сети в квартире приходит переменный ток. Практически везде постоянный ток получается путем выпрямления переменного.

Переменный ток

Переменный ток – это ток, который меняет величину и направление. Причем меняет в равные промежутки времени.

Переменный ток используется в промышленности и электроснабжении. Именно его получают на станциях и отправляют к потребителям. Уже на месте преобразование переменного электрического тока в постоянный происходит с помощью инверторов.

Переменный ток – alternating current (AC). Постоянный ток – direct current (DC). Аббревиатуру AC/DC можно увидеть на трансформаторных будках, где происходит преобразование. А еще это название одной отличной австралийской рок-группы.

А вот и наглядное изображение переменного тока.

Переменный ток

Переменный ток течет в цепи в двух направлениях: туда и обратно. Одно из них считается положительным, а второе – отрицательным.

Так как величина тока меняется не только по направлению, но и по величине, не думайте, что в вашей розетке постоянно 220 Вольт. 220 – это действующее значение напряжения, которое бывает 50 раз в секунду. Кстати, в Америке используется другой стандарт переменного тока в сети: 110 Вольт и 60 Герц.

Война токов

Активное использование постоянного тока началось в конце 19 века. Тогда Эдисон довел до ума лампочку (1890) и основал первые в Нью-Йорке электростанции, которые производили постоянный ток напряжением 110 Вольт.

Использование постоянного тока было связано с существенными потерями при его передаче на большие расстояния. Переменный ток нельзя было использовать из-за того, что не было соответствующих счетчиков и моторов, работавших на переменном токе. Так же был затруднен процесс преобразования постоянного тока в переменный. При этом переменный ток можно было без потерь передавать на большие расстояния.

В то время в Америку из Сербии приехал Никола Тесла, который устроился на работу в компанию к Эдисону. Тесла изобрел электродвигатель переменного тока, понял все выгоды и предложил Эдисону его использование.

Тесла и Эдисон

Эдисон не послушал Теслу и к тому же не выплатил ему зарплату. Так и началось знаменитое противостояние изобретателей – война токов.

Она длилась более ста лет и закончилась в 2007 году. Тогда Нью-Йорк полностью перешел на электроснабжение переменным током.

Почему переменный ток опаснее постоянного

В войне токов, чтобы не потерпеть убытки и финансовый крах от внедрения и использования идей Теслы, Эдисон публично демонстрировал, как переменный ток убивает животных. Случай, когда какой-то американский гражданин погиб от удара переменным током, был очень подробно и широко освещен в прессе.

Для человека переменный ток в общем случае действительно опаснее постоянного. Хотя всегда нужно учитывать величину тока, его частоту, напряжение, сопротивление человека, которого бьет током. Рассмотрим эти нюансы:

1. Переменный ток частотой 50 Герц в три-четыре раза опаснее для жизни, чем постоянный ток. Если частота тока более 1000 Герц, то он считается менее опасным.
2. При напряжениях около 400-600 Вольт переменный и постоянный токи считаются одинаково опасными. При напряжении более 600 Вольт более опасен постоянный ток.
3. Переменный ток в силу своей природы и частоты сильнее возбуждает нервы, стимулируя мышцы и сердце. Именно поэтому он несет большую опасность для жизни.

С каким бы током вы не работали, соблюдайте осторожность и будьте бдительны! Берегите себя и свои нервы, а также помните: сделать это эффективно поможет профессиональный студенческий сервис с лучшими экспертами.

Переменный ток и постоянный ток: отличие

В чём разница переменного и постоянного тока

Общее понятие электрического тока можно выразить как движение различных заряженных частиц (электронов, ионов) в некотором направлении. А его величину охарактеризовать числом заряженных частиц, которые прошли через проводник за определенный промежуток времени.

Если величина заряженных частиц в 1 кулон проходит через определенное сечение проводника за время в 1 секунду, тогда можно говорить о силе тока в 1 ампер протекающего через проводник. Таким образом определяется количество ампер или сила тока. Это общее понятие тока. А теперь рассмотрим понятие переменного и постоянного тока и их различие.

Постоянный электрический ток по определению — это ток, который течёт только в одном направлением и не меняет его со временем. Переменный ток характерен тем, что меняет свое направление и величину со временем. Если графически постоянный ток отображается как прямая линия, то переменный ток течет по проводнику по закону синуса и графически отображается как синусоида.

Графическое изображение постоянного тока

Так как переменный ток меняется по закону синусоиды, то он имеет такие параметры как период полного цикла, время которого обозначается буквой Т. Частота переменного тока обратна периоду полного цикла. Частота переменного тока выражается числом полных периодов в определенный промежуток времени (1 сек).

Графическое изображение переменного тока

Таких периодов в нашей электросети переменного тока равно 50, что соответствует частоте 50 Гц. F = 1/Т, где период для 50 Гц равен 0,02 сек. F =1/0,02 = 50 Гц. Обозначается переменный ток английскими буквами AC и знаком «

». Постоянный ток имеет обозначение DC и значок «-». Кроме того переменный ток может быть однофазным или многофазным. В основном используется трехфазная сеть.

Почему в сети переменное напряжение, а не постоянное

Переменный ток имеет много преимуществ перед постоянным током. Низкие потери при передаче переменного тока в линиях электропередач (ЛЭП) по сравнению с постоянным током. Генераторы переменного тока простые и дешевые. При передаче на большие расстояния по ЛЭП высокое напряжение достигает 330 тысяч вольт с минимальным током.

Чем меньше ток в ЛЭП, тем меньше потерь. Передача постоянного тока на большие расстояния понесет немалые потери. Также высоковольтные генераторы переменного тока значительно проще и дешевле. Из переменного напряжения легко получить более низкое напряжение через простые трансформаторы.

Также, значительно дешевле получить постоянное напряжение из переменного, чем наоборот, использовать дорогие преобразователи постоянного напряжения в переменное. Такие преобразователи имеют низкий КПД и большие потери. По пути передачи переменного тока используют двойное преобразование.

Сначала с генератора получает 220 — 330 Кв, и передают на большие расстояния до трансформаторов, которые понижают высокое напряжение до 10 Кв и далее идут подстанции которые понижают высокое напряжение до 380 В. С этих подстанций электроэнергия расходится по потребителям и поступает в дома и на электрощиты многоквартирного дома.

Три фазы трехфазного тока сдвинутые на 120 градусов

Для однофазного напряжения характерна одна синусоида, а для трехфазного три синусоиды, смещенные на 120 градусов относительно друг друга. Трехфазная сеть также имеет свои преимущества перед однофазными сетями. Это меньше габариты трансформаторов, электродвигатели также конструктивно меньших размеров.

Имеется возможность изменить направление вращения ротора асинхронного электродвигателя. В трехфазной сети можно получить 2 напряжения — это 380 В и 220 В, которые используются для изменения мощности двигателя и регулировки температуры нагревательных элементов. Используя трехфазное напряжение в освещении можно устранить мерцание люминесцентных ламп, для чего их подключают к разным фазам.

Постоянный ток используется в электронике и во всех бытовых приборах, так как он легко преобразуется из переменного за счёт его деления на трансформаторе до нужной величины и дальнейшего выправления. Источником постоянного тока являются аккумуляторы, батареи, генераторы постоянного тока, светодиодные панели. Как видно различие в переменном и постоянном токе немалое. Теперь мы узнали — Почему в нашей розетки течет переменный ток, а не постоянный?

{SOURCE}

Принцип работы, отличия постоянного от переменного электрического тока

Электрический ток— это направленное или упорядоченное движение заряженных частиц: электронов в металлах, в электролитах — ионов, а в газах — электронов и ионов. Электрический ток может быть как постоянным, так и переменным.

Определение постоянного электрического тока, его источники

Постоянный ток ( DC, по-английски Direct Current) — это электрический ток, у которого  свойства и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.

Постоянный ток используется в автомобилях и в домах, в многочисленных электронных приборах: ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. д. Перемеренный электрический ток  из розетки преобразуется в постоянный при помощи блока питания или трансформатора напряжения с выпрямителем.

Любой электроинструмент, устройство или прибор, работающие от батареек так же являются потребителями постоянного тока , потому что батарея или аккумулятор- это исключительно источники постоянного тока, который при необходимости преобразуется  в переменный с использованием специальных преобразователей (инверторов).

Принцип работы переменного тока

Переменный ток  (AC по-английски Alternating Current)- это электрический ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах условно обозначается отрезком синусоиды « ~ ».
Иногда после синусоиды могут указываться характеристики переменного тока — частота, напряжение, число фаз.

Переменный ток может быть как одно- , так и  трёхфазным, для которого мгновенные значения тока и напряжения меняются по гармоническому закону.

Основные характеристики переменного тока — действующее значение напряжения и частота.

Обратите внимание, как на левом графике для однофазного тока меняется направление и величина напряжения с переходом в ноль за период времени Т, а на втором графике для трехфазного тока существует смещение трех синусоид на одну третью периода. На правом графике 1 фаза обозначена буквой «а», а вторая буквой «б». Хорошо известно, что в домашней розетке 220 Вольт. Но мало кто знает, что это действующие значение переменного напряжения, но амплитудное или максимальное значение будет больше на корень из двух, т.е будет равно 311 Вольт.

Таким образом, если у постоянного тока величина напряжения и направление не изменяются в течении времени, то у переменного тока- напряжение постоянно меняется по величине и направлению (график ниже нуля это обратное направление).

И так мы подошли к понятию частота— это отношение числа полных циклов  (периодов) к единице времени периодически меняющегося  электрического тока. Измеряется в Герцах. У нас и в Европе частота равна 50 Герцам, в США- 60 Гц.

Что означает частота 50 Герц? Она означает, что у нас переменный ток меняет свое направление на противоположное и обратно (отрезок Т- на графике) 50 раз за секунду!

Источниками переменного тока являются все розетки в доме и все то, что подключено напрямую проводами или кабелями  к электрощиту. У многих возникает вопрос: а почему  в розетке не постоянный ток? Ответ прост. В сетях переменного тока легко и с минимальными потерями преобразовывается величина напряжения до необходимого уровня при помощи трансформатора в любых объемах. Напряжение необходимо увеличивать для возможности передачи электроэнергии на большие расстояния с наименьшими потерями в промышленных масштабах.  С электростанции, где стоят мощные электрогенераторы, выходит напряжение величиной 330 000-220 000 Вольт, далее возле нашего дома на трансформаторной подстанции оно преобразуется с величины 10 000 Вольт в трехфазное напряжение 380 Вольт, которое и приходит в многоквартирный дом, а к нам в квартиру приходит однофазное напряжение, т. к. между фазой и нулем или землей напряжение равняется 220 В, а между разноименными фазами в электрощите 380 Вольт.

И еще одним из важных достоинств переменного напряжения является то, что асинхронные электродвигатели переменного тока конструктивно проще и работают значительно надежнее, чем двигатели постоянного тока.

Как переменный ток сделать постоянным

Для потребителей, работающих на постоянном токе- переменный преобразуется при помощи  выпрямителей.

