Содержание
Добавлено 25 марта 2015 года в 13:58, Ср
Говоря о постоянном токе (см. раздел «Про ток»), мы выяснили, что он протекает в одном направлении — от плюса источника к минусу(так было принято, хотя на самом деле наоборот). Однако в большинстве случаев приходится иметь дело с током переменным. При переменном токе электроны движутся не в одном направлении, а попеременно то в одном, то в другом, меняя свое направление. Поэтому, когда осветительная лампа включена, электроны в ее накаленной нити(да и в проводах тоже)движутся то в одну, то в другую сторону. Это движение условно показано на рис.1 и рис.2. Попробуйте пробежаться то в одну, то в другую сторону. Нетрудно догадаться, что при таком движении, прежде чем изменить направление движения, нужно сначала его замедлить, потом застыть на месте, а уж потом ринуться в другую сторону. Какая взаимосвязь с током? Перед тем как изменить движение, электроны должны притормозить(всё это мы рассматриваем в замедленном времени). Значит ток уменьшится, а лампа должна уменьшить яркость. А уж когда они остановятся перед изменением движения — и вовсе должна погаснуть. Но мы этого не видим. Почему? Потому что накаленная нить имеет тепловую инертность и за долю секунды не может остыть. Поэтому мигания мы не видим. Однако, каждый из нас слышал жужжание работающего трансформатора, что и связано с попеременным направлением движения тока.
А теперь стоит задуматься. Означает ли это, что за долю секунды электроны от электростанции доходят до дома, а за следующую долю секунды — обратно? Ранее, в разделе«Про ток» мы выяснили, что электрическое поле в проводниках распространяется со скоростью 300000км/с., а сами электроны движутся в проводниках со скоростью примерно 0,1мм/с. Но за 1/100 часть секунды (именно столько длится один полупериод, в течение которого электроны движутся в одну сторону) электроны только успевают переместиться в одном направлении, как электрическое поле начнет действовать в противоположном направлении. Вот почему электроны отклоняются то в одну, то в другую сторону и не покидают, так сказать, предела наших жилищ. То есть, у вас в доме(квартире) есть свои «домашние» электроны. Если мы могли бы замедлить время и включили бы в розетку вольтметр параллельно нагрузке, т.е. лампе (рис.3) или амперметр последовательно через нагрузку (рис.4), то увидели бы как стрелка прибора плавно изменяет свое показание от нуля до максимального значения при замере напряжения (рис.3) или тока (рис.4). На рисунке рядом это продемонстрировано. В действительности мы, конечно, этого не увидим. Причина в инертности стрелки, из-за которой она не может произвести сотню за секунду. Кстати, к рис.3 и рис.4 приведен пояснительный рис.5, где уж точно без особых усилий можно увидеть, как подключаются вольтметр и амперметр при измерении напряжения и тока в электрической цепи. Где вольтметр, а где амперметр, я думаю, можно без труда догадаться. На схемах они обозначаются как V и А соответственно.
Итак, первое, что необходимо знать — это то, что изменения тока и напряжения в электрической цепи происходят по так называемому синусоидальному закону. Второе — любое синусоидальное колебание (ток или напряжение) характеризуются следующими важными величинами:
Период Т — время совершения одного полного колебания. Половина этого времени называется полупериодом. Очевидно, что в один полупериод ток течет(ну или как мы оговаривали — электроны движутся) в одном направлении, которое условно можем принять за положительное, а в другой полупериод он течет в другом направлении, которое можем принять за отрицательное. На графиках положительный полупериод будет представлен верхней полуволной над осью Х, а отрицательный — нижней. Говоря про нашу сеть, можно указать, что период переменного тока Т = 1/50сек — 0,02сек.
Частота f — это число колебаний в секунду. Теперь давайте подсчитаем. Если одно колебание у нас происходит за время периода Т, которое равно 0,02сек, то тогда за одну секунду у нас произойдет 50 колебаний (1/0,02=50). А одно колебание представляет собой движение электронов сначала в одну сторону, потом в другую(два полупериода). Т.е. за 1сек электроны будут двигаться поочередно то в одну то в другую сторону 50раз. Вот вам и наша частота тока в сети, которая равна 50Гц (Герц).
