Электрический ток постоянный и переменный

Как появляется электрический ток

Любопытно, что стройная теория по данному вопросу ещё не создана

Для нас же важно то, что в природе существуют заряды, и разными методами можно их получать

Во время грозы это получается за счёт сил трения воздушных масс, молекул влаги и некоторых других явлений.

Земля заряжена отрицательно, и вверх постоянно течёт ток через атмосферу.

То есть током называется движение носителей заряда в силу каких-либо причин. И одной из них является разница потенциалов – перепад в уровне носителей между двумя точками пространства.

Можно сравнить это с напором воды. И как только преграда устраняется, поток хлынет в том направлении, где меньше давление.

Теперь возьмём аналогию с кристаллом турмалина

Допустим, появились на его концах заряды, что делать дальше? Нужно вызвать движение, например, медной жилкой провода.

Объединим полюса, и потечёт электрический ток. Движение носителей будет продолжаться до тех пор, пока потенциал не уравняется.

При этом кристалл разряжается. Но постоянный у нас в этом случае ток или переменный? В данном случае нельзя ничего подобного сказать о 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.

Что представляют собой означенные выше понятия?

1. Под постоянным током понимается такой, когда носители текут в одном направлении.

Это не значит, что их количество через сечение среды одинаково. Нет. В более широком смысле постоянным (выпрямленным) током называется именно движения носителей заряда в одном направлении.

Но исходное понятие именно в физике требует более строгих услови

Ток должен быть образован именно постоянным количеством носителей, движущихся в одном направлении.

Причём носители эти положительные (что противоречит практике, где в качестве таковых рассматриваются электроны по большей части).

2. Переменным током называется не просто тот, где носители двигаются то в одном, то в другом направлении, а делают это в такт.

То есть половину периода волна бежит влево, а вторую вправо.

Это образно говоря. Плотность носителей меняется по закону синусоиды.

Собственно, это и есть график, отображающий поведение процесса. В точках перехода через нуль ток отсутствует вовсе.

И происходит это в нашей сети 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 и соответствует сетевой частоте 50 Гц.

Величина постоянного тока

Определение «сила» не является корректным. Тем не менее, его применяют с учетом общепринятых норм. Вернувшись к сути явления, можно определить силу тока (I) по количеству перемещенных за определенный временной интервал (t) зарядов:

I = Q/t.

По международным стандартам СИ подразумеваются единичные величины: ампер, кулон и секунда. Для работы с большими токами удобнее пользоваться производной (ампер-часом) с повышающим множителем 3 600.

К сведению. Измерения выполняются с помощью универсального мультиметра или специализированного амперметра. Прибор включают непосредственно в цепь либо используют вспомогательный шунт.

Параметры домашней электрической сети

Основными параметрами электричества являются его напряжение и частота. Стандартное напряжение для домашних электросетей — 220 вольт. Общепринятая частота — 50 герц. Однако в США используется другое значение частоты — 60 герц. Параметр частоты задается генерирующим оборудованием и является неизменным.

Напряжение в сети конкретного дома или квартиры может быть отличным от номинала (220 вольт). На данный показатель влияет техническое состояние оборудования, сетевые нагрузки, загруженность подстанции. В результате напряжение может отклоняться от заданного параметра в ту или другую сторону на 20–25 вольт.

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Взаимосвязь электрического, магнитного полей впервые продемонстрировал в 1821 году Майкл Фарадей. Чуть позднее показали: конденсатор пригоден для создания колебаний. Нельзя сказать, чтобы связь двух событий немедленно осознали. Феликс Савари разряжал лейденскую банку через дроссель, сердечником которому служила стальная игла.

Неизвестно доподлинно, чего добивался астроном, результат оказался любопытным. Иногда игла оказывалась намагниченной в одном направлении, иногда — противоположном. Ток генератора одного знака. Ученый правильно сделал вывод: затухающий колебательный процесс. Толком не зная индуктивных, емкостных реактивных сопротивлений.

