в чем разница между ними
В электричестве есть два рода тока – постоянный и переменный. Устройства также требуют для питания один или другой вид тока. От этого зависит возможность их работы, а иногда и целостность после подключения к неправильному питанию. Чем отличается переменный ток от постоянного мы расскажем в этой статье, дав краткий ответ наиболее простыми словами.
Определение
Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц. Так звучит определение из учебника по физике. Простыми словами можно перевести так, что у его составляющих всегда есть какое-то направление. Собственно, это направление и является определяющем в сегодняшнем разговоре.
Переменный ток (Alternative Current – AC) отличается от постоянного (Direct Current – DC) тем, что у последнего электроны (носители заряда) всегда движутся в одном направлении. Соответственно отличием переменного тока является то, что направление движения и его сила зависят от времени. Например, в розетке направление и величина напряжения, соответственно и сила тока, изменяется по синусоидальному закону с частотой в 50 Гц (50 раз за секунду изменяется полярность между проводами).
Для так сказать чайников в электрике изобразим это на графике, где по вертикальной оси изображена полярность и напряжение, а по горизонтальной время:
Красной линией изображено постоянное напряжение, оно остаётся неизменным с течением времени, разве что изменяется при коммутации мощной нагрузки или КЗ. Зелеными волнами показан синусоидальный ток. Вы можете видеть, что он протекает то в одну, то в другую сторону, в отличие от постоянного тока, где электроны всегда протекают от минуса к плюсу, а направлением движения электрического тока выбран путь от плюса к минусу.
Если сказать по-простому, то разницей в этих двух примерах является то, что у постоянки всегда плюс и минус находятся на одних и тех же проводах. Если говорить о переменном, то в электроснабжении используют понятия фазы и нуля. Если рассматривать по аналогии с постоянкой, то фаза и ноль являются плюсом и минусом, только полярность меняется 50 раз в секунду (в США и ряде других стран 60 раз в секунду, а в самолётах более 400 раз).
Происхождение
Разница между AC и DC заключается в их происхождении. Постоянный ток можно получить из гальванических элементов, например, батареек и аккумуляторов.
Также его можно получить с помощью динамомашины – это устаревшее название генератора постоянного тока. Кстати с их помощью генерировалась энергия для первых электросетей. Мы об этом говорили в статье об открытиях Николы Тесла, в заметках о войне идей между Теслой и Эдисоном. Позже так называли небольшие генераторы для питания велосипедных фар.
Переменный ток добывают также с помощью генераторов, в наше время в основном трёхфазных.
Также и то и другое напряжение можно получить с помощью полупроводниковых преобразователей и выпрямителей. Так вы можете выпрямить переменный ток или получить его же, преобразовав постоянный.
Формулы для расчета постоянного тока
Разницей между переменкой и постоянкой являются и формулы для расчетов процессов, происходящих в цепи. Так сопротивление рассчитываются по Закону Ома для участка цепи или для полной цепи:
E=I/R
E=I/(R+r)
Мощность также просто рассчитываются:
P=UI
Формулы для расчета переменного тока
В расчётах цепей переменного тока разница в формулах обусловлена отличием процессов, протекающих в емкостях и индуктивностях. Тогда формула закона Ома будет для активного сопротивления:
Для ёмкости:
Для индуктивности:
Здесь 1/wC и wL – емкостное и индуктивное реактивные сопротивления, а w – угловая частота, она равна 2пиF.
Для цепи с ёмкостью и индуктивностью:
wL-1/wC – это реактивное сопротивление, оно обозначается как Z.
На видео ниже более подробно рассказывается, в чем отличие переменного тока от постоянного:
Материалы по теме:
samelectrik.ru
Что такое переменный ток. Что такое переменный ток и чем он отличается от тока постоянного
Переменным называется электрический ток, I, изменяющийся по величине и направлению с определённой периодичностью, T. В классическом определении, переменный ток представляет собой гармонические колебания изменяющиеся по форме синусоиды. Периодичность изменения направления и величины называется частотой, f, выражаемой в Герцах, Гц. Частота отражает, сколько раз за секунду происходит смена направления тока. Российские сети работают на частоте 50 Гц. Это значит, напряжение меняет полярность, а ток направление 50 раз за секунду.
Свойства переменного тока
С переменным током неразрывно связано явление возникновения электромагнитной индукции. Переменный ток, пропущенный через обмотку, формирует вокруг неё изменяющееся во времени магнитное поле, которое приводит к появлению электродвижущей силы, ЭДС и электрического тока в проводнике, взаимодействующем с этим полем.
Электромагнитная индукция — ключевое явление, обеспечивающее генерацию, транспортировку, использование электроэнергии. Именно электромагнитная индукция лежит в основе принципа действия трансформаторов, генераторов, двигателей. Это физическое явление определило преимущественное использование переменного тока для электроэнергетики.
Переменный ток входит в повседневную жизнь не только в виде розетки, от которой питаются наши компьютеры, телевизоры, холодильники, лампы освещения. Он способен вызывать резонансные явления в цепях, обладающих емкостью и индуктивностью. Это свойство используется для излучения электромагнитных волн, называемых радиоволнами. Радиоволны — это электромагнитные волны, излучаемые антенной, питающейся токами высокой частоты. Диапазон радиочастот от 3 до 3*10 12 Гц. На радиочастотах работают системы радиосвязи, беспроводные системы передачи данных Bluetooth, WiFi, WiMAX, спутниковое и эфирное телевидение, мобильные телефоны, навигационные системы.
