Что такое постоянный и переменный электрический ток

Природа электрического тока

Движение электронов в проводнике

Чтобы понимать что такое ток и откуда он берётся, нужно иметь немного знаний о строении атомов и законах их поведения. Атомы состоят из нейтронов (с нейтральным зарядом), протонов (положительный заряд) и электронов (отрицательный заряд).

Электрический ток возникает в результате направленного перемещения протонов и электронов, а также ионов. Как можно направить движение этих частиц? Во время любой химической операции электроны «отрываются» и переходят от одного атома к другому.

Те атомы, от которых «оторвался» электрон становятся положительно заряженным (анионы), а те к которым присоединился – отрицательно заряженными и называются катионами. В результате этих «перебеганий» электронов возникает электрический ток.

Естественно, этот процесс не может продолжаться вечно, электрический ток исчезнет когда все атомы системы стабилизируются и будут иметь нейтральных заряд (отличный бытовой пример – обычная батарейка, которая «садится» в результате окончания химической реакции).

История изучения

Древние греки первыми заметили интересное явление: если потереть камень янтаря об шерстяную ткань, то он начинает притягивать мелкие предметы. Следующие шаги начали делать ученые и изобретатели эпохи ренессанса, которые построили несколько интересных устройств, демонстрировавших это явление.

Новым этапом изучения электричества стали работы американца Бенджамина Франклина, в частности его опыты с Лейденовской банкой – первым в мире электроконденсатором.

Именно Франклин ввёл понятия положительных и отрицательных зарядов, а также он придумал громоотвод. И наконец, изучение электротока стало точной наукой после описания закона Кулона.

Основные закономерности и силы в электрическом токе

Закон Ома – его формула описывает взаимосвязь силы, напряжения и сопротивления. Открыт в 19м веке немецким ученым Георгом Симоном Омом. Единица измерения электросопротивления названа в его честь. Его открытия были очень полезны непосредственно для практического использования.

Закон Джоуля – Ленца говорит, что на любом участке электрической цепи совершается работа. В результате этой работы нагревается проводник. Такой тепловой эффект часто используется на практике в инженерии и технике (отличный пример – лампа накаливания).

Движение зарядов при этом совершается работа

Эта закономерность получила такое название потому что сразу 2 ученых примерно одновременно и независимо, вывели её с помощью опытов
закона электромагнитной индукции .

В начале 19го века британский ученый Фарадей догадался, что изменяя количество линий индукции, которые пронизывают поверхность ограниченную замкнутым контуром, можно сделать индукционный ток. Посторонние силы, действующие на свободные частицы, называют электродвижущей силой (ЭДС индукции).

Разновидности, характеристики и единицы измерения

Электрический ток может быть или переменным. или постоянным .

Постоянный электроток — это ток, который не меняет своё направление и знак во времени, однако он может менять свою величину. Постоянный электроток в качестве источника чаще всего использует гальванические элементы.

Переменным называется тот, который меняет направление и знак по закону косинуса. Его характеристикой является частота. Единицы измерения в системе СИ – Герцы (Гц).

В последние десятилетия очень большое распространение получил трехфазный ток. Это вид переменного тока, который включает в себя 3 цепи. В этих цепях действует переменные ЭДС одинаковой частоты, но развернутые по фазе одна относительно другой на треть периода. Фазой называют каждую отдельную электроцепь.

Почти все современные генераторы производят трёхфазный электроток.

• Сила и количество тока

Сила тока зависит от величины заряда, протекающего в электроцепи за единицу времени. Сила тока это отношение электрозаряда, проходящего сквозь сечение проводника, ко времени его прохождения.

В системе СИ единица измерения силы заряда – кулон (Кл), времени – секунда (с). В итоге получаем Кл/с, данную единицу называют Ампер (A). Измеряется сила электротока с помощью прибора – амперметра.

Напряжение — это соотношение работы к величине заряда. Работа измеряется в джоулях (Дж), заряд в кулонах. Данная единица называется Вольт (В).

