Классификация
Постоянный и переменный ток
Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический »ток проводимости». Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют »конвекционным».
Токи различают на постоянный и переменный. Также существуют всевозможные разновидности переменного тока. При определении видов тока слово «электрический» опускают.
- Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени. Может быть пульсирующий, например выпрямленный переменный, который является однонаправленным.
- Переменный ток — электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.
- Периодический ток — электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
- Синусоидальный ток — периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. Любой периодический несинусоидальный ток может быть представлен в виде комбинации синусоидальных гармонических составляющих (гармоник), имеющих соответствующие амплитуды, часто́ты и начальные фазы. В этом случае Электростатический потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
- Квазистационарный ток — относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов. Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.
- Ток высокой частоты — переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, которые являются либо полезными, определяющими его применение, либо вредными, против которых принимаются необходимые меры, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей.
- Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.
- Однонаправленный ток — это электрический ток, не изменяющий своего направления.
Вихревые токи
Вихревые токи Фуко
Вихревые токи ( или токи Фуко) — замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитный поток, поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.
Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.
Источники ЭДС
Источники электротока любого рода бывают двух видов:
- первичные, с их помощью происходит генерация электроэнергии путем превращения механической, солнечной, тепловой, химической или другой энергии в электрическую;
- вторичные, они не генерируют электроэнергию, а преобразуют ее, например, из переменной в постоянную или наоборот.
Единственным первичным источником переменного электротока является генератор, упрощенная схема такого устройства показана на рисунке.
Упрощенное изображение конструкции генератора
Обозначения:
- 1 – направление вращения;
- 2 – магнит с полюсами S и N;
- 3 – магнитное поле;
- 4 – проволочная рамка;
- 5 – ЭДС;
- 6 – кольцевые контакты;
- 7 – токосъемники.
Почему принято считать, что электрический ток движется от положительного заряда к отрицательному?
Отвечает:
старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.
Достоверно известно, что электрический ток — это направленное движение электронов или, в некоторых случаях, положительных или отрицательных ионов. Электричество как таковое также связано с понятием ЭДС, то есть для тока в проводнике нужна разность потенциалов.
Тогда направление движения тока при движении электронов и отрицательно заряженных ионов будет от отрицательного полюса к положительному, так как одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Движение же положительных ионов будет связано с движением обратным по направлению.
Почему тогда официально считается, что ток идет всегда от плюса к минусу и такое же направление указывается на электрических схемах?! Преподаватели физики мне отвечали, что так сложилось исторически, но ведь в двух случаях из трех это ошибка. Так тогда как понимать?
Дело в том, что электрический ток стали изучать задолго до того, как разобрались с его «переносчиками». Наверное, первые систематические опыты с ним можно датировать 1801 годом, когда итальянский учёный Алессандро Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную.
Так возникла первая батарея — Вольтов столб, хотя, безусловно, электрические явления не были в тот период новостью. Например, в то же время Бруньятелли осуществил посеребрение, оцинкование и омеднение электродов. Позже последовали опыты Эрстеда, Ампера, Ома, Фарадея и множества других исследователей.
В 1861-1862 годах английский физик Джеймс Кларк Максвелл опубликовал свои труды, которые привели к возникновению четырёх уравнений Максвелла — своеобразное обобщение всех классических электрических и магнитных явлений. Исследования об электричестве и магнетизме стали единой классической электродинамикой.
Электроны в чистом виде были выделены только в 1869 году немецким исследователем Иоганном Вильгельом Гитторфом, когда он впервые наблюдал катодные лучи — потоки электронов, испускаемых катодом.
Они используются в старых телевизорах, осциллографах, радиолампах и электронных микроскопах.
Это случилось уже позже формирования уравнений Максвелла, кроме того, на осознание, что именно такое катодные лучи, то есть на собственно открытие электрона ушло ещё 28 лет, пока этим вопрос вплотную не занялся английский физик Джозеф Джон Томсон.
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.
