Отличие постоянного тока от переменного: история и примеры

Изначально люди не знали, что такое ток. Был известен статический заряд, но никто не понимал и не осознавал природы электричества. Понадобились долгие века, пока Кулон разработал собственную теорию, а немецкий священник фон Клейн обнаружил, что банка способна запасать энергию. К тому времени, как Ван де Грааф создал первый генератор, любой уже знал, в чем отличие постоянного тока от переменного.

История переменного и постоянного электрического тока

Издавна, к примеру, люди видели, что кристалл турмалина притягивает пепел. Кстати, свойства пьезоэлектричества впервые описаны именно на примере турмалина.

Сравнение типов тока

В начала 19-го века было показано, что нагретый кристалл приобретает электрический заряд. За счёт деформации образовались два полюса:

• Южный (аналогический).
• Северный (антилогический).

Причём если температура после нагрева остаётся постоянной, электричество исчезает. Потом появление полюсов отмечается уже при охлаждении. Выходит, кристалл турмалина при изменении температуры вырабатывает электричество. Дальнейшие исследования показали, что размер потенциала зависит от:

1. Поперечного сечения кристалла (среза поперёк полюсов).
2. Разницы температур.

Прочие факторы влияния на величину заряда не оказывают. Указанное явление получило название пироэлектричества. Диэлектрик турмалин потихоньку заряжался от тока, текущего внутри. А заряд оставался на месте (определённые участки поверхности) из-за изолирующих свойств. Пока не замкнуть полюса турмалина проводником, кристалл продолжит копить заряд по мере изменения температуры. Линию, объединяющую полюса, назвали пироэлектрической осью.

Пьезоэлектричество открыто известной парой Кюри на основе турмалина в 1880 году. Осознавалось, что при изменении размеров кристалла начнут вырабатываться заряды, осталось лишь придумать методику для проведения опыта. Кюри использовал для этого статическое давление обычной массы. Эксперимент проводится на изолирующей поверхности. К примеру, масса в 1 кг вызывает появление в кристалле турмалина электрического заряда в пределах пяти сотых статических единиц.

Электрический ток

Как появляется электрический ток

Любопытно, что стройная теория по описанному явлению ещё не создана. Важно указание, что в природе присутствуют заряды, получаемые различными методами. Во время грозы это происходит за счёт сил трения воздушных масс, молекул влаги и прочих явлений. Земля заряжена отрицательно, вверх постоянно течёт ток через атмосферу. Током называется движение носителей заряда в силу неких причин. К примеру, разницы потенциалов – перепад в уровне носителей между двумя точками пространства.

Сравним с напором воды. Когда преграда устраняется, поток хлынет в направлении меньшего давления. Теперь возьмём аналогию с кристаллом турмалина. Допустим, появились на его концах заряды. Дальше потребуется вызвать движение, к примеру, медной жилкой провода. Объединим полюса, и потечёт электрический ток. Движение носителей продолжится, пока потенциал не уравняется. При этом кристалл разряжается.

О переменности или постоянстве тока нельзя сказать в ходе указанного ходе процесса. Переменный и постоянный ток являются физическими идеалами, а используются в силу относительной простоты получения математических моделей и управления при помощи них технологическим оборудованием.

1. Под постоянным током понимается такой, когда носители текут в едином направлении. Количество через сечение среды неодинаково. В более широком смысле постоянным (выпрямленным) током называется именно движение носителей заряда в одном направлении. Но исходное понятие в физике требует строгих условий. Ток образовывается именно постоянным количеством носителей, движущихся в общем направлении. Причём носители эти положительные (что противоречит практике, где в качестве таковых рассматриваются электроны по большей части).

   Принцип переменного тока

2. Переменным током называется не просто тот, где носители двигаются попеременно в разных направлениях, а делают это в такт. Половину периода волна бежит влево, а вторую вправо, образно говоря. Плотность носителей меняется по закону синусоиды. Собственно, это график, отображающий поведение процесса. В точках перехода через нуль ток отсутствует. В сети происходит 100 раз в секунду. Следовательно, половина периода выпадает на движение носителей в положительном направлении, а вторая – в отрицательном. Всего полных циклов в секунду образуется 50, что соответствует сетевой частоте 50 Гц.

Электрический ток в действительности

На практике форма тока (зависимость плотности зарядов от времени) не синусоидальная. По разным причинам вид графика искажается. Это, к примеру, происходит при запуске оборудования и остановке, из-за наведённых помех различной природы. Форма переменного и постоянного тока искажается. Причём давно установлено, что это вредит аппаратуре. Для борьбы с подобной напастью требовались методы, и математики придумали спектральный анализ.

Колебание любой формы возможно представить в виде суммы с различным удельным весом простейших синусоид разной частоты. Получается, что по цепи двигается одновременно масса составляющих, в совокупности дающих ток. Причём не обязательно все составляющие двигаются заодно с основной массой. Представим элементы как группу муравьёв, каждый тащит в свою сторону, а результирующий эффект заставляет груз перемещаться лишь в одну. Упомянем, что помимо коэффициента (амплитуды) каждая составляющая обладает фазой (направлением), а именуется гармоникой.

Схема постоянного тока

Каскады техники устроены так, чтобы полезные частоты (преимущественно 50 Гц) проходили внутрь прибора, а прочее уходило на землю. Указан признак для решения затруднения, упомянутого в начале. Любое колебание представляется в виде набора полезных и вредных сигналов, исходя из этого, аппаратуру полагается конструировать надлежащим образом. К примеру, на описанном принципе работают все приёмники: избирательно пропускают ток нужной частоты. Так удаётся отрезать помехи, а волна передаётся с минимальными искажениями на большие расстояния.

Примеры использования переменного и постоянного тока

Приблизительно постоянным считается ток разряда автомобильного аккумулятора. Напряжение здесь постепенно падает, а потому даже при одинаковой нагрузке эффект разнится хронометрически. В целом, происходит это плавно. Ток течёт в одном направлении и проявляет приблизительно постоянную плотность. Аналогично работают:

1. Аккумулятор сотового телефона.
2. Батарейка любого типа.
3. Аккумулятор питания ноутбуков.

В природе источников постоянного тока (генераторов), за исключением матушки-Земли, нет. Человеку гораздо удобнее создавать роторы, которые, вращаясь с конкретной частотой, создают условия для образования в катушках статора переменного электрического тока. Потом промышленная частота 50 Гц проходит по проводам и через подстанцию подаётся на потребителя.

Источником постоянного тока допустимо считать адаптеры. Это устройства, выполняющие преобразование переменного тока в постоянный. Допустим, у сотовых телефонов это +5 В, а для мобильных раций характерен большой разброс. Устройство постоянного тока может функционировать исключительно от номинала, для которого сконструировано. В противном случае либо работоспособность нарушается, либо – при больших отклонениях – возможен полный выход из строя.

Это касается и переменного, и постоянного тока. Теперь пришла пора сказать, что в промышленности преобразование постоянного тока в переменный и обратно не практикуется. Из соображений экономии двигатели работают от трёх фаз. Каждая считается переменным током частоты 50 Гц. Говорили выше, что у любой гармоники присутствует фаза. В рассматриваемом случае фаза равна 120 градусов. А круг образуется за счёт 360 градусов. Получается, что три фазы равно отстоят друг от друга. При подобном раскладе генераторам ГЭС легче производить энергию, поступающую в дома в неизменном виде. Но в квартиру заходит единственная фаза переменного тока.

Поэтому бытовые приборы по внутреннему устройству сильно отличаются от промышленных. Важными признаются параметры переменного тока. В любом государстве они стандартизированы и чётко выдерживаются. К параметрам переменного тока относят:

1. Действующее значение напряжения – вызывающее в обычном проводнике постоянное идентичного номинала. Действующее значение ниже амплитуды в корень из двух раз либо близко к указанному. Требования для РФ составляют 220-230 В плюс-минус 10% от номинала.
2. К частоте переменного тока предъявляются повышенные строгие требования. Предел отклонений от 50 Гц измеряется десятыми долями процента. Потому стабилизации движения вала на ГЭС уделяется столько внимания. От скорости его вращения зависит параметр.
3. Нелинейные искажения считаются отдельной темой. Требований множество, определиться непросто. Особенно строго нормируются гармоники основной частоты, к примеру: 100, 150, 200, 250 Гц.

Подобные требования предъявляются и к параметрам постоянного тока. Допустим, известные автомобильные аккумуляторы в действительности включают в арсенал не 12, а 14 В. По мере разряда вольтаж падает. Если на аккумуляторе зарегистрировано напряжение 11,9 В, банка считается вышедшей из строя. Предлагаем внимательно читать инструкции. Дополним: в отдельных ноутбуках присутствует заряд бережного расхода энергии аккумулятора. В этом случае уровень поддерживается в рамках двух третей от полного. Считается, что тогда батарея прослужит дольше.

Итак, требования направлены на поддержание долгого и правильного функционирования оборудования. Параметры постоянного и переменного тока считаются фактором, определяющим надёжность и работоспособность системы.

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

Что будет завтра Энергетика будущего

Гальванические элементы дают постоянный ток.

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

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

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

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

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

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

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

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

Мало того. Соединение обмоток генератора в трехфазную систему позволило получить трехфазный переменный ток. Это система трех переменных токов, которые имеют одинаковую частоту, но различаются по фазе на одну треть периода. Трехфазный ток обладает важными достоинствами. Во-первых, трехфазные линии электропередач выгоднее однофазных: по ним при той же затрате проводов и изоляции можно передать больше электрической энергии, чем при однофазном переменном токе. А во-вторых, благодаря свойству трехфазного переменного тока создавать вращающееся магнитное поле, удалось построить очень простые и надежные асинхронные электрические двигатели без коллектора и щеток.

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

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

Электрические двигатели позволили создать автоматические станочные линии.

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

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

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

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

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

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

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

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

Дело в том, что простые и удобные электрические двигатели переменного тока не позволяют в широких пределах плавно менять скорость своего вращения. А вспомните, сколько раз водителю приходится изменять скорость движения троллейбуса; с такой беспокойной работой хорошо справляется только двигатель постоянного тока. Питание этих двигателей осуществляется с тяговых выпрямительных подстанций. Приходящий на них с электростанций переменный ток при помощи ртутных выпрямителей преобразуется в постоянный, а затем подается в контактную сеть — в провода и рельсы.

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

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

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

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

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

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

Эти двигатели приводят в движение и механизмы гигантских шагающих экскаваторов.

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

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

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

В гальванотехнике электролиз применяют для осаждения металла на поверхность различных изделий. Таким образом наносят защитные покрытия на металлические изделия (никелирование, хромирование), изготавливают металлические монументы, печатные формы и т. д. Гальванизацию применяют в медицине для лечения некоторых болезней.

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

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

На киностудиях на постоянном токе работают мощные дуговые кинопрожекторы.

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

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

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

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

Аккумуляторные батареи применяются в различных областях техники.

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

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

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

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

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

Что будет завтра Энергетика будущего

Постоянный ток

Постоянный ток (direct current) – это упорядоченное движение заряженных частиц в одном направлении. Другими словами
величины характеризующие электрический ток, такие как напряжение или сила тока, постоянны как по значению, так и по направлению.

В источнике постоянного тока, например в обычной пальчиковой батарейке, электроны движутся от минуса к плюсу. Но исторически сложилось так, что за техническое направление тока считается направление от плюса к минусу.

Для постоянного тока применимы все основные законы электротехники, такие как закон Ома и законы Кирхгофа.

История

Изначально постоянный ток назывался – гальваническим током, так как впервые был получен с помощью гальванической реакции. Затем, в конце девятнадцатого века, Томас Эдисон, предпринимал попытки организовать передачу постоянного тока по линиям электропередачи. При этом даже разыгралась так называемая “война токов”, в которой шел выбор в качестве основного тока между переменным и постоянным. К сожалению, постоянный ток “проиграл” эту “войну”, потому что в отличие от переменного тока, постоянный, несет большие потери в мощности при передаче на расстояния. Переменный ток легко трансформировать и благодаря этому передавать на огромные расстояния.

Источники постоянного тока

Источниками постоянного тока могут быть аккумуляторы, либо другие источники в которых ток появляется благодаря химической реакции (например, пальчиковая батарейка).  

Также источниками постоянного тока может быть генератор постоянного тока, в котором ток вырабатывается благодаря 
явлению электромагнитной индукции, а затем выпрямляется с помощью коллектора.

Постоянный ток может быть получен с помощью выпрямления переменного тока. Для этого существуют различные выпрямители и преобразователи.