Мощное высокочастотное электромагнитное поле способно вызывать нагрев. Эта особенность широко используется в бытовых микроволновых СВЧ печах, индукционных плитах. На производстве с помощью индукционных печей нагревают заготовки, закаливают и плавят металл.
Трёхфазная и однофазная сеть
Различие заключается в количестве проводников и уровне напряжения между ними.
Токи, протекающие в трёхфазной сети имеют вид синусоид, сдвинутых между собой на 120º.
Трёхфазная сеть состоит из трёх фазных проводников, АВС. Однофазная сеть использует один из фазных проводов и нулевой N.
Напряжение между фазами в точках A, B, C, называется линейным, Uл. Между нулевым N и одним из фазных проводов — фазным, Uф. Фазное напряжение меньше линейного в 1,73 раза, что составляет 58 % от его величины. Такое напряжение используется в европейских странах, Росиии, на него рассчитано большинство бытовых приборов.
Преимущества переменного тока
Основные преимущества перед постоянным определили его как основу энергетики:
- генератор переменного напряжения проще и дешевле генератора постоянного;
- способность к трансформации в любые уровни напряжения;
- простое преобразование в механическую энергию;
- легко преобразуется в постоянный.
Генератор переменного напряжения конструктивно проще, он более компактный, имеет меньшую массу медных деталей, а потому дешевле.
За счёт явления электромагнитной индукции появляется возможность повышать и понижать напряжение до любого уровня с помощью трансформаторов.
Трехфазная сеть очень эффективно используется при работе электродвигателей. Благодаря сдвигу фаз, в машине образуется вращающееся магнитное поле, увлекающее за собой статор. Современные электромоторы имеют КПД на уровне 90%.
Где используется
Переменный ток частотой 50 Гц является промышленным стандартом в энергетике, применяется во всех отраслях промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, жилом секторе. На переменном токе работает электрооборудование рудников заводов, фабрик. Он вращает двигатели станков, насосов, конвейеров, подъёмных механизмов. Им снабжается вся инфраструктура метрополитенов от освещения, эскалаторов до электропоездов. Тоже самое относится к электрифицированным железным дорогам. В наши дома и квартиры так же подаётся переменное напряжение.
Как поставляется электроэнергия
Цепь поставки состоит из нескольких звеньев и упрощённо выглядит так:
- Генератор электростанции вырабатывает переменный электрический ток с частотой 50 Гц.
- Трансформаторы на электростанции повышают напряжение до десятков или сотен тысяч вольт. Энергия поступает на магистральные линии элек
offlink.ru
Определение постоянного и переменного электрического тока
Технический прогресс с появлением электричества начал развиваться семимильными шагами. Новый вид энергии и практическое применение продуктов, получаемых в результате её преобразования, изменили класс жизни человека.
Движение частиц при постоянном и переменном токах
Что такое электрический ток
Перемещения свободных носителей электрических зарядов в вакууме или веществе в фиксированном направлении назвали электрическим током. Свободными носителями в металлах являются электроны, в жидкостях или газах – ионы. Название «ток» имеет два толкования. Первое – обозначает само продвижение электрического заряда в проводнике, второе – оценку числа электронов, проходящих по проводнику за 1 с. Его силу можно определить по Закону Ома. Для этого используется формула:
I=U/R,
где U – напряжение, В; R – сопротивление, Ом.
Ток постоянный и переменный
Электроны в проводниках движутся от плюса к минусу. Движение равномерное, всё время с постоянной величиной. Если задаться вопросом, какие токи носят определение постоянных, сначала нужно хорошо представлять, куда течёт ток.
Внимание! Направлением тока считают то направление, куда движутся положительно заряженные частицы: от плюса к минусу. Хотя дорога свободных электронов лежит от минуса к плюсу.
Направление постоянного тока
Значит, постоянный ток – это направленное перемещение заряженных частиц, несущих в себе положительный заряд, которые не меняют свои величину и направление с течением времени. Все остальные токи – переменные. В этом их разница.
Alternative Current – AC, так обозначается переменный ток на приборах. Direct Current – DC, это понятное обозначение постоянного тока.
Постоянный и переменный ток
Различия токов
Незнание отличий приводит к неправильному подключению потребителей напряжения к источникам питания. Это вызывает повреждение приборов или, того хуже, опасные для жизни ситуации.
Чтобы чётко разобраться, какой ток называется переменным, какой постоянным, нужно сопоставить параметры.
При сравнении характеристик этих двух видов электричества выделяют отличия:
- Физические – у переменного тока сила и направление состоят во временной зависимости. В бытовой сети частота пульсации – 50 Гц. Полярность изменяется по синусоиде 50 раз за секунду. Носители зарядов постоянного тока направленности не меняют.
- Конструктивные – на выводах или контактах у DC присутствуют « + » и «– », а у АС на электродах – «ноль» и «фаза». В случае трёхфазной сети 4 контакта: один «ноль» и три «фаза».
- Принцип вырабатывания – постоянный ток получают в результате электролитических и химических реакций окисления, работы генераторов постоянного тока и солнечных батарей. Переменный ток вырабатывается трёхфазными генераторами.
- В преобразовании – оба вида получают путём превращения одного в другой посредством полупроводниковых выпрямителей и инверторов.
Для информации. В мире действует два головных стандарта частоты и напряжения в потребительской сети переменного тока. Европейский стандарт – 50 герц, 220-240 вольт, и американский – 60 герц, 100-127 вольт.