Экскурс в историю
Итак, генератор на нашей электростанции преобразовывает механическую энергию в электрическую. А что дальше? В каком виде и как именно передавать энергию потребителю? Как избежать колоссальных потерь при передаче?
Поразительно, но подобная ситуация существовала на самом деле! В той же Российской Империи вплоть до начала 20 века была полная неразбериха. Рядом с каждым «крупным» потребителем электроэнергии (фабрика, подворье преуспевающего купца или гостиница для особ благородных кровей) строили отдельную электростанцию. Было множество конкурирующих фирм, предоставляющих услуги электрификации и, в последующем, своё электрическое оборудование заточенное только под свою сеть. Каждый поставщик электроэнергии задавал собственные параметры электросети – напряжение, частоту. Были даже электросети с постоянным током! Человек, купивший, к примеру, электролампочки в «Товариществе электрического освещения Лодыгин и Ко» смог бы использовать их лишь в электросети этой же компании. При подключении к сети «Дженерал электрик» эта лампочка тут же вышла бы из строя – напряжение сети этой фирмы было значительно выше необходимого, не говоря уже о других параметрах.
Лишь в 1913 году имперские инженеры решились передавать электроэнергию на большие расстояния по воздушным проводным линиям, избавив от необходимости постройки электростанций «у каждой розетки». В преддверии грядущей великой войны и нахлынувшего патриотизма власть задумалась об импортозамещении. Ну прям как в наше время, после кризиса 2014 года). Были финансово и юридически задавлены многие небольшие западные фирмы (кроме германских и французских), преференции и льготы давались лишь отечественным товариществам и предприятиям. В итоге, это привело к монополизму на рынке поставщика электроэнергии и, невольно, стандартизации параметров электрической сети.
Так как Берлин и Париж были уже электрифицированы единой энергосистемой с переменным напряжением сети 220 вольт, отечественные компании также приняли этот стандарт. Людям было удобнее использовать электрические приборы единого типа, не беспокоясь что их новомодный электрический пылесос сгорит на новом месте жительства из-за других параметров энергосети. Произошло полное вытеснение многих небольших фирм – никто уже не хотел пользоваться их услугами и их приборами, хотя они вынужденно подстроились под единый стандарт электросети. Те самые 220 вольт переменного тока.
Почему переменный ток используется чаще постоянного?
Если ответить коротко на этот вопрос, то все дело в его многофункциональности. Что можно делать с переменным напряжением, вот несколько направлений:
подвергать трансформации;
менять частоту;
получать многофазные цепи;
в некоторых областях дает лучшие характеристики.
Одно из главных преимуществ – возможность трансформации. Правда, постоянное напряжение можно также менять с помощью делителя напряжения или умножителя, но это будет одна электрическая цепь. Для гальванической развязки нужен трансформатор, в котором используется две и более независимых цепей.
Кроме того, трансформатор намного проще умножителей напряжения и позволяет значительно увеличивать напряжение
Почему так важно повышать напряженность цепи? Дело в том, что по закону Ома, чем выше напряжение, тем меньше потери при передаче, а это дает возможность передавать электроэнергию на большие расстояния
Все радиоустройства для передачи сигнала без проводов используют переменную составляющую, называемую промежуточной частотой. Набор частот позволяет использовать множество радиоустройств, которые не мешают друг другу. Длинноволновые сигналы способны распространяться на большие расстояния, огибая Землю. Ультракороткие частоты, напротив, распространяются по прямой, позволяя создавать радиотелескопы для изучения космоса, недр Земли, океана.
При использовании синусоидального тока возникает возможность увеличивать мощность передачи к электропотребителям. Достигается это увеличением числа фаз. Мощность однофазного и трехфазного двигателя будет значительно отличаться при одних и тех же габаритах. А передача большей мощности будет достигнута в трехфазной сети при одинаковом сечении проводов.