Применение

Постоянный ток,  достаточно широко применяется в электрических схемах и устройствах. К примеру, дома, большинство приборов, таких как модем или зарядное устройство для мобильного, работают на постоянном токе. Генератор автомобиля, вырабатывает и преобразует постоянный ток, для зарядки аккумулятора. Любое портативное устройство питается от источника постоянного тока.

В промышленности постоянный ток используется в машинах постоянного тока, например в двигателях, или генераторах. В некоторых странах существуют высоковольтные линии электропередачи постоянного тока.

Постоянный ток также нашел свое применение и в медицине, например в электрофорезе – процедуре лечения с помощью электрического тока.

В железнодорожном транспорте, кроме переменного, используется и постоянный ток. Это связано с тем, что тяговые двигатели, которые имеют более жесткие механические характеристики, чем асинхронные, являются двигателями постоянного тока.

Влияние на организм человека

Постоянный ток в отличие от переменного является более безопасным для человека. Например, смертельным током для человека является 300 мА если это ток постоянный, а если переменный с частотой 50 Гц, то 50-100 мА.

Просмотров: 13508

Постоянный и переменный ток, его источники и их применение в электротехнике

Такое понятие, как источник тока, имеет несколько трактовок. Одна из них – это строгое физическое определение, другая – устоявшийся термин, причем не только в бытовой среде, но и среди профессионалов. Оба варианта имеют право на существование в том случае, если из прямых указаний или из контекста ясно, какое из определений имеется в виду.

Обозначение на электрических схемах

Что такое источник тока

Будучи синонимами, оба термина имеют различное значение, хотя и относятся к электротехнике. Что они означают:

• Элемент электрической цепи, создающий постоянный ток, значение которого не зависит от сопротивления нагрузки и напряжения. Может иметь равнозначные термины: идеальный источник тока или токовый генератор. Данная формулировка используется в теоретической электротехнике для описания работы электрических цепей;
• Устройство электропитания (электрической энергии). Устоявшаяся терминология в практической области. Может означать источники питания постоянного тока (химические, аккумуляторы и т.д.), переменного тока (генераторы, трансформаторы).

Теоретическая электротехника

Источник тока, как и источник напряжения, используется в электротехнике для моделирования реальных устройств питания цепей с некоторыми допущениями.

Идеальный источник характеризуется следующими параметрами:

• Значение тока, протекающего через него, всегда постоянно, вне зависимости от значения нагрузки;
• Выходное напряжение зависит лишь от сопротивления нагрузки и определяется по закону Ома при условии, что I=const:

U=I·R

• Внутренняя проводимость бесконечно мала.

Из определения следует, что при увеличении сопротивления нагрузки напряжение и мощность, которые отдает источник тока, увеличиваются, стремясь к бесконечности.

Реальный источник тока имеет некоторое внутреннее сопротивление, аналогично реальному источнику напряжения, поэтому характеристики будут соответствовать определению только в некотором диапазоне сопротивления нагрузки. В частности, с некоторым приближением, таковым можно считать вторичную обмотку мощного трансформатора тока, включенного в цепь переменного тока.

Реальный источник тока

В теоретической электротехнике существует возможность взаимного преобразования токовых генераторов источников напряжения, то есть можно выбрать наиболее удобное для дальнейших расчетов отображение.

Применение

Источники с характеристиками, приближенными к идеальным, имеют и практическое применение. Яркий пример – зарядное устройство для аккумуляторов. Для заряда современных аккумуляторных батарей используются устройства, которые формируют зарядное напряжение по специальным алгоритмам, но наиболее просто и не менее надежно (особенно для простых кислотных и щелочных батарей) производить зарядку стабильным током до тех пор, пока напряжение на выходе не сравняется с ЭДС аккумуляторной батареи. К ним также можно отнести аппараты для электродуговой сварки, которые стабилизируют ток дуги для получения однородного сварного шва, вне зависимости от длины дуги.

В аналоговой схемотехнике применяются источники, сконструированные на основе биполярных и полевых транзисторов. Они применяются для питания дифференциальных и операционных усилителей, измерительных и сравнивающих мостовых схем.

Токовый генератор

Практическая электротехника

В практической электротехнике источниками тока именуются все, без исключения, устройства питания, хотя большинство из них относится к классу источников напряжения. К ним относятся преобразователи любых видов энергии в электрическую:

• Химические источники тока;
• Физические;
• Вторичные устройства электропитания.

Химические источники тока

К таким устройствам относятся такие, которые вырабатывают электрическую электроэнергию в результате химических процессов, в частности, окислительно-восстановительных реакций. Это:

• Устройства однократного применения – гальванические элементы;
• Устройства многократного применения – аккумуляторы;
• Электрохимические генераторы (топливные элементы).

Гальванические элементы реализуются наиболее просто, чем и объясняется то, что они были созданы самыми первыми. Особенность гальванических элементов – способность работать длительное время при небольших отборах мощности. Отрицательная сторона – при исчерпании запаса энергии химического преобразования элемент подлежит утилизации. Некоторые типы, например, щелочные элементы, допускают регенерацию в конце службы путем заряда со стороны внешнего блока питания, но эффективность таких действий невысока и является временным выходом из положения.

Гальванический элемент

Аккумуляторы рассчитаны на многократное повторение циклов разряд-заряд. Восстановление емкости производится от зарядного устройства. Аккумуляторы способны выдавать в импульсе большие значения мощности, а некоторые типы рассчитаны на длительную работу в буферном режиме.

Количество циклов работы ограничено, но даже с этим условием использование аккумуляторов экономически более выгодно, чем гальванических элементов.

Работа источника тока на электрохимическом генераторе по принципу выработки электроэнергии подобна гальваническому элементу, но в нем используется химическая реакция между веществами, подаваемыми в активную область непрерывно. Срок службы ограничивается запасом химических веществ.

Все химические устройства вырабатывают постоянный ток, и для получения переменного требуется использование преобразователя.

Физические источники

Данные устройства основаны на физических принципах выработки электроэнергии, преобразуя в нее энергию других видов:

• Тепловую;
• Механическую;
• Атомную;
• Солнечную.

Наиболее мощные преобразователи используют первые три типа энергии и работают на одном принципе. Это тепловые, атомные и гидроэлектростанции. Тепло при сгорании углеводородного топлива или распада атомного ядра используется для нагрева жидкости (воды), которая в виде пара под давлением крутит вал турбины генератора.

Гидроэлектростанции используют для вращения генераторов энергию падающей воды.

Все эти генераторы могут вырабатывать переменный или постоянный ток, но, главным образом, первый из них, поскольку его легко трансформировать для других значений напряжения.

Гидроэлектростанция

Существуют устройства, способные преобразовать тепловую энергию в электричество напрямую, без промежуточного использования воды, но они имеют ограниченное распространение из-за низкого КПД и эффективности.

Солнечные элементы (фотоэлементы) производят прямое преобразование энергии света в постоянный ток. В настоящее время КПД промышленных образцов солнечных батарей невысок, для устойчивой работы необходимо наличие прямого попадания солнечных лучей          на фотопреобразователи. Служат основным источником электроэнергии на космических кораблях, работающих на ближайших к солнцу орбитах. С удалением от солнца энергия лучей падает пропорционально квадрату расстояния, поэтому приходится переходить на электрохимические генераторы.

Солнечная батарея

Вторичные источники электропитания

Выходные параметры устройств питания не всегда соответствуют требованиям. Многие области применения требуют подачи различного по величине и другим характеристикам питающего напряжения.

Преобразование к нужным параметрам производится во вторичных блоках электропитания. Схемы построения во многом зависят от типа входного напряжения. Для преобразования напряжения постоянного тока используются, в основном, инверторные преобразователи, которые при помощи мощных транзисторных ключей формируют импульсы высокой частоты. Высокочастотный сигнал поступает на трансформатор, со вторичных обмоток которого снимается необходимое напряжение.

Для преобразования переменного напряжения применяется обычный трансформатор, но может использоваться и инверторная схема с предварительным выпрямлением входного напряжения.

Использование терминов зависит от того, в какой из областей их применение. Для строгости понятий термин «Источник тока» следует использовать только для определения идеального источника, в остальных случаях более корректным будет употребление формулировки «источник напряжения», питания, генератор.

Видео

Оцените статью:

Импульсный и постоянный ток разница примеры. Какой ток в обычной розетке: постоянный или переменный

Содержание:

Не первое десятилетие продолжаются споры, какой же вид тока опаснее — переменный или постоянный. Одни утверждают, что именно выправленное напряжение несет большую угрозу, другие искренне убеждены, что синусоида переменного тока, совпав по амплитуде с биением человеческого сердца, останавливает его. Но, как всегда бывает в жизни, сколько людей — столько и мнений. А потому, стоит взглянуть на этот вопрос чисто с научной точки зрения. Но сделать это стоит языком, понятным даже для чайников, т.к. не у каждого имеется электротехническое образование. При этом, наверняка любому хочется узнать происхождение постоянного и переменного тока.

С чего же стоит начать? Да, наверное, с определений — что же такое электричество, почему его называют переменным либо постоянным, какой из этих видов опаснее и почему.

Большинству известно, что постоянный ток можно получить от различных блоков или элементов питания, а переменный поступает в квартиры и помещения посредством электросети и благодаря ему работают бытовые электроприборы и освещение. Но мало кто задумывался, почему одно напряжение позволяет получить другое и для чего это нужно.

Имеет смысл ответить на все возникшие вопросы.

Что такое электрический ток?

Электрическим током называют постоянную или переменную величину, которая возникает на основе направленного или упорядоченного движения, создаваемого заряженными частицами — в металлах это электроны, в электролите — ионы, а в газе — и те, и другие. Иными словами, говорят, что электрический ток «течет» по проводам.

Некоторые ошибочно полагают, что каждый заряженный электрон двигается по проводнику от источника до потребителя. Это не так. Он лишь передает заряд на соседние электроны, сам оставаясь на месте. Т.е. его движение хаотично, но микроскопично. Ну а уже сам заряд, двигаясь по проводнику, достигает потребителя.

Электрический ток имеет такие параметры измерения, как: напряжение, т.е. его величина, измеряющаяся в вольтах (В) и сила тока, которая измеряется в амперах (А). Что очень важно, при трансформации, т.е. уменьшении или увеличении при помощи специальных устройств, одна величина воздействует на другую обратно пропорционально. Это значит, что уменьшив напряжение посредством обычного трансформатора, добиваются увеличения силы тока и наоборот.

Ток постоянный и переменный

Первое, что следует понять — это разницу между постоянным и переменным током. Дело в том, что переменный ток не только проще получить, хотя это тоже немаловажно. Его характеристики позволяют передачу на любые расстояния по проводникам с наименьшими потерями, особенно при более высоком напряжении и меньшей его силе. Именно поэтому линии электропередач между городами являются высоковольтными. А уже в населенных пунктах ток трансформируется в более низкое напряжение.

А вот постоянный ток очень просто получить из переменного, для чего используют разнонаправленные диоды (т.н. диодный мост). Дело в том, что переменный ток (АС), вернее частота его колебаний, представляет собой синусоиду, которая, проходя через выпрямитель, теряет часть колебаний. Тем самым на выходе получается постоянное напряжение (АС), не имеющее частоты.

Имеет смысл конкретизировать, чем же, все-таки, они отличаются.

Различия токов

Конечно же, главным различием переменного и постоянного тока является возможность переправки DC на большое расстояние. При этом, если таким же путем переправить постоянный ток, его просто не останется. По причине разности потенциалов он израсходуется. Так же стоит отметить то, что преобразовать в переменный очень сложно, в то время как в обратном порядке подобное действие вполне легко выполнимо.

Намного экономичнее преобразование электричества в механическую энергию именно при помощи двигателей, работающих от АС, хотя и имеются области, в которых возможно применение механизмов только прямого тока.

Ну и последнее по очереди, но не по смыслу — все-таки переменный ток безопаснее для людей. Именно по этой причине все приборы, используемые в быту и работающие от DC, являются слаботочными. А вот совсем отказаться от применения более опасного в пользу другого никак не получится именно по указанным выше причинам.

Все изложенное приводит к обобщенному ответу на вопрос, чем отличается переменный ток от постоянного — это характеристики, которые и влияют на выбор того или иного источника питания в определенной сфере.

Передача тока на большие расстояния

У некоторых людей возникает вопрос, на который выше был дан поверхностный ответ: почему по линиям электропередач (ЛЭП) приходит очень высокое напряжение? Если не знать всех тонкостей электротехники, то можно согласиться с этим вопросом. Действительно, ведь если бы по ЛЭП приходило напряжение в 380 В, то не пришлось бы устанавливать дорогостоящие трансформаторные подстанции. Да и на их обслуживание тратиться не пришлось бы, разве не так? Оказывается, что нет.