Преимущества переменного тока
Аккумуляторные батареи практичны как источник постоянного электричества. Однако бесконечно снабжать токоприёмники энергией без подзарядки они не могут. Поэтому создание изменяющегося во времени тока и его доставка потребителю – главные задачи энергосистемы страны. К преимуществам этого вида относятся:
- лёгкость преобразования из одной величины напряжения в другую;
- допустимость передачи на дальние расстояния по ЛЭП к распределительным сетям;
- возможность реализовывать трёхфазные схемы энергоснабжения;
- ориентированность на потребителей производственных предприятий, рассчитанных на питание переменным током.
Снизить или повысить величину напряжения переменного тока проще. Для этого стоит только пропустить его через трансформатор. Большой КПД этого преобразователя – 99%, потеря мощности – лишь 1%. Трансформатор, имея отдельные обмотки по напряжению, ещё разделяет высокое напряжение от низкого, что допускает возможность разделить установки до 1000 В и свыше 1000 В.
Атомные и гидроэлектростанции расположены в местах, отдалённых от центральных районов расположения потребителей. Поэтому напряжение добытой электроэнергии повышают до сотен кВт, чтобы снизить потери при транспортировке, и передают по ЛЭП в нужное место, где снова понижают.
Гидроэлектростанция – ГЭС
Применяя трёхфазное переменное напряжение, повышают производительность структуры энергосистемы. Передача одинаковой мощности трёхфазной сети требует меньшего количества проводников, в отличие от однофазной линии.
Важно! Если сравнить два трансформатора одинаковой мощности, то габариты однофазного трансформатора больше, чем трёхфазного. Изготовление асинхронных двигателей обходится дешевле, чем двигателей постоянного тока. В них отсутствуют коллектор и щётки, по мощности при одинаковых размерах асинхронные двигатели обгоняют постоянные в 2-3 раза.
Недостатки постоянного тока
Кроме того, что источники этого вида тока имеют непростую конструкцию, они сложнее в эксплуатации. При КПД, равном 94%, предельная мощность этих машин не выше 20 МВт. Присущи и другие минусы:
- для повышения или понижения напряжения применяют сложные схемы;
- двигатели, рассчитанные на потребление такого электричества, также конструктивно сложны и недешевы;
- развязка низкого и высокого напряжения требует сложных решений.
Полностью отказаться от таких источников и потребителей не получается, так как они востребованы и имеют свои преимущества.
Недостатки переменного тока
При передаче энергии изменяющего направление тока на большие расстояния возникают затруднения. Создание Единой Энергетической Системы выявило ряд недостатков:
- пропускная способность кабельных линий низкая из-за ёмкости между проводниками и землёй;
- при объединении и кольцевании ветвей системы, расположенных друг от друга на больших расстояниях, невозможно выполнить синхронизацию станций;
- пороговый предел устойчивости, необходимый для согласования, заканчивается на длинах линий свыше 500 км, при этом требуется повышение напряжения до 450 кВ, что приводит к удорожанию оконечного оборудования.
К сведению. При повышенном напряжении у воздушных линий возникает коронный разряд. Это процесс ионизации у проводников с малым радиусом. Чтобы в этом случае не происходило стекание электричества, приходится увеличивать диаметр проводов, это ведёт к удорожанию линии.
Преимущества постоянного тока
Какие качества делают незаменимым постоянный ток? К плюсам относятся:
- в цепях нет реактивной мощности, которая приводит к потерям;
- параллельно работающие генераторы нет необходимости синхронизировать;
- повышенная дальность передачи энергии в больших объёмах;
- безопасность для человека при соприкосновении с токоведущими жилами.
К достоинствам добавляется то, что такое электричество, как постоянный ток, течёт по всему сечению проводника, поэтому потери мощности минимальны.
Плотность расположения зарядов по сечению проводника
История появления и «войны токов»
Никола Тесла и Томас Эдисон не дожили до того момента, когда представитель компании Consolidated Edison поставил точку в борьбе двух технологий. Переменный электрический ток одержал победу. В 2007 году ведущий инженер компании отсоединил кабель, символизирующий питание Нью-Йорка постоянным током.
Сербский учёный Никола Тесла ещё в 1882 году придумал, как применить эффект вращающегося электромагнитного поля. В то время Эдисон уже ввёл в строй 2 электростанции, вырабатывающие постоянный ток, и организовал производство кабелей, устройств освещения и динамо-машин. Тесла одно время работал в компании Эдисона и ремонтировал машины постоянного тока. Эдисон обещал Николе заплатить за проекты по модернизации двигателей, но выплатить вознаграждение за проведённую работу отказался. Тесла продал патенты своих изобретений Джорджу Вестингаузу, президенту компании Westinghouse Electric Corporation за 1 млн. долларов. Первая электростанция на 500 В изменяющего свою полярность электричества запущена в 1886 г. Война токов продолжалась более века.
Источники постоянного электрического тока
Для его получения используют специальный генератор, работа которого основана на законе электромагнитной индукции – ЭДС. Если вращать металлическую рамку, в зоне действия электромагнитного поля возникнет ЭДС, и по рамке потечёт электричество.
Генератор постоянного тока
Внимание! Увеличение ЭДС получают повышением силы поля или скорости вращения рамки. Снижения пульсации полученного движения электричества добиваются добавлением числа рамок.
Немеханические производители электричества постоянной природы:
- солнечные батареи;
- гальванические элементы;
- термохимические элементы.
Аккумуляторы энергии из этой группы ограниченного срока действия и требуют периодической подзарядки.