1. Первоначальный этап преобразования— это подключение диодного моста, состоящего из 4 диодов достаточной мощности (на рисунке ниже), который срезает верхние границы переменных синусоид или делает ток однонаправленным.
2. Второй этап— это подключение параллельно на выход с диодного мостика конденсатора или сглаживающего фильтра, который исправляет провалы между пиками синусоид. Обратите внимание, как выглядит синусоида после прохождения через диодный мост (на рисунке выделена зеленным цветом).

   И как уменьшаются пульсации (изменения напряжения) после подключения конденсатора- на рисунке выделено синим цветом.

3. Далее при необходимости для уменьшения уровня пульсаций,  дополнительно могут применяются стабилизаторы тока или  напряжения.

Преобразователь постоянного тока в переменный

Если с преобразованием переменного тока в постоянный не возникает сложностей, то со обратным преобразованием все гораздо сложнее. В домашних условиях для этого используется инвертор — это генератор периодического напряжения из постоянного, по форме приближённого к синусоиде.

Инвертор технически сложное устройство, поэтому и цены на него не маленькие. Стоимость зависит напрямую от выходной максимальной мощности переменного тока.

Как правило, преобразование постоянного тока требуется в редких случаях. Например, для подключения от бортовой электросети автомобиля домашних электроприборов, инструмента и т. п. в походе, на даче и т. д.

Что такое фаза, ноль, заземление читайте в следующей нашей статье.

Как в цепях постоянного тока регулировать напряжение

Как в цепях постоянного тока регулировать напряжение

Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. Направлением электрического тока условились считать направление движения положительных зарядов.

Сегодня, как в промышленности, так и в гражданской сфере, есть немало установок, электроприводов, технологий, где для питания требуется не переменное, а постоянное напряжение. К таким установкам относятся различные промышленные станки, строительное оборудование, двигатели электротранспорта (метро, троллейбус, погрузчик, электрокар), и другие установки постоянного тока разного рода.

Напряжение питания для некоторых из этих устройств должно быть изменяемым, чтобы например изменяющийся ток питания электродвигателя приводил бы к соответствующему изменению скорости вращения его ротора.

Один из первых способов регулировки постоянного напряжения — регулирование при помощи реостата. Затем можно вспомнить схему двигатель — генератор — двигатель, где опять же регулированием тока в обмотке возбуждения генератора достигалось изменение рабочих параметров конечного двигателя.

Но эти системы не экономичны, они считаются устаревшими, и гораздо более современными являются схемы регулирования на базе тиристоров. Тиристорное регулирование более экономично, более гибко, и не приводит к увеличению массо-габаритных параметров установки целиком. Однако, обо всем по порядку.

Реостатное регулирование (регулирование при помощи добавочных резисторов)

Регулирование при помощи цепи последовательно соединенных резисторов позволяет изменять ток и напряжение питания электродвигателя путем ограничения тока в его якорной цепи. Схематически это выглядит как цепочка добавочных резисторов, присоединенных последовательно к обмотке двигателя, и включенных между ней и плюсовой клеммой источника питания.

Часть резисторов может быть по мере надобности шунтирована контакторами, чтобы соответствующим образом изменился ток через обмотку двигателя. Раньше в тяговых электроприводах такой метод регулирования был распространен весьма широко, и за неимением альтернатив приходилось мириться с очень низким КПД в силу значительных тепловых потерь на резисторах. Очевидно, это наименее эффективный метод — лишняя мощность просто рассеивается в виде ненужного тепла.

Регулирование по системе двигатель — генератор — двигатель

Здесь напряжение для питания мотора постоянного тока получается на месте, при помощи генератора постоянного тока. Приводной мотор вращает генератор постоянного тока, который и питает в свою очередь мотор исполнительного механизма.

Регулирование рабочих параметров двигателя исполнительного механизма достигается путем изменения тока обмотки возбуждения генератора. Больше ток обмотки возбуждения генератора — большее напряжение подается на конечный двигатель, меньше ток обмотки возбуждения генератора — меньшее напряжение, соответственно, подается на конечный двигатель.

Данная система, на первый взгляд, более эффективна, чем просто рассеивание энергии в виде тепла на резисторах, однако и она отличается своими недостатками. Во-первых, система содержит две дополнительные, довольно габаритные, электрические машины, которые необходимо время от времени обслуживать. Во-вторых, система инерционна — соединенные три машины не в состоянии резко изменить свой ход. В результате снова КПД получается низким. Однако, на протяжении некоторого времени такие системы использовались на заводах в 20 веке.

Метод тиристорного регулирования

С появлением во второй половине 20 века полупроводниковых приборов, появилась возможность создания малогабаритных тиристорных регуляторов для двигателей постоянного тока. Двигатель постоянного тока теперь просто подключался к сети переменного тока через тиристор, и, варьируя фазу открывания тиристора, стало возможным получить плавное регулирование скорости вращения ротора двигателя. Этот метод позволил совершить рывок в подъеме КПД и быстродействия преобразователей для питания моторов постоянного тока.

Метод тиристорного регулирования и сейчас используется, в частности, для управления скоростью вращения барабана в автоматических стиральных машинах, где в качестве привода служит коллекторный высокооборотный мотор. Справедливости ради отметим, что аналогичный метод регулирования работает и в тиристорных диммерах, способных управлять яркостью свечения ламп накаливания.

Регулировка на базе ШИМ со звеном переменного напряжения

Постоянный ток при помощи инвертора преобразуется в переменный ток, который затем при помощи трансформатора повышается или понижается, после чего выпрямляется. Выпрямленное напряжение подается на обмотки электродвигателя постоянного тока. Возможно дополнительное импульсное регулирование посредством ШИМ-модуляции, тогда достигаемый эффект на выходе несколько похож на тиристорное регулирование.

Наличие трансформатора и инвертора в принципе приводит к удорожанию системы в целом, однако современная полупроводниковая база позволяет строить конверторы в виде готовых малогабаритных устройств с питанием от сети переменного тока, где трансформатор стоит высокочастотный импульсный, и в итоге габариты получаются небольшими, а КПД уже достигает 90%.

Импульсное управление

Система импульсного управления моторами постоянного тока похожа по своему устройству на импульсный DC-DC преобразователь. Этот метод является одним из наиболее современных, и именно его используют сегодня в электрокарах и внедряют в метро. Звено понижающего преобразователя (диод и дроссель) объединено в последовательную цепь с обмоткой мотора, и регулируя ширину подаваемых на звено импульсов, добиваются требуемого среднего тока через обмотку мотора.

Такие импульсные системы управления, по сути — импульсные преобразователи, отличаются более высоким КПД — более 90%, и обладают отличным быстродействием. Здесь открываются широкие возможности для рекуперации электроэнергии, что весьма актуально для станков с большой инерционностью и для электрокаров.

Ранее ЭлектроВести писали, что существующие электронные устройства, представленные на рынке, состоят из неорганических, неодушевленных материалов. Однако в лабораториях готовятся «микробы-киборги», которые скоро начнут производить электричество.

По материалам: electrik.info.

Порядок измерения напряжения постоянного тока цифровым мультиметром

1. Переведите регулятор в положение . На некоторых цифровых мультиметрах (DMM) также предусмотрен вариант . Если вы не знаете, что выбрать, начните с режима , который соответствует более высокому напряжению.

2. Сначала вставьте черный щуп в разъем «COM».

Последовательность измерений напряжения постоянного тока цифровым мультиметром

3. Затем вставьте красный щуп в разъем «V Ω». По завершении измерения отсоедините щупы в обратном порядке: сначала красный, затем черный.

4. Подключите измерительные щупы к цепи: черный к контрольной точке отрицательной полярности (заземление цепи), красный — к положительной контрольной точке.

Примечание. Большинство современных цифровых мультиметров автоматически определяют полярность. При измерении напряжения постоянного тока не имеет большого значения, с каким контактом соприкасаются красный и черный выходы — с положительным или отрицательным. Если щупы соприкасаются с клеммами противоположных знаков, на экране появляется символ «минус». При использовании аналогового мультиметра красные выводы всегда должны соприкасаться с положительной клеммой, а черные — с отрицательной. Несоблюдение этого требования приведет к повреждению прибора.

5. Прочитайте результат измерения на экране.

Другие полезные функции при измерении напряжения постоянного тока

6. Современные цифровые мультиметры по умолчанию работают в режиме автоматического выбора диапазона — в зависимости от выбранной на регуляторе. Чтобы выбрать фиксированный диапазон измерений, нажмите кнопку RANGE (Диапазон) несколько раз для выбора нужного диапазона. Если измеренное напряжение находится в диапазоне более низких значений , выполните следующие действия:

1. Отсоедините измерительные щупы.
2. Измените положение регулятора на [символ мВ пост. тока].
3. Подсоедините измерительные щупы и прочитайте показания.

7. Нажмите кнопку HOLD (Удержание), чтобы выполнить устойчивое измерение. Его результаты можно просмотреть после завершения измерения.

8. Нажмите кнопку MIN/MAX (Мин./Макс.), чтобы выполнить измерение максимальных и минимальных значений. Цифровой мультиметр издает звуковой сигнал при регистрации каждого нового показания.

9. Нажмите кнопку относительного измерения (REL) или кнопку с дельтой (Ω), чтобы задать определенное контрольное значение цифрового мультиметра. Отображаются результаты измерений выше и ниже контрольного значения.

Примечание. Избегайте распространенной среди техников ошибки: ни в коем случае не вставляйте щупы в неправильные входные разъемы. Перед измерением напряжения постоянного тока убедитесь, что красный щуп вставлен во входной разъем с маркировкой V, а не A. На экране должен отображаться символ dcV. Если измерительные щупы вставлены в разъемы с маркировкой A или mA, при измерении напряжения в измерительной цепи возникнет короткое замыкание.

Анализ результатов измерения напряжения

• Как правило, напряжение измеряют в следующих целях: a) определить наличие напряжения в данной точке и б) убедиться, что напряжение находится на нужном уровне.
• Напряжение переменного тока может сильно варьироваться (от −10 % до +5 % от номинального значения источника питания), не вызывая никаких сбоев в цепи. Но даже незначительные перепады напряжения постоянного тока могут указывать на неисправность.
• Точное значение допустимого изменения напряжения постоянного тока зависит от области применения. Пример см. в таблице ниже.
• В некоторых областях применения постоянного тока значительные колебания постоянного тока не только приемлемы, но и необходимы.
  • Пример. Частоту двигателей постоянного тока можно регулировать путем изменения подаваемого напряжения постоянного тока. В этом случае измерение напряжения постоянного тока электродвигателя зависит от настройки регулятора напряжения.
• Во время измерений напряжения постоянного тока и сравнения результатов сверяйтесь со значения цепи, которые указывают производители в технических характеристиках.

Как показано в таблице выше, у полностью заряженного автомобильного аккумулятора номиналом 12 В напряжение разомкнутой цепи может находиться в диапазоне от 11,9 В до 12,6 В (обычно 2,2 В на ячейку).