Дело в том, что сечение проводника, по которому протекает электричество, зависит только от силы тока и от его потребляемой мощности и совершенно в стороне от этого остается напряжение. А это значит, что при силе тока в 2 А и напряжении в 25 000 В можно использовать тот же провод, как и для 220 В с теми же 2 А. Так что же из этого следует?

Здесь необходимо вернуться к закону обратной пропорциональности — при трансформации тока, т.е. увеличении напряжения, уменьшается сила тока и наоборот. Таким образом, высоковольтный ток отправляется к трансформаторной подстанции по более тонким проводам, что обеспечивает и меньшие потери при передаче.

Особенности передачи

Как раз в потерях и состоит ответ на вопрос, почему невозможно передать постоянный ток на большие расстояния. Если рассмотреть DC под этим углом, то именно по этой причине через небольшой отрезок расстояния электроэнергии в проводнике не останется. Но главное здесь не энергопотери, а их непосредственная причина, которая заключается, опять же, в одной из характеристик AC и DC.

Дело в том, что частота переменного тока в электрических сетях общего пользования в России — 50 Гц (герц). Это означает амплитуду колебания заряда между положительным и отрицательным, равную 50 изменений в секунду. Говоря простым языком, каждую 1/50 с. заряд меняет свою полярность, в этом и заключается отличие постоянного тока — в нем колебания практически либо совершенно отсутствуют. Именно по этой причине DC расходуется сам по себе, протекая через длинный проводник. Кстати, частота колебаний, к примеру, в США отличается от российской и составляет 60 Гц.

Генерирование

Очень интересен вопрос и о том, как же генерируется постоянный и переменный ток. Конечно, вырабатывать можно как один, так и другой, но здесь встает проблема размеров и затрат. Дело в том, что если для примера взять обычный автомобиль, ведь куда проще было бы поставить на него генератор постоянного тока, исключив из схемы диодный мост. Но тут появляется загвоздка.

Если убрать из автомобильного генератора выпрямитель, вроде бы должен уменьшиться и объем, но этого не произойдет. А причина тому — габариты генератора постоянного тока. К тому же и стоимость при этом существенно увеличится, потому и применяются переменные генераторы.

Вот и получается, что генерировать DC намного менее выгодно, чем АС, и тому есть конкретное доказательство.

Два великих изобретателя в свое время начали так называемую «войну токов», которая закончилась только лишь в 2007 году. А противниками в ней были Никола Тесла совместно с Джорджем Вестингауз ом, ярые сторонники переменного напряжения, и Томас Эдисон, который стоял за применение повсеместно постоянного тока. Так вот, в 2007 году город Нью-Йорк полностью перешел на сторону Теслы, ознаменовав тем самым его победу. На этом стоит немного подробнее остановиться.

История

Компания Томаса Эдисона, которая называлась «Эдисон Электрик Лайт», была основана в конце 70-х годов XIX века. Тогда, во времена свечей, керосиновых ламп и газового освещения лампы накаливания, выпускаемые Эдисоном, могли работать непрерывно 12 часов. И хотя сейчас этого может показаться до смешного мало — это был настоящий прорыв. Но уже в 1880-е годы компания смогла не только запатентовать производство и передачу постоянного тока по трехпроводной системе (это были «ноль», «+110 В» и «-110 В»), но и представить лампу накаливания с ресурсом в 1200 часов.

Именно тогда и родилась фраза Томаса Эдисона, которая впоследствии стала известна всему миру, — «Мы сделаем электрическое освещение настолько дешевым, что только богачи будут жечь свечи».

Ну а уже к 1887-му в Соединенных Штатах успешно функционирует больше 100 электростанций, которые вырабатывают постоянный ток и где используется для передачи именно трехпроводная система, которая применяется в целях хотя бы небольшого снижения потерь электроэнергии.

А вот ученый в области физики и математики Джордж Вестингауз после ознакомления с патентом Эдисона нашел одну очень неприятную деталь — это была огромная потеря энергии при передаче. В то время уже существовали генераторы переменного тока, которые не пользовались популярностью по причине оборудования, которое бы на подобной энергии работало. В то время талантливый инженер Никола Тесла еще работал у Эдисона в компании, но однажды, когда ему было в очередной раз отказано в повышении зарплаты, Тесла не выдерживал и ушел работать к конкуренту, которым являлся Вестингауз. На новом месте Никола (в 1988 году) создает первый прибор учета электроэнергии.

Именно с этого момента и начинается та самая «война токов».

Выводы

Попробуем обобщить изложенную информацию. На сегодняшний день невозможно представить пользование (как в быту, так и на производствах) каким-то одним из видов электричества — практически везде присутствует и постоянный, и переменный ток. Ведь где-то необходим постоянный, но его передача на дальние расстояния невозможна, а где-то переменный.

Конечно, доказано, что АС намного безопаснее, но как быть с приборами, помогающими экономить электроэнергию во много раз, в то время как они могут работать только на DC?

Именно по этим причинам сейчас токи «мирно сосуществуют» в нашей жизни, закончив «войну», которая продлилась более 100 лет. Единственное, что не стоит забывать — насколько бы одно ни было безопаснее другого (постоянное, переменное напряжение — не важно), оно может нанести огромный вред организму, вплоть до летального исхода.

И именно поэтому при работе с напряжением необходимо тщательно соблюдать все нормы и правила безопасности и не забывать про внимательность и аккуратность. Ведь, как говорил Никола Тесла, электричества не стоит бояться, его стоит уважать.

Сейчас невозможно представить себе человеческую цивилизацию без электричества. Телевизоры, компьютеры, холодильники, фены, стиральные машины — вся бытовая техника работает на нем. Не говоря уже о промышленности и больших корпорациях. Основным источником энергии для электроприемников является переменный ток. А что это такое? Каковы его параметры и характеристики? Чем отличаются постоянный и переменный ток? Мало кто из людей знает ответы на эти вопросы.

Переменный против постоянного

В конце девятнадцатого века, благодаря открытиям в области электромагнетизма, возник спор по поводу того, какой же ток лучше применять, чтобы удовлетворить человеческие потребности. Как же все начиналось? Томас Эдисон в 1878 году основал свою компанию, которая в будущем стала знаменитой General Electric. Компания быстро разбогатела и завоевала доверие инвесторов и простых граждан Соединенных Штатов Америки, так как было построено по всей стране несколько сотен электростанций, работающих на постоянном токе. Заслуга Эдисона — в изобретении трехпроводной системы. Постоянный ток замечательно работал с первыми электрическими двигателями и лампами накаливания. Это были фактически единственные приемники энергии на то время. Счетчик, который также был изобретен Эдисоном, работал исключительно на постоянном токе. Однако в противовес развивающейся компании Эдисона выступили конкурентные корпорации и изобретатели, которые хотели противопоставить постоянному току переменный.

Недостатки изобретения Эдисона

Джордж Вестингауз, инженер и бизнесмен, заметил в патенте Эдисона слабое звено — огромные потери в проводниках. Однако ему не удалось разработать конструкцию, которая могла бы конкурировать с этим изобретением. В чем же недостаток Эдисоновского постоянного тока? Основная проблема — передача электроэнергии на расстояния. А так как при его увеличении растет и сопротивление проводников, то это значит, что будут увеличиваться и потери мощности. Для понижения этого уровня необходимо либо повышать напряжение, а это приведет к понижению силы самого тока, либо утолщать провод (то есть снижать сопротивление проводника). Способов эффективного повышения напряжения постоянного тока в то время не было, поэтому электростанции Эдисона держали напряжение, близкое к двум сотням вольт. К сожалению, передаваемые таким образом потоки мощности не могли обеспечить нужды промышленных предприятий. Постоянный ток не мог гарантировать генерацию электроэнергии мощным потребителям, которые находились на значительном расстоянии от электростанции. А повышать толщину проводов или строить больше станций было слишком дорого.

Переменный ток против постоянного

Благодаря разработанному в 1876 году инженером Павлом Яблочковым трансформатору, изменять напряжение у переменного тока было очень просто, что давало потрясающую возможность передавать его на сотни и тысячи километров. Однако на тот момент не существовало двигателей, которые работали бы на переменном токе. Соответственно, не было и генерирующих станций, и сетей для передачи.

Изобретения Николы Теслы

Несомненное преимущество постоянного длилось недолго. Никола Тесла, работая инженером в фирме Эдисона, понял, что постоянный ток не может обеспечить человечество электроэнергией. Уже в 1887 году Тесла получил сразу несколько патентов на аппараты переменного тока. Началась целая борьба за более эффективные системы. Основными конкурентами Теслы были Томсон и Стенли. А 1888 году однозначную победу получил сербский инженер, который предоставил систему, способную транспортировать электрическую энергию на расстояния в сотни миль. Молодого изобретателя быстро взял к себе Вестингауз. Однако сразу же началось противостояние между компаниями Эдисона и Вестингауза. Уже в 1891 году была разработана Теслой система трехфазного переменного тока, что позволило выиграть тендер по строительству огромной электрической станции. С тех пор однозначно позицию лидера занял переменный ток. Постоянный же сдавал свои позиции по всем фронтам. Особенно когда появились выпрямители, способные преобразовывать переменный ток в постоянный, что стало удобно для всех приемников.

Определение переменного тока

Пример простейшего генератора

В качестве самого простого источника используют прямоугольную рамку, изготовленную из меди, которая закреплена на оси и вращается в магнитном поле при помощи ременной передачи. Концы этой рамки припаяны контактными кольцами к медным, которые скользят по щеткам. Магнит создает равномерно распределенное в пространстве магнитное поле. Плотность силовых магнитных линий здесь одинакова в любой части. Вращающаяся рамка пересекает эти линии, и на ее сторонах индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). С каждым поворотом направление суммарной ЭДС меняется на обратное, так как рабочие стороны рамки за оборот проходят через разные полюса магнита. Так как меняется скорость пересечения силовых линий, то становится другой и величина электродвижущей силы. Поэтому если равномерно вращать рамку, то индуктированная электродвижущая сила периодически будет меняться как по направлению, так и по величине, ее можно измерить при помощи внешних приборов и, как следствие, использовать для того, чтобы создавать переменный ток во внешних цепях.

Синусоидальность

Что это такое? Переменный ток графически характеризуется волнообразной кривой — синусоидой. Соответственно, ЭДС, ток и напряжение, которые изменяются по этому закону, называются параметрами синусоидальными. Кривая так названа потому, что является изображением тригонометрической переменной величины — синуса. Именно синусоидальный характер переменного тока — наиболее распространенный во всей электротехнике.

Параметры и характеристики

Переменный ток — это явление, которое характеризуется определенными параметрами. К ним относят амплитуду, частоту и период. Последний (обозначается буквой Т) — это промежуток времени, в течение которого напряжение, ток или ЭДС совершает цикл полного изменения. Чем быстрее будет вращение ротора у генератора, тем период будет меньше. Частотой (f) называют количество полных периодов тока, напряжения или ЭДС. Она измеряется в Гц (герцах) и обозначает количество периодов за одну секунду. Соответственно, чем больше период, тем меньше частоты. Амплитудой такого явления, как переменный ток, называют наибольшее его значение. Записывается амплитуда напряжения, тока или электродвижущей силы буквами с индексом «т» — U т I т, Е т соответственно. Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующее значение. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени — мгновенное значение (помечают строчными буквами — і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.

Лишь немногие способны реально осознать, что переменный и постоянный ток чем-то отличаются. Не говоря уже о том, чтобы назвать конкретные различия. Цель данной статьи — объяснить основные характеристики этих физических величин в терминах, понятных людям без багажа технических знаний, а также предоставить некоторые базовые понятия, касающиеся данного вопроса.

Сложности визуализации

Большинству людей не составляет труда разобраться с такими понятиями, как «давление», «количество» и «поток», поскольку в своей повседневной жизни они постоянно сталкиваются с ними. Например, легко понять, что увеличение потока при поливе цветов увеличит количество воды, выходящей из поливочного шланга, в то время как увеличение давления воды заставит ее двигаться быстрее и с большей силой.

Электрические термины, такие как «напряжение» и «ток», обычно трудно понять, поскольку нельзя увидеть или почувствовать электричество, движущееся по кабелям и электрическим контурам. Даже начинающему электрику чрезвычайно сложно визуализировать происходящее на молекулярном уровне или даже четко понять, что собой представляет, например, электрон. Эта частица находятся вне пределов сенсорных возможностей человека, ее невозможно увидеть и к ней нельзя прикоснуться, за исключением случаев, когда определенное количество их не пройдет через тело человека. Только тогда пострадавший определенно ощутит их и испытывает то, что обычно называют электрическим шоком.