Источники постоянного тока
Применение
Использование в электронике для питания схем – это не конечные варианты применения DC. Постоянный ток нашёл употребление в следующих случаях:
- в электролизе – получение в промышленных масштабах металлов из солей и растворов;
- гальванопластике и гальванизации – покрытие металлами электропроводящих поверхностей;
- в сварочных работах – работа с нержавеющей сталью;
- на транспорте – двигатели трамваев, электровозов, троллейбусов, ледоколов, подводных лодок;
- в медицине – ввод лекарственных препаратов в организм при электрофорезе.
Для информации. В СССР начинали электрификацию железной дороги постоянным током на участках Баку – Сурамский перевал и Сабучини. До Великой Отечественной войны напряжение составляло 1,5 кВ, потом было переведено на 3 кВ. В общей сложности половина ж/д линий работало от этого вида тока.
Переменный ток
Вынужденные гармонические электромагнитные колебания – это синусоидальный ток. Колебания происходят с частотой 50 Гц в секунду. Напряжение и ток за период в среднем равны нулю.
Чем постоянный ток отличается от переменного, и каков его путь от источника до потребителя?
Ток постоянный не совершает колебаний, в этом постоянный и переменный ток различаются. Подача Direct Current – DC к потребителям также происходит по проводам и кабелям. Действуют до сих пор ЛЭП Волгоград – Донбасс.
Преобразование
К бытовым приборам, требующим снабжение схем электричеством типа DC, его подают через блоки питания. Это схемы, включающие в себя понижающий трансформатор и выпрямляющий блок. При подключении блока питания к устройству следят за совпадением их параметров по напряжению и мощности. Параметры указаны на корпусе прибора.
Блок питания от сети 50 Гц
В настоящий момент оба вида электричества отлично уживаются в современном мире. Схемы смешанного питания потребителей только дополняют друг друга.
Видео
amperof.ru
Переменный электрический ток.
Лекция №5
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» (Iм, Uм).
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).
Стандартная (техническая) | 50 Гц |
Частота для промышленных установок Европе, Японии и Америки | 60 Гц |
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 
и
определяющие 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 1800
,
то говорят, что они изменяются впротивофазе.
studfile.net
Переменное напряжение тока — что это?
Напряжение – это физическая величина, характеризующая работу эффективного электрического поля, совершающего перенос заряда из одной точки проводника в другую. Оно есть везде, где есть токовая сила и пропорционально зависит от него, как и сопротивление. Каждый знает, что в его домашней розетке 220 В, но мало кто догадывается, какой именно это вид величины. Стоит подробнее разобраться с постоянным и переменным напряжением, в чем их различия, и какие виды переменного напряжения существуют.
Напряжение переменного тока
Как известно еще с уроков физики, ток – это движение заряженных частиц, которое возникает под воздействием на них электромагнитного поля, разности потенциалов и напряженности. Основная характеристика любого напряжения – это зависимость от времени. Исходя из этого, различают постоянную и переменную величины. Значение постоянного с течением времени практически не изменяется, а переменного – изменяется.
Закон Ома
В свою очередь переменная характеристика бывает периодической и непериодической. Периодическое – это напряжение, значения которого повторяются через одинаковые интервалы времени. Непериодическое же способно изменяться в любой отрезок времени.
Схема описания физического смысла
Напряженность в переменной цепи – это такой параметр, который изменяет свою величину с течением времени. Для упрощения разъяснений в дальнейшем будет рассматриваться синусоидальное гармоническое переменное напряжение.
Минимальное время, в течение которого переменная величина повторяется, называется периодом. Абсолютно любую периодическую величину можно записать зависимостью от какой-либо функции. Если время – это t, то зависимость будет обозначаться F(t). Таким образом, любой период во времени имеет вид: F(t+-T) = F(t), где T – период.
Физическая величина, которая является обратной периоду, называется частотой. Она равна 1/T. Единицей ее измерения является герц, в то время как единицей измерения периода стала секунда.
f = 1/T, 1 Гц = 1/с = с в минус первой степени.
Формулы колебаний
Важно! Чаще всего встречается функциональная зависимость переменной сети в виде синусоиды. Именно поэтому она была взята за основу этого материала.
Из математики известно, что синусоида – это простейшая периодическая функция, и с ее помощью из нескольких синусоид с кратными частотами можно представить любые другие периодические функции.
Синусоидальная напряженность в абсолютно любой промежуток времени может описать моментальная характеристика: u = U * sin(ωt + φ), где ω = 2πf = 2π/T, где U – максимальное напряжение (амплитуда), ω – угловая скорость изменения, φ – начальная фаза, которая определяется смещением функции относительно нулевой точки координат.
Синусоидальная функция
Часть (ωt + φ) – это фаза, которая характеризует значение напряжения в конкретный промежуток времени. Из этого выходит, что амплитуда, угловая скорость и фаза – это основные характеристики переменных сетей, определяющие их значения в любой интервал времени.
Важно! При рассмотрении синусоидальной функции фазу часто принимают за ноль. На практике также часто прибегают к еще некоторым параметрам, включающим действующее и среднее напряжение, коэффициент формы.
Регулятор переменного напряжения
Отличие между переменным и постоянным напряжением
Разница между двумя этими величинами не только в названии. Все зависит от вида тока. В обычной розетке дома ток переменный. Это значит, что направление движения заряженных частиц в нем постоянно изменяется. Более того, у переменных токовых сил разная частота и напряжение. Например, в розетке на 220 вольт обычная частота равна 50 Гц, что означает смену направления движения электронов и их зарядов 50 раз в секунду. Напряжение в этом плане означает максимальную скорость, с которой движутся электроны по цепи.
Постоянная и переменная характеристики
Еще одно отличие изменчивого направления движения частиц и, как следствие, напряжения от постоянного, в том, что в нем постоянно изменяется заряд. Значение U в такой сети бывает равно то 100 %, то 0 %. Если оно всегда было полным, то потребовался бы провод очень большого диаметра.
Постоянное же направление – это ток, который не изменяет координаты своего движения. Его можно наблюдать в аккумуляторах и батареях. Попадает он туда через зарядное устройство, конвертирующее любой поток из розетки в постоянный.
Противофаза
Виды напряжения переменного тока
В случае наиболее распространенного синусоидального напряжения часто рассматривают его виды:
- Мгновенное, которое определяется для произвольного момента времени t.
- Действующее, производящее один и тот же тепловой эффект, равный по величине постоянной характеристики. Оно определяется выполненной активной работой первого полупериода.
- Средневыпрямленное, определяемое как модуль величины выпрямленного напряжения за один цикл гармонического колебания.
Если электрический поток передается по воздушным линиям, то упоры и их размеры напрямую зависят от величины напряжения, которое применяется в сети. Его величина между фазами именуется линейным напряжением, а между землей и каждой из фаз – фазным.
Период и амплитуда синусоидального колебания
Двухфазный ток
Двухфазный ток – это когда идет передача сразу двух токов разного направления. Параметр напряженности для двухфазной сети сдвинут по фазе на угол в 90 градусов. Передается такой ток двумя проводниками: два фазных и два нулевых. Применяется в электрических сетях переменного тока. Для этого используют два контура, значения которых сдвинуты по фазе на 90 градусов. В каждом контуре используется четыре линии – по две штуки на каждую из фаз. Иногда применяется и один провод с большим диаметром, чем у двух других. Преимуществом двухфазный сетей был плавный запуск электродвигателей, но они были вытеснены трехфазными.
Двухфазный источник
Трехфазный ток
Трехфазная система – это система электрической цепи, работающая на трех цепях, в которых действуют силы одной и той же частоты, но сдвинутые по фазе друг от друга на одну треть периода или на 120 градусов. Каждая отдельная цепь такой системы называется фазой, а система из трех сдвинутых по фазе токов называется трехфазным током.
Практически все современные генераторы в домах и на электростанциях представляют собой генераторы трехфазного тока. Фактически это один большой генератор, состоящий из трех маленьких двигателей, которые генерируют токи, электродвижущие силы в них сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов или одну треть периода.
График трехфазного сигнала
Виды источников переменного напряжения
Среди основных источников непостоянного напряжения можно выделить такие компоненты, как:
- Электростанция;
- Генератор непостоянного тока;
- Промышленная и домашняя электросеть.
Главным источником непостоянных токовых сил и напряжения является электростанция или промышленная электросеть. Использование такого тока обосновано тем, что его намного легче передавать на большие расстояния по проводникам и просто преобразовать в постоянный электрический ток. Переменные параметры передаются со станции к трансформаторам, которые преобразуют напряжение непостоянного тока, не являясь его источниками. Генераторы вырабатывают такой ток путем преобразования механической энергии в электрическую.
Генератор переменной силы
Как можно измерить переменное напряжение
Изменять непостоянную напряженность сети, как и любые другие электрические характеристики сети, можно с помощью специальных измерительных приборов: вольтметров, амперметров, омметров. Современные тестеры и мультиметры содержат в себе функции их всех, поэтому лучше пользоваться ими. Для того чтобы измерить параметр, следует следовать инструкции:
- Найти шкалу измерения на приборе, которая чаще всего находится справа.
- Выставить предел измерения, зная, что, например, в розетке приблизительно 220 вольт.
- Взять щупы и вставить их в источник. При этом неважно, какой щуп куда будет вставлен.
- Произвести измерения с учетом техники безопасности.
- Зафиксировать полученные показатели.
Однофазный двигатель
Таким образом, отличие постоянного напряжения от переменного есть, и оно существенное. На основании постоянных и непостоянных токовых сил изготовлены генераторы, конвертирующие механическую энергию в электрический ток различных видов, который можно быстрее и дальше подать по проводам.
rusenergetics.ru
Переменный ток — это… Что такое Переменный ток?
в широком смысле Электрический ток, изменяющийся во времени. Обычно в технике под П. т. понимают периодический ток, в котором среднее значение за период силы тока и напряжения равно нулю. Периодом Т П. т. называют наименьший промежуток времени (выраженный в сек), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются (рис. 1). Важной характеристикой П. т. является его частота f — число периодов в 1 сек: f = 1/Т. В электроэнергетических системах СССР и большинства стран мира принята стандартная частота f = 50 гц, в США — 60 гц. В технике связи применяются П. т. высокой частоты (от 100 кгц до 30 Ггц). Для специальных целей в промышленности, медицине и др. отраслях науки и техники используют П. т, самых различных частот, а также импульсные токи (см. Импульсная техника). Для передачи и распределения электрической энергии преимущественно используется П. т. благодаря простоте трансформации его напряжения почти без потерь мощности (см. Передача электроэнергии, Электрическая цепь). Широко применяются трёхфазные системы П. т. (см. Трёхфазная цепь). Генераторы и двигатели П. т. по сравнению с машинами постоянного тока (См. Постоянный ток) при равной мощности меньше по габаритам, проще по устройству, надёжнее и дешевле. П. т. может быть выпрямлен, например полупроводниковыми выпрямителями, а затем с помощью полупроводниковых инверторов преобразован вновь в П. т. другой, регулируемой частоты; это создаёт возможность использовать простые и дешёвые безколлекторные двигатели П. т. (асинхронные и синхронные) для всех видов электроприводов, требующих плавного регулирования скорости.П. т. широко применяется в устройствах связи (радио, телевидение, проволочная телефония на дальние расстояния и т. п.).
П. т. создаётся переменным напряжением. Переменное электромагнитное поле, возникающее в пространстве, окружающем проводники с током, вызывает колебания энергии в цепи П. т.: энергия периодически то накапливается в магнитном или электрическом поле, то возвращается источнику электроэнергии. Колебания энергии создают в цепи П. т. реактивные токи, бесполезно загружающие провода и источник тока и вызывающие дополнительные потери энергии, что является недостатком передачи энергии П. т.
За основу для характеристики силы П. т. принято сопоставление среднего теплового действия П. т. с тепловым действием постоянного тока соответствующей силы. Полученное таким путём значение силы П. т. I называется действующим (или эффективным) значением, математически представляющим среднеквадратичное за период значение силы тока. Аналогично определяется и действующее значение напряжения П. т. U. Амперметры и вольтметры П. т. измеряют именно действующие значения тока и напряжения.
В простейшем и наиболее важном на практике случае мгновенное значение силы i П. т. меняется во времени t по синусоидальному закону: i = Im sin (ωt + α), где Im — амплитуда тока, ω = 2πf — его угловая частота, α — начальная фаза. Синусоидальный (гармонический) ток создаётся синусоидальным напряжением той же частоты: u = Um sin (ωt + β), где Um — амплитуда напряжения, β — начальная фаза (рис. 2). Действующие значения такого П. т. равны: I = lm/√2 ≈ 0,707 Im, U = Um/√2 ≈ 0,707 Um. Для синусоидальных токов, удовлетворяющих условию квазистационарности (см. Квазистационарный ток; в дальнейшем будут рассматриваться только такие токи), справедлив Ома закон (закон Ома в дифференциальной форме справедлив и для неквазистационарных токов в линейных цепях). Из-за наличия в цепи П. т. индуктивности или (и) ёмкости между током i и напряжением u в общем случае возникает сдвиг фаз φ = β — α, зависящий от параметров цепи (активного сопротивления r, индуктивности L, ёмкости С) и угловой частоты ω. Вследствие сдвига фаз средняя мощность Р Т. т., измеряемая ваттметром, меньше произведений действующих значений тока и напряжения: Р = IU cosφ.В цепи, не содержащей ни индуктивности, ни ёмкости, ток совпадает по фазе с напряжением (рис. 3). Закон Ома для действующих значений в этой цепи будет иметь такую же форму, как для цепи постоянного тока: I = U/r. Здесь r — активное сопротивление цепи, определяемое по активной мощности Р, затрачиваемой в цепи: r = P/I2.
При наличии в цепи индуктивности L П. т. индуцирует в ней эдс самоиндукции eL= — L. di/dt = — ωLlmcos (ωt + α) = ωLImsin (ωt + α — π/2). Эдс самоиндукции противодействует изменениям тока, и в цепи, содержащей только индуктивность, ток отстаёт по фазе от напряжения на четверть периода, то есть φ=π/2 (рис. 4). Действующее значение eL равно EL = IωL = IxL, где xL = ωL — индуктивное сопротивление цепи. Закон Ома для такой цепи имеет вид: I = U/xL = U/ωL.
Когда ёмкость С включена под напряжение u, то её заряд равен q = Cu. Периодические изменения напряжения вызывают периодические изменения заряда, и возникает ёмкостный ток i = dq/dt = C․du/dt = (CUm cos (ωt + β) = ωCUm sin (ωt + β + π/2). Таким образом, синусоидальный П. т., проходящий через ёмкость, опережает по фазе напряжение на её зажимах на четверть периода, то есть φ = —π/2 (рис. 5). Эффективные значения в такой цепи связаны соотношением I = ωCU = U/xc, где xc = 1/ωС — ёмкостное сопротивление цепи.
Если цепь П. т. состоит из последовательно соединённых r, L и С, то её полное сопротивление равно , где x = xL — xc = ωL — 1/ωC — реактивное сопротивление цепи П. т. Соответственно, закон Ома имеет вид: а сдвиг фаз между током и напряжением определяется отношением реактивного сопротивления цепи к активному: tgφ = х/r. В такой цепи при совпадении частоты ω вынужденных колебаний, создаваемых источником П. т., с резонансной частотой ω0 = 1/ωL = 1/ωС) и полностью компенсируют друг друга, сила тока максимальна и наблюдается явление резонанса (см. Колебательный контур). В условиях резонанса напряжения на индуктивности и ёмкости могут значительно (часто во много раз) превышать напряжение на зажимах цепи. Облегчение расчётов цепей синусоидальных П. т. достигается построением так называемых векторных диаграмм (См. Векторная диаграмма). Векторы синусоидальных тока и напряжения принято помечать точкой над буквенным обозначением (I и U, а углы между векторами — равными сдвигам фаз между мгновенными значениями соответствующих величин. Алгебраическому сложению мгновенных значений синусоидальных величин одной и той же частоты соответствует геометрическое сложение векторов этих величин. На рис. 6 показана векторная диаграмма для цепи П. т. с последовательно соединёнными r, L, С. Мгновенное значение напряжения на зажимах этой цепи равно алгебраической сумме напряжений на активном и реактивном сопротивлениях: u = uL + ur + uc, следовательно, π/2, а ёмкостное отстаёт от тока на π/2 (то есть они находятся в противофазе), при последовательном соединении они друг друга частично компенсируют.Векторные диаграммы наглядно иллюстрируют ход вычислений и служат для контроля над ними; построенные с соблюдением масштаба, они позволяют графически определить эффективное напряжение U в цепи и угол сдвига фаз φ.
Для расчётов разветвленных цепей квазистационарного П. т. используют Кирхгофа правила. При этом обычно применяют метод комплексных величин (символический метод), который позволяет выразить в алгебраической форме геометрические операции с векторами П. т. и применить, таким образом, для расчётов цепей П. т. все методы расчётов цепей постоянного тока.Несинусоидальность П. т. в электроэнергетических системах обычно нежелательна, и принимаются специальные меры для её подавления. Но в цепях электросвязи, в полупроводниковых и электронных устройствах несинусоидальность создаётся самим рабочим процессом. Если среднее за период значение тока не равно нулю, то он содержит постоянную составляющую. Для анализа процессов в цепях несинусоидального тока его представляют в виде суммы простых гармонических составляющих, частоты которых равны целым кратным числам основной частоты: I = i0 + I1m sin (ωt + α1)+ I2msin (2ωt + α2) +… + lkm sin (kωt + αk). Здесь I0 — постоянная составляющая тока, Iimsin (ωt + α1) — первая гармоническая составляющая (основная гармоника), остальные члены — высшие гармоники. Расчёт линейных цепей несинусоидального тока на основании принципа суперпозиции (наложения) ведётся для каждой составляющей (так как xL и xc зависят от частоты). Алгебраическое сложение результатов таких расчётов даёт мгновенное значение силы (или напряжения) несинусондального тока.
Лит.: Теоретические основы электротехники, 3 изд., ч. 2, М., 1970; Нейман Л. Р., Демирчан К. С., Теоретические основы электротехники, т. 1—2, М.— Л., 1966; Касаткин А. С., Электротехника, 3 изд., М., 1974; Поливанов К. М., Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными, М., 1972 (Теоретические основы электротехники, т. 1).
А. С. Касаткин.
Рис. 1. График периодического переменного тока i(t).
Рис. 2. Графики напряжения u и тока i в цепи переменного тока при сдвиге фазы φ.
Рис. 3. Схема и графики напряжения u и тока i в цепи, содержащей только активное сопротивление r.
Рис. 4. Схема и графики напряжения u и тока i в цепи, содержащей только индуктивность L.
Рис. 5. Схема и графики напряжения u и тока i в цепи, содержащей только ёмкость С.
Рис. 6. Схема и векторная диаграмма цепи переменного тока с последовательным соединением индуктивности L, активного сопротивления r и ёмкости С.
dic.academic.ru
Переменный ток: получение и применение
Переменный ток – род тока, направление протекания которого непрерывно меняется. Становится возможным, благодаря наличию разницы потенциалов, подчиняющейся закону. В повседневном понимании форма переменного тока напоминает синусоиду. Постоянный способен изменяться по амплитуде, направление прежнее. В противном случае получаем переменный ток. Трактовка радиотехников противоположна школьной. Ученикам говорят – постоянный ток одной амплитуды.
Создание переменного тока
Как образуется переменный ток
Начало переменному току положил Майкл Фарадей, читатели подробнее узнают ниже по тексту. Показано: электрическое и магнитное поля связаны. Ток становится следствием взаимодействия. Современные генераторы работают за счет изменения величины магнитного потока через площадь, охватываемую контуром медной проволоки. Проводник может быть любым. Медь выбрана из критериев максимальной пригодности при минимальной стоимости.
Статический заряд преимущественно образуется трением (не единственный путь), переменный ток возникает в результате незаметных глазу процессов. Величина пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, охваченную контуром.
История открытия переменного тока
Впервые переменным токам стали уделять внимание ввиду коммерческой ценности после появления на свет изобретений, созданных Николой Тесла. Материальный конфликт с Эдисоном отметил сильным отпечатком судьбы обоих. Когда американский предприниматель забрал назад обещания перед Николой Тесла, потерял немалую выгоду. Выдающемуся ученому не понравилось вольное обращение, серб выдумал двигатель переменного тока промышленного типа (изобретение сделал намного раньше). Предприятия пользовались исключительно постоянным. Эдисон продвигал указанный вид.
Тесла впервые показал: переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, резко снижая потери на активном сопротивлении. Приемная сторона параметры вновь возвращает к исходным. Неплохо сэкономите на толщине проводов.
Сегодня показано: передача постоянного тока экономически выгоднее. Тесла изменил ход истории. Придумай ученый преобразователи постоянного тока, мир выглядел бы иначе.
Начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. Опыты передачи энергии на значительные расстояния расставили факты по своим местам: неудобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.
Школьный вариант трактовки переменного и постоянного тока
Переменный ток демонстрирует ряд свойств, отличающих явление от постоянного. Вначале обратимся к истории открытия явления. Родоначальником переменного тока в обиходе человечества считают Отто фон Герике. Первым заметил: заряды природные двух знаков. Ток способен протекать в разном направлении. Касательно Тесла, инженер больше интересовался практической частью, авторские лекции упоминают двух экспериментаторов британского происхождения:
- Вильям Споттисвуд лишен странички русскоязычной Википедии, национальная часть – замалчивает работы с переменным током. Подобно Георгу Ому, ученый – талантливый математик, остается сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался муж науки.
- Джеймс Эдвард Генри Гордон намного ближе практической части вопроса применения электричества. Много экспериментировал с генераторами, разработал прибор собственной конструкции мощностью 350 кВт. Много внимания уделял освещению, снабжению энергией заводов, фабрик.
Считается, первые генераторы переменного тока созданы в 30-е годы XIX века. Майкл Фарадей экспериментально исследовал магнитные поля. Опыты вызывали ревность сэра Хемфри Дэви, критиковавшего ученика за плагиат. Сложно потомкам выяснить правоту, факт остается фактом: переменный ток полвека просуществовал невостребованным. В первой половине XIX-го века выдуман электрический двигатель (авторство Майкла Фарадея). Работал, питаемый постоянным током.
Никола Тесла впервые догадался реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Понадобились две фазы переменного тока (сдвиг 90 градусов). Попутно Тесла отметил: возможны более сложные конфигурации (текст патента). Позднее изобретатель трехфазного двигателя, Доливо-Добровольский, тщетно силился запатентовать детище плодотворного ума.
Продолжительное время переменный ток оставался невостребованным. Эдисон противился внедрению явления в обиход. Промышленник боялся крупных финансовых потерь.
Никола Тесла изучал электрические машины
Почему переменный ток используется чаще постоянного
Ученые доказали недавно: передавать постоянный ток выгоднее. Снижаются потери излучения линии. Никола Тесла перевернул ход развития истории, правда восторжествовала.
Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности
Никола Тесла посетил конкурирующую с эдисоновской компанию, продвигая новое явление. Увлекся, часто ставил эксперименты на себе. В противовес сэру Хемфри Дэви, который укоротил жизнь, вдыхая различные газы, Тесла добился немалого успеха: покорил рубеж 86 лет. Ученый обнаружил: изменение направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду делает процесс безопасным для человека.
Во время лекций Тесла брал руками лампочку с платиновой нитью накала, демонстрировал свечение прибора, пропуская через собственное тело токи высокой частоты. Утверждал: явление безвредно, даже приносит пользу здоровью. Ток, протекая по поверхности кожи, одновременно очищает. Тесла говорил, экспериментаторы прежних дней (смотрите выше) пропускали удивительные явления по указанным причинам:
- Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в прямом смысле: при помощи двигателя раскручивался ротор. Подобный принцип бессилен выдать токи высокой частоты. Сегодня проблематично, невзирая на нынешний уровень развития технологии.
- В простейшем случае применялись ручные размыкатели. Вовсе нечего говорить о высоких частотах.
Сам Тесла использовал явление заряда и разряда конденсатора. Подразумеваем RC-цепочку. Будучи заряжен до определённого уровня, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление. Параметров элементов определяют скорость процесса, протекающего согласно экспоненциальному закону. Тесла лишен возможности использовать методы управления контуров полупроводниковыми ключами. Термионные диоды были известны. Рискнем предположить, Тесла мог использовать изделия, имитируя стабилитроны, оперируя с обратимым пробоем.
Однако вопросы безопасности лишены почетного первого места. Частоту 60 Гц (общепринятая США) предложил Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Сильно отличается от безопасного диапазона. Проще сконструировать генератор. Переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.
Через эфир
Поныне безуспешно ведутся споры, касаемо первооткрывателя радио. Прохождение волны через эфир обнаружил Герц, описав законы движения, показав, сродство оптическим. Сегодня известно: переменное поле бороздит пространстве. Явление Попов (1895 год) использовал, передавая первое Земное сообщение «Генрих Герц».
Видим, ученые мужи дружны между собой. Сколько уважения демонстрирует первое сообщение. Дата остается спорной, каждое государство первенство хочет присвоить безраздельно. Переменный ток создает поле, распространяющееся через эфир.
Сегодня общеизвестны диапазоны вещания, окна, стены атмосферы, различных сред (вода, газы). Важное место отводится частоте. Установлено, каждый сигнал можно представить суммой элементарных колебаний-синусоид (согласно теоремам Фурье). Спектральный анализ оперирует простейшими гармониками. Суммарный эффект рассматривается, как равнодействующая элементарных составляющих. Произвольный сигнал раскладывается преобразованием Фурье.
Окна атмосферы определяются аналогичным образом. Увидим частоты, проходящие сквозь толщу хорошо и плохо. Не всегда последнее оказывается негативным эффектом. Микроволновые печи используют частоты 2,4 ГГц, ударно поглощаемые парами воды. Для связи волны бесполезны, зато хороши кулинарными способностями!
Новичков тревожит вопрос распространения волны через эфир. Обсудим подробнее неразрешенную поныне учеными загадку.
Диполь антенна Герца
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.
Где используется переменный ток
Переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Проще сказать, где применяется постоянный, читатели сделают выводы:
- Постоянный ток применяется в аккумуляторах. Переменный порождает движение – не может храниться современными устройствами. Потом в приборе электричество преобразуется в нужную форму.
- КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине выгодно применять указанные разновидности.
- При помощи постоянного тока действуют магниты. К примеру, домофонов.
- Постоянное напряжение применяется электроникой. Потребляемый ток варьируется в некоторых пределах. В промышленности носит название постоянного.
- Постоянное напряжение применяется кинескопами для создания потенциала, увеличения эмиссии катода. Случаи назовем аналогами блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие значительно.
В остальных случаях переменный ток выказывает весомое преимущество. Трансформаторы – неотъемлемая составляющая техники. Даже в сварке далеко не всегда господствует постоянный ток, но в любом современном оборудовании этого типа имеется инвертор. Так гораздо проще и удобнее получить достойные технические характеристики.
Хотя исторически первыми получены были статические заряды. Вспомним шерсть и янтарь, с которыми работал Фалес Милетский.
vashtehnik.ru
