Электричество – это тип энергии, передаваемый движением электронов через проводящий материал. Например, металлы представляют собой материалы с высокой электропроводностью и позволяют легко перемещать электроны. Внутри проводящего материала электроны могут двигаться в одном или нескольких направлениях.

Понятие о постоянном и переменном токе

Что такое постоянный ток, определяется из характера движения электрозарядов. Аналогично можно установить, что такое переменный ток.

1. Когда поток электрозарядов задан в одном направлении, он считается постоянным током;
2. Когда электронный поток меняет направление и интенсивность во времени, он называется переменным током. Причем изменения идут циклически, по синусоидальному закону.

Большинство современных электросетей используют переменный электрический ток, производящийся на электростанциях соответствующими генераторами.

Постоянный ток (DC) генерируется батареями, топливными элементами и фотоэлектрическими модулями. Существуют и генераторы постоянного тока . Другое его получение – преобразование из однофазного и трехфазного переменного тока (АС) с помощью выпрямительных устройств.

В обратном случае АС может быть получен из DC, используя инверторы, хотя технология здесь несколько сложнее.

История

В природе электричество встречается относительно редко: оно генерируется только несколькими животными и существует в некоторых природных явлениях. В поисках искусственной генерации потока электронов ученые поняли, что можно заставить электроны проходить через металлическую проволоку или другой проводящий материал, но только в одном направлении, так как они отталкиваются от одного полюса и притягиваются к другому. Так родились батареи и генераторы постоянного тока. Изобретение приписывается, в основном, Томасу Эдисону.

В конце 19-го века другой известный ученый, Никола Тесла, разрабатывал способы получения переменного тока. Основными причинами работ в этой области явились обнаруженные недостатки постоянного тока при передаче электроэнергии на большие дистанции. Оказалось, что для переменного тока гораздо проще повысить напряжение передающих линий, тем самым уменьшив потери и получив возможность транспортировки больших объемов электрической энергии, а эффективно повысить напряжение на линиях с постоянным током в те времена было неосуществимо.

Для получения переменного тока Тесла использовал вращающееся магнитное поле. Если МП изменяет направленность, направление электронного потока также варьируется, и генерируется переменный ток.

Изменение направления в электронном потоке осуществляется очень быстро, много раз в секунду. Измерения частоты производятся в герцах (равных циклам в секунду). Таким образом, переменный ток частоты 50 Гц можно представить, как выполнение 50 циклов в секунду. В каждом цикле электроны изменяют направление и возвращаются к первоначальному, поэтому поток электронов изменяет направленность 100 раз в секунду.

Сравнительные характеристики постоянного и переменного токов

Разница между двумя видами токов заключена в их природе и вытекающих из этого свойствах.

Отличие постоянного тока от переменного:

1. При переменном токе изменяется направленность и интенсивность электронного потока, при постоянном – она неизменна;
2. Частота постоянного тока не может существовать. Это понятие применимо только для переменного тока;
3. Полюсы (плюс и минус) всегда одинаковы в электроцепи постоянного тока. В электроцепи переменного тока положительные и отрицательные полюса меняются с периодическими интервалами;
4. При передаче переменного тока напряжение легко преобразуется и транспортируется с приемлемым уровнем потерь.

Изменение полярности подключения DC может привести к необратимому повреждению устройств. Чтобы этого избежать, на оборудовании обычно ставятся обозначения полюсов. Аналогично контакты отличаются традиционным использованием металлической пружины для отрицательного полюса и пластины – для положительного. В устройствах с перезаряжаемыми батареями трансформатор-выпрямитель имеет выход, так что соединение выполняется только одним способом, что предотвращает инверсию полярности.

В крупномасштабных установках, например, на телефонных станциях и другом телекоммуникационном оборудовании, где имеется централизованное распределение постоянного тока, используются специальные соединительные и защитные элементы,

Постоянный и переменный ток имеют свои достоинства и недостатки, отражающиеся на области их применения. По преимуществу широта использования переменного тока объясняется легкостью его преобразования.

Различия при транспортировке

Когда ток течет, часть энергии электронов преобразуется в тепло, благодаря активному сопротивлению проводов. Электрические нагреватели тоже основаны на этом эффекте. В конце линии меньше энергии передается потребителю. Рассеиваемые мощности называются потерями. Для уменьшения потерь применяется повышение напряжения при транспортировке. Эти физические зависимости применимы и к постоянному, и к переменному току, однако при реализации схем передачи возникают различия.

