При переменном токе напряжение кратковременно падает до нуля при переключении с плюса на минус или с минуса на плюс. Когда электрическое напряжение направлено на низкий уровень, ток может быть прерван более безопасно, чем при использовании постоянного электрического напряжения.
Переменный ток. 1
Переменный ток — это вынужденное электромагнитное колебание, индуцируемое в электрической цепи источником переменного напряжения (обычно синусоидального).
Переменный ток есть везде. Она проходит через наши жилые кабели, промышленные сети и высоковольтные линии электропередач. А если вам нужен постоянный ток для зарядки телефона или батареи ноутбука, вы используете специальный адаптер, который выпрямляет переменный ток из розетки.
Почему переменный ток так широко распространен? Оказалось, что его легко найти и он идеально подходит для передачи электроэнергии на большие расстояния. Более подробно мы рассмотрим в брошюре о производстве, передаче и потреблении электроэнергии.
Теперь мы рассмотрим простые цепи переменного тока. Мы будем поочередно подключать резистор, конденсатор и индуктор к источнику переменного тока. После изучения поведения этих элементов, на следующем листе «Переменный ток. 2» мы соединим их одновременно и исследуем прохождение переменного тока через колебательный контур с резистором.
Напряжение на зажимах источника изменяется по закону:
Как мы видим, напряжение может быть положительным и отрицательным. Какое значение имеет знак напряжения?
Всегда предполагается, что выбрано положительное направление обхода. Напряжение считается положительным, если электрическое поле зарядов, образующих ток, имеет положительное направление. В противном случае напряжение считается отрицательным.
Начальная фаза напряжения не имеет значения, так как это процессы, которые устоялись со временем. При желании в выражении (1) можно использовать косинус вместо синуса — принципиально это ничего не меняет.
Текущее значение напряжения в определенный момент времени называется мгновенным значением напряжения.
Условие квазистационарности
В случае с кондиционером есть тонкое различие. Предположим, что цепь состоит из нескольких элементов, соединенных последовательно.
Если напряжение источника изменяется синусоидально, ток не успевает сразу достичь одинакового значения во всей цепи — требуется некоторое время для того, чтобы взаимодействие между заряженными частицами передалось по цепи.
Однако, как и в случае с постоянным током, мы хотели бы предположить, что сила тока одинакова во всех частях цепи. К счастью, во многих практически важных случаях мы имеем такое право.
Возьмем, например, переменное напряжение с частотой Гц (что является промышленным стандартом в России и многих других странах). Период колебаний напряжения: с.
Взаимодействие между зарядами передается со скоростью света: м/с. За время, равное длительности колебания, это взаимодействие распространяется на определенное расстояние:
Если длина цепи на несколько порядков меньше определенного расстояния, то можно пренебречь временем распространения взаимодействия и считать, что ток во всей цепи сразу принимает одно и то же значение.
Теперь рассмотрим общий случай, когда напряжение колеблется с циклической частотой. Период колебаний составляет, и в течение этого периода взаимодействие между зарядами передается на расстояние. Пусть длина цепи будет. Мы можем пренебречь временем распространения взаимодействия, если оно намного меньше, чем :
Неравенство (2) называется условием квазистационарности. Если это условие выполняется, то можно предположить, что ток во всей цепи сразу принимает одно и то же значение. Такой ток называется квазистационарным.
Далее мы предполагаем, что переменный ток колеблется достаточно медленно, чтобы его можно было считать квазистационарным. Поэтому ток во всех последовательно соединенных элементах цепи все время принимает одно и то же значение, а именно свое собственное. Это называется мгновенным значением тока.
Резистор в цепи переменного тока
Простейшая цепь переменного тока получается при подключении обычного резистора (конечно, мы предполагаем, что индуктивность этого резистора пренебрежимо мала, чтобы не учитывать эффект самоиндукции) Он также называется активным резистором (рис. 1).
Рис. 1. Резистор в цепи переменного тока.
Положительное направление цепи — против часовой стрелки, как показано на рис. Напомним, что ток считается положительным, если он течет в положительном направлении; в противном случае ток отрицательный.
Оказывается, что мгновенные значения тока и напряжения связаны формулой, аналогичной закону Ома для постоянного тока:
Поэтому ток в резисторе также колеблется по закону синуса:
Амплитуда тока равна отношению между амплитудой напряжения и сопротивлением:
Видно, что ток через резистор и напряжение на нем колеблются «синхронно», а точнее синфазно (рис. 2).
Рис. 2. Ток через резистор совпадает по фазе с напряжением.
Фаза тока равна фазе напряжения, т.е. сдвиг фаз между током и напряжением равен нулю.