Тем не менее, открытые кабели и провода большинству людей кажутся совершенно безвредными только потому, что они не могут увидеть электронов, только и ждущих того, чтобы пойти по пути наименьшего сопротивления, которым обычно является земля.

Аналогия

Понятно, почему большинство людей не могут визуализировать то, что происходит внутри обычных проводников и кабелей. Попытка объяснить, что что-то движется через металл, идет вразрез со здравым смыслом. На самом базовом уровне электричество не так сильно отличается от воды, поэтому его основные понятия довольно легко освоить, если сравнить электрическую цепь с водопроводной системой. Основное различие между водой и электричеством заключается в том, что первая заполняет что-либо, если ей удастся вырваться из трубы, в то время как второе для передвижения электронов нуждается в проводнике. Визуализируя систему труб, большинству легче понять специальную терминологию.

Напряжение как давление

Напряжение очень похоже на давление электронов и указывает, как быстро и с какой силой они движутся через проводник. Эти физические величины эквивалентны во многих отношениях, включая их отношение к прочности трубопровода-кабеля. Подобно тому, как слишком большое давление разрывает трубу, слишком высокое напряжение разрушает экранирование проводника или пробивает его.

Ток как поток

Ток представляет собой расход электронов, указывающий на то, какое их количество движется по кабелю. Чем он выше, тем больше электронов проходит через проводник. Подобно тому, как большое количество воды требует более толстых труб, большие токи требуют более толстых кабелей.

Использование модели водяного контура позволяет объяснить и множество других терминов. Например, силовые генераторы можно представить как водяные насосы, а электрическую нагрузку — как водяную мельницу, для вращения которой требуется поток и давление воды. Даже электронные диоды можно рассматривать как водяные клапаны, которые позволяют воде течь только в одну сторону.

Постоянный ток

Какая разница между постоянным и переменным током, становится ясно уже из названия. Первый представляет собой движение электронов в одном направлении. Очень просто визуализировать его с использованием модели водяного контура. Достаточно представить, что вода течет по трубе в одном направлении. Обычными устройствами, создающими постоянный ток, являются солнечные элементы, батареи и динамо-машины. Практически любое устройство можно спроектировать так, чтобы оно питалось от такого источника. Это почти исключительная прерогатива низковольтной и портативной электроники.

Постоянный ток довольно прост, и подчиняется закону Ома: U = I × R. измеряется в ваттах и ​​равна: P = U × I.

Из-за простых уравнений и поведения постоянный ток относительно легко осмыслить. Первые системы передачи электроэнергии, разработанные Томасом Эдисоном еще в XIX веке, использовали только его. Однако вскоре разница в переменном токе и постоянном стала очевидной. Передача последнего на значительные расстояния сопровождалась большими потерями, поэтому через несколько десятилетий он был заменен более выгодной (тогда) системой, разработанной Николой Теслой.

Несмотря на то что коммерческие силовые сети всей планеты в настоящее время используют переменный ток, ирония заключается в том, что развитие технологии сделало передачу постоянного тока высокого напряжения на очень больших расстояниях и при экстремальных нагрузках более эффективной. Что, например, используется при соединении отдельных систем, таких как целые страны или даже континенты. В этом заключается еще одна разница в переменном токе и постоянном. Однако первый по-прежнему используется в низковольтных коммерческих сетях.

Постоянный и переменный ток: разница в производстве и использовании

Если переменный ток намного проще производить с помощью генератора, используя кинетическую энергию, то батареи могут создавать только постоянный. Поэтому последний доминирует в схемах питания низковольтных устройств и электроники. Аккумуляторы могут заряжаться только от постоянного тока, поэтому переменный ток сети выпрямляется, когда аккумулятор является основной частью системы.

Широко распространенным примером может служить любое транспортное средство — мотоцикл, автомобиль и грузовик. Генератор, устанавливаемый на них, создает переменный ток, который мгновенно преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя, поскольку в системе электроснабжения присутствует аккумулятор, и большинству электроники для работы требуется постоянное напряжение. Солнечные элементы и топливные ячейки также производят только постоянный ток, который затем при необходимости можно преобразовать в переменный с помощью устройства, называемого инвертором.

Направление движения

Это еще один пример разницы постоянного тока и переменного тока. Как следует из названия, последний представляет собой поток электронов, который постоянно меняет свое направление. С конца XIX века почти во всех бытовых и промышленных электрических всего мира используется синусоидальный переменный ток, поскольку его легче получить и гораздо дешевле распределять, за исключением очень немногих случаев передачи на большие расстояния, когда потери мощности вынуждают использовать новейшие высоковольтные системы постоянного тока.

У переменного тока есть еще одно большое преимущество: он позволяет возвращать энергию из точки потребления обратно в сеть. Это очень выгодно в зданиях и сооружениях, которые производят больше энергии, чем потребляют, что вполне возможно при использовании альтернативных источников, таких как солнечные батареи и Тот факт, что переменный ток позволяет обеспечить двунаправленный поток энергии, является основной причиной популярности и доступности альтернативных источников питания.

Частота

Когда дело доходит до технического уровня, к сожалению, объяснить, как работает переменный ток, становится сложно, поскольку модель водяного контура к нему не совсем подходит. Однако можно визуализировать систему, в которой вода быстро меняет направление потока, хотя не понятно, как она при этом будет делать что-то полезное. Переменный ток и напряжение постоянно меняют свое направление. Скорость изменения зависит от частоты (измеряемой в герцах) и для бытовых электрических сетей обычно составляет 50 Гц. Это означает, что напряжение и ток меняют свое направление 50 раз в секунду. Вычислить активную составляющую в синусоидальных системах довольно просто. Достаточно разделить их пиковое значение на √2.

Когда переменный ток меняет направление 50 раз в секунду, это означает, что лампы накаливания включаются и выключаются 50 раз в секунду. Человеческий глаз не может это заметить, и мозг просто верит, что освещение работает постоянно. В этом заключается еще одна разница в переменном токе и постоянном.

Векторная математика

Ток и напряжение не только постоянно меняются — их фазы не совпадают (они несинхронизированные). Подавляющее большинство силовых нагрузок переменного тока вызывает разность фаз. Это означает, что даже для самых простых вычислений нужно применять векторную математику. При работе с векторами невозможно просто складывать, вычитать или выполнять любые другие операции скалярной математики. При постоянном токе, если по одному кабелю в некоторую точку поступает 5A, а по другому — 2A, то результат равен 7A. В случае переменного это не так, потому что итог будет зависеть от направления векторов.

Коэффициент мощности

Активная мощность нагрузки с питанием от сети переменного тока может быть рассчитана с помощью простой формулы P = U × I × cos (φ), где φ — угол между напряжением и током, cos (φ) также называется коэффициентом мощности. Это то, чем отличаются постоянный и переменный ток: у первого cos (φ) всегда равен 1. Активная мощность необходима (и оплачивается) бытовыми и промышленными потребителями, но она не равна комплексной, проходящей через проводники (кабели) к нагрузке, которая может быть рассчитана по формуле S = U × I и измеряется в вольт-амперах (ВА).

Разница между постоянным и переменным током в расчетах очевидна — они становятся более сложными. Даже для выполнения самых простых вычислений требуется, по крайней мере, посредственное знание векторной математики.

Сварочные аппараты

Разница между постоянным и переменным током проявляется и при сварке. Полярность дуги оказывает большое влияние на ее качество. Электрод-позитивная сварка проникает глубже, чем электрод-негативная, но последняя ускоряет наплавление металла. При постоянном токе полярность всегда постоянная. При переменном она меняется 100 раз в секунду (при 50 Гц). Сварка при постоянном предпочтительнее, так как она производится более ровно. Разница в сварке переменным и постоянным током заключается в том, что в первом случае движение электронов на долю секунды прерывается, что приводит к пульсации, неустойчивости и пропаданию дуги. Этот вид сварки используется редко, например, для устранения блуждания дуги в случае электродов большого диаметра.

Ток – это движение электронов в определенном направлении. Оно нужно, чтобы в наших устройствах тоже двигались электроны. Откуда берется ток в розетке?

Электростанция преобразует кинетическую энергию электронов в электрическую. То есть, гидроэлектростанция использует проточную воду для вращения турбины. Пропеллер турбины вращает клубок меди между двух магнитов. Магниты заставляют электроны в меди двигаться, из-за этого начинают двигаться электроны в проводах, которые присоединены к клубку меди — получается ток.

Генератор — как насос для воды, а провод — как шланг. Генератор-насос качает электроны-воду через провода-шланги.

Переменный ток — это тот ток, который у нас в розетке. Он называется переменным, потому что направление движения электронов постоянно меняется. У переменного тока из розеток бывает разная частота и электрическое напряжение. Что это значит? В российских розетках частота 50 герц и напряжение 220 вольт. Получается, что за секунду поток электронов 50 раз меняет направление движения электронов и заряд с положительного на отрицательный. Смену направлений можно заметить в флуоресцентных лампах, когда их включаешь. Пока электроны разгоняются, она несколько раз мигает — это и есть смена направлений движения. А 220 вольт — это максимально возможный «напор», с которым движутся электроны в этой сети.

В переменном токе постоянно меняется заряд. Это значит, что напряжение составляет то 100%, то 0%, то снова 100%. Если бы напряжение было 100% постоянно, то понадобился бы провод огромного диаметра, а с меняющимся зарядом провода могут быть тоньше. Это удобно. По небольшому проводу электростанция может отправить миллионы вольт, потом трансформатор для отдельного дома забирает, например 10000 вольт, и в каждую розетку выдает по 220.

Постоянный ток — это ток, который у вас в телефонном аккумуляторе или батарейках. Он называется постоянным, потому что направление движения электронов не меняется. Зарядные устройства трансформируют переменный ток из сети в постоянный, и уже в таком виде он оказывается в аккумуляторах.

Переменным называется ток, изменение которого по величине и направлению повторяется периодически через равные промежутки времени Т.

В области производства, передачи и распределения электрической энергии переменный ток имеет по сравнению с постоянным, два основных преимущества:

1) возможность (при помощи трансформаторов) просто и экономично повышать и понижать напряжение, это имеет решающее значение для передачи энергии на большие расстояния.

2) большую простоту устройств электродвигателей, а следовательно, и их меньшую стоимость.

Значение переменной величины (тока, напряжения, ЭДС) в любой момент времени t называется мгновенным значением и обозначается строчными буквами (ток i, напряжение u, ЭДС – е).

Наибольшее из мгновенных значений периодически изменяющихся токов, напряжений или ЭДС, называются максимальными или амплитудными значениями и обозначаются прописными буквами с индексом «м» (I м, U м).

Наименьший промежуток времени, по прошествии которого мгновенные значения переменной величины (ток, напряжение, ЭДС) повторяется в той же последовательности, называется периодом Т, а совокупность изменений, происходящих в течение периода, — циклом.

Величина обратная периоду называется частотой и обозначается буквой f.

Т.е. частота – число периодов за 1 секунду.

Единица частоты 1/сек – называется герц (Гц). Более крупные единицы частоты – килогерц (кГц) и мегагерц (МГц).

Получение переменного синусоидального тока.

Переменные токи и напряжения в технике стремятся получить по простейшему периодическому закону – синусоидальному. Т. к. синусоида – единственная периодическая функция, имеющая подобную себе производную, в результате чего во всех звеньях электрической цепи форма кривых напряжений и токов получается одинаковой, чем значительно упрощаются расчеты.

Для получения токов промышленной частоты служат генераторы переменного тока в основе работы которых лежит закон электромагнитной индукции, согласно которому при движении замкнутого контура в магнитном поле в нем возникает ток.

Схема простейшего генератора переменного тока

Генераторы переменного тока большой мощности, рассчитанные на напряжения 3 – 15 кв, выполняются с неподвижной обмоткой на статоре машины и вращающимся электромагнитом-ротором. При такой конструкции легче надежно изолировать провода неподвижной обмотки и проще отвести ток во внешнюю цепь.

Одному обороту ротора двухполюсного генератора соответствует один период переменной ЭДС, наведенной на его обмотке.

Если ротор делает n оборотов в минуту, то частота индуктированной ЭДС

.

Т.к. при этом угловая скорость генератора
, то между ней и частотой, наведенной ЭДС существует соотношение
.

Фаза. Сдвиг фаз.