Амплитуда — наибольшая величина тока(Imах) или напряжения (Umах=310В) за время периода Т. Очевидно, что за один период синусоидальный ток и напряжение достигают два раза своей максимальной величины.
Мгновенное значение — мы уже знаем, что переменный ток непрерывно изменяет свое направление и величину. Величина напряжения в данный момент называется мгновенным значением напряжения. Это же относится и к величине тока.
В качестве иллюстрации на рис.6 указаны несколько мгновенных значений (200В, 300В, 310В, — 150В, — 310В, — 100В) величины напряжения в электрической цепи в течение одного периода. Видно, что в начальный момент напряжение равно равно нулю, после чего постепенно нарастает до 100В, 200В и т.д. Достигнув максимального значения 310В, напряжение начинает постепенно уменьшаться до нуля, после чего изменяет свое направление и снова возрастает, достигая величины минус 310В (- 310В) и т.д. Если кто-то с трудом может себе представить, что такое смена направления, может представить себе, что плюс и минус в розетке меняются местами — т.е. если мы условно примем ноль(землю) за минус, а фазу за плюс. И происходит это 50 раз в секунду. Ну, вот где-то примерно так.
Действующее значение
Итак, зададимся вопросом — а какому постоянному напряжению равно по своему действию наше переменное напряжение в сети, показанное на рис.6? Теория и практика показывают, что оно равняется постоянному напряжению величиной 220В — рис.7. Взять это на веру не так уж и сложно, поскольку несложно увидеть, что рассматриваемое в течение одного периода напряжение имеет значение 310В только в два момента, а в остальное время оно меньше. Так как наше синусоидальное напряжение изменяется непрерывно, то целесообразно было ввести такое понятие как — действующее напряжение . Ведь именно по какому-либо конкретному значению напряжения(или тока), а не его меняющемуся значению мы можем «прикинуть» его силу. Так вот, под действующим значением переменного тока (ну или напряжения) мы понимаем такой постоянный ток, который за то же самое время совершает ту же работу (или выделяет такое же количество тепла), что и данный переменный ток .
Поэтому, наша обыкновенная лампочка (или, например, обогревательный прибор) будет одинаково работать как при переменном напряжении, изменяющегося от нуля до 310В, так и при постоянном напряжении 220В. А 12-вольтовая лампочка будет одинаково светить как от источника переменного напряжения величиной 12В(изменяющегося от нуля до 16,8В), так и от любой батарейки или аккумулятора(а они являются, как известно, источниками постоянного напряжения).
Итак, запомните.
Электрический ток(напряжение), который периодически изменяет свое направление и величину, называется переменным током. Любой переменный ток характеризуется в основном своей частотой, амплитудой и действующим значением;
Приборы, предназначенные для измерения переменного тока, показывают его действующее значение;
Напряжение измеряют вольтметром(или комбинированным прибором — авометром), ток — амперметром(или комбинированным прибором — авометром). Также ток можно измерять так называемыми токовыми клещами . Служат они для бесконтактного измерения тока — рабочая часть прибора образует кольцо вокруг измеряемого провода и по величине электромагнитного поля, действующего на рабочую часть прибора, выводится информация на его небольшой дисплей о величине протекающего тока. Авометр — это комбинированный прибор(его в простонародье еще называют просто тестером), который полностью в своем техпаспорте называется ампервольтомметром и служит для измерения и тока, и напряжения, и сопротивлений. А цифровые модели могут измерять и частоту напряжения(тока), и емкости конденсаторов и другие вещи — это уж как задумает разработчик;
Зная значение (действующее) переменного напряжения, всегда можно узнать его максимальное значение (не забудьте — оно меняется по синусоидальному закону). А связь здесь такая — Umax = 1,4U, где U — действующее значение, а Umax- максимальное значение (амплитуда).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Детей учат, что пальцы в розетку совать нельзя! А почему? Потому что будет плохо. С более подробным объяснением часто бывают проблемы: какое-то там напряжение, ток, что-то куда-то течет. Чтобы вы в будущем могли сами объяснить своим детям, что к чему, мы сейчас объясним вам. Эта статья про переменный и постоянный токи, их отличия, применение и историю электричества вообще. Науку нужно делать интересной, и мы скромно пытаемся этим заниматься по мере сил.