Краткая история электричества
Кто изобрел электричество? Никто! Постепенно люди поняли, что это такое и как им пользоваться.
Все началось в 7 веке до н.э., в солнечный (а может быть, дождливый, кто знает) день. В то время греческий философ Фалес заметил, что янтарь, если его потереть о шерсть, притягивает светлые предметы.
Потом был Александр Македонский, войны, войны, христианство, падение Римской империи, войны, падение Византии, войны, Средние века, крестовые походы, чума, инквизиция и снова войны. Как видите, людям не было дела до электричества и эбонитовых шерстяных палок.
В каком году было изобретено слово «электричество»? В 1600 году английский естествоиспытатель Уильям Гильберт решил написать книгу «О магнетизме, магнитных телах и великом магните — Земле». Затем появился термин «электричество».
Сто пятьдесят лет спустя, в 1747 году, Бенджамин Франклин, которого все любили, назвал это «электромагнетизмом».
1785 — Кулон открывает силу, с помощью которой противоположные заряды притягиваются, а одинаковые отталкиваются.
1791 — Луиджи Гальвани случайно обнаружил, что лапки мертвой лягушки сокращаются под воздействием электричества.
Принцип работы батареи основан на гальванических элементах. Но кто создал первый гальванический элемент? Основываясь на открытии Гальвани, другой итальянский физик, Алессандро Вольта, в 1800 году разработал элемент Вольта — прототип современной батареи.
Во время раскопок под Багдадом была найдена батарея возрастом более двух тысяч лет. Остается загадкой, какие старые iPhone были заряжены им. Единственная уверенность в том, что батарея разряжена. Эта гипотеза как будто говорит: возможно, люди знали об электричестве гораздо раньше, но потом что-то пошло не так.
Еще в 19 веке Эрстед, Ампер, Ом, Томсон и Максвелл произвели настоящую революцию. Был открыт электромагнетизм, индукция ЭМС, электрические и магнитные явления были связаны и описаны фундаментальными уравнениями.
Кстати, если у вас нет времени позаботиться обо всем этом самостоятельно, для наших читателей сейчас действует 10% скидка на каждый заказ.
20 век принес квантовую электродинамику и теорию слабых взаимодействий, а также электромобили и вездесущие силовые кабели. Знаменитый электромобиль Теслы, кстати, работает на постоянном токе.
Конечно, это очень короткая история электричества, и мы не упомянули многих имен, повлиявших на прогресс в этой области. В противном случае нам пришлось бы написать целый многотомный справочник.
Прежде всего, давайте вспомним, что электричество — это движение заряженных частиц.
Постоянный ток — это ток, который течет в одном направлении.
Типичным источником постоянного тока является гальванический элемент. Проще говоря, батарея или аккумулятор. Одним из самых древних предметов, связанных с электричеством, является 2000-летняя багдадская батарея. Считается, что он вырабатывал ток напряжением 2-4 вольта.
Постоянный ток
При использовании постоянного тока:
Постоянный ток легче всего представить наглядно в виде диаграммы. Вот как это выглядит:
Бытовые приборы работают от постоянного тока, но розетки в доме работают от переменного тока. Почти везде постоянный ток получается путем выпрямления переменного тока.
Переменный ток — это ток, который меняет величину и направление. Она меняется через равные промежутки времени.
- в питании большинства бытовых приборов;
- в батарейках и аккумуляторах для автономного питания приборов;
- для питания электроники автомобилей;
- на кораблях и подводных лодках;
- в общественном транспорте (троллейбусах, трамваях).
Переменный ток используется в промышленности и в электроснабжении. Она вырабатывается на электростанциях и поставляется потребителям. Переменный ток преобразуется в постоянный ток на месте с помощью инверторов.
Переменный ток (AC). Direct current (DC) — постоянный ток. На коробках трансформаторов можно увидеть аббревиатуру AC/DC w
Переменный ток
Внимание! Направление тока — это направление, в котором движутся положительно заряженные частицы: от плюса к минусу. Хотя путь свободных электронов лежит от минуса к плюсу.
Таким образом, постоянный ток — это направленное движение заряженных частиц с положительным зарядом, которые не меняют своего размера или направления с течением времени. Все остальные токи являются переменными токами. Вот в чем разница.
AC — это переменный ток, название переменного тока в двигателях. DC — постоянный ток, очевидный термин для обозначения постоянного тока.
Незнание этих различий приводит к неправильному подключению потребителей напряжения к источникам питания. Это приводит к повреждению оборудования или даже к опасным для жизни ситуациям.
Чтобы понять, какой ток называется переменным, а какой — постоянным, необходимо сравнить параметры.