Чтобы выпрямить переменный ток, достаточно использовать несложное устройство, называемое выпрямитель, а вот из постоянного сделать переменный синусоидальный с помощью радиодеталей будет несколько хлопотно. До сравнительно недавнего времени для освещения использовались лампы накаливания. Использование постоянного и переменного тока дают разные результаты цветопередачи, белый свет дают лампы переменного тока. Правда, современные лампы, работающие на фотодиодах, используют постоянную составляющую, но по мощности они еще не достигли своих собратьев.
Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности
Когда Никола Тесла ушел от Томаса Эдисона, последний устроил информационную атаку против изобретений Николы Тесла, уверяя, что переменный ток опасен для жизни человека. На самом деле все дело в величине напряжения, которое подавалось на испытуемых животных. Тесла для опровержения такого утверждения пропускал через себя ток высокой частоты. И это действительно так. Чем выше частота, тем меньше заряд проходит через внутренности человека, скапливаясь на его коже.
Что касается эффективности, то разница работы ламп накаливания говорит сама за себя. Их мощность и цветовая передача была лучше у Николы, чем у Томаса. Поэтому у Николы появлялось все больше заказчиков для освещения различных объектов. Кроме того, передача сигнала по воздуху могла осуществляться только с переменной волной, что, конечно же, невозможно для постоянного тока. Но как распространяются радиоволны?
Через эфир
Еще в XVII веке Рене Декарт выдвинул гипотезу о существовании эфира. Непонимание того, как передается свет в вакууме, подтолкнуло к такому предположению. Поэтому стали считать, что в любом пространстве существует некая физическая среда, обладающая способностью проводить через себя различные волны.
Однако разработка теории относительности сделала этот термин ненужным. Кроме того, сам факт того, что эфир, как он понимался раньше, не имеет смысла, привело к устранению из употребления. Например, теория эфира противоречила закону распространения волн в газах и жидкостях. Само понимание природы света также опровергло такую гипотезу.
Преобразование переменного тока в постоянный
Для варианта подобной трансформации оптимальный способ – использование выпрямителей:
Подключение диодного моста – первый шаг в этой процедуре. Конструкция из 4 диодов с необходимой мощностью способствует процессу своеобразного срезания верхних границ уже знакомых нам синусоид переменного вида. Таким образом достигается получение однонаправленного тока.
- Далее выполняется параллельное подключение на выход исправляющего провалы между пиковыми точками синусоиды сглаживающего фильтра или с диодного моста конденсатора. Выделенная зеленым маркером синусоида получилась после прохождения диодного мостика.
Изменения в результате снижения пульсации отображены в синем цвете.
Различные модификации стабилизаторов напряжения и тока устанавливаются для уменьшения рабочего уровня пульсации в случае возникшей необходимости.
Сравнительная таблица
Сравнительный график переменного тока и постоянного тока
| Переменный ток | Постоянный ток | |
| Количество энергии, которое можно нести | Безопасно переносить на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность. | Напряжение постоянного тока не может перемещаться очень далеко, пока оно не начнет терять энергию. |
| Причина направления потока электронов | Вращающийся магнит вдоль провода. | Устойчивый магнетизм вдоль провода. |
| частота | Частота переменного тока составляет 50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны. | Частота постоянного тока равна нулю. |
| направление | Он меняет свое направление, пока течет по кругу. | Он течет в одном направлении в цепи. |
| ток | Это величина, изменяющаяся во времени | Это ток постоянной величины. |
| Поток электронов | Электроны продолжают переключать направления – вперед и назад. | Электроны неуклонно движутся в одном направлении или «вперед». |
| Получен из | Генератор переменного тока и сеть. | Ячейка или батарея. |
| Пассивные параметры | Сопротивление. | Только сопротивление |
| Фактор силы | Лежит между 0 и 1. | это всегда 1. |
| Типы | Синусоидальный, Трапециевидный, Треугольный, Квадратный. | Чистый и пульсирующий. |
Переменный и постоянный ток. Горизонтальная ось – это время, а вертикальная ось представляет напряжение.