Показания амперметра на различных проводниках дают разные значения. А для того чтобы замерять мощность электроцепи пришлось бы использовать 3 прибора. Явление объясняется тем, что у каждого проводника различная проводимость. Единица измерения называется Ом и обозначается латинской буквой R. Сопротивление также зависит и от длины проводника.

Два проводника, которые изолированы один от второго, могут накапливать электрические заряды. Данное явление характеризуется физ. величиной, которую называют электрической емкостью. Её единицей измерения – фарад (Ф).

• Мощность и работа электрического тока

Работа электротока на конкретном участке цепи равняется перемножению напряжения тока на силу и время. Напряжение меряют вольтами, силу амперами, время секундами. Единицей измерения работы приняли джоуль (Дж).

Мощность электротока – это отношение работы ко времени её совершения. Мощность обозначают буквой P и измеряют ваттами (Вт). Формула мощности очень простая: Сила тока умноженная на напряжение тока.

Существует также единица именуемая ватт-час. Её не следует путать с ваттами, это 2 разные физические величины. В ваттах измеряют мощность ( скорость потребления или передачи энергии), а в ватт-часах выражается энергия произведённая за конкретное время. Это измерение часто применяют в отношении бытовых электроприборов.

Например, лампа мощность которой равняется 100 Вт работала в течении одного часа, то она потребила 100 Вт*ч, а лампочка мощность которой 40 ватт потребит столько же электроэнергии за 2.5 часа.

Для того, чтобы замерять мощность электроцепи используют ваттметр

Какой вид тока эффективнее и какая между ними разница?

Постоянный электроток легко использовать в случае параллельного подключения генераторов, для переменного необходима синхронизация генератора и энергосистемы.

В истории произошло событие под названием «Война токов». Эта «война» произошла между двумя гениальными изобретателями – Томасом Эдисоном и Николой Теслой. Первый поддерживал и активно продвигал постоянный электроток, а второй переменный. «Война» закончилась победой Теслы в 2007 году, когда Нью-Йорк окончательно перешел на переменный.

Разница в эффективности передачи энергии на расстоянии оказалось огромной в пользу переменного тока. Постоянный электроток невозможно использовать, если станция находятся далеко от потребителя.

Но постоянный всё равно нашел сферу применения: он широко используется в электротехнике, гальванизации, некоторых видах сварки. Также постоянный электроток получил очень большое распространение в сфере городского транспорта (троллейбусы, трамваи, метро).

Естественно, не бывает плохих или хороших токов, у каждого вида есть свои преимущества и недостатки, самое главное – правильно их использовать.

Похожие статьи

Формула как найти мощность тока

Чем отличается переменный ток от постоянного

Хотя электрические приборы мы каждый день используем в повседневной жизни, не каждый может ответить, чем отличается переменный ток от постоянного, несмотря на то, что об этом рассказывается в рамках школьной программы. Поэтому имеет смысл напомнить основные догматы.

Обобщенные определения

Физический процесс, при котором заряженные частицы движутся упорядоченно (направленно), называется электротоком. Его принято разделять на переменный и постоянный. У первого направление и величина остаются неизменными, а у второго эти характеристики меняются по определенной закономерности.

Приведенные определения сильно упрощены, хотя и объясняют разницу между постоянным и переменным электротоком. Для лучшего понимания, в чем заключается это различие, необходимо привести графическое изображение каждого из них, а также объяснить, как образуется переменная электродвижущая сила в источнике. Для этого обратимся к электротехнике, точнее ее теоретическим основам.

Источники ЭДС

Источники электротока любого рода бывают двух видов:

• первичные, с их помощью происходит генерация электроэнергии путем превращения механической, солнечной, тепловой, химической или другой энергии в электрическую;
• вторичные, они не генерируют электроэнергию, а преобразуют ее, например, из переменной в постоянную или наоборот.

Единственным первичным источником переменного электротока является генератор, упрощенная схема такого устройства показана на рисунке.