При сравнении характеристик двух типов тока различия становятся очевидными:
Ток постоянный и переменный
Для информации. Существуют два мировых стандарта на частоту и напряжение в потребительской сети переменного тока. Европейский стандарт — 50 герц, 220-240 вольт, американский стандарт — 60 герц, 100-127 вольт.
Батареи являются удобным источником непрерывной электрической энергии. Однако они не могут обеспечить неограниченную мощность электроколлекторов без подзарядки. Поэтому генерирование изменяющегося во времени тока и доставка его потребителю являются основными задачами энергосистемы страны. К преимуществам этого типа относятся:
Проще уменьшить или увеличить уровень переменного напряжения. Он должен проходить только через трансформатор. Высокая эффективность этого трансформатора составляет 99 %, а потери мощности — всего 1 %. Трансформатор с отдельными обмотками для разных напряжений также отделяет высокое напряжение от низкого, что позволяет разделять установки до 1000 В и выше 1000 В.
Атомные и гидроэлектростанции расположены в местах, удаленных от центральных потребителей. Поэтому для снижения потерь при передаче напряжение экспортируемой электроэнергии повышается на несколько сотен киловатт и транспортируется по линиям электропередач в нужное место, где оно снова снижается.
Различия токов
Использование трехфазного переменного напряжения увеличивает пропускную способность структуры электросети. Для передачи одной и той же мощности в трехфазной сети требуется меньше проводников, чем в однофазной линии.
Важно! Если сравнивать два трансформатора одинаковой мощности, то размеры однофазного трансформатора больше, чем трехфазного. Асинхронные двигатели дешевле в производстве, чем двигатели постоянного тока. У них нет коллектора и щеток, и асинхронные двигатели превосходят двигатели постоянного тока в 2-3 раза при тех же габаритах.
Как двигатели переменного, так и постоянного тока большой мощности не могут применяться непосредственно к потребителям.
- Физические – у переменного тока сила и направление состоят во временной зависимости. В бытовой сети частота пульсации – 50 Гц. Полярность изменяется по синусоиде 50 раз за секунду. Носители зарядов постоянного тока направленности не меняют.
- Конструктивные – на выводах или контактах у DC присутствуют « + » и «– », а у АС на электродах – «ноль» и «фаза». В случае трёхфазной сети 4 контакта: один «ноль» и три «фаза».
- Принцип вырабатывания – постоянный ток получают в результате электролитических и химических реакций окисления, работы генераторов постоянного тока и солнечных батарей. Переменный ток вырабатывается трёхфазными генераторами.
- В преобразовании – оба вида получают путём превращения одного в другой посредством полупроводниковых выпрямителей и инверторов.
Например, если требуется ток мощностью 3000 Вт, ток должен составлять 30 А (ампер) при напряжении 100 В, но только 3 А при напряжении 1000 В. Другими словами, если электрическое напряжение увеличивается в 10 раз, то сила тока уменьшается в 10 раз. Рассеиваемую мощность можно рассчитать по простой формуле:
Преимущества переменного тока
Как видите, если электрическое напряжение уменьшается в сто раз, то рассеиваемая мощность уменьшается в десять раз. Это основная причина, по которой электроэнергия передается на большие расстояния с помощью высоковольтных линий. Конечно, эти напряжения нельзя использовать в домах и офисах. Поэтому их приходится снижать с помощью трансформаторов. В отличие от постоянного тока, переменный ток гораздо легче преобразовать, поэтому он больше подходит для электроснабжения инфраструктуры.
- лёгкость преобразования из одной величины напряжения в другую;
- допустимость передачи на дальние расстояния по ЛЭП к распределительным сетям;
- возможность реализовывать трёхфазные схемы энергоснабжения;
- ориентированность на потребителей производственных предприятий, рассчитанных на питание переменным током.
Еще одно различие между переменным и постоянным током заключается в том, что при переменном токе гораздо легче прервать подачу электроэнергии. Разница также в том, что при использовании переменного напряжения полярность не важна. Например, когда вы вставляете вилку в розетку, никто не думает о том, где находится плюс или минус на чайнике или холодильнике.
Переменный ток, с другой стороны, требует более высокого электрического напряжения, чем целевое напряжение для используемого электрического устройства, поскольку значение напряжения постоянно меняется и временами напряжение падает до нуля. Форма волны переменного напряжения синусоидальная, а максимальное напряжение в √2 раз больше текущего значения. Изоляционные свойства и технические характеристики оборудования должны быть выше фактического значения.
Другой характерной особенностью переменного тока является то, что на него сильно влияют катушки и конденсаторы. Они генерируют напряжение, которое заставляет ток течь в противоположном направлении, заставляя электрический ток течь вперед или назад в цепи.
Таким образом, преимущество переменного тока заключается в следующем:
Плюсы и минусы переменного тока
Основным недостатком переменного тока является реактивная мощность. Другим недостатком является то, что прохождение тока не заполняет все сечение проводника и вызывает смещение нагрузки к поверхности. Это уменьшает площадь, через которую протекает ток, увеличивая сопротивление самого проводника и вызывая потери мощности в нем.
Для различных операций может потребоваться использование переменного и постоянного тока. Каждый тип тока имеет свои преимущества и недостатки.
Переменный ток чаще всего используется при необходимости передачи электроэнергии на большие расстояния. Этот вид электроэнергии имеет больше смысла с точки зрения потенциальных потерь и затрат на оборудование. По этой причине большинство оборудования и машин используют более эффективные и экономичные источники питания.
Постоянный ток используется в автономных системах, например, встроенных системах в автомобилях, самолетах, кораблях или электропоездах. Он часто используется для питания микросхем в различных электронных, коммуникационных и других приложениях, где необходимо минимизировать или устранить помехи и пульсации. В некоторых случаях этот ток используется при сварке с помощью инверторов. Существуют даже железнодорожные локомотивы, работающие на постоянном токе. В медицине этот ток используется для введения лекарств в организм с помощью электрофореза и в научных целях для разделения различных веществ (электрофорез белков и т.д.).
Часто бывает необходимо определить, с каким током работает устройство. Это связано с тем, что подключение устройства, работающего на постоянном токе, к сети переменного тока неизбежно приводит к неприятным последствиям: Повреждение прибора, пожар или поражение электрическим током. По этой причине существуют международно признанные символы для этих систем и даже цветовая кодировка кабелей.
Например, приборы, работающие от постоянного тока, маркируются одной линией, двумя сплошными линиями или одной сплошной линией и пунктирной линией под ней. Эти токи также обозначаются латинскими буквами DC. Изоляция электрических кабелей в системах постоянного тока имеет красный цвет для положительного тока и синий или черный цвет для отрицательного тока.
Читайте также: Что такое диэлектрическая проницаемость?
- Возможность более выгодной транспортировки.
- Более простой процесс преобразования.
- Легкость отключения от сети питания.
- Нет необходимости беспокоиться о плюсах и минусах.
В электрических устройствах и машинах переменный ток обозначается английской аббревиатурой AC или волнистой линией. На принципиальных схемах и в описаниях устройств он также изображается двумя линиями: сплошной линией и волнистой линией, расположенными друг под другом. В большинстве случаев проводники маркируются следующим образом: Фаза — коричневый или черный, нейтраль — синий, заземление — зеленый/желтый.
Где используется и в чём преимущества переменного и постоянного тока
Выше мы уже говорили о том, почему в настоящее время переменный ток используется чаще, чем постоянный. Но давайте рассмотрим эту тему подробнее.
Споры о том, какой ток лучше, ведутся с момента открытия электричества. Существует даже «война токов» — соперничество между Томасом Эдисоном и Николой Теслой за использование определенного типа тока. Борьба между последователями этих великих ученых продолжалась до 2007 года, когда Нью-Йорк перешел с постоянного тока на переменный.
Самой важной причиной, по которой переменный ток становится все более распространенным, является его способность передавать сигнал на большие расстояния с минимальными потерями. Чем больше расстояние между источником питания и конечным потребителем, тем больше сопротивление кабелей и тем больше потери тепла.
Для достижения максимальной производительности мощность должна быть
Обозначения на электроприборах и схемах
С помощью электрических трансформаторов напряжение переменного тока можно эффективно изменять (с эффективностью до 99%) в любом направлении от минимального до максимального значения, что также является одним из основных преимуществ сетей переменного тока. Использование трехфазной системы позволяет еще больше повысить эффективность, а такие машины, как двигатели, работающие от сети переменного тока, намного меньше, дешевле и проще в обслуживании, чем двигатели постоянного тока.
Можно сделать вывод, что использование переменного тока выгодно в больших сетях и для передачи электроэнергии на большие расстояния, в то время как для точной и эффективной работы электронного оборудования и для автономных устройств целесообразно использование постоянного тока.
Что такое электричество в простых терминах
Что такое короткое замыкание в простых терминах?
Почему переменный ток используется чаще
Каковы различные типы источников электроэнергии?
Сколько электроэнергии потребляют бытовые приборы, как рассчитать, таблица
Использование мультиметра — измерение напряжения, тока и сопротивления.
Что такое фазное напряжение и напряжение сети?
