Добавлено 25 марта 2015 года в 13:58, Ср
Говоря о постоянном токе (см. раздел «Про ток»), мы выяснили, что он протекает в одном направлении — от плюса источника к минусу(так было принято, хотя на самом деле наоборот). Однако в большинстве случаев приходится иметь дело с током переменным. При переменном токе электроны движутся не в одном направлении, а попеременно то в одном, то в другом, меняя свое направление. Поэтому, когда осветительная лампа включена, электроны в ее накаленной нити(да и в проводах тоже)движутся то в одну, то в другую сторону. Это движение условно показано на рис.1 и рис.2. Попробуйте пробежаться то в одну, то в другую сторону. Нетрудно догадаться, что при таком движении, прежде чем изменить направление движения, нужно сначала его замедлить, потом застыть на месте, а уж потом ринуться в другую сторону. Какая взаимосвязь с током? Перед тем как изменить движение, электроны должны притормозить(всё это мы рассматриваем в замедленном времени). Значит ток уменьшится, а лампа должна уменьшить яркость. А уж когда они остановятся перед изменением движения — и вовсе должна погаснуть. Но мы этого не видим. Почему? Потому что накаленная нить имеет тепловую инертность и за долю секунды не может остыть. Поэтому мигания мы не видим. Однако, каждый из нас слышал жужжание работающего трансформатора, что и связано с попеременным направлением движения тока.
А теперь стоит задуматься. Означает ли это, что за долю секунды электроны от электростанции доходят до дома, а за следующую долю секунды — обратно? Ранее, в разделе«Про ток» мы выяснили, что электрическое поле в проводниках распространяется со скоростью 300000км/с., а сами электроны движутся в проводниках со скоростью примерно 0,1мм/с. Но за 1/100 часть секунды (именно столько длится один полупериод, в течение которого электроны движутся в одну сторону) электроны только успевают переместиться в одном направлении, как электрическое поле начнет действовать в противоположном направлении. Вот почему электроны отклоняются то в одну, то в другую сторону и не покидают, так сказать, предела наших жилищ. То есть, у вас в доме(квартире) есть свои «домашние» электроны. Если мы могли бы замедлить время и включили бы в розетку вольтметр параллельно нагрузке, т.е. лампе (рис.3) или амперметр последовательно через нагрузку (рис.4), то увидели бы как стрелка прибора плавно изменяет свое показание от нуля до максимального значения при замере напряжения (рис.3) или тока (рис.4). На рисунке рядом это продемонстрировано. В действительности мы, конечно, этого не увидим. Причина в инертности стрелки, из-за которой она не может произвести сотню за секунду. Кстати, к рис.3 и рис.4 приведен пояснительный рис.5, где уж точно без особых усилий можно увидеть, как подключаются вольтметр и амперметр при измерении напряжения и тока в электрической цепи. Где вольтметр, а где амперметр, я думаю, можно без труда догадаться. На схемах они обозначаются как V и А соответственно.
Итак, первое, что необходимо знать — это то, что изменения тока и напряжения в электрической цепи происходят по так называемому синусоидальному закону. Второе — любое синусоидальное колебание (ток или напряжение) характеризуются следующими важными величинами:
Период Т — время совершения одного полного колебания. Половина этого времени называется полупериодом. Очевидно, что в один полупериод ток течет(ну или как мы оговаривали — электроны движутся) в одном направлении, которое условно можем принять за положительное, а в другой полупериод он течет в другом направлении, которое можем принять за отрицательное. На графиках положительный полупериод будет представлен верхней полуволной над осью Х, а отрицательный — нижней. Говоря про нашу сеть, можно указать, что период переменного тока Т = 1/50сек — 0,02сек.
Частота f — это число колебаний в секунду. Теперь давайте подсчитаем. Если одно колебание у нас происходит за время периода Т, которое равно 0,02сек, то тогда за одну секунду у нас произойдет 50 колебаний (1/0,02=50). А одно колебание представляет собой движение электронов сначала в одну сторону, потом в другую(два полупериода). Т.е. за 1сек электроны будут двигаться поочередно то в одну то в другую сторону 50раз. Вот вам и наша частота тока в сети, которая равна 50Гц (Герц).