Упрощенное изображение конструкции генератора

• 1 – направление вращения;
• 2 – магнит с полюсами S и N;
• 3 – магнитное поле;
• 4 – проволочная рамка;
• 5 – ЭДС;
• 6 – кольцевые контакты;
• 7 – токосъемники.

Принцип работы

Механическая энергия преобразуется изображенным на рисунке генератором в электрическую следующим образом:

за счет такого явления, как электромагнитная индукция, при вращении рамки «4», помещенной в магнитное поле «3» (возникающее между различными полюсами магнита «2»), в ней образуется ЭДС «5». Напряжение в сеть подается через токосъемники «7» с кольцевых контактов «6», к которым подключена рамка «4».

Видео: постоянный и переменный ток — отличия

Что касается величины ЭДС, то она зависит от скорости пересечения силовых линий «3» рамкой «4». Из-за особенностей электромагнитного поля минимальная скорость пересечения, а значит и самое низкое значение электродвижущей силы будет в момент, когда рамка находится в вертикальном положении, соответственно, максимальное — в горизонтальном.

Учитывая изложенное выше, в процессе равномерного вращения индуктируется ЭДС, характеристики величины и направления которого изменяются с определенным периодом.

Графические изображения

Благодаря применению графического метода, можно получить наглядное представление динамических изменений различных величин. Ниже приведен график изменения напряжения с течением времени для гальванического элемента 3336Л (4,5 В).

Горизонтальная ось отображает время, вертикальная – напряжение

Как видим, график представляет собой прямую линию, то есть напряжение источника остается неизменным.

Теперь приведем график динамики изменения напряжения в течение одного цикла (полного оборота рамки) работы генератора,.

Горизонтальная ось отображает угол поворота в градусах, вертикальная — величину ЭДС (напряжение)

Для наглядности покажем начальное положение рамки в генераторе, соответствующее начальной точке отчета на графике (0°)

Начальное положение рамки

• 1 – полюса магнита S и N;
• 2 – рамка;
• 3 – направление вращения рамки;
• 4 – магнитное поле.

Теперь посмотрим, как будет изменяться ЭДС в процессе одного цикла вращения рамки. В начальном положении ЭДС будет нулевым. В процессе вращения эта величина начнет плавно возрастать, достигнув максимума в момент, когда рамка будет под углом 90°. Дальнейшее вращение рамки приведет к снижению ЭДС, достигнув минимума в момент поворота на 180°.

Продолжая процесс, можно увидеть, как электродвижущая сила меняет направление. Характер изменений поменявшей направление ЭДС будет таким же. То есть она начнет плавно возрастать, достигнув пика в точке, соответствующей повороту на 270°, после чего будет снижаться, пока рамка не завершит полный цикл вращения (360°).

Если график продолжить на несколько циклов вращения, мы увидим характерную для переменного электротока синусоиду. Ее период будет соответствовать одному обороту рамки, а амплитуда – максимальной величине ЭДС (прямой и обратной).

Теперь перейдем к еще одной важной характеристике переменного электротока – частоте. Для ее обозначения принята латинская буква «f», а единица ее измерения – герц (Гц). Этот параметр отображает количество полных циклов (периодов) изменения ЭДС в течение одной секунды.

Определяется частота по формуле. Параметр «Т» отображает время одного полного цикла (периода), измеряется в секундах. Соответственно, зная частоту, несложно определить время периода. Например, в быту используется электроток с частотой 50 Гц, следовательно, время его периода будет две сотых секунды (1/50=0,02).

Трехфазные генераторы

Заметим, что наиболее экономически выгодным способом получения переменного электротока будет использование трехфазного генератора. Упрощенная схема его конструкции показана на рисунке.

Устройство трехфазного генератора

Как видим, в генераторе используются три катушки, размещенные со смещением 120°, соединенные между собой треугольником (на практике такое соединение обмоток генератора не применяется в виду низкого КПД). При прохождении одного из полюсов магнита мимо катушки, в ней индуктируется ЭДС.

Графическое изображение сгенерированного трехфазного электротока

Чем обосновано разнообразие электротоков

У многих может возникнуть вполне обоснованный вопрос – зачем использовать такое разнообразие электротоков, если можно выбрать один и сделать его стандартным? Все дело в том, что не каждый вид электротока подходит для решения той или иной задачи.

В качестве примера приведем условия, при которых использовать постоянное напряжение будет не только не выгодно, ни и иногда невозможно:

• задача передачи напряжения на расстояния проще реализовывается для переменного напряжения;
• преобразовать постоянный электроток для разнородных электроцепей, у которых неопределенный уровень потребления, практически невозможно;
• поддерживать необходимый уровень напряжения в цепях постоянного электротока значительно сложнее и дороже, чем переменного;
• двигатели для переменного напряжения конструктивно проще и дешевле, чем для постоянного. В данном пункте необходимо заметить, что у таких двигателей (асинхронных) высокий уровень пускового тока, что не позволяет их использовать для решения определенных задач.

Теперь приведем примеры задач, где более целесообразно использовать постоянное напряжение:

• чтобы изменить скорость вращения асинхронных двигателей требуется, изменить частоту питающей электросети, что требует сложного оборудования. Для двигателей, работающих от постоянного электротока, достаточно изменить напряжение питания. Именно поэтому в электротранспорте устанавливают именно их;
• питание электронных схем, гальванического оборудования и многих других устройств также осуществляется постоянным электротоком;
• постоянное напряжение значительно безопаснее для человека, чем переменное.

Исходя из перечисленных выше примеров, возникает необходимость в использовании различных видов напряжения.

Постоянный и переменный ток. Получение электрического тока

Уважаемые посетители сайта.

Все изложенное в рубрике «электротехника», — дается для Вас в более простой, доступной форме обучения. Если вникать в теоретические основы электротехники. то переходить на такое обучение нужно не спонтанно, а постепенно.

Допустим, читаем формулировку правила: «Магнитный поток сквозь поверхность S равен линейному интегралу векторного потенциала по замкнутому контуру, ограничивающему эту поверхность». Данное правило дает понятие об углубленном познании магнитного поля постоянных токов. такой курс обучения проходят в высших технических учебных заведениях. Конечно-же, нужно стремиться к высшему познанию таких вещей, но для человека, которому допустим нужно починить электроплиту либо какой нибудь электроприбор, такие познания в общем-то просто ни к чему.

Полагаю, что если человек зашел на сайт, — ему нужно получить конечный результат такого продукта — полезной информации. В частности, для данной темы речь пойдет о способах получения электрическоготока .

Получение переменного тока

Переменный ток вырабатывают генераторы, электрические машины. — как их принято называть в электротехнике. Следует не забывать и о том, что в зависимости от их применения генераторы бывают как переменного так и постоянного тока. В зависимости от их устройства, генераторы вырабатывают:

• трехфазный ток с выходным напряжением 380 Вольт;
• однофазный ток с выходным напряжением 220 Вольт.

Где именно могут применяться трехфазные генераторы? Да допустим для питания трехфазной тепловой пушки на 6 кВт 380 В для обогрева складского помещения.

Тогда где-же могут применяться однофазные генераторы? Однофазные генераторы как и трехфазные, применяются допустим в больнице — при аварийном отключении электроэнергии.

Генератору, как нам известно, необходимо придать механическое вращение якоря. Каким образом можно придать якорю генератора механическое вращение? Такими источниками служат двигатели внутреннего сгорания:

и другие источники, чтобы привести якорь генератора в движение. Другими источниками получения электрической энергии являются:

• ветряные электростанции;
• водяные электростанции;
• турбинные электростанции.

На рисунке показано схематическое изображение устройства генератора переменного тока рис.1. Рамку в этом примере можно представить как якорь, состоящий из одного витка провода. Рамка обозначена сторонами А, Б, В, Г. Два проводника А и Б при вращении рамки, пересекают магнитные силовые линии постоянного магнита С, Ю. При пересечении проводниками силовых линий, в проводниках наводится электродвижущая сила — ЭДС. ЭДС двух проводников по своему значению противоположны друг другу в тот момент, когда они пересекают эти силовые линии.

Величина ЭДС ри.3, протекающего тока в рамке, будет зависить:

от векличины магнитной индукции постоянного магнита N, S;

скорости пересечения проводником магнитных силовых линий

и угла наклона проводника рис.4 по отношению к силовым линиям постоянного магнита sin угла альфа между направлением движения проводника и направлением магнитных силовых линий поля.

При вращении рамки в магнитном поле, в ней наводится ЭДС двух противоположных значений и ток, как мы можем заметить на графике рис.5 получается пульсирующим. Один период Т состоит из двух противоположных пульсаций тока, верхний полупериод — положительный и нижний полупериод — отрицательный. Полупериод обозначен на графике как 1/2 Т.

Поэтому, ток в этом примере рассматривается как:

либо как еще его называют — переменный ток .

Получение постоянного тока

Постоянный ток мы получаем от следующих источников, это:

• первичные источники обыкновенные, простые батарейки;
• электрохимические аккумуляторы;
• генераторы постоянного тока.

Принцип устройства электрохимических аккумуляторов изображен на рисунке 6. Электрохимические аккумуляторы могут быть возвращены в первоначальное свое состояние под воздействием электрического тока — в процессе их зарядки либо подзарядки.

Первичные источники элементы, разнообразные типы батареек рис.7, — не могут быть возвращены в свое первоначальное состояние в процессе их зарядки электрическим током, то-есть, такие источники по истечению своего срока эксплуатации подлежат только утилизации.

Различие между генератором переменного тока и генератором постоянного тока состоит в том, что в генераторе постоянного тока размещено большее количество витков в пазах якоря по сравнению с генератором переменного тока, а так-же, укреплено четное количество главных и добавочных полюсов на внутренней станине генератора.

Следующий рисунок из себя представляет схему подключения нагрузки к генератору постоянного тока рис.8, ток в данной цепи замыкается через нагрузку.

На графике рис.9 показаны пульсации тока, выдаваемые генератором постоянного тока. По сравнению с генератором переменного тока, данные пульсации выглядят более сглаженно.

Применение постоянного тока

устройство автомобильного генератора

электростанция для сварки постоянным током

Преобразование переменного тока в постоянный

Для выпрямления, преобразования переменного тока в постоянный для однофазной цепи, применяются следующие выпрямители тока:

• однополупериодная схема выпрямления;
• двухполупериодная схема выпрямления

и мостовая схема.

Мостовая схема выпрямления тока изображена на рисунке 10. Схема состоит из:

• первичной обмотки трансформатора;
• вторичной обмотки трансформатора;
• магнитопровода трансформатора;
• диодного моста

и нагрузки, подключенной к диагонали моста. Одна диагональ моста подключена ко вторичной обмотке трансформатора, другая диагональ моста соединена с нагрузкой. Электрическая цепь замыкается на нагрузке.

Мостовая схема выпрямления тока будет выглядеть менее пульсирующей рис.11, по сравнению с такими схемами выпрямления как:

Реактивным элементом в следующей мостовой схеме рис.12 служит сглаживающий фильтр конденсатор, позволяющий получить ток на выходе — с наименшей величиной пульсаций.

На этом пока все. Следите за рубрикой.

Источники: http://infoelectrik.ru/nemnogo-osnov-elektrotehniki/priroda-elektricheskogo-toka.html, http://www.asutpp.ru/osnovy-elektrotexniki/chem-otlichaetsya-peremennyj-tok-ot-postoyannogo.html, http://zapiski-elektrika.ru/elektrotexnika/postoyannyj-i-peremennyj-tok-poluchenie-elektricheskogo-toka.html