• Значение 11,9 В указывает на разряженный аккумулятор.
• Значение 12,6 В указывает на 100-процентный заряд аккумулятора. Промежуточные измеренные значения показывают, что заряд менее 100 %.
• Если измеренное напряжение батареи немного повышено (3–5 %), это намного лучше, чем пониженное значение напряжения. Падение напряжения постоянного тока ниже стандартного номинального значения указывает на наличие неисправности.

Измерения напряжения переменного и постоянного тока

• В некоторых случаях напряжение постоянного тока измеряют в цепях с напряжением переменного тока.
• Для обеспечения максимальной точности измерения напряжения постоянного тока сначала измерьте и запишите напряжение переменного тока. Затем измерьте напряжение постоянного тока, с помощью кнопки RANGE (Диапазон) выбрав такой диапазон напряжения постоянного тока, который равен диапазону напряжения переменного тока или превышает его.
• Некоторые цифровые мультиметры могут одновременно измерять и отображать значения переменного и постоянного тока сигнала. На экране цифрового мультиметра результаты отображаются тремя способами (см. рисунок ниже):
  1. Составляющая переменного тока сигнала отображается на основном поле экрана, а постоянного тока — на дополнительном поле меньшего размера.
  2. Показания по постоянному току можно перенести на основное поле, при этом показания по переменному току будут отображаться на дополнительном поле (как на большинстве цифровых мультиметров).
  3. Комбинированное значение переменного и постоянного тока — эквивалентное среднеквадратичное значение сигнала.
     

Ссылка: Digital Multimeter Principles by Glen A. Mazur, American Technical Publishers.

Зачем нужно преобразовывать напряжение постоянного тока

Многие нужные и полезные для жизни электроприборы работают от источников переменного тока, которые не всегда доступны.

Например, находясь в дороге, хочется создать хотя бы минимальный комфорт, включив вентилятор или обогреватель, приготовить кофе, подогреть еду, побриться, послушать музыку или посмотреть любимые передачи. Автомобиль располагает лишь одним источником питания – аккумуляторной батареей. Применив преобразователь напряжения, который постоянное напряжение конвертирует в переменное, можно без проблем подключить практически любые приборы и наслаждаться благами цивилизации, находясь вдали от нее.

Используя преобразователь напряжения постоянного тока можно получать такое же постоянное напряжение, но другой величины. Например, инверторы DC/DC преобразуют 12 Вольт в 24 Вольта или наоборот. Такие преобразования электрических параметров также бывают необходимы.

Основные технические характеристики преобразователя

Номинальная мощность. Данный параметр указывает, какую суммарную мощность могут иметь потребители, подключаемые к инвертору. Причем, при расчете мощности этих потребителей необходимо учитывать для надежности ее запас в размере 10-20%.
Тип сети на выходе. Предполагаемое к подключению оборудование может иметь однофазное или трехфазное питание. Для бытовых целей, обычно, подходят устройства, выдающие на выходе однофазное напряжение 220 В. Чтобы подключить более серьезные нагрузки (электродвигатели, нагревательные установки, мощные насосы) используются инверторы с трехфазным выходным напряжением.

Форма сигнала на выходе преобразователя. Чтобы запитать сложную телекоммуникационную технику и потребители с высокими требованиями к качеству сигнала, а также потребители с индуктивным характером нагрузки, на выходе преобразовательного устройства необходима кривая напряжения в виде строгой синусоиды («чистая» синусоида). Более дешевым вариантом является применение инверторов с аппроксимированной формой синусоиды. Такой выходной сигнал может применяться для большинства бытовых электроприборов.

Поддержание напряжения. Данный параметр влияет на качество питания, которое подается на устройство, от него зависит стабильность работы подключенного оборудования. Чем выше будет точность поддержания, тем надежнее работа всей аппаратуры.
Наличие встроенной аккумуляторной батареи. Если в состав преобразователя входит аккумуляторная батарея, то это значительно увеличит срок автономной работы электрооборудования, подключенного к нему. Имеются модели, где есть возможность внешнего подключения аккумуляторной батареи.

Рабочая температура инвертора. Это немаловажный параметр, так как от него зависит функциональность преобразовательного устройства при работе в разных климатических зонах, а также вероятность перегрева и поломки.

Интерфейсы преобразователя. Различные модели оснащены самыми различными разъемами для подключения оборудования, имеются возможности управления устройствами. Для некоторых типов предусмотрены пульты дистанционного управления, которые используются для компьютерной техники.

Что будет, если подать в электросеть постоянный ток / Хабр

Война токов

завершилась, и Тесла с Вестингаузом, похоже, победили. Сети постоянного тока сейчас используются кое-где на железной дороге, а также в виде свервысоковольтных линий передачи.

Подавляющее большинство энергосетей работают на переменном токе. Но давайте представим, что вместо переменного напряжения с действующим значением 220 вольт в ваш дом внезапно стали поступать те же 220 В, но постоянного тока.

Театр начинается с вешалки, а наш электрический цирк — с вводного щитка.

И сразу хорошие новости: защитные автоматы будут работать как положено. Автомат имеет два расцепителя: тепловой и электромагнитный. Тепловой служит для защиты от длительной перегрузки. Ток нагревает биметаллическую пластинку, она изгибается и размыкает цепь. Электромагнитный элемент срабатывает от кратковременного импульса тока при коротком замыкании. Он представляет собой соленоид, который втягивает в себя сердечник и, опять же, разрывает цепь. Обе эти системы прекрасно работают на постоянном токе.

источник картинки: выключатель-автоматический.рф

Дополнения от Bronx и AndrewN:
Магнитный расцепитель срабатывает по амплитудному значению тока, то есть в 1,4 раза больше действующего. На постоянном токе его ток срабатывания будет в 1,4 раза выше.

Дугу постоянного тока сложнее погасить, так что при коротком замыкании увеличится время разрыва цепи и ускорится износ автомата. Существуют специальные автоматы, рассчитанные на работу с постоянным током.

Помимо автоматов, в щитке есть устройство защитного отключения (УЗО). Его цель — обнаруживать утечку тока из сети на землю, например при касании человеком токоведущих частей. УЗО измеряет силу тока в двух проводниках, проходящих через него. Если в нагрузку втекает такой же ток, что и вытекает — всё в порядке, утечки нет. Если же токи не равны, УЗО бьёт тревогу и разрывает цепь.

Чувствительный элемент УЗО — дифференциальный трансформатор. У такого трансформатора две первичные обмотки, включенные в противоположных направлениях. Если токи равны, их магнитные поля компенсируют друг друга и на выходе сигнала нет. Если токи не скомпенсированы, на выходе сигнальной обмотки появляется напряжение, на которое реагирует схема УЗО. На постоянном токе трансформатор работать не будет, и УЗО окажется бесполезным.

Неважно, какой у вас электросчетчик — старый механический или новый электронный — работать он не будет. Механический счетчик представляет собой электродвигатель, где ротором служит металлический диск, а статор содержит две обмотки. Одна обмотка включена последовательно с нагрузкой и измеряет ток, вторая включена параллельно и измеряет напряжение. Таким образом, чем больше потребляемая мощность, тем быстрее крутится диск. Работа такого счетчика основана на явлении электромагнитной индукции, и при постоянном токе в обмотках диск останется неподвижен.

Электронный счетчик устроен по-другому. Он напрямую измеряет напряжение (через резистивный делитель) и ток (при помощи шунта или датчика Холла), оцифровывает их, а затем микропроцессор пересчитывает полученные данные в киловатт-часы. В принципе, ничто не мешает такой схеме работать с постоянным током, но во всех бытовых счетчиках постоянная составляющая программно отфильтровывается и на показания не влияет. Счетчики постоянного тока существуют в природе, их ставят, например, на электровозы, но в квартирном щитке вы такой не найдёте.

Ну и ладно, не хватало ещё платить за всё это безобразие! Идём дальше по цепи и смотрим, какие электроприборы могут нам встретиться.

Тут всё прекрасно. Электронагреватель — это чисто резистивная нагрузка, а тепловое действие тока не зависит от его формы и направления. Электроплиты, чайники, кипятильники, утюги и паяльники будут работать на постоянном токе точно так же, как и на переменном. Биметаллические терморегуляторы (как, например, в утюге) тоже будут функционировать правильно.

Старая добрая лампочка Ильича на постоянном токе чувствует себя не хуже, чем на переменном. Даже лучше: не будет пульсаций света, лампа не будет гудеть. На переменном токе лампочка может гудеть из-за того, что спираль (особенно, если она провисла) работает как электромагнит, сжимаясь и растягиваясь дважды за период. При питании постоянным током этого неприятного явления не будет.

Однако если у вас установлены регуляторы яркости (диммеры), то они работать перестанут. Ключевым элементом диммера является тиристор — полупроводниковый прибор, который открывается и начинает пропускать ток в момент подачи управляющего импульса. Закрывается тиристор, когда ток через него прекращает течь. При питании тиристора переменным током он будет закрываться при каждом переходе тока через ноль. Подавая управляющий импульс в разное время относительно этого перехода, можно менять время, в течение которого тиристор будет открыт, а значит, и мощность в нагрузке. Именно так и работает диммер.

При питании постоянным током тиристор не сможет закрыться, и лампа всегда будет гореть на 100% мощности. А возможно, управляющая схема не сможет «поймать» переход сетевого напряжения через ноль и не подаст импульс для открытия тиристора. Тогда лампа не загорится совсем. В любом случае, диммер будет бесполезен.

Люминесцентную лампу нельзя включать напрямую в сеть, для нормальной работы ей нужен пуско-регулирующий аппарат (ПРА). В простейшем случае он состоит из трёх деталей: стартёра, дросселя и конденсатора. Последний нужен не самой лампе, а остальным потребителям в сети, так как он улучшает

коэффициент мощности

и фильтрует помехи, создаваемые лампой. Стартёр — это неоновая лампочка, один из электродов которой при нагреве изгибается и касается второго электрода. Дроссель — большая катушка индуктивности, включенная последовательно с лампой:

Штатно всё это работает так: при включении зажигается разряд в стартёре, его контакты нагреваются и замыкаются между собой. Ток течёт через нити накала лампы, отчего те разогреваются и начинают испускать электроны. В это время стартёр остывает и размыкает цепь. Ток резко падает, и за счет самоиндукции на дросселе появляется импульс высокого напряжения. Этот импульс зажигает разряд в лампе, и дальше он горит самостоятельно. Дроссель теперь ограничивает ток разряда, работая как добавочное сопротивление.

Что же будет на постоянном токе? Стартёр сработает, лампа зажжётся как положено, но вот дальше всё пойдёт наперекосяк. В цепи постоянного тока у дросселя не будет индуктивного сопротивления (только активное сопротивление проводов, а оно мало), а значит, он больше не сможет ограничивать ток. Чем выше ток разряда, тем сильнее ионизируется газ в лампе, сопротивление падает, и ток растёт ещё сильнее. Процесс будет развиваться лавинообразно и закончится взрывом лампы.

Электромагнитные ПРА просты, но не лишены недостатков. У них низкий КПД, дроссель громоздкий и тяжелый, гудит и нагревается, лампа загорается с диким миганием, а потом мерцает с частотой 100 Гц. Всех этих недостатков лишен электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА). Как он работает? Если посмотреть

схемы различных ЭПРА

, можно заметить общий принцип. Напряжение сети выпрямляется (преобразуется в постоянное), затем генератор на транзисторах или микросхеме вырабатывает переменное напряжение высокой частоты (десятки кГц), которое питает лампу. В дорогих ЭПРА есть схемы разогрева нитей и плавного запуска, которые продлевают срок службы лампы.

источник картинки: aliexpress.com

Схожую схемотехнику имеют как блоки для линейных ламп, так и компактные «энергосберегайки», которые вкручиваются в обычный патрон. Поскольку на входе ЭПРА стоит выпрямитель, можно питать всю схему постоянным напряжением.

Светодиод требует для работы небольшое постоянное напряжение (около 3.5 В, обычно соединяют несколько диодов последовательно) и ограничитель тока.

Схемы светодиодных ламп

весьма разнообразны, от простых до довольно сложных.

Самое простое — последовательно со светодиодами поставить гасящий резистор. На нём упадёт лишнее напряжение, он же будет ограничивать ток. Такая схема имеет чудовищно низкий КПД, поэтому на практике вместо резистора ставят гасящий конденсатор. Он также обладает сопротивлением (для переменного тока), но на нём не рассеивается тепловая мощность. По такой схеме собраны самые дешёвые лампы. Светодиоды в них мерцают с частотой 100 Гц. На постоянном токе такая лампа работать не будет, так как для постоянного тока конденсатор имеет бесконечное сопротивление.

источник картинки: bigclive.com

Более дорогие лампы устроены сложнее, очень похоже на ЭПРА для люминесцентных ламп. Источник питания в них содержит высокочастотный импульсный стабилизатор, который питается выпрямленным сетевым напряжением. Как и в случае с ЭПРА, схема будет нормально работать, если подать на неё постоянное напряжение.

источник картинки: powerelectronictips.com

Универсальный коллекторный двигатель (УКД) состоит из неподвижного статора и ротора, который вращается внутри. Статор имеет одну обмотку, а ротор сразу несколько. Роторные обмотки подключаются через коллектор — цилиндр с контактами, по которому скользят угольные щётки. Взаимодействие магнитных полей статора и ротора заставляет ротор поворачиваться. Коллектор устроен так, что всё время включает ту из обмоток, которая находится перпендикулярно обмотке статора — для неё вращающий момент будет максимальным.

Такой двигатель может работать при питании как переменным, так и постоянным током. Собственно, поэтому он и называется «универсальным». При смене полярности одновременно меняется направление магнитного поля и в статоре, и в роторе, в результате двигатель продолжает вращаться в ту же сторону. На постоянном токе УКД развивает даже больший момент, чем на переменном, за счет отсутствия индуктивного сопротивления обмоток. Универсальные коллекторные двигатели применяются там, где нужно получить большую мощность при малых габаритах. В бытовой технике УКД стоят в стиральных машинах, пылесосах, фенах, блендерах, миксерах, мясорубках, а также в электроинструментах. Все эти приборы продолжат работать, если напряжение в розетке внезапно «выпрямится».

У синхронного двигателя в статоре несколько обмоток, которые создают вращающееся магнитное поле. Ротор содержит постоянный магнит либо обмотку, питаемую постоянным током. Магнитное поле статора сцепляется с полем ротора и вращает его за собой. Особенностью такого двигателя является то, что частота его вращения зависит только от частоты питающего тока. На постоянном токе, очевидно, такой двигатель будет вращаться с нулевой частотой, то есть остановится.

В быту применяются маломощные синхронные двигатели там, где нужно поддерживать строго постоянную частоту вращения. В основном, это электромеханические часы и таймеры. Также синхронными являются двигатель вращения тарелки в СВЧ-печи и двигатель сливного насоса в стиральной машине.

Асинхронный двигатель похож своим устройством на синхронный. В нем также статор имеет несколько обмоток и создаёт вращающееся поле. Но обмотка ротора никуда не подключена и замкнута накоротко. Ток в ней создаётся за счет явления электромагнитной индукции в переменном поле статора. Этот ток создаёт своё магнитное поле, которое взаимодействует с вращающимся полем статора и заставляет ротор вращаться.

Асинхронные двигатели отличаются низким уровнем шума и большим ресурсом из-за отсутствия трущихся щёток. Их можно встретить в холодильниках, кондиционерах и вентиляторах. При питании постоянным током магнитное поле статора вращаться не будет. Также не возникнет ток в короткозамкнутом роторе. Двигатель останется неподвижен, а обмотка будет просто нагреваться, как обычный кусок провода.

Строго говоря, это не отдельный тип двигателя, а способ управления им. Сам двигатель может быть синхронным или асинхронным. Главная особенность в том, что напряжения на обмотках формируются управляющей схемой по сигналу с датчика положения ротора. Это позволяет регулировать скорость и крутящий момент в широких диапазонах, ограничивать пусковые токи и даёт кучу возможностей, вроде стабилизации частоты вращения. Вот пара хороших статей, объясняющих всю эту магию:

Раз
Два

Вентильные двигатели всё шире используются в бытовой технике: в стиральных машинах, холодильниках, кондиционерах, пылесосах. Обычно такую технику можно узнать по прилагательному «инверторный» в рекламе. Вентильный двигатель безразличен к форме питающего напряжения. Напряжение сети первым делом выпрямляется, а затем управляющий блок «лепит» из него несколько разных синусоид (обычно три) для питания обмоток мотора. Естественно, такая система будет спокойно работать на постоянном токе.

Трансформатор состоит из нескольких обмоток, связанных общим магнитопроводом. Переменный ток в одной обмотке (первичной) порождает индукционные токи во всех остальных обмотках (вторичных). Ключевая особенность трансформатора, ради которой его обычно и используют, в том, что напряжения на обмотках соотносятся так же, как количество витков в этих обмотках. Если в первичной обмотке намотать 1000 витков, а во вторичной — 100, такой трансформатор будет понижать напряжение в 10 раз. Если включить его наоборот — в 10 раз повышать. Очень просто и удобно.

В линейном блоке питания напряжение сети понижается (или повышается, если надо) до необходимого уровня при помощи трансформатора. Далее стоит выпрямитель, который преобразует переменное напряжение в постоянное, и фильтр, сглаживающий пульсации. Затем может идти стабилизатор, который поддерживает неизменным выходное напряжение.

Линейные блоки питания постепенно вытесняются импульсными, но первые работают ещё много где. В микроволновке, если она не «инверторная», есть мощный трансформатор, который повшает сетевые 220 В до нескольких киловольт, необходимых для работы магнетрона. От трансформаторов питается управляющая электроника в стиральных машинах, кухонных плитах и кондиционерах. Трансформаторные блоки питания используются в аудиоаппаратуре и дешёвых зарядных устройствах.

Что случится с трансформатором, если его включить в сеть постоянного тока? Во-первых, на вторичных обмотках напряжение не появится, так как электромагнитная индукция возникает лишь при изменении тока. Во-вторых, обмотка не будет обладать индуктивным сопротивлением, а значит, через неё потечёт гораздо больший ток, чем рассчитано. Трансформатор будет перегреваться и довольно быстро сгорит.

Чем выше частота переменного тока, тем эффективнее работает трансформатор (в разумных пределах, конечно). Если использовать частоту в несколько десятков килогерц вместо сетевых 50 Гц, можно прилично уменьшить габариты трансформаторов при той же передаваемой мощности. Эта идея лежит в основе импульсных блоков питания. Работает такой блок следующим образом: напряжение сети выпрямляется, полученное постоянное напряжение питает транзисторный генератор, который даёт снова переменное напряжение, но уже высокой частоты. Его теперь можно понижать или повышать трансформатором, выпрямлять и подавать в нагрузку.

По такой схеме сейчас питается подавляющее большинство электроники: компьютеры, мониторы, телевизоры, зарядные устройства для ноутбуков, телефонов и прочих гаджетов. Поскольку входное напряжение первым делом выпрямляется, импульсный блок питания должен без проблем работать на постоянном токе. Но есть пара моментов, которые могут всё испортить.

Во-первых, напряжение после выпрямителя равно почти амплитудному значению переменного напряжения. То есть для ~220 В на входе выпрямитель даст 311 B. Мы же по условию подаём постоянное напряжение 220 В, что на 30% ниже. Это скорее всего не вызовет проблем, потому что современные блоки питания могут работать в широком диапазоне напряжений, обычно от 100 до 250 В.

Во-вторых, выпрямитель состоит из четырёх диодов, которые работают парами: одна пара на положительной полуволне тока, другая — на отрицательной. Таким образом, каждый диод пропускает ток лишь половину времени. Если мы подадим на выпрямитель постоянное напряжение, одна пара диодов будет открыта всегда, и на них будет рессеиваться двойная мощность. Если диоды не имеют двойного запаса по току, они могут сгореть. Но это не слишком большая беда: можно просто выкинуть выпрямитель и подавать постоянное напряжение сразу после него.

После того, как вы потушили несколько возгораний и сгребли в кучу испорченные приборы, настало время подвести итоги. Переход на постоянный ток переживёт либо старая и простая техника (лампы накаливания, нагреватели, коллекторные моторы с механическим управлением) либо, наоборот, самая современная (с импульсными блоками питания и инверторными моторами).

К счастью, описанный сценарий вряд ли осуществится на практике, если не рассматривать возможность специально организованной диверсии. Ни при какой возможной аварии в энергосети переменное напряжение не станет вдруг постоянным. Правда, при возможных авариях случаются иные нехорошие вещи, но это уже совсем другая история. Берегите себя и делайте бэкапы.

Первый закон термодинамики

Первый Закон

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче за вычетом чистой работы, выполненной системой.

Цели обучения

Объясните, как чистое переданное тепло и чистая работа, выполняемая в системе, соотносятся с первым законом термодинамики.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Первый закон термодинамики — это версия закона сохранения энергии, специально предназначенная для термодинамических систем.
• В форме уравнения первый закон термодинамики выглядит так: [latex] \ Delta \ text {U} = \ text {Q} — \ text {W} [/ latex].
• Тепловые машины — хороший пример применения 1-го закона; в них происходит передача тепла, так что они могут выполнять работу.

Ключевые термины

• внутренняя энергия : сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно, энергия, необходимая для создания системы, за исключением энергии, необходимой для перемещения ее окружения.
• тепло : энергия, передаваемая от одного тела к другому за счет теплового взаимодействия
• Закон сохранения энергии : Закон, гласящий, что общее количество энергии в любой изолированной системе остается постоянным и не может быть создано или уничтожено, хотя оно может менять форму.