Достоинства и недостатки переменного тока

При начале строительства передающих электросетей использование трансформаторов было единственной возможностью получать высокие напряжения и затем снижать их до нужного уровня при распределении к потребителям. Такая технология называлась трансформаторной, и до сих пор структура транспортировки электроэнергии не изменилась. Почти повсеместно используется переменный ток, который представляет собой трехфазные системы.

Позже стали конструироваться и линии постоянного тока, которые последние годы используются все шире. Возросший интерес к их применению объясняется существенными недостатками систем переменного тока: в длинных линиях потери электроэнергии значительны. Причинами их являются наличие емкостного и индуктивного сопротивлений.

1. При быстрой смене направления потока электронов наблюдается похожий на перезарядку конденсаторов эффект. Возникают дополнительные емкостные токи. Особенно это сказывается на наземных и подводных кабелях, изолирующий слой которых обладает высоким конденсаторным эффектом;
2. Индуктивное сопротивление линий появляется потому, что электрические токи генерируют магнитные поля, меняющиеся с частотой тока. Появляются индуктивные токи.

Важно! Оба вида реактивных сопротивлений возрастают с увеличением протяженности линий.

Достоинства переменного тока:

• легкая трансформация напряжения;
• возможность комбинирования различных систем передачи;
• возможность использования общесистемной частоты.

Недостатки переменного тока:

• необходимость компенсации реактивной мощности при транспортировке на значительные расстояния;
• сравнительно высокие потери.

Достоинства и недостатки постоянного тока

В первую очередь, чем отличается переменный ток от постоянного, – это присутствием источников потерь на реактивную энергию. Однако постоянный электрический ток предполагает потери на нагрев. Точное их определение зависит от технологии и уровня напряжения. Для высоких напряжений – около 3% на 1000 км.

Другим источником потерь в системах электропередачи на постоянном токе служат подстанции для преобразования переменного тока в постоянный, и наоборот. Суммарные потери намного ниже, чем для переменного тока, но существенными являются материальные затраты на строительство этих подстанций.

Важно! Для повышения рентабельности линий электропередачи на постоянном токе применяются ЛЭП большой длины.

Техническое развитие в последнее время получила передача электроэнергии на постоянном токе, благодаря разработке новых электронных компонентов для создания высоких уровней напряжения постоянного тока – высокопроизводительных тиристоров или биполярных транзисторов.

Интересно. Сегодня возможны системы передачи постоянного тока с напряжением до 800 кВ и пропускной способностью до 8000 мВт на расстояние более 2000 км.

Преимущества высоковольтных ЛЭП постоянного тока:

• возможность передачи мощности по подводным, наземным и подземным кабельным линиям на большие расстояния;
• нет потерь из-за реактивной мощности;
• лучшее использование изоляции кабелей.

Недостатки высоковольтных ЛЭП постоянного тока:

• недостаточно быстрая коммутация существующих каналов постоянного тока;
• мало стандартизированной электротехники;
• не развиты распределительные сети передачи электроэнергии, транспортировка ведется от пункта до пункта.

Другие варианты применения постоянного и переменного тока

1. DC идеально подходит для зарядки аккумуляторов и батарей элементов. Им нужно такое питание, потому что зарядная мощность всегда должна идти в одном направлении. Соответственно, устройства, работающие от аккумуляторов, также нуждаются в DC, например, фонарик или ноутбук;
2. Телевидение, радио, компьютерная техника используют DC;
3. Используемые в промышленности и в быту электродвигатели работают как на АС, так и на DC. То же относится к плитам, утюгам, чайникам и лампам накаливания;
4. DC нужен для установок электролиза, где важно наличие неизменных полюсов. Только иногда полярность соблюдать не обязательно, в частности при электролизе газов. Тогда может применяться переменный электроток;
5. Около половины мировых контактных сетей железнодорожного транспорта используют DC. В начале развития электрифицированных железных дорог были попытки применения трехфазных двигателей, но создание контактной сети для них столкнулось с проблемами. На DC работает городской электротранспорт: трамваи, троллейбусы, метро. Другой способ устройства железнодорожных контактных сетей – применение одной фазы переменного тока;

Одной из характеристик тока является напряжение. В каждом случае оно вырабатывается определенным источником. Рассмотрим подробней эту физическую величину и выясним, чем отличается постоянное напряжение от переменного.