Предположим, что генератор имеет на якоре два одинаковых витка, сдвинутых в пространстве. При вращении якоря в витках наводятся ЭДС одинаковой частоты и с одинаковыми амплитудами, т.к. витки вращаются с одинаковой скоростью в одном и том же магнитном поле. Но вследствие сдвига витков в пространстве ЭДС достигают амплитудных знамений неодновременно.

Если в момент начала отсчета времени (t=0) виток 1 расположен относительно нейтральной плоскости под углом
, а виток 2 под углом
. То наведенная в первом витке ЭДС:,

а во втором:

В момент отсчета времени:

Электрические углы иопределяющие значения ЭДС в начальный момент времени, называетсяначальными фазами.

Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одной частоты называется углом сдвига фаз .

Та величина, у которой нулевые значения (после которых она принимает положительные значения), или положительные амплитудные значения достигаются раньше, чем у другой, считается опережающей по фазе, а та у которой те же значения достигаются позже – отстающей по фазе.

Если две синусоидальные величины одновременно достигают своих амплитудных и нулевых значений, то говорят, что величины совпадают по фазе . Если угол сдвига фаз синусоидальных величин равен 180 0
, то говорят, что они изменяются впротивофазе.

Расчет цепи переменного тока примеры

Любой ток изменяющийся по величине является переменным. Но на практике под переменным током понимают такой ток, закон изменения которого во времени есть синусоидальная функция.

Математическое выражение для синусоидального тока можно записать в виде:

где, i – мгновенное значение тока, показывающее величину тока в конкретный момент времени, Im – амплитудное (максимальное) значение тока, выражение в скобках есть фаза, которая определяет значение тока в момент времени t, f – частота переменного тока, это величина, обратная периоду изменения синусоидальной величины Т, ω – угловая частота, ω = 2πf = 2π / T , α – начальная фаза, показывает значение фазы в момент времени t = 0.

Аналогичное выражение можно записать и для синусоидального переменного напряжения:

Мгновенные значения тока и напряжения условились обозначать строчными латинскими буквами i, u, а максимальные (амплитудные) значения – прописными печатными латинскими буквами I, U с индексом m.

Для измерения величины переменного тока чаще всего используют действующее (эффективное) значение , которое численно равно такому постоянному току, который за период переменного выделяет в нагрузке такое же количество тепла, что и переменный ток.

Действующее значение переменного тока :

Для обозначения действующих значений тока и напряжения используют прописные печатные латинские буквы I, U без индекса.

В цепях синусоидального тока между амплитудным и действующим значениями существует взаимосвязь:

В цепях переменного тока изменение во времени питающего напряжения влечёт за собой изменение тока, а также магнитного и электрического полей, связанных с цепью. Результатом этих изменений является возникновение ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции в цепях с катушками индуктивности, а в цепях с конденсаторами появляются зарядные и разрядные токи, которые создают сдвиг по фазе между напряжениями и токами в таких цепях.

Отмеченные физические процессы учитывают введением реактивных сопротивлений , в которых, в отличие от активных, не происходит превращение электрической энергии в другие виды энергии. Наличие тока в реактивном элементе объясняется периодическим обменом энергией между таким элементом и сетью. Все это усложняет расчёт цепей переменного тока, так как приходится определять не только величину тока, но и его угол сдвига по отношению к напряжению.

Все основные законы цепей постоянного тока справедливы и для цепей переменного тока, но только для мгновенных значений или значений в векторной (комплексной) форме. На основе этих законов можно составить уравнения, позволяющие осуществить расчёт цепи.

Как правило, целью расчёта цепи переменного тока является определение токов, напряжений, углов сдвига фаз и мощностей на отдельных участках . При составлении уравнений для расчёта таких цепей выбирают условные положительные направления ЭДС, напряжений и токов. Получаемые уравнения для мгновенных значений в установившемся режиме и синусоидальном входном напряжении будут содержать синусоидальные функции времени.

Аналитический расчёт тригонометрических уравнений неудобен, требует значительных затрат времени и поэтому не находит широкого распространения в электротехнике. Упростить анализ цепи переменного тока можно, используя тот факт, что синусоидальную функцию можно условно изобразить вектором, а вектор, в свою очередь, можно записать в виде комплексного числа .

Комплексным числом называют выражение вида:

где a – вещественная (действительная) часть комплексного числа, j – мнимая единица, b – мнимая часть, A – модуль, α – аргумент, e – основание натурального логарифма.

Первое выражение представляет собой алгебраическую форму записи комплексного числа, второе – показательную, а третье – тригонометрическую. Для отличия, в комплексной форме записи подчеркивают букву, обозначающую электрический параметр.

Метод расчёта цепи, основанный на применении комплексных чисел, называется символическим методом . В символическом методе расчета все реальные параметры электрической цепи заменяют символами в комплексной форме записи. После замены реальных параметров цепи на их комплексные символы расчет цепей переменного тока выполняют методами, которые применяли для расчета цепей постоянного тока. Отличие состоит в том, что все математические операции необходимо выполнять с комплексными числами.

В результате расчета электрической цепи искомые токи и напряжения получаются в виде комплексных чисел. Реальные действующие значения тока или напряжения равны модулю соответствующего комплекса, а аргумент комплексного числа показывает угол поворота вектора на комплексной плоскости по отношению к положительному направлению вещественной оси. При положительном аргументе вектор поворачивается против часовой стрелки, а в случае отрицательного аргумента – по часовой.

Завершают расчёт цепи переменного тока, как правило, составлением баланса активных и реактивных мощностей, который позволяет проверить правильность вычислений.

Расчет электрических цепей переменного синусоидального тока производится в комплексной форме. При этом величины синусоидальных ЭДС и токов представляются в виде комплексных амплитуд или комплексных действующих значений, а все элементы в схеме – в виде комплексных сопротивлений.

Например, если ЭДС источника равна , то комплексная амплитуда запишется в виде– в показательной форме записи, или– в алгебраической форме. Комплексное действующее значение синусоидальной ЭДС:– в показательной форме записи, или– в алгебраической форме.

Комплексные сопротивления элементов электрической цепи переменного тока:

– для идеального сопротивления,

– для идеальной индуктивности,

– для идеальной емкости.

Далее расчет электрической цепи переменного тока можно вести любым методом, известным из раздела – «электрические цепи постоянного тока». При этом используется математический аппарат, разработанный для операций с комплексными числами.

Применяются три формы записи комплексного значения синусоидальной величины:

– показательная форма,

– алгебраическая форма,

где и– действительная и мнимая часть комплексного значения синусоидальной величины. Переход от алгебраической формы к показательной осуществляется по формулам:

;.

Переход от показательной формы к тригонометрической осуществляется по формуле Эйлера:

.

Сложение и вычитание комплексных величин производится в алгебраической форме, а умножение и деление в показательной.

При анализе цепей синусоидального тока применяют главным образом комплексные действующие значения синусоидальных величин, сокращенно их называют комплексными значениями.

Расчет однофазных цепей

Расчет однофазных цепей переменного тока при наличии одного источника синусоидальной ЭДС производится методом эквивалентных преобразований. Рассмотрим пример расчета однофазной цепи приведенной на рис.

Рис. 2.4. Схема электрической цепи к примеру расчета

Пример расчета однофазной цепи

По заданным значениям активных и реактивных сопротивлений и напряжению источника определить токи во всех ветвях схемы и падения напряжения на ее участках. Определить комплекс полной мощности, активную и реактивную мощность. Расчет произвести комплексным методом. Выполнить проверку правильности расчета с использованием баланса активных мощностей схемы. Построить векторную диаграмму. Построить мгновенные значения синусоидальных токов ветвей. Исходные данные для расчета приведены в таблице.

Одним из способов расчета цепей переменного тока является комплексный, или еще как говорят, символический метод расчета. Этот метод применяется при анализе схем с гармоническими ЭДС, напряжениями и токами. В результате решения получают комплексное значение токов и напряжений, используя для решения любые методы (эквивалентных преобразований, контурных токов, узловых потенциалов и т.п.). Но для начала необходимо иметь понятие, в каких именно формах может представляться синусоидальная величина. 1. Одна из форм представления – это вращающийся вектор (см. рис.1):

Рис.1. Вращающийся вектор

С помощью рисунка ясно видно, как с течением времени меняется значение синусоидальной величины. В нашем случае – это величина а на графике, которая может быть, например, входным напряжением. Величина имеет некоторое начальное значение при t = 0 при начальной фазе φ

имеет положительное максимальное значение при угле ωt₃, когда при времени t₃ сумма ωt₃ + φ = 90° и соответственно,

имеет отрицательное максимальное значение при угле ωt₇, когда при времени t₇ сумма углов ωt₇ + φ = 270° и, соответственно,

и имеет два нулевых значения при ωt_n + φ = 0, когда ωt_n = —φ (на рис.1 эта область не показана и находится слева от начала координат)

и имеет нулевое значение при угле ωt₁₁, когда при времени t₁₁ сумма ωt₁₁ + φ = 360° и соответственно,

Именно по такому закону и меняется привычное нам переменное напряжение 220 В, изменяясь по синусоидальному закону от значения 0 В до максимальных 311 В и обратно.

2. Другая форма представления – это комплексное число. Чтобы представить ранее рассмотренную форму представления синусоидальной величины, которая имеет некоторую начальную фазу φ, создают комплексную плоскость в виде графика зависимости двух величин (рис.2)

Рис.2. Комплексное число на комплексной плоскости

Длина вектора Am на такой комплексной плоскости равна амплитуде (максимальному значению) рассматриваемой величины. С учетом начальной фазы φ такое число записывают как .

На практике при использовании для расчетов символического (комплексного) метода расчета используют для некоторых удобств не амплитудное значение величины, а так называемое действующее значение. Его величина в корень из двух раз меньше амплитудного и обозначается без индекса m, т.е. равна

На рисунке выше этот вектор также показан.
Например, при том же нашем напряжении в сети, максимальное значение синусоидально изменяющегося напряжения равно 311 В, а действующее значение, к значению которого мы привыкли

При работе с комплексными числами и расчетов применяют различные формы записи комплексного числа. Например, при сложении комплексных чисел удобнее использовать алгебраическую форму записи таких чисел, а при умножении или делении – показательную форму записи. В некоторых случаях пишут тригонометрическую форму.
Итак, три формы записи комплексного числа:

1) показательная форма в виде

2) тригонометрическая форма в виде

3) алгебраическая форма

где ReA — это действительная составляющая комплексного числа, ImA — мнимая составляющая.

Например, имеем комплексное число в показательной форме вида

в тригонометрической форме записи это запишется как

при подсчете получим число, плавно переходящее в алгебраическую форму с учетом того, что

В итоге получим

При переходе от алгебраической формы к показательной комплексное число вида

переходит к показательному виду по следующим преобразованиям

Таким образом, и получим

Перейдем к рассмотрению несложных примеров использования символического, или по-другому, комплексного метода расчета электрических цепей. Составим небольшой алгоритм комплексного метода:

2. Составить комплексную схему, заменяя мгновенные значения ЭДС, напряжений и токов их комплексным видом
3. В полученной схеме произвольно выбирают направления токов в ветвях и обозначают их на схеме.
4. При необходимости составляют комплексные уравнения по выбранному методу решения.
5. Решают уравнения относительно комплексного значения искомой величины.
6. Если требуется, записывают мгновенные значения найденных комплексных величин.

Пример 1. В схеме рис.3 закон изменения ЭДС e = 141sin*ωt. Сопротивления R1 = 3 Ом, R2 = 2 Ом, L = 38,22 мГн, С = 1061,6 мкФ. Частота f = 50 Гц. Решить символическим методом. Найти ток и напряжения на элементах. Проверить 2-ой закон Кирхгофа для цепи.

Рис.3. Схема с последовательным соединением элементов

Составляем комплексную схему, обозначив комплексные токи и напряжения (рис.4):

Рис.4. Схема с комплексными обозначениями

По закону Ома ток в цепи равен

где U — комплексное входное напряжение, Z — полное сопротивление всей цепи. Комплекс входного напряжения находим как

Пояснение: здесь начальная фаза φ = 0°, так как общее выражение для мгновенного значения напряжение вида при φ = 0° равно

Соответственно, комплекс входного напряжения в показательной форме запишется как

Полное комплексное сопротивление цепи в общем виде

Находим комплексное сопротивление индуктивности

Находим комплексное сопротивление емкости

Соответственно, общее комплексное сопротивление цепи

Комплексные напряжения на элементах

Проверяем второй закон Кирхгофа для замкнутого контура, т.е. должно выполняться равенство

С небольшим расхождением из-за округлений промежуточных вычислений всё верно.