Амплитуда — наибольшая величина тока(Imах) или напряжения (Umах=310В) за время периода Т. Очевидно, что за один период синусоидальный ток и напряжение достигают два раза своей максимальной величины.
Мгновенное значение — мы уже знаем, что переменный ток непрерывно изменяет свое направление и величину. Величина напряжения в данный момент называется мгновенным значением напряжения. Это же относится и к величине тока.
В качестве иллюстрации на рис.6 указаны несколько мгновенных значений (200В, 300В, 310В, — 150В, — 310В, — 100В) величины напряжения в электрической цепи в течение одного периода. Видно, что в начальный момент напряжение равно равно нулю, после чего постепенно нарастает до 100В, 200В и т.д. Достигнув максимального значения 310В, напряжение начинает постепенно уменьшаться до нуля, после чего изменяет свое направление и снова возрастает, достигая величины минус 310В (- 310В) и т.д. Если кто-то с трудом может себе представить, что такое смена направления, может представить себе, что плюс и минус в розетке меняются местами — т.е. если мы условно примем ноль(землю) за минус, а фазу за плюс. И происходит это 50 раз в секунду. Ну, вот где-то примерно так.
Действующее значение
Итак, зададимся вопросом — а какому постоянному напряжению равно по своему действию наше переменное напряжение в сети, показанное на рис.6? Теория и практика показывают, что оно равняется постоянному напряжению величиной 220В — рис.7. Взять это на веру не так уж и сложно, поскольку несложно увидеть, что рассматриваемое в течение одного периода напряжение имеет значение 310В только в два момента, а в остальное время оно меньше. Так как наше синусоидальное напряжение изменяется непрерывно, то целесообразно было ввести такое понятие как — действующее напряжение . Ведь именно по какому-либо конкретному значению напряжения(или тока), а не его меняющемуся значению мы можем «прикинуть» его силу. Так вот, под действующим значением переменного тока (ну или напряжения) мы понимаем такой постоянный ток, который за то же самое время совершает ту же работу (или выделяет такое же количество тепла), что и данный переменный ток .
Поэтому, наша обыкновенная лампочка (или, например, обогревательный прибор) будет одинаково работать как при переменном напряжении, изменяющегося от нуля до 310В, так и при постоянном напряжении 220В. А 12-вольтовая лампочка будет одинаково светить как от источника переменного напряжения величиной 12В(изменяющегося от нуля до 16,8В), так и от любой батарейки или аккумулятора(а они являются, как известно, источниками постоянного напряжения).
Итак, запомните.
Электрический ток(напряжение), который периодически изменяет свое направление и величину, называется переменным током. Любой переменный ток характеризуется в основном своей частотой, амплитудой и действующим значением;
Приборы, предназначенные для измерения переменного тока, показывают его действующее значение;
Напряжение измеряют вольтметром(или комбинированным прибором — авометром), ток — амперметром(или комбинированным прибором — авометром). Также ток можно измерять так называемыми токовыми клещами . Служат они для бесконтактного измерения тока — рабочая часть прибора образует кольцо вокруг измеряемого провода и по величине электромагнитного поля, действующего на рабочую часть прибора, выводится информация на его небольшой дисплей о величине протекающего тока. Авометр — это комбинированный прибор(его в простонародье еще называют просто тестером), который полностью в своем техпаспорте называется ампервольтомметром и служит для измерения и тока, и напряжения, и сопротивлений. А цифровые модели могут измерять и частоту напряжения(тока), и емкости конденсаторов и другие вещи — это уж как задумает разработчик;
Зная значение (действующее) переменного напряжения, всегда можно узнать его максимальное значение (не забудьте — оно меняется по синусоидальному закону). А связь здесь такая — Umax = 1,4U, где U — действующее значение, а Umax- максимальное значение (амплитуда).
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. Мощность нагрузки 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 ветряные турбины. 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.
Василий Сонькин
Если вдоль всего Садового кольца встанут люди, возьмутся за руки, и одновременно будут шагать в одну сторону, то через каждый перекресток будет проходить много людей. Это постоянный ток. Если же они будут делать пару шагов вправо, потом влево, через каждый перекресток пройдет много людей, но это будут одни и те же люди. Это переменный ток.
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 .
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.