Теорию процесс подвели позже. Опыты повторены Джозефом Генри, Вильямом Томпсоном, определившим резонансную частоту: где процесс продолжался максимальный период времени. Явление позволило количественно описать зависимости характеристик цепи от элементов составляющих (индуктивность и емкость)

В 1861 году Максвелл вывел знаменитые уравнения, одно следствие особенно важно: «Переменное электрическое поле порождает магнитное и наоборот»

Возникает волна, векторы индукции взаимно перпендикулярны. Пространственно повторяют форму породившего процесса. Волна бороздит эфир. Явление использовал Генрих Герц, развернув обкладки конденсатора в пространстве, плоскости стали излучателями. Попов догадался закладывать информацию в электромагнитную волну (модулировать), что используется сегодня повсеместно. Причем в эфире и внутри полупроводниковой техники.

AC/DC: что это и как оно работает?

AC/DC – это два важных термина в электронике, которые означают переменный ток и постоянный ток соответственно. Напряжение AC/DC является ключевым понятием для понимания работы электронных устройств.

Переменный ток (AC)

Переменный ток представляет собой тип электрического тока, который меняется во времени и меняет свою полярность. Выражается он с помощью синусоидальной волны, где направление тока меняется с положительного на отрицательное и обратно. Это означает, что электроны, переносящие ток, движутся вперед и назад, создавая токи в противоположных направлениях.

В сетевой электроэнергии переменный ток используется для передачи электроэнергии от электростанций к потребителям. Он имеет частоту 50 или 60 Гц в зависимости от региона.

Переменный ток широко используется в электронике, так как его легко трансформировать, регулировать и передавать на большие расстояния.

Постоянный ток (DC)

Постоянный ток отличается от переменного тока и представляет собой электрический ток, который не меняет направление со временем. Он имеет постоянное направление и величину. В отличие от переменного тока, постоянный ток заполняет проводник только в одном направлении.

Постоянный ток обычно используется в электронных устройствах, таких как батарейки, аккумуляторы и источники питания, так как он обеспечивает стабильное напряжение и ток без колебаний.

Альтернативное и постоянное напряжение в электронике

В электронике различные устройства и компоненты требуют разных типов напряжения – как переменного (AC), так и постоянного (DC). Некоторые устройства могут работать только с постоянным током, такие, как светодиоды или транзисторы, в то время как другие могут работать с обоими типами тока. Многие электронные устройства, такие как компьютеры, телевизоры и смартфоны, используют внешние источники питания для преобразования переменного тока в постоянный и обеспечения питания для всех компонентов.

Заключение

Понимание различий между переменным и постоянным током (AC/DC) является важным для работы и подключения электронных устройств. Разные устройства требуют разных типов напряжения, и использование неправильного типа может привести к неисправности или даже повреждению устройства. Поэтому необходимо быть внимательным при выборе источника питания для конкретного устройства.

Почему именно переменное напряжение?

Не так давно по историческим меркам у человечества возникла дилемма: какой ток лучше? Переменный или постоянный? Этот период времени был известен, как «война токов». На самом деле были споры между Николой Теслой и Эдисоном — самыми великими учеными-изобретателями того времени. Эдисон был за постоянный ток, а Никола Тесла — за переменный. Это борьба продолжалось более 100 лет, даже после смерти этих великих ученых! Но все-таки в 2007 году окончательную победу одержал переменный ток.

Дело все в том, что постоянный ток при передаче на большие расстояния теряет свою энергию на нагрев проводов. Здесь во всем виноват закон Джоуля-Ленца

Q=I2Rt

где

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Нетрудно догадаться, что чем больше сила тока будет протекать по проводам, и чем длиннее будут провода, тем больше они будут нагреваться, так как сопротивление провода выражается формулой:

сопротивление провода формула

Второй причиной было то, что в генераторе постоянного тока надо было использовать специальную конструкцию, которая бы позволяла снимать электрический ток с движущихся обмоток. Для этого на валу двигателя крепился так называемый коллектор, к которому припаивались обмотки генератора. Коллектор все время находился в движении, так как он закреплен на самом валу генератора. С коллектора с помощью графитовых щеток снималось напряжение. Тот же самый принцип до сих пор используется в генераторах и двигателях постоянного тока.

Принцип работы генератора постоянного тока

Минусом такой конструкции является то, что со временем щетки и коллектор изнашиваются. Поэтому, такой генератор надо часто обслуживать, вовремя заменять щетки и чистить коллектор. Чаще всего такой генератор имеет два провода: плюс и минус. Чем больше коллекторных пластин (ламелей) на таком генераторе, тем чище будет постоянный ток с такого генератора. Если  такой генератор имеет множество ламелей и крутится с одинаковой скоростью, то на осциллографе можно увидеть примерно такую картину постоянного тока

осциллограмма постоянного тока

Таких недостатков лишен генератор переменного напряжения. Принцип его действия показан ниже

Принцип работы генератора переменного тока

В настоящее время в нем используются три обмотки,  разнесенные друг от друга на 120 градусов. Один конец каждой обмотки соединяется с друг другом, образуя так называемый «ноль». В нашей стране такие генераторы на ТЭС или ГЭС стараются крутить со скоростью 50 оборотов/сек. Ну или 3000 оборотов/минуту. Неплохая такая скорость). В Америке же их крутят под 60 оборотов/сек. А что такое обороты в секунду? Это и есть частота. А частота, как вы помните, выражается в Герцах (Гц). Поэтому, у нас в розетках частота 50 Гц, в Америке 60 Гц.

Такие генераторы называют трехфазными, так как они имеют три фазы: A, B, C. В англо-язычной литературе можно увидеть обозначение R, S, T либо L1, L2, L3. Точка, где соединяется конец всех обмоток обозначается буквой N (ноль).

Генератор переменного тока

То есть по сути с генератора выходит 4 провода: фазы A,B,С и 0, он же нейтраль N, который соединяет один конец каждой из трех обмоток.

Обмотки генератора переменного тока

При вращении ротора-магнита в каждой обмотке создается электрический ток. Если с помощью осциллографа вывести осциллограммы сразу трех обмоток, то можно увидеть что-то типа этого:

Осциллограммы трехфазного напряжения

В чём разница переменного и постоянного тока

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

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

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

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

Таких периодов в нашей электросети переменного тока равно 50, что соответствует частоте 50 Гц. F = 1/Т, где период для 50 Гц равен 0,02 сек. F =1/0,02 = 50 Гц. Обозначается переменный ток английскими буквами AC и знаком «~». Постоянный ток имеет обозначение DC и значок «-». Кроме того переменный ток может быть однофазным или многофазным. В основном используется трехфазная сеть.

Сноски

1) Существует ряд схем, например, делители напряжения, параметрические и компенсационные стабилизаторы, позволяющих изменить величину постоянного напряжения без дополнительных преобразований. Однако эти схемы принципиально не могут увеличить напряжение. Кроме того, их КПД напрямую зависит от соотношения входного и выходного напряжения и может оказаться недопустимо малым.

2) Математическая конструкция «dΦ/dt» означает «первая производная магнитного потока Φ по времени t». Она показывает, на какую величину (dΦ) изменился магнитный поток Φ за время (dt), при условии, что интервал наблюдения стремится к нулю (dt → 0). Если магнитный поток за время dt не изменился (dΦ = 0), то и первая производная будет равна нулю.

3) На самом деле, магнитные процессы в трансформаторе намного сложнее. В частности, магнитный поток Φ не может резко измениться. Поэтому сразу после подключения обмотки трансформатора к источнику постоянного напряжения магнитный поток будет нарастать в течение некоторого времени, что приведет к появлению ЭДС, однако рано или поздно она исчезнет.

4) Мерцание света при освещении вращающихся объектов может привести к стробоскопическому эффекту – когда кажется, что объект неподвижен, в то время как он вращается с большой скоростью. Это явление может быть как полезным (используется, например, в электропроигрывателях для установки скорости вращения диска), так и опасным для жизни (например, при освещении рабочих мест станков).

5) Это справедливо для мощностей больше 1 кВт. При меньших мощностях дешевле использовать однофазные системы.

Виды электрического тока в быту

Для того, чтобы определить какой ток в розетке, нет необходимости изучать этот вопрос на уровне ВУЗа. Есть всего две разновидности напряжения — постоянное и переменное.

Ответ на вопрос какой ток в розетке переменный или постоянный является однозначным сейчас, но в начале ХХ века на эту тему спорили два великих изобретателя — Никола Тесла, поддерживавший идею переменного тока, и Томас Эдисон, выступавший за постоянный ток. В этот период мог быть в розетке постоянный или переменный ток, в зависимости от страны и схемы электроснабжения здания.

В конце концов победила точка зрения Теслы, а постоянный ток сейчас используется в основном в электроприводах, которые питаются от сети переменного тока через диодные или тиристорные выпрямители.

Интересно! В некоторых зданиях в Сан-Франциско в 2012 году сохранялись лифты, запитанные от сети постоянного тока. Это оборудование и подвод такого напряжения к зданиям сохранялись как раритет. В Нью-Йорке такие установки работали до 2007 года.

Постоянный ток

Международный символ этого напряжения DC — Direct Current (постоянный ток), а условное обозначение на электросхемах «—» или «=». Величина и полярность этого вида напряжения являются неизменными, а сила тока изменяется только при изменениях нагрузки. Этот вид электрического тока производится аккумуляторами, батарейками и элементами солнечных электростанций.

От сети постоянного тока работают двигатели трамваев, троллейбусов и другого электротранспорта. Эти электродвигатели имеют лучшие тяговые характеристики, чем двигатели переменного тока.

Информация! От постоянного напряжения работает бОльшая часть электронных схем, но они получают питание от сети переменного тока через встроенный или внешний блок питания с выпрямителем.

Переменный ток

Международное обозначение этого напряжения AC — Alternating Current (переменный ток), а условное обозначение на электросхемах «~» или «≈».

Величина и полярность переменного тока в сети всё время меняется. Частота этих изменений составляет 50Гц в Европе и некоторых других странах и 60Гц в США. Большинство бытовых и промышленных электроприборов изготавливаются для питания переменным напряжением.

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и промышленности, является переменной. Для передачи на большие расстояния его повышают при помощи трансформаторов, а в конечной точке линии понижают до необходимой величины. Это позволяет уменьшить стоимость ЛЭП и потери. Для того, чтобы исключить колебания напряжения, для особоважных приборов устанавливаются стабилизаторы.

При увеличении напряжения и неизменной передаваемой мощности сила тока и сечение проводов пропорционально уменьшается. Если напряжение не повышать, то для подачи электроэнергии к потребителю необходимо использовать кабеля большого сечения, а передача на большие расстояния окажется невозможной. Вот почему в розетке переменный ток.

В домашней розетке два контакта — фазный и нулевой. В некоторых случаях к ним добавляется заземляющий. Это однофазное напряжение является частью трёхфазной системы. Она включает в себя три одинаковых сети. Напряжение в этих сетях сдвинуто по фазе на 120° друг относительно друга.

Вначале эта система была шестипроводной. В таком виде её изобрёл Никола Тесла. Позже М. О. Доливо-Добровольский усовершенствовал эту схему и предложил передавать трёхфазное напряжение по трём или чётырём проводам (L1, L2, L3, N). Он также показал преимущества трёхфазной системы электроснабжения перед схемами с другим числом фаз.

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.

Плюсы и минусы

В самом упрощенном представлении (для чайников) разница между постоянным и переменным током состоит в возможности получения, накопления и пользования первого из второго. Таким способом идет подзарядка всех современных бытовых приборов – мобильника, ноутбука, бесперебойника котла и т. д.

Плюс постоянного тока – возможность аккумуляции от источника электроэнергииИсточник limitenergy.ru

Постоянный электроток обладает таким рядом преимуществ:

• Отсутствие реактивной мощности в цепи, более продуктивный расход энергии.
• Эффективная аккумуляция электроэнергии – с помощью АКБ и конденсаторов.
• Нет задержки или опережения в электроцепи.

Помимо плюсов имеются также некоторые недостатки:

1. Возникновение искрения или замыкании при прерывании цепи – ввиду наличия постоянного напряжения. Это исключено в цепи переменного тока, так как отключение возможно в момент падения характеристики до нуля во время колебаний при смене полярности.
2. Сложность повышения и понижения потенциала. Для подобного преобразования ток сначала требуется перевести в переменный, затем с заданными параметрами обратно в постоянный. Для этого потребуется дорогое оборудование.
3. Усиление электрохимической коррозии при сопутствующих условиях, например, для элементов подземной коммуникации.

Зачастую бытовые приборы работают на постоянном электричестве. Подключаются они при этом от бытовой переменной сети, но в своей конструкции имеют специальный преобразователь для получения тока заданных характеристик.

Ноутбук и другая цифровая техника работает на постоянном токе, но подзаряжается через преобразователь от переменной электросетиИсточник m24.ru

Применение переменного электротока имеет такой ряд положительных особенностей:

• Возможность транспортировки электроэнергии на большие дистанции с минимальной потерей.
• Доступность преобразования параметров электротока в любом требуемом значении.
• Простота подключения электрооборудования – ввиду отсутствия полярности. Вилку в розетку можно воткнуть любой стороной, чего нельзя сделать в сети постоянного тока.
• Безопасное прерывание электропитания.

Недостатки переменной электросети проявляются в следующем:

1. Возникновение реактивной мощности, из-за чего возрастает расход энергии.
2. Поверхностное вытеснение заряда в проводнике, что снижает полезную площадь сечения, увеличивает сопротивление и приводит к потерям мощности.
3. Необходимость повышения напряжения на линиях электропередач, длиной свыше 500 км.

Видео-урок о том, чем отличается постоянный ток от переменного:

Применение

Электрический ток называется постоянным, прежде всего, ввиду стабильности полярности, отсутствия перепадов и импульсов. Это свойство позволяет использовать его в различных микросхемах для обеспечения работы электроники и точной техники.

Помимо этого, электричество с таким набором характеристик нашло широкое применения в других областях:

• Электромоторы транспортных средств, подъемников.
• Портативные АКБ бытовых устройств.
• Электролитические промышленные установки.
• Электродуговая и газовая сварка.
• Бортовые электросети.
• Медицинские технологии по внедрению лекарственных препаратов.
• Научно-исследовательские направления.

Переменный электроток находит применение преимущественно в бытовых и промышленных сетях – для подвода электроэнергии к домам, цехам, торговым центрам, больницам и проч. Мощные производственные установки, двигателя, как правило, питаются такой разновидностью электричества.

Видео о том, какой ток лучше – постоянный или переменный:

Коротко о главном

Электроток представляет собой направленное движение электронов и ионов. Движущей силой им служит разность потенциалов. Применяется электричество практически везде – от моторов до микросхем.

Разделяется электрический ток на переменный и постоянный. Различаются они прежде всего тем, что полярность последнего неизменна, а первого – меняется с определенной частотой. На схемах значок постоянного тока выглядит как прямая линия или буквами DC, переменного – волнистая черта или AC.

Источники электротока классифицируются на такие виды:

• Механические. Генераторы ГЭС, ТЭС, автономные.
• Термические. На основе термопар.
• Световые. Солнечные батареи.
• Химические. АКБ, гальванические элементы.