Небольшое отступление

Вспомним, что такое «ток». Он представляет собой явление, при котором заряженные частицы перемещаются в определенном направлении. Если эти, скажем, электроны или ионы устремляются всегда в одну и ту же сторону, ток называют постоянным. А когда движение частиц периодически принимает другое направление, говорят о переменном токе.

Перейдем к напряжению. Его суть часто раскрывается по аналогии с водой. Последняя не течет сама по себе. Например, в наклонной трубе жидкость движется вниз под воздействием силы тяжести. И чем выше вода от земли, тем большей потенциальной энергией она обладает. Так же и с током: частицы «текут» под влиянием напряжения. При этом в начале своего пути они обладают большим потенциалом, а в конечной точке – меньшим.

Сравнение

Больший потенциал обозначается плюсом, меньший – минусом. Когда говорят про отличие постоянного напряжения от переменного, имеют в виду, остаются ли на своих местах «+» и «–» при движении заряженных частиц. В случае с постоянным напряжением полярность всегда одна и та же. Примером здесь является такой источник, как батарейка. Важно, что напряжение подобного рода характерно для постоянного тока, схематично обозначаемого прямой линией.

При переменном напряжении положительный и отрицательный потенциалы на каждом из концов проводника чередуются с прохождением времени. Соответствующий пример – обычная электросеть, к которой приборы подключаются через розетку. В этом случае действует переменный ток, графически представляемый волнистой линией. Его частота, к примеру 50 Гц, означает в том числе, сколько раз в секунду чередуются относящиеся к напряжению плюс и минус.

Лучше понять, в чем разница между постоянным и переменным напряжением, поможет следующая схема:

На первом графике продемонстрировано, что с течением времени (t) постоянное напряжение (U) сохраняет свою величину. На втором изображении видна динамика переменного напряжения: оно то нулевое, то максимальное, то минимальное. При этом отчетливо видно, что все значения периодически повторяются. Надо сказать, переменное напряжение часто, но не всегда приобретает свои параметры именно по синусоидальному закону. В других случаях изображение на графике имеет несколько иной вид.

Электрический ток- это направленное или упорядоченное движение заряженных частиц: электронов в металлах, в электролитах - ионов, а в газах - электронов и ионов. Электрический ток может быть как постоянным, так и переменным.

Определение постоянного электрического тока, его источники

Постоянный ток (DC, по-английски Direct Current) - это электрический ток, у которого свойства и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.

Постоянный ток используется в автомобилях и в домах, в многочисленных электронных приборах: ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. д. Перемеренный электрический ток из розетки преобразуется в постоянный при помощи блока питания или трансформатора напряжения с выпрямителем.

Любой электроинструмент, устройство или прибор, работающие от батареек так же являются потребителями постоянного тока, потому что батарея или аккумулятор- это исключительно источники постоянного тока, который при необходимости преобразуется в переменный с использованием специальных преобразователей (инверторов).

Принцип работы переменного тока

Переменный ток (AC по-английски Alternating Current)- это электрический ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах условно обозначается отрезком синусоиды « ~ ».
Иногда после синусоиды могут указываться характеристики переменного тока - частота, напряжение, число фаз.

Переменный ток может быть как одно- , так и трёхфазным, для которого мгновенные значения тока и напряжения меняются по гармоническому закону.

Основные характеристики переменного тока - действующее значение напряжения и частота.

Обратите внимание , как на левом графике для однофазного тока меняется направление и величина напряжения с переходом в ноль за период времени Т, а на втором графике для трехфазного тока существует смещение трех синусоид на одну третью периода. На правом графике 1 фаза обозначена буквой «а», а вторая буквой «б». Хорошо известно, что в домашней розетке 220 Вольт. Но мало кто знает, что это действующие значение переменного напряжения, но амплитудное или максимальное значение будет больше на корень из двух, т.е будет равно 311 Вольт.

Таким образом, если у постоянного тока величина напряжения и направление не изменяются в течении времени, то у переменного тока- напряжение постоянно меняется по величине и направлению (график ниже нуля это обратное направление).

И так мы подошли к понятию частота — это отношение числа полных циклов (периодов) к единице времени периодически меняющегося электрического тока. Измеряется в Герцах. У нас и в Европе частота равна 50 Герцам, в США- 60 Гц.

Что означает частота 50 Герц? Она означает, что у нас переменный ток меняет свое направление на противоположное и обратно (отрезок Т- на графике) 50 раз за секунду!

Источниками переменного тока являются все розетки в доме и все то, что подключено напрямую проводами или кабелями к электрощиту. У многих возникает вопрос: а почему в розетке не постоянный ток? Ответ прост. В сетях переменного тока легко и с минимальными потерями преобразовывается величина напряжения до необходимого уровня при помощи трансформатора в любых объемах. Напряжение необходимо увеличивать для возможности передачи электроэнергии на большие расстояния с наименьшими потерями в промышленных масштабах.
С электростанции , где стоят мощные электрогенераторы, выходит напряжение величиной 330 000-220 000 , далее возле нашего дома на трансформаторной подстанции оно преобразуется с величины 10 000 Вольт в трехфазное напряжение 380 Вольт, которое и приходит в многоквартирный дом, а к нам в квартиру приходит однофазное напряжение, т. к. между напряжение равняется 220 В, а между разноименными фазами в электрощите 380 Вольт.

И еще одним из важных достоинств переменного напряжения является то, что асинхронные электродвигатели переменного тока конструктивно проще и работают значительно надежнее, чем двигатели постоянного тока.

Как переменный ток сделать постоянным

Для потребителей, работающих на постоянном токе- переменный преобразуется при помощи выпрямителей.

Преобразователь постоянного тока в переменный

Если с преобразованием переменного тока в постоянный не возникает сложностей, то со обратным преобразованием все гораздо сложнее. В домашних условиях для этого используется инвертор - это генератор периодического напряжения из постоянного, по форме приближённого к синусоиде.

Постоянный и переменный то к

Чем отличается постоянный ток от переменного

В предыдущей статье, что такое электрический ток ты узнал, как происходит упорядоченное движение электронов в замкнутой цепи. Теперь, я расскажу тебе, каким бывает электрический ток. Электрический ток бывает постоянный и переменный. Чем отличается переменный ток от постоянного? Характеристики постоянного тока.

Постоянный ток

Direct Current или DC так по-английски обозначают электрический ток который на протяжении любого отрезка времени не меняет направление движения и всегда движется от плюса к минусу. На схеме обозначается как плюс (+) и минус (-), на корпусе прибора, работающего от постоянного тока наносят обозначение в виде одной (-) или (=) полос. Важная особенность постоянного электрического тока - это возможность его аккумулирования, т.е. накопления в аккумуляторах или получения его за счет химической реакции в батарейках. Множество современных переносных электрических устройств, работают, используя накопленный электрический заряд постоянного тока, который находится в аккумуляторах или батарейках этих самых устройств.

Переменный ток

(Alternating Current) или АС английская аббревиатура обозначающая ток, который меняет на временном отрезке свое направление и величину. На электрических схемах и корпусах электрических аппаратов, работающих от переменного тока, символ переменного тока обозначают как отрезок синусоиды «~». Если говорить о переменном токе простыми словами , то можно сказать что в случае подключения электрической лампочки к сети переменного тока плюс и минус на ее контактах будут меняться местами с определенной частотой или иначе, ток будет менять свое направление с прямого на обратное. На рисунке обратное направление - это область графика ниже нуля.

Теперь давай разберемся, что такое частота. Частота это - период времени, в течение которого ток выполняет одно полное колебание, число полных колебаний за 1 с называется частотой тока и обозначается буквой f. Частота измеряется в герцах (Гц) . В промышленности и быту большинства стран используют переменный ток с частотой 50 Гц. Эта ве6личина показывает количество изменений направления тока за одну секунду на противоположное и возвращение в исходное состояние. Иными словами в электрической розетке, которая есть в каждом доме и куда мы включаем утюги и пылесосы, плюс с минусом на правой и левой клеммах розетки будет меняться местами с частотой 50 раз в секунду - это и есть, частота переменного тока. Для чего нужен такой “переменчивый “ переменный ток, почему не использовать только постоянный? Это сделано для того, чтобы получить возможность без особых потерь получать нужное напряжение в любом количестве способом применения трансформаторов. Использование переменного тока позволяет передавать электроэнергию в промышленных масштабах на значительные расстояния с минимальными потерями.

Напряжение, которое подается мощными генераторами электростанций, составляет порядка 330 000-220 000 Вольт. Такое напряжение нельзя подавать в дома и квартиры, это очень опасно и сложно с технической стороны. Поэтому переменный электрический ток с электростанций подается на электрические подстанции, где происходит трансформация с высокого напряжения на более низкое, которое мы используем.

Преобразование переменного тока в постоянный

Из переменного тока, можно получить постоянный ток, для этого достаточно подключить сети переменного тока диодный мост или как его еще называют “выпрямитель” . Из названия “выпрямитель” как нельзя лучше понятно, что делает диодный мост, он выпрямляет синусоиду переменного тока в прямую линию тем самым заставляя двигаться электроны в одном направлении.

что такое диод и как работает диодный мост , ты можешь узнать в моих следующих статьях.

Переменным называется ток, изменение которого по величине и направлению повторяется периодически через равные промежутки времени Т.

В области производства, передачи и распределения электрической энергии переменный ток имеет по сравнению с постоянным, два основных преимущества:

1) возможность (при помощи трансформаторов) просто и экономично повышать и понижать напряжение, это имеет решающее значение для передачи энергии на большие расстояния.

2) большую простоту устройств электродвигателей, а следовательно, и их меньшую стоимость.

Значение переменной величины (тока, напряжения, ЭДС) в любой момент времени t называется мгновенным значением и обозначается строчными буквами (ток i, напряжение u, ЭДС – е).

Наибольшее из мгновенных значений периодически изменяющихся токов, напряжений или ЭДС, называются максимальными или амплитудными значениями и обозначаются прописными буквами с индексом «м» (I м, U м).

Наименьший промежуток времени, по прошествии которого мгновенные значения переменной величины (ток, напряжение, ЭДС) повторяется в той же последовательности, называется периодом Т, а совокупность изменений, происходящих в течение периода, - циклом.

Величина обратная периоду называется частотой и обозначается буквой f.

Т.е. частота – число периодов за 1 секунду.

Единица частоты 1/сек – называется герц (Гц). Более крупные единицы частоты – килогерц (кГц) и мегагерц (МГц).

Получение переменного синусоидального тока.

Переменные токи и напряжения в технике стремятся получить по простейшему периодическому закону – синусоидальному. Т. к. синусоида – единственная периодическая функция, имеющая подобную себе производную, в результате чего во всех звеньях электрической цепи форма кривых напряжений и токов получается одинаковой, чем значительно упрощаются расчеты.

Для получения токов промышленной частоты служат генераторы переменного тока в основе работы которых лежит закон электромагнитной индукции, согласно которому при движении замкнутого контура в магнитном поле в нем возникает ток.

Схема простейшего генератора переменного тока

Генераторы переменного тока большой мощности, рассчитанные на напряжения 3 – 15 кв, выполняются с неподвижной обмоткой на статоре машины и вращающимся электромагнитом-ротором. При такой конструкции легче надежно изолировать провода неподвижной обмотки и проще отвести ток во внешнюю цепь.

Одному обороту ротора двухполюсного генератора соответствует один период переменной ЭДС, наведенной на его обмотке.

Если ротор делает n оборотов в минуту, то частота индуктированной ЭДС

.

Т.к. при этом угловая скорость генератора
, то между ней и частотой, наведенной ЭДС существует соотношение
.

Фаза. Сдвиг фаз.

Предположим, что генератор имеет на якоре два одинаковых витка, сдвинутых в пространстве. При вращении якоря в витках наводятся ЭДС одинаковой частоты и с одинаковыми амплитудами, т.к. витки вращаются с одинаковой скоростью в одном и том же магнитном поле. Но вследствие сдвига витков в пространстве ЭДС достигают амплитудных знамений неодновременно.

Если в момент начала отсчета времени (t=0) виток 1 расположен относительно нейтральной плоскости под углом
, а виток 2 под углом
. То наведенная в первом витке ЭДС:,

а во втором:

В момент отсчета времени:

Электрические углы иопределяющие значения ЭДС в начальный момент времени, называетсяначальными фазами.

Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одной частоты называется углом сдвига фаз .

Та величина, у которой нулевые значения (после которых она принимает положительные значения), или положительные амплитудные значения достигаются раньше, чем у другой, считается опережающей по фазе, а та у которой те же значения достигаются позже – отстающей по фазе.

Если две синусоидальные величины одновременно достигают своих амплитудных и нулевых значений, то говорят, что величины совпадают по фазе . Если угол сдвига фаз синусоидальных величин равен 180 0
, то говорят, что они изменяются впротивофазе.