Пример 2. В электрической цепи (рис.5) однофазного синусоидального тока, схема и параметры элементов которой заданы для каждого варианта в таблице, определить:
1) полное сопротивление электрической цепи и его характер;
2) действующие значения токов в ветвях;
3) показания вольтметра и ваттметра;

Исходные данные: Е = 220 В, f = 50 Гц, L1 = 38,2 мГн, R2 = 6 Ом, С2 = 318 мкФ, L2 = 47,7 мГн, R3 = 10 Ом, С3 = 300 мкФ.

Рис.5.Цепь однофвзного синусоидального тока

Решение:
1. Находим комплексные сопротивления ветвей и всей цепи:
Учитываем, что

Комплексное сопротивление первой ветви:

Комплексное сопротивление второй ветви:

Комплексное сопротивление третьей ветви:

Общее сопротивление цепи

— нагрузка носит активно-индуктивный характер

2. Находим действующие значения токов в ветвях:

Рис.6. Схема с обозначенными комплексными токами

Действующие значения, соответственно,

3. Определим показания приборов:
Вольтметр подключен по схеме параллельно источнику питания. Соответственно его показание равно:
U=220 В
Ваттметр включен токовой обмоткой в разрыв третьей ветви, а обмоткой напряжения также к выводам третьей ветви, измеряя, таким образом, активную мощность третьей ветви. Эта мощность равна мощности на сопротивлении R3. Его показания:

Преобразователь переменного / постоянного тока

Преобразователи тока — устройства, позволяющие преобразовывать постоянный и переменный ток в переменный или постоянный с нужным напряжением. Выделяют инверторы и выпрямители. Первые необходимы для преобразования постоянного тока в переменный, вторые, наоборот, для преобразования переменного тока в постоянный.  

Такое устройство, как преобразователь тока, служит для обеспечения бесперебойного питания в бытовых условиях, кроме того они используются на производстве, в блоках питания и пр.  

Назначение преобразователя переменного тока в постоянный

Выпрямитель или выпрямительное устройство, называемый еще преобразователь переменного тока в постоянный, может применяться и как самостоятельное устройство, и как элемент системы электрического питания. Такие преобразователи переменного тока, благодаря своим характеристикам и достоинствам, широко применяются на разных мощностях  — малых и средних. Так, выпрямители часто используют в системах сигнализации и видеонаблюдения. Кроме того, такой преобразователь переменного напряжения используется и для заряда батарей (стартерных) в турбинах газовых и двигателях дизельных и пр. 

Назначение преобразователя постоянного тока в переменный

Широкое распространение в быту получил преобразователь постоянного тока в переменный. Он используется для обеспечения домов, отдельных систем, бытовой техники бесперебойным питанием. Отметим, что сами инверторы питаются от промышленных аккумуляторных батарей. 

Если ваши домашние приборы (бытовая техника и прочее) подключены к общей сети с помощью таких преобразователей постоянного напряжения в переменное, то при отключениях электроэнергии вся техника в доме будет питаться от аккумуляторных батарей. Когда же подача энергии будет восстановлена, преобразователи постоянного тока переключатся на заряд батарей. 

Это устройство используется и когда вам приходится страдать от перепадов напряжения в сети: скачки, падения, полное отсутствие. В таких обстоятельствах инвертор всю нагрузку переключает на себя, защищая вашу технику. 

Примеры использования преобразователей постоянного/переменного тока

Часто инверторы, преобразователи постоянного в переменный ток используются в автомобилях. Они служат для подключения к сети зарядных устройств для мобильных телефонов, ноутбуков, портативных телевизоров и прочего. Их также применяют при обустройстве сети в коттеджах и загородных домах в районах, где существуют проблемы с электроснабжением. Могут использоваться и в обычных квартирах, офисах, на производстве и др.

Дополнительные статьи:

3.5 Зависимость переменного тока от постоянного

Переменный ток

Большинство рассмотренных до сих пор примеров, особенно те, которые используют батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он также становится постоянным. Постоянный ток (DC) — это поток электрического заряда только в одном направлении. Это установившееся состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник напряжения, изменяющийся во времени. Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление.Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь называется цепью переменного тока. Примеры включают коммерческую и бытовую энергетику, которая обслуживает так много наших потребностей. На рисунке 3.19 показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичных источников постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.

Рис. 3.19 (a) Напряжение и ток постоянного тока постоянны во времени после установления тока.(б) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и совпадают по фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковое напряжение источников переменного тока сильно различаются.

Рисунок 3.20. Разность потенциалов VV между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано на рисунке. Математическое выражение для VV дается формулой V = V0sin 2 πft. V = V0sin 2 πft. размер 12 {V = V rSub {размер 8 {0}} «sin» «2» π ital «ft»} {}

Рисунок 3.20 показана схема простой схемы с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано, с напряжением переменного тока, равным

. 3.38 V = V0sin 2πft, V = V0sin 2πft, размер 12 {V = V rSub {size 8 {0}} «sin» «2» π ital «ft»} {}

, где VV размер 12 {V} {} — напряжение в момент времени t, t, размер 12 {t} {} V0V0 размер 12 {V rSub {size 8 {0}}} {} — пиковое напряжение, а размер ff 12 {f} {} — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления I = V / R, I = V / R, размер 12 {I = ital «V / R»} {}, поэтому переменный ток равен

3.39 I = I0 sin 2πft, I = I0 sin 2πft, размер 12 {I = I rSub {size 8 {0}} «sin 2» π ital «ft»} {}

где II размер 12 {I} {} — ток в момент времени t, t, размер 12 {t} {} и I0 = V0 / RI0 = V0 / R размер 12 {I rSub {size 8 {0}} = V rSub {size 8 {0}} ital «/ R «} {} — пиковый ток. В этом примере считается, что напряжение и ток находятся в фазе, как показано на Рисунке 3.19 (b).

Ток в резисторе меняется взад и вперед, как управляющее напряжение, так как I = V / R.I = V / R. размер 12 {I = ital «V / R»} {} Если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, например, он становится ярче и гаснет 120 раз в секунду, когда ток постоянно проходит через ноль.Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстро для ваших глаз, но если вы помахаете рукой вперед и назад между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе. Тот факт, что световой поток колеблется, означает, что мощность колеблется. Подаваемая мощность P = IV.P = IV. размер 12 {P = ital «IV»} {} Используя выражения для II размера 12 {I} {} и VV размера 12 {V} {} выше, мы видим, что зависимость мощности от времени равна P = I0V0sin2 2πftP = I0V0sin2 2πft размер 12 {P = I rSub {size 8 {0}} V rSub {size 8 {0}} «sin» rSup {size 8 {2}} «2» π ital «ft»} {}, как показано на Рисунок 3.21.

Установление соединений: домашний эксперимент — лампы переменного / постоянного тока

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

Рис. 3.21. Мощность переменного тока как функция времени. Поскольку напряжение и ток здесь синфазны, их произведение неотрицательно и колеблется между нулем и I0V0I0V0 размером 12 {I rSub {размер 8 {0}} В rSub {размер 8 {0}}} {}.Средняя мощность (1/2) I0V0. (1/2) I0V0. размер 12 {\ (1/2 \) I rSub {size 8 {0}} V rSub {size 8 {0}}} {}

Чаще всего нас беспокоит средняя мощность, а не ее колебания — этот 60-ваттный свет Например, средняя потребляемая мощность лампы в настольной лампе составляет 60 Вт. Как показано на Рис. 3.21, средняя мощность PavePave размером 12 {P rSub {size 8 {«ave»}}} {} составляет

3.40 Pave = 12I0V0.Pave = 12I0V0. размер 12 {P rSub {size 8 {«ave»}} = {{1} больше {2}} I rSub {size 8 {0}} V rSub {size 8 {0}}} {}

Это видно из график, поскольку области выше и ниже (1/2) I0V0 (1/2) I0V0 размер 12 {\ (1/2 \) I rSub {size 8 {0}} V rSub {size 8 {0}} } {} равны, но это также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств.Аналогичным образом мы определяем средний или среднеквадратичный ток IrmsIrms размером 12 {I rSub {size 8 {«rms»}}} {} и среднее или среднеквадратичное напряжение VrmsVrms, размер 12 {V rSub {size 8 {«rms»}}} {} быть,

3.41 Irms = I02Irms = I02 размер 12 {I rSub {size 8 {«rms»}} = {{I rSub {size 8 {0}}} больше {sqrt {2}}}} {}

и

3,42 Vrms = V02, Vrms = V02, размер 12 {V rSub {size 8 {«rms»}} = {{V rSub {size 8 {0}}} over {sqrt {2}}}} {}

, где rms обозначает среднеквадратичное значение, особый вид среднего.Как правило, для получения среднеквадратичного значения конкретная величина возводится в квадрат, определяется ее среднее значение (или среднее значение) и извлекается квадратный корень. Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Теперь

3,43 Pave = IrmsVrms, Pave = IrmsVrms, размер 12 {P rSub {size 8 {«ave»}} = I rSub {size 8 {«rms»}} V rSub {size 8 {«rms»}}} {}

что дает

3.44 Pave = I02⋅V02 = 12I0V0, Pave = I02⋅V02 = 12I0V0, размер 12 {P rSub {size 8 {«ave»}} = {{I rSub {size 8 {0}}} больше {sqrt {2}) }} cdot {{V rSub {размер 8 {0}}} больше {sqrt {2}}} = {{1} больше {2}} I rSub {размер 8 {0}} V rSub {размер 8 {0} }} {}

, как указано выше.Стандартной практикой является указание IrmsIrms размера 12 {I rSub {size 8 {«rms»}}} {}, VrmsVrms размера 12 {V rSub {size 8 {«rms»}}} {} и размера PavePave 12 {P rSub {size 8 {«ave»}}} {}, а не пиковые значения. Например, напряжение в большинстве домашних хозяйств составляет 120 В переменного тока, что означает, что величина VrmsVrms 12 {V rSub {size 8 {«rms»}}} {} составляет 120 В. Обычный автоматический выключатель на 10 А прервет постоянную величину IrmsIrms. 12 {I rSub {size 8 {«rms»}}} {} больше 10 А. Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет Pave = 1.0 кВт, Pave = 1,0 кВт, размер 12 {P rSub {size 8 {«ave»}} = 1 «.» 0` «кВт»} {} и так далее. Вы можете рассматривать эти среднеквадратичные и средние значения как эквивалентные значения постоянного тока для простой резистивной цепи.

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

3.45 Irms = VrmsR.Irms = VrmsR. размер 12 {I rSub {size 8 {«rms»}} = {{V rSub {size 8 {«rms»}}} больше {R}}} {}

Различные выражения для мощности переменного тока PavePave размер 12 {P rSub {размер 8 {«ave»}}} {}

3.46 Pave = IrmsVrms, Pave = IrmsVrms, размер 12 {P rSub {размер 8 {«среднеквадратичное значение»}} = I rSub {размер 8 {«rms»}} V rSub {размер 8 {«rms»}}} {} 3,47 Pave = Vrms2R, Pave = Vrms2R, размер 12 {P rSub {size 8 {«ave»}} = {{V rSub {size 8 {«rms»}} rSup {размер 8 {2}}} больше {R}} } {}

и

3.48 Проложить = Irms2R. Проложить = Irms2R. размер 12 {P rSub {size 8 {«ave»}} = I rSub {size 8 {«rms»}} rSup {size 8 {2}} R} {}

Пример 3.9 Пиковое напряжение и мощность для переменного тока

(a) Каково значение пикового напряжения для сети переменного тока 120 В? (b) Какова пиковая потребляемая мощность 60-го.Лампа переменного тока 0 Вт?

Стратегия

Нам говорят, что размер 12 VrmsVrms {V rSub {размер 8 {«rms»}}} {} составляет 120 В, а размер PavePave 12 {P rSub {size 8 {«ave»}}} {} — 60,0 Вт. можно использовать Vrms = V02Vrms = V02, размер 12 {V rSub {size 8 {«rms»}} = {{V rSub {size 8 {0}}} над {sqrt {2}}}} {}, чтобы найти пиковое напряжение , и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданной средней мощности.

Решение для (а)

Решение уравнения Vrms = V02Vrms = V02 size 12 {V rSub {size 8 {«rms»}} = {{V rSub {size 8 {0}}} over {sqrt {2}}}} {} для пика напряжение V0V0 размер 12 {V rSub {size 8 {0}}} {} и замена известного значения на VrmsVrms размер 12 {V rSub {size 8 {«rms»}}} {} дает

3.49 V0 = 2Vrms = 1,414 (120 V) = 170 V.V0 = 2Vrms = 1,414 (120 V) = 170 V. Размер 12 {V rSub {размер 8 {0}} = sqrt {2} V rSub {size 8 { «rms»}} = «1» «.» «414» \ («120» «V» \) = «170 В»} {}

Обсуждение для (а)

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

Решение для (b)

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

3,50 P0 = I0V0 = 212I0V0 = 2Pave.P0 = I0V0 = 212I0V0 = 2Pave. размер 12 {P rSub {размер 8 {0}} = I rSub {размер 8 {0}} V rSub {размер 8 {0}} = «2» слева ({{1} больше {2}} I rSub {size 8 {0}} V rSub {size 8 {0}} right) = «2» P rSub {size 8 {«ave»}}} {}

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

3,51 P0 = 2 (60,0 Вт) = 120 Вт. P0 = 2 (60,0 Вт) = 120 Вт. Размер 12 {P rSub {size 8 {0}} = «2» \ («60» «.» «0 Вт «\) =» 120 Вт «} {}

Обсуждение

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

Электричество — переменного и постоянного тока — Электроэнергия, мощность, напряжение и единицы

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

Ток, который периодически меняет направление, называется переменным током или AC.В наши дома подается переменный ток, а не постоянный, потому что использование переменного тока позволяет повышать или понижать напряжение с помощью электромагнитного устройства, называемого трансформатором . Без трансформаторов, изменяющих напряжение по мере необходимости, было бы необходимо распределять электроэнергию при более безопасном низком напряжении, но при гораздо более высоком токе. Более высокий ток увеличит потери передачи в линиях электропередач. Без возможности использовать высокое напряжение было бы необходимо размещать генераторы поблизости от мест, где требуется электроэнергия.

Южная Калифорния получает большую часть своей электроэнергии от гидроэлектрических генераторов в штате Вашингтон через необычно длинную линию электропередачи постоянного тока, которая работает при напряжении около одного миллиона вольт. Электрическая энергия сначала вырабатывается в виде переменного тока, преобразуемого в высокое напряжение, а затем преобразуется в постоянный ток для долгого путешествия на юг. Мощность постоянного тока снова переключается на переменный ток для окончательного распределения при более низком напряжении. Использование постоянного тока более чем компенсирует дополнительную сложность преобразования переменного тока в постоянный и постоянного в переменный.



Книги

Азимов Исаак. Понимание физики: свет, магнетизм и Электричество. об. 2. Серия Signet Science. Нью-Йорк: NAL, 1969.

.

Джанколи, Дуглас К. Физика: принципы с приложениями. 3-е изд. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Прентис-Холл, 1991.

Хьюитт, Пол. Концептуальная физика. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 2001.




11.3 Переменный ток | Электродинамика

Объясните преимущества переменного тока.

• Легко быть преобразованный (шаг вперед или уйти, используя трансформатор).
• Легче преобразовать из переменного в постоянный чем от постоянного тока к переменному току.
• Легче сгенерировать.
• Это может быть передан в высокое напряжение и низкое ток в течение длительного времени расстояния с меньшими потеряна энергия.
• Высокий частота, используемая в переменном токе делает его подходящим для моторы.

Какой из следующих графиков правильно показывает график зависимости тока от времени для генератора переменного тока?

Для генератора переменного тока график зависимости тока от времени представляет собой синусоидальную волну с чередованием положительных и отрицательных значений.

Для генератора постоянного тока зависимость тока отВременной график представляет собой абсолютное значение синусоидальной волны и не меняет положительные и отрицательные значения.

Правильный ответ — C.

Запишите выражения для тока и напряжения в цепи переменного тока.

\ begin {align *} я & = I _ {\ max} \ sin (\ text {2} πft + φ) \\ v & = V _ {\ max} \ sin (\ text {2} πft) \ end {выровнять *}

Определите среднеквадратичные (среднеквадратичные) значения тока и напряжения для переменного тока.

Среднеквадратичное значение — это значение, которое мы используем для переменного тока, и соответствует его эквиваленту постоянного тока.

\ begin {align *} I_ {rms} & = \ frac {I _ {\ max}} {\ sqrt {\ text {2}}} \\ V_ {rms} & = \ frac {V _ {\ max}} {\ sqrt {\ text {2}}} \ end {выровнять *}

Какая частота переменного тока генерируется в Южной Африке?

В Южной Африке частота составляет \ (\ text {50} \) \ (\ text {Hz} \)

Если \ ({V} _ {\ mathrm {\ max}} \) на генераторе электростанции \ (\ text {340} \) \ (\ text {V} \) переменный ток, то какое напряжение в сети ( действующее напряжение) в нашем доме?

\ begin {align *} V_ {rms} & = \ frac {V _ {\ max}} {\ sqrt {\ text {2}}} \\ & = \ frac {\ text {340}} {\ sqrt {\ text {2}}} \\ & = \ текст {240,42} \ текст {V} \ end {выровнять *}

Дано: \ (I _ {\ text {max}} \) равно \ (\ text {10} \) \ (\ text {A} \)

Рассчитайте среднеквадратичное значение тока с точностью до двух десятичных знаков.

\ begin {align *} I _ {\ text {rms}} & = \ frac {I _ {\ text {max}}} {\ sqrt {\ text {2}}} \ конец {выравнивание *} \ begin {выравнивание *} I _ {\ text {rms}} & = \ frac {\ text {10} \ text {A}} {\ sqrt {\ text {2}}} \\ & = \ текст {7,07} \ текст {A} \ end {выровнять *}

Следовательно \ (I _ {\ text {rms}} = \ text {7,07} \ text {A} \)

\ (7.07 \)

Дано: \ (V _ {\ text {max}} \) равно \ (\ text {266} \) \ (\ text {V} \)

Рассчитайте среднеквадратичное значение напряжения с точностью до двух десятичных знаков.

\ begin {align *} V _ {\ text {rms}} & = \ frac {V _ {\ text {max}}} {\ sqrt {\ text {2}}} \ конец {выравнивание *} \ begin {выравнивание *} V _ {\ text {rms}} & = \ frac {\ text {266} \ text {V}} {\ sqrt {\ text {2}}} \\ & = \ текст {188,09} \ текст {V} \ end {выровнять *}

Следовательно \ (V _ {\ text {rms}} = \ text {188,09} \ text {V} \)

\ (\ текст {188,09} \) \ (\ текст {V} \)

Постройте график зависимости напряжения от времени и тока от времени для цепи переменного тока.

График одинаковый для напряжения и тока:

В чем разница между переменным и постоянным током?

Прежде чем углубиться в вопрос, что более опасно, а что более эффективно, давайте поговорим о переменном и постоянном токе.

Что такое переменный ток?

Переменный ток периодически и непрерывно меняет свою полярность и величину в зависимости от времени. Переменный ток может быть произведен с помощью устройства под названием генератор переменного тока, которое производит переменный ток.

Давайте разберемся с переменным током на примере воды

Предположим, что поршень вставлен внутрь трубы и соединен с вращающимся штоком, как показано на рисунке ниже. Здесь поршень совершает два хода: один вверх, а другой — назад, при движении вверх, вода движется по часовой стрелке, а в обратном направлении вода перемещается против часовой стрелки, поэтому таким образом направление воды периодически меняет свое направление с колебаниями поршень.

Осциллограммы переменного тока

Каждая форма волны переменного тока имеет разделительную линию или называется линией нулевого напряжения, которая делит форму волны на две половины, поскольку ток переменного тока периодически меняет величину и направление, поэтому в каждом полном цикле он достигает нуля вольт.

Характеристики формы сигнала переменного тока

Период времени (T)

Общее время, необходимое сигналу для повторения самого себя или для повторения одного цикла, называется периодом времени.Вы также можете сказать, что общее количество времени, затрачиваемое волновой формой для завершения одного полного цикла, называется периодом времени.

Частота (ж)

Скорость, с которой форма сигнала повторяется, называется частотой или, можно сказать, количество раз, которое форма сигнала повторяется за одну секунду, называется частотой. Единица Si — герц

f = 1 / T

Амплитуда: -Величина сигнала называется амплитудой

Типы сигналов переменного тока

Синусоидальная волна

прямоугольная волна

Треугольник Волна

Применение AC

• AC используется для передачи на большие расстояния для офисов и домов
• Потери энергии в переменном токе менее широко используются при передаче
• Переменный ток можно эффективно преобразовать в высокое напряжение в низкое и низкое в высокое напряжение с помощью трансформатора
• Питание переменного тока используется в более крупных приложениях и приборах, таких как морозильные камеры переменного тока.Посудомоечные машины, стиральные машины, вентиляторы, лампочки.

Что такое постоянный ток?

Постоянный ток — это однонаправленный поток тока или электрического заряда, в отличие от переменного тока, он не меняет величину и полярность со временем. Постоянный ток имеет постоянную величину и направление, а поскольку направление и величина не меняются, частота постоянного тока равна нулю. Электроны в постоянном токе текут от высокой электронной плотности к низкой.

Мы можем получить постоянный ток из переменного тока, используя процесс, называемый выпрямлением, а устройство, которое это делает, называется выпрямителем.

Применение постоянного тока

• Постоянный ток широко используется в небольших электронных устройствах и гаджетах
• Постоянный ток не подходит для передачи на большие расстояния, но хранить постоянный ток легко в виде батареи.
• Источник постоянного тока используется в сотовых телефонах, ноутбуках, радио и других электронных устройствах
• Постоянный ток используются в фонариках
• Постоянный ток используется в электромобилях, гибридных автомобилях и автомобилях

Разница между переменным и постоянным током

• Переменный ток меняет свое направление во время протекания, в то время как постоянный ток не меняет своего направления во время протекания и остается постоянным.
• У переменного тока есть частота, которая показывает, сколько раз направление тока изменяется во время потока, в то время как частота постоянного тока равна нулю, поскольку он не меняет направление потока.
• Коэффициент мощности переменного тока составляет от 0 до 1, в то время как постоянный ток имеет постоянный ноль.
• Переменный ток генерируется генератором переменного тока, а постоянный ток генерируется фотоэлектрическими элементами, генераторами и батареями.
• Нагрузка переменного тока может быть емкостной, индуктивной или резистивной, но нагрузка постоянного тока всегда резистивная.
• На графике постоянного тока есть постоянная линия, показывающая постоянную величину и направление, в то время как переменный ток может быть синусоидальной, прямоугольной или треугольной.
• Переменный ток преобразуется в постоянный ток с помощью устройства, называемого выпрямителем, в то время как постоянный ток преобразуется в переменный ток, именуемого инвертором.
• AC широко используется в промышленном оборудовании и бытовой электронике, такой как переменный ток, морозильная камера, холодильник, стиральная машина, освещение, вентиляторы, в то время как постоянный ток используется в электронных гаджетах и ​​небольших устройствах, таких как часы, ноутбуки, сотовые телефоны, датчики.
• Ac может передаваться на большие расстояния с некоторыми потерями, в то время как постоянный ток может передаваться на очень большие расстояния с очень низкими потерями, используя HVDC

Чтобы узнать, какой ток более опасен, переменный или постоянный:

щелкните здесь

AC и DC: переменный или постоянный ток

Ток (электрический заряд) течет только в одном направлении в случае DC (постоянный ток) . Но в AC (переменный ток) электрический заряд периодически меняет направление.Из-за изменения тока меняется не только ток, но и напряжение.

Дебаты переменного и постоянного тока олицетворяют Войну Curre nts, как ее называют сегодня, в которой два гиганта электроэнергии были вовлечены в конце 1890-х годов. Томас Эдисон, владелец компании Direct Current, был настолько напуган изобретением Теслы, что прибег к ложному обману американцев, чтобы дискредитировать переменный ток.

Но это не помешало Tesla осуществить свою мечту о снабжении США дешевой и высокоэффективной энергией.По сей день мы видим длинные и толстые провода, натянутые между высокими электрическими столбами, как струны гитары. AC занял трон и правил в течение столетия, доминируя в домах, офисах и зданиях до сих пор, когда DC, кажется, постепенно возвращается. Почему AC так хорошо себя чувствовал? И почему DC может вернуться?

Давайте перефразируем эти вопросы.

Почему переменный ток лучше, чем постоянный ток?

Переменный ток — это ток, при котором электроны периодически меняют направление вперед и назад.Он основан на принципах, которые Майкл Фарадей изобрел в 1832 году, когда иллюстрировал свой динамо-генератор.

DC, несмотря на свою известность, имел серьезную проблему — его передача на большие расстояния была затруднена, провода теряли мощность, и его приходилось сужать дополнительными цепями. Более того, повышение или понижение напряжения постоянного тока также требовало сложных схем.

Переменный ток можно было не только легко передавать на большие расстояния, но также можно было легко преобразовать в более высокие или более низкие значения с помощью трансформаторов.