Постоянный ток
Международный символ этого напряжения DC — Direct Current (постоянный ток), а условное обозначение на электросхемах «—» или «=». Величина и полярность этого вида напряжения являются неизменными, а сила тока изменяется только при изменениях нагрузки. Этот вид электрического тока производится аккумуляторами, батарейками и элементами солнечных электростанций.
От сети постоянного тока работают двигатели трамваев, троллейбусов и другого электротранспорта. Эти электродвигатели имеют лучшие тяговые характеристики, чем двигатели переменного тока.
Информация! От постоянного напряжения работает бОльшая часть электронных схем, но они получают питание от сети переменного тока через встроенный или внешний блок питания с выпрямителем.
Переменный ток
Международное обозначение этого напряжения AC — Alternating Current (переменный ток), а условное обозначение на электросхемах «~» или «≈».
Величина и полярность переменного тока в сети всё время меняется. Частота этих изменений составляет 50Гц в Европе и некоторых других странах и 60Гц в США. Большинство бытовых и промышленных электроприборов изготавливаются для питания переменным напряжением.
Практически вся электроэнергия, используемая в быту и промышленности, является переменной. Для передачи на большие расстояния его повышают при помощи трансформаторов, а в конечной точке линии понижают до необходимой величины. Это позволяет уменьшить стоимость ЛЭП и потери. Для того, чтобы исключить колебания напряжения, для особоважных приборов устанавливаются стабилизаторы.
При увеличении напряжения и неизменной передаваемой мощности сила тока и сечение проводов пропорционально уменьшается. Если напряжение не повышать, то для подачи электроэнергии к потребителю необходимо использовать кабеля большого сечения, а передача на большие расстояния окажется невозможной. Вот почему в розетке переменный ток.
В домашней розетке два контакта — фазный и нулевой. В некоторых случаях к ним добавляется заземляющий. Это однофазное напряжение является частью трёхфазной системы. Она включает в себя три одинаковых сети. Напряжение в этих сетях сдвинуто по фазе на 120° друг относительно друга.
Вначале эта система была шестипроводной. В таком виде её изобрёл Никола Тесла. Позже М. О. Доливо-Добровольский усовершенствовал эту схему и предложил передавать трёхфазное напряжение по трём или чётырём проводам (L1, L2, L3, N). Он также показал преимущества трёхфазной системы электроснабжения перед схемами с другим числом фаз.
Второе правило Кирхгофа
Второе правило Кирхгофа относится к замкнутому контуру в цепи. Замкнутый контур – это любая последовательность соединенных элементов внутри разветвленной электрической цепи, такая, что первый и последний элементы также соединены.
Алгебраическая сумма напряжений при обходе контура на элементах равна алгебраической сумме ЭДС в источниках, присутствующих в контуре. Если направление ЭДС или напряжение совпадает с направлением обхода – оно считается положительным, если не совпадает – отрицательным: $U_1+U_2+… =mathscr{E}_1+mathscr{E}_2+…$.
Рис. 2. Второе правило Кирхгофа.
Данное правило означает, что во-первых, источниками разности потенциалов в контуре являются источники ЭДС, а во-вторых, при обходе контура потенциал, изменяясь, все равно возвращается к исходному значению.
Расчет скорости направленного движения электронов
Для этого можно использовать полученную формулу:
Из нее можно выразить скорость:
Большинство соединительных проводников изготавливают из меди, или алюминия. Выберем медный проводник, имеющий цилиндрическую форму.
Площадь поперечного сечения выберем равной 1 миллиметру в квадрате:
Число атомов в объеме – концентрация, связано с плотностью вещества (ссылка). Для меди концентрацию атомов вычислить несложно. Она
равна концентрации электронов.
Примечание: Каждый атом меди отдает один из своих валентных электронов и, он превращается в свободный электрон. Поэтому, количество свободных электронов, находящихся в выбранном объеме меди будет равно количеству атомов в этом объеме.
Заряд электрона известен:
Предположим, в проводнике протекает ток силой 1 Ампер.
Тогда, скорость движения электронов:
Это меньше, чем 0,1 мм в секунду.
Рис. 11. Электроны в меди направленно двигаются медленно
Источник: