RSS
people

Чем отличается постоянный электрический ток от переменного

Изначально люди вообще не знали, что такое ток. Был просто статический заряд, но никто не понимал и не осознавал самой природы электричества.

Понадобились долгие века, пока Кулон разработал свою теорию, а немецкий священник фон Клейн обнаружил, что банка может запасать энергию.

К тому времени, как Ван де Грааф создал свой первый генератор, каждый уже знал, в чем отличие постоянного тока от переменного. А теперь пришла пора и наших читателей обрести для личного пользования эти сведения.

История переменного и постоянного электрического тока

История переменного и постоянного электрического токаКогда Господь убедился, что бесполезно пугать стадо баранов молниями и громом, он решил продвигать историю несколько другим путём.

В результате человеческое общество пыталось произвести людей путём:

  • Занятий физической культурой.
  • Развитием искусства.
  • Логикой, положившей начало всем наукам.

Так постепенно, шаг за шагом, из зверей получилось нечто более разумное. Сегодня, например, многих шокирует, что в США полицейский может грубо обойтись с негритянкой при аресте, а каких-нибудь 100-200 лет назад африканцев вешали штабелями и считали это примером для подражания.

Нужно сказать, что нравственное развитие общества началось именно в последние десятилетия, когда общество открыто признало фашистов преступниками и начало проповедовать и внедрять так называемые права человека. Наука же развилась гораздо ранее.

Какой электрический ток лучшеИздревле, к примеру, люди видели, что кристалл турмалина притягивает пепел.

Почему так происходит? Следует сказать, что свойства пьезоэлектричества были впервые описаны именно на примере турмалина.

В начала 19-го века было показано, что кристалл, будучи нагрет, приобретает электрический заряд.

За счёт того, что произошла деформация, образовались два полюса:

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

Причём, если температура после нагрева остаётся постоянной, то электричество исчезает. Затем появление полюсов наблюдается уже при охлаждении.

Иначе говоря, кристалл турмалина при изменении температуры вырабатывает электричество.

Электрический токДальнейшие исследования показали, что размер потенциала зависит от:

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

Прочие же факторы никакого влияния на величину заряда не оказывают.

Благодаря чему это происходит? Данное явление получило название пироэлектричества. Являясь диэлектриком, турмалин потихоньку заряжался от тока, текущего внутри. А заряд оставался на месте (определённые участки поверхности) из-за изолирующих свойств.

Таким образом, пока не замкнуть полюса турмалина проводником, кристалл будет копить заряд по мере изменения температуры. Линию, объединяющую полюса назвали пироэлектрической осью.

Переменный электрический токПьезоэлектричество было открыто известной парой Кюри на основе того же турмалина в 1880 году.

Было понятно, что при изменении размеров кристалла будут вырабатываться заряды, осталось только придумать методику для проведения опыта.

Кюри использовал для этого статическое давление обычной массы.

Понятно, что весь эксперимент проводится на изолирующей поверхности.

Так например, масса в 1 кг вызывает появление в кристалле турмалина электрического заряда порядка пяти сотых статических единиц.

Как появляется электрический ток

Появление электрического токаЛюбопытно, 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.

Полюса электрического токаПри 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.

Принцип действия переменного электрического токаТо 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.

Как дело обстоит на самом деле с электрическим током

Простой электрический токНа практике форма тока (зависимость плотности зарядов от времени) не является синусоидальной. По разным причинам вид графика искажается.

Это, например, происходит при запуске оборудования и остановке, из-за наведённых помех различной природы.

Таким образом, форма переменного и постоянного тока искажается. Причём давно установлено, что это вредит аппаратуре.

Поскольку для борьбы с подобной напастью требовались какие-то методы, то математики придумали так называемый спектральный анализ.

Многие слышали о чем-то подобном на фондовом рынке, но в данном случае речь скорее о другом: учёные ищут математическую модель, которая относительно легко бы поддавалась расчёту и предсказанию результатов.

Такой способ действительно был найден, и имя ему – спектральный анализ. В этом случае колебание любой формы можно представить в виде суммы с различным удельным весом простейших синусоид разной частоты.

Схема постоянного электрического токаПолучается, что по цепи двигается одновременно много-много составляющих. И целом они дают ток.

Причём не обязательно все составляющие двигаются туда же, куда и основная масса.

Можно это представить, как группу муравьёв, каждый из которых тащит в свою сторону, а результирующий эффект заставляет груз перемещаться лишь в одну.

Мы полагаем, нашим читателям это только забьёт голову.

Поэтому, упомянем, что помимо коэффициента (амплитуды) каждая составляющая обладает и фазой (направлением), а именуется гармоникой.

Так вот, каскады техники устроены так, чтобы полезные частоты (прежде всего 50 Гц) проходили внутрь прибора, а все прочее уходило на землю.

Это и есть тот признак для решения проблемы, о которой мы говорили в начале. Любое колебание можно представить в виде набора полезных и вредных сигналов и, исходя из этого, аппаратуру конструировать надлежащим образом.

Приемники электрического токаНапример, на этом принципе работают все приёмники: они избирательно пропускают только ток нужной частоты. За счёт этого удаётся отрезать помехи, а волна передаётся с минимальными искажениями на большие расстояния.

Мы могли бы долго говорить на эту тему, но пришла пора привести примеры того, где используются виды токов.

Примеры использования переменного и постоянного тока

Приблизительно постоянным можно считать ток разряда автомобильного аккумулятора. Строго говоря, напряжение здесь со временем падает, а потому даже при одной и той же нагрузке эффект разнится хронометрически.

График переменного электрического токаНо, в общем и целом, происходит это достаточно плавно. А ток течёт в одном направлении и имеет примерно постоянную плотность.

Аналогично работают:

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

Но это все ёмкости, а как же генераторы?

В природе источников постоянного тока за исключением матушки-Земли не имеется.

Человеку гораздо удобнее создавать роторы, которые вращаясь с некоторой частотой, создают условия для образования в катушках статора переменного электрического тока.

Затем промышленная частота 50 Гц проходит по проводам и через подстанцию подаётся на потребителя.

Как бы то ни было, источником постоянного тока можно считать адаптеры. Это устройства, которые выполняют преобразование переменного тока в постоянный.

Допустим, у сотовых телефонов это обычно порядка +5 В, тогда как для мобильных раций существует большой разброс.

Устройство постоянного электрического токаВ общем и целом нужно понимать, что устройство постоянного тока может функционировать только от того 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 все двигатели работают от трёх фаз. Каждая из них является переменным током частоты 50 Гц.

Но мы говорили выше, что у каждой гармоники имеется фаза. В нашем случае она равна 120 градусов. А круг образуется за счёт 360 градусов. Получается, что все три фазы равно отстоят друг от друга.

Читайте также: Как подключить электрическую розетку на 380 вольт

Именно при таком раскладе генераторам ГЭС легче всего производить энергию, в точности в том же виде она поступает и нам в дома. Но в каждую квартиру заходит только одна фаза переменного тока.

Поэтому бытовые приборы по своему внутреннему устройству сильно отличаются от промышленных.

Очень важными являются параметры переменного тока. В каждом государстве они стандартизированы и должны строго выдерживаться.

Принцип работы электрического токаПрежде всего, к параметрам переменного тока относят:

  • Так называемое действующее значение напряжения. Это то, которое вызывало бы в обычном проводнике, как постоянное того же номинала. Действующее значение ниже амплитуды в корень из двух раз или около того. Требования для РФ составляют 220-230 В плюс минус 10% от этого номинала.
  • К частоте переменного тока предъявляются самые строгие требования. Предел отклонений от 50 Гц измеряется десятыми долями процента. Вот почему стабилизации движения вала на ГЭС уделяется так много внимания. Именно от скорости его вращения зависит этот параметр.
  • Нелинейные искажения являются отдельной темой. На их предмет дано много требований, поэтому сложно сказать что-то определённое. Особенно строго нормируются гармоники основной частоты, например: 100, 150, 200, 250 Гц.

Такие требования предъявляются и параметры постоянного тока

Например, всем известные автомобильные аккумуляторы на самом деле имеют в своём арсенале не 12, а 14 В. А по мере разряда вольтаж падает.

Более того, если на аккумуляторе зарегистрировано напряжение 11,9 В, то он считается едва ли не вышедшим из строя. Поэтому ещё нужно внимательно читать инструкции.

Как работает переменный электрический токНо и это ещё не все: в некоторых ноутбуках, например, существует заряд бережного расхода энергии аккумулятора.

В этом случае уровень поддерживается в рамках двух третей от полного. Считается, что именно в этом случае батарея будет служить дольше.

Вы видите, что требований достаточно много.

И все они направлены на поддержание долгого и правильного функционирования оборудования.

Таким образом, параметры постоянного и переменного тока являются одними из факторов, определяющих надёжность и работоспособность системы.

Оставить комментарий