Например: какой ток у нас в розетках? Переменный, конечно! Напряжением 220 Вольт и частотой 50 Герц. А сеть, по которой передается ток — трехфазная. Кстати, если при словах «фаза» и «ноль» вы впадаете в ступор, почитайте что это такое, и день будет прожит вдвойне не зря! Но не будем забегать вперед. Обо всем по порядку.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Краткая история электричества
Кто изобрел электричество? А никто! Люди постепенно понимали, что это такое и как им пользоваться.
Все началось в 7 веке до нашей эры, в один солнечный (а может и дождливый, кто знает) день. Тогда греческий философ Фалес заметил, что, если потереть янтарь о шерсть, он будет притягивать легкие предметы.
Потом были Александр Македонский, войны, христианство, падение Римской империи, войны, падение Византии, войны, средневековье, крестовые походы, эпидемии, инквизиция и снова войны. Как вы поняли, людям было не до какого-то там электричества и натертых шерстью эбонитовых палочек.
В каком году изобрели слово «электричество»? 1600 году английский естествоиспытатель Уильям Гилберт решил написать труд «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Именно тогда и появился термин «электричество».
Через сто пятьдесят лет, в 1747 году Бенджамин Франклин, которого мы все очень любим, создал первую теорию электричества. Он рассматривал это явление как флюид или нематериальную жидкость.
Именно Франклин ввел понятие положительного и отрицательного зарядов (до этого разделяли стеклянное и смоляное электричество), изобрел молниеотвод и доказал, что молния имеет электрическую природу.
Бенджамина любят все, ведь его портрет есть на каждой стодолларовой купюре. Помимо работы в точных науках, он был видным политическим деятелем. Но вопреки распространенному заблуждению, Франклин не был президентом США.
Дальше пойдет перечисление важных для истории электричества открытий.
1785 год – Кулон выясняет, с какой силой противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.
1791 год – Луиджи Гальвани случайно заметил, что лапки мертвой лягушки сокращаются под действием электричества.
Принцип работы батарейки основан на гальванических элементах. Но кто создал первый гальванический элемент? Основываясь на открытии Гальвани, другой итальянский физик Алессандро Вольта в 1800 году создает столб Вольта – прототип современной батарейки.
На раскопках рядом с Багдадом нашли батарейку возрастом больше двух тысяч лет. Какой древний айфон с ее помощью подзаряжали — остается загадкой. Зато известно точно, что батарейка уже «села». Этот случай как бы говорит: может быть, люди знали об электричестве намного раньше, но потом что-то пошло не так.
Уже в 19 веке Эрстед, Ампер, Ом, Томсон и Максвелл совершили настоящую революцию. Был открыт электромагнетизм, ЭДС индукции, электрические и магнитные явления связали в единую систему и описали фундаментальными уравнениями.
Кстати! Если у вас нет времени, чтобы самостоятельно разбираться со всем этим, для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
20 век принес квантовую электродинамику и теорию слабых взаимодействий, а также электромобили и повсеместные линии электропередач. Кстати, знаменитый электромобиль Тесла работает на постоянном токе.
Конечно, это очень краткая история электричества, и мы не упомянули очень много имен, которые повлияли на прогресс в этой области. Иначе пришлось бы написать целый многотомный справочник.
Постоянный ток
Сначала напомним, что ток – это движение заряженных частиц.
Постоянный ток – это ток, который течет в одном направлении.