Трансформатор — это, по сути, намотанный вверх провод, который «увеличивает» или «понижает» величину переменного напряжения. Возможность преобразовывать напряжение таким образом означала, что стало возможно передавать электроэнергию гораздо более эффективно не только между городами, но и по всей стране. Мечта Теслы постепенно воплощалась в реальность.

(Изображение предоставлено Pixabay)

Основным преимуществом переменного тока перед постоянным током была способность транспортировать электричество на большие расстояния, поскольку в 19 веке дома и здания отсекали постоянный ток.В 1893 году компания General Electric была выбрана для поставки электроэнергии постоянного тока на Всемирную выставку в Чикаго, что обошлось в непомерные 554 000 долларов.

Однако вмешался Джордж Вестингауз и пообещал запустить ярмарку всего за 399 000 долларов с помощью переменного тока Tesla. Три года спустя Niagara Falls Power Company, очарованная удобствами AC, предоставила Westinghouse право вырабатывать электроэнергию из Ниагарского водопада и освещать весь Буффало, штат Нью-Йорк. Переменный ток уничтожил постоянный ток раз и навсегда. Затем, несколько десятилетий спустя, родился транзистор .

Почему постоянный ток лучше переменного тока?

В отличие от переменного тока, постоянный ток переключению не подлежит. Нет периодов, и ток течет в одном направлении при постоянном напряжении. Как уже упоминалось, постоянный ток имеет тенденцию терять электричество в виде тепла — свойство, которым Эдисон воспользовался, чтобы зажечь первую лампочку.

Несмотря на недостатки, возраст полупроводников заставил вернуться к постоянному току. Постоянный ток в основном используется для питания электронных устройств, а именно небольших устройств, которые могут работать только в двух состояниях: включенном и выключенном.К ним относятся батареи, светодиоды, транзисторы, нейроны компьютерных технологий и любые другие полупроводниковые устройства.

Электроэнергия постоянного тока вернулась, потому что наше общество полагается на компьютеры, планшеты и портативные устройства, которые постоянно подключены к «облакам». Облака — это в основном компьютеры, формально известные как серверы, которые хранятся в удаленных зданиях для хранения ваших ценных данных.

Сегодня такие компании, как Facebook и Google, опустошают целые здания, чтобы разместить серверы, на которых хранятся данные для их постоянно растущего числа пользователей.Управление переменным током, как и постоянным, на таких устройствах довольно сложно, поскольку требует сложных схем. Однако, что наиболее важно, переменный ток теряет свою энергию, хотя и на бесконечно малое время, чего не выдерживают постоянно прожорливые серверы.

Серверные комнаты обычно оборудованы кондиционерами и предназначены для непрерывной работы компьютерных серверов. (Источник изображения: Flickr)

Более того, каждый инженер-электрик знает, что потери, накопленные при передаче переменного тока, могут превышать потери, понесенные постоянным током из-за скин-эффекта и емкостной связи, явлений, при которых, поскольку энергия течет по поверхности провода, она поглощается объектами под ним.

Из-за этих сопротивлений передача замедляется, что снижает ее эффективность. Фактически, потери, рассредоточенные в его окрестностях, формируют структуру механизмов беспроводной передачи энергии. Переменный ток излучает часть своей энергии, которую можно удобно сконцентрировать в определенной области, соответствующим образом намотав провод.

Еще одна причина, по которой — и это кажется наиболее важной — DC может вернуться, — это его совместимость с экологически чистыми электронными устройствами. Поскольку все солнечные элементы основаны на полупроводниковых подложках, все они генерируют или работают с постоянным током.Возможно, DC придется вернуться в пользу возобновляемых источников энергии.

Конечно, мы также можем задействовать переменный ток, но для этого потребуются утомительные преобразования из постоянного в переменный с помощью инвертора, а затем снова в постоянный, где 5-20% энергии теряется в виде тепла. Фактически, центры обработки данных, занимающие целые акры, действительно используют эти преобразователи. Тем не менее, они потребляют огромное количество энергии и дополнительные расходы на системы охлаждения для вырабатываемого тепла, что усугубляет их финансовое положение.

Так что лучше, переменный или постоянный ток?

Хотя теперь у нас есть технология для передачи постоянного тока на большие расстояния по сетям, мы по-прежнему используем переменный ток.Переменный ток повышается до более высокого напряжения, чтобы преодолеть сопротивление, и когда мощность достигает пользователя, она понижается и выпрямляется для питания, например, компьютера. Однако эти технологии, как и технологии возобновляемых источников, не только стоят целое состояние, но и их эффективность может быть сомнительной. Да, постоянный ток обеспечивает стабильные выходы, но более высокая эффективность достигается после , устраняя потери.

Хотя потери могут быть меньше, чем потери переменного тока, в игру вступает фактор повышения / понижения.Простота, с которой можно модулировать и передавать напряжение переменного тока, все еще недостижима, поэтому напряжение переменного тока все еще может быть предпочтительным.

Оба источника энергии по-своему превосходны, поэтому решение о том, кто победит, будет зависеть от спорного критерия — игрового поля. Суждение существенно зависит от приложения силы.

Статьи по теме

Статьи по теме

В настоящее время оба работают в тандеме. Переменный ток течет над нами по проводам.Затем переменный ток преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя , такого как адаптер, который есть в вашем зарядном устройстве, для питания бытовых приборов, таких как лампочки, лампы и другие приборы.

Война токов , возможно, не так драматична, как когда-то, но она все еще существует.

Что такое электричество постоянного и переменного тока?

Обновлено 9 сентября 2019 г.

Крис Дезил

Современные ученые считают электричество одним из самых фундаментальных явлений в природе.Электрические импульсы постоянно проходят по нашему телу, и даже сама материя нашего мира удерживается вместе с помощью электрических зарядов. Несмотря на это, электричество еще предстояло открыть, и есть некоторые разногласия относительно того, кто это сделал первым.

Первооткрывателем, возможно, был английский врач Уильям Гилберт, который первым использовал слово «электричество» в 1600 году. Возможно, это был также английский ученый Томас Браун, который несколько лет спустя придумал слово «электричество». .

Американцам нравится верить, что изобретатель Бенджамин Франклин доказал, что молния была электричеством в 1752 году. Есть даже свидетельства того, что древние греки и персы знали об электричестве. Кто бы ни получил приз, несомненно, они открыли для себя электричество постоянного тока (постоянный ток). Электричество переменного тока (переменного тока) не появлялось до 19 века.

Что такое электричество постоянного тока?

Ученые представляют электричество как поток отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.Это те же частицы, которые вращаются вокруг ядер всех атомов, составляющих материю.

Два основных закона электричества заключаются в том, что противоположности притягиваются, а подобное отталкивает подобное. Следовательно, электроны будут течь к положительному полюсу и прочь от отрицательного. Поток происходит только в одном направлении, и сила потока или тока зависит от разницы в заряде между двумя выводами. Эта разница и есть напряжение между выводами.

При отсутствии внешнего входа электроны будут накапливаться на положительном выводе и уменьшать разность потенциалов между двумя выводами, и в конечном итоге поток остановится.

Примеры постоянного тока

Возможно, самым известным примером протекания постоянного тока является удар молнии. Настоящим достижением Бенджамина Франклина было доказать, что молния — это электрическое явление. Франклин запустил воздушного змея во время грозы и прикрепил ключ к веревке воздушного змея. Когда ключ стал электрически заряженным и слегка потряс его, он был в приподнятом настроении. Он доказал, что в облаках накапливается электрический заряд, и что молния — это разряд этой электрической энергии в мгновенной вспышке постоянного тока.

Аккумулятор — еще один распространенный источник постоянного тока. Он состоит из пары противоположно заряженных клемм, и когда вы соединяете клеммы проводником, электричество перетекает с отрицательной клеммы (катода) на положительную (анод).

Разница в заряде батареи обычно обеспечивается химическим процессом в ее ядре, и этот процесс может продолжаться только в течение ограниченного времени. Если вы продолжаете получать энергию от батареи, она в конечном итоге перестает производить заряд и разряжается.

Что такое электричество переменного тока?

Английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию в 1831 году, когда он обнаружил, что может генерировать электрический ток в катушке с проводящим проводом, перемещая магнит вперед и назад внутри катушки.

Важно отметить, что Фарадей заметил, что ток менял направление всякий раз, когда он менял направление магнита. Французский производитель инструментов Ипполит Пикси использовал это открытие для создания первого генератора переменного тока в 1832 году.

Электроэнергия переменного тока всегда вырабатывается индукционным генератором того типа, который построен Pixii, хотя современные генераторы намного сложнее, чем машина Pixii. Генератор может использовать вращающиеся магниты или вращающуюся катушку, но всегда присутствует какой-либо тип вращения, и период вращения определяет, как часто ток меняет направление.

Поскольку электричество переменного тока меняет направление, оно имеет соответствующую частоту, то есть количество раз в секунду, которое оно меняет на противоположное.

Примеры переменного тока

Не нужно далеко ходить, чтобы найти примеры электричества переменного тока. Свет в комнате, в которой вы сидите, а также кондиционер, электрический обогреватель и все приборы работают от сети переменного тока, вырабатываемой на вашей местной электростанции.

На большинстве электростанций для вращения турбины используется пар, вырабатываемый ископаемым топливом, ядерным делением или геотермальными процессами. Турбина вырабатывает электричество за счет электромагнитной индукции, а скорость вращения тщательно регулируется для выработки электричества с фиксированной частотой.В Северной Америке частота составляет 60 Гц (циклов в секунду), но в большей части остального мира она составляет 50 Гц.

Ветряные мельницы — это возобновляемые источники энергии, которые также вырабатывают электричество переменного тока, но они полагаются на ветер для вращения своих турбин вместо ископаемого топлива или ядерного топлива. Некоторые волновые генераторы также имеют турбины, вырабатывающие переменный ток. Когда волны сжимают гидравлическую систему или карман замкнутого воздуха, накопленная энергия используется для вращения турбины.

Различия между переменным током и постоянным током

В электрифицированном мире 21 века трудно представить время, когда не было электричества, но это время было не так давно.В конце 19-го века была изобретена электрическая лампочка, но не было возможности генерировать электроэнергию и направлять ее в дома, чтобы люди могли использовать новое изобретение.

Томас Эдисон, который помогал разрабатывать и продавать лампочки, выступал за сеть генерирующих станций постоянного тока, в то время как Никола Тесла, сербский изобретатель и бывший сотрудник Эдисона, поддерживал генераторы переменного тока. Tesla победила, и вот некоторые из причин:

• При напряжениях, необходимых для широкомасштабного использования электроэнергии, электричество переменного тока может передаваться дальше по линиям электропередач с меньшим падением напряжения.Если бы Эдисон преобладал и электричество постоянного тока стало стандартом, то в пределах мили друг от друга должны были бы быть электростанции. Tesla, с другой стороны, смогла обеспечить энергией весь город Буффало, штат Нью-Йорк, с помощью одного индукционного генератора, расположенного под Ниагарским водопадом.
• Производство электроэнергии переменного тока дешевле. Гидроэлектрический генератор, такой как тот, что находится на Ниагарском водопаде, может вырабатывать электричество в результате естественного процесса. Никаких других вводных данных не требуется.
• Напряжение переменного тока можно изменять с помощью трансформатора.Во времена Теслы и Эдисона это было невозможно с постоянным током. Однако сегодня доступны трансформаторы, в которых используются внутренние схемы или инверторы для изменения напряжения постоянного тока.

Изменение переменного тока на постоянный и снова обратно

Хотя электричество, которое проходит по линиям электропередачи, является переменным током, электронное оборудование часто требует электричества постоянного тока. На принципиальной схеме символ постоянного тока представляет собой прямую линию с тремя точками или линиями под ней, а символ переменного тока представляет собой одну волнистую линию.Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, специалисты по электронике обычно используют компонент схемы, называемый диодом или выпрямителем. Он пропускает ток только в одном направлении, создавая импульсный сигнал постоянного тока от источника переменного тока.

Инструмент для преобразования постоянного тока в переменный называется инвертором. Он использует транзисторы, которые представляют собой компоненты схемы, которые могут очень быстро включаться и выключаться, чтобы направлять ток по ряду цепей, которые эффективно изменяют его направление через пару центральных клемм, которая является частью схемы, к которой вы подключаете Нагрузка переменного тока.Инверторы используются в электромобилях. Они также используются в фотоэлектрических системах для преобразования электроэнергии постоянного тока, вырабатываемой солнечными панелями, в переменный ток для использования в домашних условиях.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.