Первый закон термодинамики — это версия закона сохранения энергии, специально предназначенная для термодинамических систем. Обычно его формулируют, утверждая, что изменение внутренней энергии замкнутой системы равно количеству тепла, подаваемого в систему, за вычетом количества работы, выполняемой системой над ее окружением.Закон сохранения энергии можно сформулировать так: энергия изолированной системы постоянна.

Первый закон термодинамики : В этом видео я продолжаю серию обучающих видео по теплофизике и термодинамике. Он рассчитан на бакалавриат, и хотя он в основном нацелен на изучение физики, он должен быть полезен всем, кто изучает первый курс термодинамики, например инженерам и т. Д.

Если нас интересует, как теплопередача превращается в работу, важен принцип сохранения энергии.Первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых передача тепла и выполнение работы являются методами передачи энергии в систему и из нее. В форме уравнения первый закон термодинамики равен

.

Внутренняя энергия : Первый закон термодинамики — это принцип сохранения энергии, установленный для системы, в которой тепло и работа являются методами передачи энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии. Q представляет собой чистую теплопередачу — это сумма всех теплопередач в систему и из нее.Q положительно для чистой передачи тепла в систему. W — это общая работа, проделанная системой и над ней. W положительно, когда система выполняет больше работы, чем над ней. Изменение внутренней энергии системы ΔU связано с теплом и работой в соответствии с первым законом термодинамики ΔU = Q − W.

[латекс] \ Delta \ text {U} = \ text {Q} — \ text {W} [/ latex].

Здесь ΔU — это изменение внутренней энергии U системы, Q — чистое тепло, переданное системе, а W — чистая работа, выполненная системой.Мы используем следующие соглашения о знаках: если Q положительно, то в системе имеется чистый теплообмен; если W положительно, то система выполняет чистую работу. Таким образом, положительный Q добавляет энергию в систему, а положительный W забирает энергию из системы. Таким образом, ΔU = Q − W. Также обратите внимание, что если в систему передается больше тепла, чем проделанной работы, разница сохраняется как внутренняя энергия. Тепловые двигатели — хороший тому пример — в них происходит передача тепла, чтобы они могли выполнять свою работу.

Постоянное давление и объем

Изобарический процесс — это процесс, в котором газ действительно работает при постоянном давлении, в то время как изохорный процесс — это процесс, в котором поддерживается постоянный объем.

Цели обучения

Контрастные изобарные и изохорные процессы

Основные выводы

Ключевые моменты

• Изобарный процесс происходит при постоянном давлении. Поскольку давление постоянно, прилагаемая сила постоянна, а выполненная работа выражается как PΔV.
• Изобарическое расширение газа требует теплопередачи для поддержания постоянного давления.
• Изохорный процесс — это процесс, в котором объем поддерживается постоянным, что означает, что работа, выполняемая системой, будет равна нулю.Единственное изменение будет заключаться в том, что газ приобретает внутреннюю энергию.

Ключевые термины

• внутренняя энергия : сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно, энергия, необходимая для создания системы, за исключением энергии, необходимой для перемещения ее окружения.

Согласно первому закону термодинамики, тепло, передаваемое системе, может быть преобразовано во внутреннюю энергию или использовано для работы с окружающей средой.Процесс, в котором газ воздействует на окружающую среду при постоянном давлении, называется изобарическим процессом, а процесс, в котором поддерживается постоянный объем, называется изохорическим процессом.

Изобарический процесс (постоянное давление)

Изобарный процесс происходит при постоянном давлении. Поскольку давление постоянно, прилагаемая сила постоянна, а выполненная работа выражается как PΔV. Примером может служить подвижный поршень в цилиндре, чтобы давление внутри цилиндра всегда было атмосферным, хотя он изолирован от атмосферы.Другими словами, система динамически связана подвижной границей с резервуаром постоянного давления. Если газ должен расширяться при постоянном давлении, тепло должно передаваться в систему с определенной скоростью. Этот процесс называется изобарическим расширением.

Рис. 1 : Изобарическое расширение газа требует теплопередачи во время расширения, чтобы поддерживать постоянное давление. Поскольку давление постоянно, проделанная работа равна PΔV.

Изохорный процесс (постоянный объем)

Изохорный процесс — это процесс, в котором объем поддерживается постоянным, что означает, что работа, выполняемая системой, будет равна нулю.Отсюда следует, что для простой двухмерной системы любая тепловая энергия, передаваемая системе извне, будет поглощена как внутренняя энергия. Изохорный процесс также известен как изометрический процесс или изоволюметрический процесс. Например, можно поместить в огонь закрытую жестяную банку, содержащую только воздух. В первом приближении баллончик не будет расширяться, и единственное изменение будет заключаться в том, что газ приобретает внутреннюю энергию, о чем свидетельствует повышение его температуры и давления. Математически

[латекс] \ Delta \ text {Q} = \ Delta \ text {U} [/ latex].

Можно сказать, что система динамически изолирована жесткой границей от окружающей среды.

Изотермические процессы

Изотермический процесс — это изменение термодинамической системы, в которой температура остается постоянной.

Цели обучения

Определите типичные системы, в которых происходит изотермический процесс

Основные выводы

Ключевые моменты

• Для идеального газа произведение давления на объем (PV) является постоянным, если газ находится в изотермических условиях.
• Для идеального газа работа, связанная с переходом газа из состояния A в состояние B в результате изотермического процесса, задается как [latex] \ text {W} _ {\ text {A} \ to \ text {B}} = \ text {nRT} \ ln {\ frac {\ text {V} _ \ text {B}} {\ text {V} _ \ text {A}}} [/ latex].
• Для многих систем, если температура поддерживается постоянной, внутренняя энергия системы также остается постоянной. Отсюда следует, что в этом случае Q = -W.

Ключевые термины

• обратимый : Возможность возврата в исходное состояние без потребления свободной энергии и увеличения энтропии.
• идеальный газ : гипотетический газ, молекулы которого не взаимодействуют и подвергаются упругому столкновению друг с другом и со стенками контейнера.
• Закон Бойля : Наблюдение, согласно которому давление идеального газа обратно пропорционально его объему при постоянной температуре.

Изотермический процесс — это изменение системы, в которой температура остается постоянной: ΔT = 0. Обычно это происходит, когда система находится в контакте с внешним тепловым резервуаром (тепловой ванной), и изменение происходит достаточно медленно, чтобы позволить система для постоянного регулирования температуры резервуара за счет теплообмена.Напротив, адиабатический процесс — это когда система не обменивается теплом с окружающей средой (Q = 0). (См. Наш атом в «Адиабатическом процессе».) Другими словами, в изотермическом процессе значение ΔT = 0, но Q ≠ 0, в то время как в адиабатическом процессе ΔT ≠ 0, но Q = 0.

Идеальный газ в изотермическом процессе

В идеале произведение давления на объем (PV) является постоянным, если газ находится в изотермических условиях. (Исторически это называется законом Бойля. {\ text { V} _ \ text {B}} \ frac {1} {\ text {V}} \ text {dV} = \ text {nRT} \ ln {\ frac {\ text {V} _ \ text {B}} {\ text {V} _ \ text {A}}} [/ latex].

Также стоит отметить, что для многих систем, если температура поддерживается постоянной, внутренняя энергия системы также остается постоянной, и поэтому [latex] \ Delta \ text {U} = 0 [/ latex]. Из первого закона термодинамики следует, что [latex] \ text {Q} = — \ text {W} [/ latex] для того же изотермического процесса.

Адиабатические процессы

Адиабатический процесс — это любой процесс, происходящий без увеличения или уменьшения тепла в системе.

Цели обучения

Оценить среду, в которой обычно происходят изотермические процессы

Основные выводы

Ключевые моменты

• Адиабатические процессы могут возникать, если контейнер системы имеет теплоизолированные стенки или процесс происходит за очень короткое время.
• Для адиабатически расширяющегося идеального одноатомного газа, который действительно воздействует на окружающую среду (W положительно), внутренняя энергия газа должна уменьшаться.
• В некотором смысле изотермический процесс можно рассматривать как противоположную крайность адиабатического процесса. В изотермических процессах теплообмен идет достаточно медленно, чтобы температура системы оставалась постоянной.

Ключевые термины

• Закон Бойля : Наблюдение, согласно которому давление идеального газа обратно пропорционально его объему при постоянной температуре.
• идеальный газ : гипотетический газ, молекулы которого не взаимодействуют и подвергаются упругому столкновению друг с другом и со стенками контейнера.
• обратимый : Возможность возврата в исходное состояние без потребления свободной энергии и увеличения энтропии.

Изотермический процесс — это изменение системы, в которой температура остается постоянной: ΔT = 0. Обычно это происходит, когда система находится в контакте с внешним тепловым резервуаром (тепловой ванной), и изменение происходит достаточно медленно, чтобы позволить система для постоянного регулирования температуры резервуара за счет теплообмена.Напротив, адиабатический процесс — это когда система не обменивается теплом с окружающей средой (Q = 0). (См. Наш атом в «Адиабатическом процессе».) Другими словами, в изотермическом процессе значение ΔT = 0, но Q ≠ 0, в то время как в адиабатическом процессе ΔT ≠ 0, но Q = 0.

Идеальный газ в изотермическом процессе

В идеале произведение давления на объем (PV) является постоянным, если газ находится в изотермических условиях. (Исторически это называется законом Бойля.) Однако случаи, когда PV продукта является экспоненциальным членом, не соблюдаются.Значение константы равно nRT, где n — количество молей присутствующего газа, а R — постоянная идеального газа. Другими словами, применяется закон идеального газа PV = nRT. Это означает, что

[латекс] \ text {P} = \ frac {\ text {nRT}} {\ text {V}} = \ frac {\ text {constant}} {\ text {V}} [/ latex]

трюмов. Семейство кривых, порожденных этим уравнением, показано на. Каждая кривая называется изотермой.

Изотермы идеального газа : Несколько изотерм идеального газа на фотоэлектрической диаграмме. {\ text { V} _ \ text {B}} \ frac {1} {\ text {V}} \ text {dV} = \ text {nRT} \ ln {\ frac {\ text {V} _ \ text {B}} {\ text {V} _ \ text {A}}} [/ latex].

Также стоит отметить, что для многих систем, если температура поддерживается постоянной, внутренняя энергия системы также остается постоянной, и поэтому [latex] \ Delta \ text {U} = 0 [/ latex]. Из первого закона термодинамики следует, что [latex] \ text {Q} = — \ text {W} [/ latex] для того же изотермического процесса.

Метаболизм человека

Первый закон термодинамики объясняет метаболизм человека: преобразование пищи в энергию, которая используется телом для выполнения действий.

Цели обучения

Противоположный катаболизм и анаболизм в отношении энергии

Основные выводы

Ключевые моменты

• Обмен веществ человека — сложный процесс. Первый закон термодинамики описывает начало и конец этих процессов.
• Наше тело теряет внутреннюю энергию. Эта внутренняя энергия может идти по трем направлениям — к теплопередаче, выполнению работы и накоплению жира.
• Наш организм является хорошим примером необратимых процессов.Хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир.

Ключевые термины

• метаболизм : Полный набор химических реакций, происходящих в живых клетках.
• окисление : реакция, в которой атомы элемента теряют электроны и валентность элемента увеличивается.
• калорий : энергия, необходимая для повышения температуры 1 кг воды на 1 кельвин.Это эквивалентно 1000 (маленьких) калорий.

Метаболизм у людей — это преобразование пищи в энергию, которая затем используется организмом для выполнения действий. Это пример действия первого закона термодинамики. Рассматривая тело как систему, представляющую интерес, мы можем использовать первый закон для изучения теплопередачи, выполнения работы и внутренней энергии в различных видах деятельности, от сна до тяжелых упражнений. Например, одним из основных факторов такой активности является температура тела, которая обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду, что означает, что Q отрицательно (т.е.е., наше тело теряет тепло). Другой фактор заключается в том, что тело обычно работает с внешним миром, а это означает, что W положительна. Таким образом, в таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку ΔU = Q − W отрицательно.

есть

Теперь рассмотрим эффекты еды. Организм метаболизирует всю пищу, которую мы потребляем. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии. По сути, метаболизм использует процесс окисления, в котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи.Это означает, что питание осуществляется в форме работы. Энергия пищи указывается в специальной единице, известной как калория. Эта энергия измеряется сжиганием пищи в калориметре, как и определяются единицы.

Катаболизм и анаболизм

Катаболизм — это путь, который расщепляет молекулы на более мелкие единицы и производит энергию. Анаболизм — это образование молекул из более мелких единиц. Анаболизм использует энергию, произведенную катаболическим расщеплением вашей пищи, для создания молекул, более полезных для вашего тела.

Внутренняя энергия

Наше тело теряет внутреннюю энергию, и есть три места, куда эта внутренняя энергия может пойти — на передачу тепла, выполнение работы и накопленный жир (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток). Как показано на рис. 1, передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из тела, а затем пища возвращает ее обратно. Если вы едите нужное количество пищи, ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете на теплопередачу и выполнение работы, заменяется едой, так что в конечном итоге ΔU = 0.Если вы постоянно переедаете, то ΔU всегда положительно, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если ΔU отрицательное в течение нескольких дней, тогда организм метаболизирует собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, которая забирает у тела энергию. Именно так соблюдение диеты способствует снижению веса.

Метаболизм : (а) Первый закон термодинамики применительно к метаболизму. Тепло, передаваемое из тела (Q), и работа, выполняемая телом (W), удаляют внутреннюю энергию, в то время как прием пищи заменяет ее.(Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую телом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи в солнечном свете в запасенную химическую энергию — процесс, называемый фотосинтезом.

Метаболизм

Жизнь не всегда так проста, как знает любой человек, сидящий на диете. Тело накапливает жир или метаболизирует его только в том случае, если потребление энергии меняется в течение нескольких дней. После того, как вы сели на основную диету, следующая будет менее успешной, потому что ваше тело изменит способ реагирования на низкое потребление энергии.Ваша основная скорость метаболизма — это скорость, с которой пища преобразуется в теплообмен и работу, выполняемую в то время, когда тело находится в полном покое. Организм регулирует базальную скорость метаболизма, чтобы частично компенсировать переедание или недоедание. Организм будет снижать скорость метаболизма, а не устранять собственный жир, чтобы заменить потерянную еду. Вам будет легче охладиться, и вы почувствуете себя менее энергичным в результате более низкой скорости метаболизма, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают сбросить вес, потому что они обеспечивают теплоотдачу от вашего тела и работы, а также повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя.

Необратимость

Тело является прекрасным свидетельством того, что многие термодинамические процессы необратимы. Необратимый процесс может идти в одном направлении, но не в обратном, при заданном наборе условий. Например, хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир. В противном случае мы могли бы пропустить обед, загорая или спустившись по лестнице. Другой пример необратимого термодинамического процесса — фотосинтез.Этот процесс представляет собой поглощение растениями одной формы энергии — света — и ее преобразование в химическую потенциальную энергию. Оба применения первого закона термодинамики проиллюстрированы на. Одно большое преимущество таких законов сохранения состоит в том, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов (таких как метаболизм и фотосинтез) без учета промежуточных осложнений.

Калориметрия постоянного давления | Протокол

6.8: Калориметрия постоянного давления

Калориметрия — это метод, используемый для измерения количества тепла, участвующего в химическом или физическом процессе, или для измерения тепла, передаваемого веществу или от него. Тепло передается с помощью откалиброванного и изолированного устройства, называемого калориметром. Калориметрические эксперименты основаны на предположении об отсутствии теплообмена между изолированным калориметром и внешней средой. Хорошо изолированные калориметры предотвращают передачу тепла между калориметром и его внешней средой, что эффективно ограничивает «окружение» несистемными компонентами внутри калориметра (и самого калориметра).Это позволяет точно определять количество тепла, участвующего в химических процессах, например, энергетическую ценность пищевых продуктов.

Изменение температуры, измеренное калориметром, используется для определения количества тепла, передаваемого исследуемым процессом. В калориметре система определяется как вещество или вещества, подвергающиеся химическому или физическому изменению, или, другими словами, реакция и окружающая среда представляют собой все другие вещества, включая раствор и любые другие компоненты в калориметре, которые либо выделяют тепло. к системе или поглощать тепло из системы.

Прежде чем обсуждать калориметрию химических реакций, рассмотрим более простой пример, который иллюстрирует основную идею калориметрии. Предположим, что раскаленный кусок металла с высокой температурой помещен в вещество с низкой температурой, такое как холодная вода. Тепло будет течь от горячего металла к воде. Температура металла будет снижаться, а температура воды будет увеличиваться до тех пор, пока два вещества не будут иметь одинаковую температуру, то есть когда они достигнут теплового равновесия. Если это происходит в калориметре, все тепло передается между двумя веществами без тепла, получаемого или теряемого внешней средой.В этих идеальных условиях чистое изменение тепла равно нулю:

Это соотношение можно изменить, чтобы показать, что тепло, получаемое металлом, равно теплу, теряемому веществом — водой:

Следовательно, величина тепла (изменения) одинакова для обоих веществ. Отрицательный знак просто показывает, что q _металл и q _вода противоположны по направлению теплового потока (прирост или потеря), но он не указывает арифметический знак для значения q (которое определяется в зависимости от того, набирает ли рассматриваемый вопрос или теряет тепло, по определению).В конкретной описанной ситуации q _металл — отрицательное значение, а q _вода — положительное значение, поскольку тепло передается от металла воде.

При использовании калориметрии для определения тепла, участвующего в химической реакции, применяются те же принципы. Количество тепла, поглощаемого калориметром, часто достаточно мало, поэтому им можно пренебречь, а калориметр сводит к минимуму энергообмен с внешней средой.Когда экзотермическая реакция происходит в растворе в калориметре, тепло, выделяемое в результате реакции, поглощается раствором, что увеличивает его температуру. Когда происходит эндотермическая реакция, необходимое тепло поглощается тепловой энергией раствора, что снижает его температуру. Изменение температуры (Δ T ), а также удельная теплоемкость ( c _soln ) и масса раствора ( m _soln ) могут затем использоваться для расчета количества тепла ( q _soln ) в любом случае.

Простой калориметр, называемый калориметром кофейной чашки, состоит из двух вложенных друг в друга чашек из полистирола, закрытых свободно закрывающейся крышкой. Калориметры для кофейных чашек используются для измерения теплоты реакций, протекающих в растворах (в основном, в водных растворах), при отсутствии или очень небольшом изменении объема. Поскольку энергия не создается и не разрушается во время химической реакции, тепло, производимое или потребляемое в реакции («система»), q _rxn , плюс тепло, поглощаемое или теряемое раствором («окружение»), q _soln , необходимо добавить к нулю:

Это означает, что количество тепла, производимого или потребляемого в реакции, равно количеству тепла, поглощаемого или теряемого раствором:

Калориметр кофейной чашки — это калориметр постоянного давления, и измеренное тепло реакции эквивалентно изменению энтальпии.

Этот текст адаптирован из Openstax, Chemistry 2e, раздел 5.2: Калориметрия.

---

Рекомендуемая литература

1. Банна, М. Салим. «Нагреватель для калориметрии постоянного давления». Журнал химического образования 63, вып. 11 (1986): 997.
2. Рюкберг, Бен. «Экономичный, безопасный и прочный студенческий калориметр». Журнал химического образования 71, вып. 4 (1994): 333.
3. Станкус, Джон Дж. И Дженнифер Д. Карауэй. «Замена калориметров кофейных чашек на калориметры изготовленных из стаканчиков». Журнал химического образования 88, вып. 12 (2011): 1730-1731.
   

Система постоянного давления

и как она может вам помочь

Одно из преимуществ жизни в городе — постоянный напор воды. Когда вы переезжаете в пригород и переключаетесь на воду из колодца, вы можете начать скучать по тому приятному, равномерному давлению, которое у вас было.Теперь вам нужно запланировать прием душа, чтобы убедиться, что ни один другой прибор не работает одновременно, и никто другой не принимает душ во второй ванной комнате. Потому что, как только посудомоечная машина начинает цикл, струя душа превращается из бурного водопада в тающую сосульку. Но пока не принимайте это неудобство. Как специалисты по насосам для скважин и водоподготовке из Мэриленда, мы знаем решение, которое может помочь в вашей ситуации, — систему постоянного давления.

Что такое система постоянного давления?

Как вы могли догадаться, система постоянного давления — это часть оборудования, которая обеспечивает постоянное поддержание определенного давления воды.Неважно, поливаете ли вы газон, пользуетесь посудомоечной машиной и смываете воду в туалете одновременно — ваш душ или раковина будут подавать воду с постоянным давлением.

Как работает система постоянного давления?

Постоянное давление независимо от того, сколько приборов вы используете? Это должно быть какое-то волшебство! Нисколько. Типичная система постоянного давления работает, регулируя скорость вращения (об / мин) вашего скважинного насоса в соответствии с потребностью в воде.

В стандартной скважинной насосной системе насос запускается, когда давление в напорном резервуаре падает до низкого, что указывает на необходимость пополнения.Затем насос будет заполнять резервуар до тех пор, пока давление не восстановится до точки отсечки (обычно около 60 фунтов на квадратный дюйм). Затем насос остановится. Если вы начнете использовать сразу несколько сантехнических приборов, давление в резервуаре быстро упадет, и может потребоваться некоторое время, чтобы оно поднялось, пока насос работает. Это вызывает колебания давления, а также изнашивает насос из-за частых циклов включения / выключения.

Вот короткое видео, объясняющее основные различия между стандартной и системой постоянного давления.

В системе с постоянным давлением насос включается, как только он обнаруживает падение давления всего на 5 фунтов на квадратный дюйм, и остается включенным, чтобы поддерживать определенный фунт на квадратный дюйм, работая медленнее или быстрее. Таким образом, даже если скорость потока увеличивается, вы все равно можете наслаждаться тем же давлением. И насос будет работать дольше, что сократит количество частых циклов перезапуска и продлит его срок службы.

Как установить систему постоянного давления?

В некоторых случаях существующая система насосов для скважин может быть преобразована в систему постоянного давления путем замены нескольких компонентов, таких как реле давления.Однако в других случаях может быть лучше обновить всю вашу систему. Если ваша система уже устарела, вы можете установить скважинный насос постоянного давления, систему обратного осмоса, а также заменить резервуар высокого давления на меньший и более компактный. Поскольку ваша система постоянного давления будет работать при пороге всего 5 фунтов на квадратный дюйм, вам не понадобится огромный резервуар для хранения всей этой воды, так как она будет предоставлена ​​по запросу.

Кому следует использовать систему постоянного давления?

Система постоянного давления для всех, кто не любит колебания или низкое давление.Его можно использовать как в частных колодцах, так и в городских системах водоснабжения. Если вы недавно добавили новую сантехнику в свой дом или спринклерную систему, система постоянного давления может помочь вам поддерживать достаточное водоснабжение во всех этих точках использования.

Однако это не панацея от всех ваших проблем с водой. Он учитывает только колебания давления, связанные с работой традиционных скважинных систем. Если у вас низкопродуктивная скважина или старые трубы забиты минеральными отложениями, система постоянного давления вряд ли решит ваши проблемы. Свяжитесь со своим специалистом по насосам для скважин в Мэриленде, чтобы получить консультацию , прежде чем вы решите установить систему постоянного давления.

Наши специалисты R&G Water Systems всегда рады помочь профессиональным советом или рекомендацией.

Постоянное давление — обзор

1 Зависимость эффективной массы от давления

Измерения MPR при постоянном давлении показаны (см. Рис. 20) для обоих типов гетеропереходов (см. Таблицу II, адаптированную из Grégoris et al., 1988). В каждом случае резонансные пики смещаются в сторону более высоких полей с увеличением давления из-за увеличения эффективной массы.

Рис. 20. Типичные колебания магнитофонного резонанса для представительных давлений в (а) GaAs / Al _0,28 Ga _0,72 As при 150 К и в (б) Ga _0,47 In _0,53 As / Al _0,48 In _0,52 As при 220 К. Пунктирная линия показывает экспоненциальное затухание колебаний, ∆ — относительная амплитуда, а стрелки указывают на резонансы.

(из Grégoris и др. , 1988.)

Таблица I. Параметры зонной структуры, использованные для расчета g-фактора Ланде в изолированном Al _0,35 Ga _0,65 As / GaAs / Al _0,35 Ga _0,65 As Quantum Well

	GaAs (A)	Al 0,35 Ga 0,65 As (B)
E 0		1,5481	1,548
∆ 0 (эВ)	0.341	0,32
EΓ8c-EΓ8v	4,659	~ 4,659 a
EΓ7c-EΓ8v	4,4884,48			4,4884,48				4,488 4,48	0,07	0,1
P 2 (эВ)	28,9	24,4
P ‘ 2 2 6 904 а
С ‘	0.02	0,02

Примечание . Значения взяты из Hermann and Weisbuch (1977) и Cohen and Marques (1990).

Таблица II. Зависимость концентрации носителя от температуры и давления N _S и подвижность μ _S электронного газа 2D в обеих системах

T T K) 9048 9048 9048 9048 9048 9048 9048 9048 9048 9048 9048 9048

Давление окружающей среды				Высокое давление
N с (10 11 см -2 )	μ (см 2 V -1 с -1 )	P (кбар)	N S ( P ) (10 11 см -2 )	μ с ( P ) (см 2 V -1 с -1 с 1 )
GaAs / Al 0.28 Ga 0,72 As
4,2	2,3	328,000	7,7	1,03	138,200
150	2
290	2,6	8,000	14,4	0,8	6000
Ga 0,47 In 0,53 As / Al 0,48 In As 0n52 9002						5,75	72,000	14,5	4,9	50,000
150	6,02	29,000	13,6	5,1	24,000	24,000	13,000

Согласно формуле, предложенной для сыпучего материала [см. (11)], амплитуда колебательной части магнитосопротивления пропорциональна exp (- γω _LO / ω _c ), где γ — коэффициент затухания.Похоже, что по мере того, как концентрация электронов в гетеропереходе становится очень низкой под высоким давлением, амплитуда колебаний стремится к максимальному значению, близкому к значению в объеме (Грегорис и др. , 1988).

Резонансные поля B _N определяются как значения магнитных полей, соответствующие точкам касания между пиками удельного сопротивления и огибающей кривой колебаний. Этот метод непосредственно корректирует кажущееся смещение максимумов из-за затухания колебаний.

Эффективная масса м *, как определено по формуле. (10), изображена на рис. 21 и 2 как функция давления для двух резонансов ( N = 2 и 3 на фиг. 21; N = 1 и 2 на фиг. 22).

Рис. 21. Зависимость эффективной массы от давления в GaAs / Al _0,28 Ga _0,72 As при 290 К. Сплошные символы обозначают массу MPR м *, а светлые символы соответствуют массе края зоны mO. ∗. Показанная шкала ошибок одинакова при любом давлении.Стрелки показывают непараболическое увеличение массы. Сплошная линия показывает общие результаты после Shantharama et al. (1984). Обратите внимание, что обе линии совпадают при 290 K

(из Grégoris et al. , 1988.)

Рис. 22. Зависимость эффективной массы от давления в Ga _0,47 In _0,53 As / Al _0,48 In _0,52 То же, что и при 220 К. Примечания к символам и планкам погрешностей применимы к рис. 21. Сплошной линией показан наклон в объеме Ga _0.47 In _0,53 Как при 210 K, по Shantharama et al. (1985); пунктирные линии соответствуют пятизонной kp-теории (Hermann and Weisbuch, 1977) с P ² = 23,8 эВ, ( p ‘) ² = 2,9 эВ и C = –2 для матричные элементы.

(Из Грегориса и др. , 1988.)

Однако в гетероструктурах выбор фононов, которые следует учитывать в MPR-анализе, чтобы оценить эффективную массу m *, отнюдь не очевиден.Обычно частота фонона, взаимодействующего с ДЭГ, отличается от частоты, наблюдаемой в объеме.

Для GaAs / AlGaAs и GaInAs: AlInAs мы использовали «GaAs-подобный» режим с ω _LO = 282 см ^–1 (Brummell et al. , 1987) и «InAs- как »с ω _LO = 222 см ^–1 (Николас и др. , 1985).

В GaAs / AlGaAs мы предположили такую ​​же зависимость температуры и давления, что и в массивном GaAs (Blakemore, 1982; Trommer et al., 1976), а для InAs-подобной моды в GaInAs / AlInAs мы предположили аналогичную температурную зависимость и взяли зависимость давления из формулы Грюнайзена (Mitra et al. , 1969):

(12) ωLOGaAs = 2821−4 × 10−5T1 + 1.5 × 10−3P

(13) ωLOInAs = 2821−4 × 10−5T1 + 1.8 × 10−3P

где T в K, P в кбар , и ω _LO в см ^-1 .

Обратите внимание, что эти сдвиги давления и температуры ω _LO малы.При анализе результатов MPR в 2D-системах необходимо учитывать тот факт, что электрическое квантование обеспечивает дополнительное количество кинетической энергии, которое приводит к увеличению значения эффективной массы по сравнению с границей зоны m * из-за эффектов непараболичности.

Теперь сравним массу MPR m * с массой края зоны mO ∗, измеренной в массивном GaAs и Ga _0,47 In _0,53 As (Shantharama et al. , 1984, 1985). Если пренебречь поляронной поправкой к эффективной массе, то увеличение массы из-за непараболичности определяется разницей между m * и mO ∗ на рис.21 и 2.

Увеличение массы имеет относительную величину около 11% для GaAs / AlGaAs и около 30% (меньший зазор) для GaInAs / AlInAs (Грегорис и др. , 1988). В обеих системах непараболическое увеличение массы уменьшается с увеличением давления (например, до 18% при 15 кбар для GaInAs / AlInAs) (Grégoris и др. , 1988).

Такое поведение является ожидаемым, поскольку под давлением концентрация электронов уменьшается, а зазор увеличивается, что приводит к снижению непараболичности.Однако в системе GaAs / AlGaAs эффективная масса края зоны, оцененная для высокого давления, была увеличена примерно на 2% по сравнению с массивным GaAs, что было учтено поляронной поправкой, не включенной в расчет. Такая интерпретация согласуется с тем фактом, что электрон-фононное взаимодействие увеличивается при высоком давлении, потому что концентрация 2D-носителей становится низкой и экранирование электрон-фононного взаимодействия подавляется (Grégoris et al. , 1988).

Интересные результаты были получены для системы GaInAs / InP [см. Таблицу III, адаптированную из Gauthier et al., (1988)], где частота фононов ω ₀ , взаимодействующих с 2DEG, была напрямую извлечена с использованием эффективной массы, полученной в экспериментах с циклотронным резонансом, проведенных при высоких температурах, при которых обычно изучается эффект MPR. Было обнаружено, что значение ω ₀ , извлеченное для множества образцов с разными концентрациями несущих и количеством занятых поддиапазонов, уменьшается с увеличением концентрации 2D несущих. Для самой низкой концентрации частота была очень близка к значению GaAs-подобной LO-моды в GaInAs (271 см ^-1 ).Для максимальной концентрации частота упала до 240 см ^-1 , что находится между InAs-подобными и GaAs-подобными фононными ветвями. Это поведение еще не изучено, и было предложено связать его со смешанной двумерной плазмон-фононной модой или межподзонной плазмон-фононной модой.

Таблица III. Характеристики различных исследованных образцов Ga _0,47 In _0,53 Гетеропереходы AS / InP в предположении изменения давления в прямом зазоре E _г из 10.7 мэВ / Кбар (Adachi, 1982)

.0490

Образец	T (K)	n H (10 11 см -2 )	Количество электрических поддиапазонов	Фононная энергия ω 0 (см 1 )	d m0 ∗ / dP ( m e кбар -1 ) (10 -4 ) d	d	m0 ∗ / dEg ( m c eV -1 )	dn H / dP (см -2 кбар -1 ) (10 970 )	м * / м e при 4.2 К
52	120	6	3	240	4,75	0,044	–6	0,0485	9048 2 9048 2 9048 9048 2 245	6,03	0,056	–8	0,0489
82	150	3,6	2	260	7,1	0,066	0,066 –
83	155	1,3	1	270

Примечание . m0 ∗ и n _H были достигнуты с зависимостью от давления.

(Из Gauthier и др. , 1988)

С другой стороны, в гетеропереходах на основе GaInAs с AlInAs (Грегорис и др. , 1988) и InP (Gauthier и др. , 1988) барьерных слоев, эффективная масса края зоны, по оценкам, возрастала с давлением со скоростью, меньшей, чем оцененная для массивных GalnAs (Shantharama et al., 1985).