Типичный источник постоянного тока – гальванический элемент. Проще говоря, батарейка или аккумулятор. Один из древнейших артефактов, связанных с электричеством – багдадская батарейка, которой 2000 лет. Предполагают, что она давала ток напряжением 2-4 Вольта.
Где используется постоянный ток:
- в питании большинства бытовых приборов;
- в батарейках и аккумуляторах для автономного питания приборов;
- для питания электроники автомобилей;
- на кораблях и подводных лодках;
- в общественном транспорте (троллейбусах, трамваях).
Проще всего представить постоянный ток наглядно, на графике. Вот как он выглядит:
Постоянный ток
Бытовые приборы работают на постоянном токе, но в розетки сети в квартире приходит переменный ток. Практически везде постоянный ток получается путем выпрямления переменного.
Переменный ток
Переменный ток – это ток, который меняет величину и направление. Причем меняет в равные промежутки времени.
Переменный ток используется в промышленности и электроснабжении. Именно его получают на станциях и отправляют к потребителям. Уже на месте преобразование переменного электрического тока в постоянный происходит с помощью инверторов.
Переменный ток — alternating current (AC). Постоянный ток — direct current (DC). Аббревиатуру AC/DC можно увидеть на трансформаторных будках, где происходит преобразование. А еще это название одной отличной австралийской рок-группы.
А вот и наглядное изображение переменного тока.
Переменный ток
Переменный ток течет в цепи в двух направлениях: туда и обратно. Одно из них считается положительным, а второе — отрицательным.
Так как величина тока меняется не только по направлению, но и по величине, не думайте, что в вашей розетке постоянно 220 Вольт. 220 — это действующее значение напряжения, которое бывает 50 раз в секунду. Кстати, в Америке используется другой стандарт переменного тока в сети: 110 Вольт и 60 Герц.
Война токов
Активное использование постоянного тока началось в конце 19 века. Тогда Эдисон довел до ума лампочку (1890) и основал первые в Нью-Йорке электростанции, которые производили постоянный ток напряжением 110 Вольт.
Использование постоянного тока было связано с существенными потерями при его передаче на большие расстояния. Переменный ток нельзя было использовать из-за того, что не было соответствующих счетчиков и моторов, работавших на переменном токе. Так же был затруднен процесс преобразования постоянного тока в переменный. При этом переменный ток можно было без потерь передавать на большие расстояния.
В то время в Америку из Сербии приехал Никола Тесла, который устроился на работу в компанию к Эдисону. Тесла изобрел электродвигатель переменного тока, понял все выгоды и предложил Эдисону его использование.
Тесла и Эдисон
Эдисон не послушал Теслу и к тому же не выплатил ему зарплату. Так и началось знаменитое противостояние изобретателей — война токов.
Она длилась более ста лет и закончилась в 2007 году. Тогда Нью-Йорк полностью перешел на электроснабжение переменным током.
Почему переменный ток опаснее постоянного
В войне токов, чтобы не потерпеть убытки и финансовый крах от внедрения и использования идей Теслы, Эдисон публично демонстрировал, как переменный ток убивает животных. Случай, когда какой-то американский гражданин погиб от удара переменным током, был очень подробно и широко освещен в прессе.
Для человека переменный ток в общем случае действительно опаснее постоянного. Хотя всегда нужно учитывать величину тока, его частоту, напряжение, сопротивление человека, которого бьет током. Рассмотрим эти нюансы:
- Переменный ток частотой 50 Герц в три-четыре раза опаснее для жизни, чем постоянный ток. Если частота тока более 1000 Герц, то он считается менее опасным.
- При напряжениях около 400-600 Вольт переменный и постоянный токи считаются одинаково опасными. При напряжении более 600 Вольт более опасен постоянный ток.
- Переменный ток в силу своей природы и частоты сильнее возбуждает нервы, стимулируя мышцы и сердце. Именно поэтому он несет большую опасность для жизни.
С каким бы током вы не работали, соблюдайте осторожность и будьте бдительны! Берегите себя и свои нервы, а также помните: сделать это эффективно поможет профессиональный студенческий сервис с лучшими экспертами.