Для гетеропереходов GaInAs / InP это отклонение оказалось зависимым от концентрации 2D-носителей, оно меньше для образцов с более низкой концентрацией и более важно для образцов с более высокой концентрацией (см. Рис. 23). С учетом увеличения частоты фононов с уменьшением концентрации носителей заряда, обнаруженного в GaInAs / InP, зависимость эффективной массы от давления будет еще меньше и, следовательно, больше отличаться от массовых результатов. Стоит отметить, что для исследуемой серии образцов (Gauthier et al., 1988) увеличение ω ₀ с уменьшением концентрации носителей было эквивалентно коэффициенту давления dω ₀ / dp = 0,4 см ^-1 кбар ^-1 , что является того же порядка величины, что и коэффициент давления, полученный по формуле Грюнайзена.

Рис. 23. Изменение эффективной массы края зоны m0 ∗ с давлением для трех исследованных образцов по сравнению с объемным увеличением. Мы ясно видим, что наклон приближается к объемному значению по мере уменьшения концентрации носителей.

(Из Gauthier et al. , 1988.)

Таким образом, можно сказать, что рассеяние 2DEG в GaInAs на LO-фононах можно контролировать так, чтобы преобладающее взаимодействие происходило с одной из двух фононных мод, InAs или GaAs. . Эти два случая соответствуют преобладанию

InAs в гетеропереходах GaInAs / AlInAs.

GaAs занял доминирующее положение в гетеропереходах GaInAs / InP.

Таким образом, следует сделать вывод, что наилучшими оценками зависимости массы от давления в гетеропереходах GaInAs / InP являются значения, выведенные из структур с более высокой концентрацией с меньшей зависимостью от давления концентрации носителей.Они дают значения существенно ниже, чем для массивного сплава GaInAs, но ближе к значениям, найденным в бинарных соединениях AIIIBV (Shantharama и др. , 1985). Возможные причины этого могут включать различия в сжимаемости GaInAs и InP, приводящие к появлению одноосного напряжения, изменения непараболического вклада в зонную структуру или изменения электронно-оптических фононных взаимодействий. Результаты, полученные с образцами с более низкой концентрацией носителей, указывают на постепенное увеличение зависимости массы от давления по направлению к объемному значению.Поскольку размер поддиапазона увеличивается, это предполагает, что структурные факторы играют меньшую роль.

Постоянное давление — Бурение пчелиной пещеры

У вас может быть постоянное давление в вашей частной системе водозабора… точно так же, как в городской воде. Контроллер насоса преобразует однофазный 230 вольт в трехфазный 230 вольт. Он изменяет частоту для управления скоростью насоса. Это позволяет насосу вращаться со скоростью, необходимой для обеспечения постоянного давления.

При изменении потребности в потоке скорость двигателя изменяется для поддержания постоянного давления. Стандартные системы изменяют давление на 20 фунтов на квадратный дюйм, в то время как эта система допускает отклонение всего на 2 фунта на квадратный дюйм. Для каждого типа насоса существуют разные модели контроллеров. В некоторых случаях система постоянного давления дешевле стандартной.

Типичная система водяных скважин постоянного давления (с безбарьерным адаптером / устьем скважины) выглядит как на диаграмме ниже. Погружной насос выталкивает воду по капельной трубе на поверхность.Обратный клапан предотвращает попадание воды обратно в колодец. Когда давление в системе падает на 5 фунтов на квадратный дюйм, датчик давления дает команду контроллеру насоса включить насос.

Затем, как описано выше, контроллер изменяет скорость насоса для поддержания давления в пределах 2 фунтов на кв. Дюйм от желаемой настройки (в большинстве условий). Давление сохраняется в небольшом резервуаре высокого давления — обычно 20 галлонов (в отличие от резервуара на 84 галлона или больше для базовой / стандартной системы). Контроллер насоса запрограммирован на распознавание различных условий, которые могут повредить насос, и на временное отключение насоса в таких ситуациях.

Если контроллер насоса не может контролировать давление и система создает слишком высокое давление, предохранительный клапан сбросит избыточное давление.

Эта система отлично подходит для тех домовладельцев, которым нужна гарантия полного давления во время принятия душа. Это также полезно для систем обратного осмоса (RO). Чаще всего эти системы постоянного давления используются для орошения. Когда давление в базовой / стандартной системе меняется, изменяется и расстояние, на которое ваши спринклерные головки отбрасывают воду.

В результате на лужайке могут появиться сухие / коричневые пятна. Благодаря системе постоянного давления ваши разбрызгиватели будут каждый раз разбрасывать одно и то же расстояние. Еще одно преимущество системы постоянного давления заключается в том, что пока существует потребность в воде не менее 1 галлона в минуту, ваш насос остается включенным. В базовой / стандартной системе ваш насос может включать и выключать сотни раз за цикл полива. Это может сократить срок службы помпы на 2–3 года.

Еще одним преимуществом системы постоянного давления является то, что когда насос запускается / останавливается, он делает это постепенно.Это тоже может продлить срок службы помпы.

Однако у системы постоянного давления есть свои недостатки. Компьютеризированный контроллер насоса (частотно-регулируемый привод — или ЧРП) иногда может быть привередливым, если у него нет «чистого» источника питания. Так что они лучше всего подходят для использования в городе. Кроме того, этот контроллер изнашивается примерно через 10 лет, а его замена стоит несколько тысяч долларов.

Щелкните здесь, чтобы перейти на страницу «Базовая / стандартная система водозабора». Нажмите здесь, чтобы просмотреть видео, в котором сравнивается и сравнивается базовый и базовый модели.Система водяных скважин постоянного давления. Щелкните здесь, чтобы получить информацию о включении системы резервуаров для хранения в вашу систему скважин постоянного давления.

Щелкните здесь, чтобы получить бесплатную оценку системы колодцев для воды для вашего дома, бизнеса или церкви.

Удельная теплоемкость при постоянном объеме и постоянном давлении

Удельная теплоемкость — это свойство, связанное с внутренней энергией , которое очень важно в термодинамике. Интенсивные свойства c _v и c _p определены для чистых простых сжимаемых веществ как частные производные внутренней энергии u (T, v) и энтальпии ч. (T, p) , соответственно:

, где нижние индексы v и p обозначают переменные, фиксированные во время дифференцирования.Свойства c _v и c _p упоминаются как удельная теплоемкость (или теплоемкость ), потому что при определенных особых условиях они связывают изменение температуры системы с количеством энергии, добавляемой теплопередача. Их единицы СИ: Дж / кг K или Дж / моль K . Для газов определены две удельные теплоты: одна для постоянного объема (c _v ) и одна для постоянного давления (c _p ) .

Согласно первому закону термодинамики , для процесса постоянного объема с одноатомным идеальным газом молярная удельная теплоемкость будет:

C _v = 3 / 2R = 12,5 Дж / моль K

потому что

U = 3 / 2nRT

Можно вывести, что молярная теплоемкость при постоянном давлении составляет:

C _p = C _v + R = 5 / 2R = 20,8 Дж / моль K

Это C _p больше, чем молярная удельная теплоемкость при постоянном объеме C _v , потому что теперь необходимо подавать энергию , а не только с до . температура газа , но также для газа , чтобы он выполнял работу , потому что в этом случае объем изменяется.

Ссылки:

Reactor Physics and Thermal Hydraulics:

1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную инженерию, 3-е изд., Прентис-Холл, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. У. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Glasstone, Сесонске. Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4-е издание, 1994, ISBN: 978-0412985317
5. Тодреас Нил Э., Казими Муджид С. Ядерные системы Том I: теплогидравлические основы, второе издание. CRC Press; 2 издание, 2012 г., ISBN: 978-0415802871
6. Зохури Б., МакДэниел П. Термодинамика в системах атомных электростанций. Springer; 2015, ISBN: 978-3-319-13419-2
7. Моран Михал Дж., Шапиро Ховард Н. Основы инженерной термодинамики, пятое издание, John Wiley & Sons, 2006, ISBN: 978-0-470-03037-0
8. Кляйнштройер К. Современная гидродинамика. Springer, 2010 г., ISBN 978-1-4020-8670-0.
9. Министерство энергетики США, ТЕРМОДИНАМИКА, ТЕПЛООБМЕН И ПОТОК ЖИДКОСТИ. Справочник Министерства энергетики США по основам, том 1, 2 и 3. Июнь 1992 г.

NWS JetStream — постоянное давление в зависимости от постоянной высоты

Типичные графики уровней постоянного давления, каждая из которых показывает различные аспекты атмосферы.

И на поверхности, и в верхних слоях атмосферы метеорологи постоянно ссылаются на системы «высокого» и «низкого» давления. Однако мы смотрим на них с двух разных точек зрения.

На уровне земли мы ищем значения атмосферного давления, поскольку они связаны с «уровнем моря», который дает нам картину погодных условий на поверхности. Используя уровень моря (высота = ноль) в качестве общей базовой линии, мы можем понять различные значения давления между станциями. Итак, на всех картах поверхности отметка «поверхности» считается нулевой футами.

Линии, проведенные на поверхностных диаграммах, соединяющие области равного давления, называются изобарами. «Изо» означает «равно», а «бар» — это единица измерения давления.Следовательно, изобара — это линия, представляющая место, где давление равно (одинаково) вдоль этой линии.

Типичные графики уровней постоянного давления, каждая из которых показывает различные аспекты атмосферы.

Однако, когда мы исследуем атмосферу, высота, на которой возникает какое-либо конкретное значение давления, будет варьироваться от станции передачи сообщений к станции передачи сообщений.

Эти изменения высоты представляют различную плотность воздуха в атмосфере. Напомним, что с понижением температуры воздуха плотность воздуха увеличивается.

Это означает, что высота, на которой возникает какое-либо конкретное давление, будет ниже в атмосфере, когда воздух холоднее. И наоборот, более высокая температура воздуха приводит к более низкой плотности, что увеличивает высоту уровней давления.

Вот почему, как правило, высота атмосферы уменьшается от экватора к полюсам.

Поэтому мы рисуем линии на диаграмме постоянного давления, чтобы обозначить высоту, на которой возникло это конкретное давление. Эти линии называются равновысотными, линиями одинаковой высоты.

По соглашению метеорологи называют линии равной высоты просто «контурами». Эти линии аналогичны топографическим картам. По сути, карты верхних слоев атмосферы показывают атмосферу в трех измерениях.

Глядя на эти контуры, мы наблюдаем модели более высоких высот (называемых гребнями) и более низких высот (называемых впадинами). Эти гребни и впадины определяют погоду, с которой мы сталкиваемся на поверхности.

Урок обучения: пирог в небе

Ветер, текущий с гребня к желобу, уменьшается в высоте над поверхностью.И наоборот, ветер, дующий из желоба в гребень, усиливается.

Между более холодным и более плотным воздухом и более теплым и менее плотным воздухом находится место наибольшего изменения (градиента) высоты любого конкретного уровня давления.

.