Особенности электротока переменного напряжения

Переменное напряжениеАбсолютное большинство современных бытовых и промышленных электроприборов работает на основе переменного тока. В отличие от постоянного, переменный электроток сложнее в расчетах и опаснее для жизни человека. Но есть и ряд преимуществ переменного напряжения и вызванного им тока, которые и обусловили его популярность в быту, на транспорте и на производстве.

Принципиальные отличия разных видов

Электроток — это поток движущихся заряженных частиц, чаще всего — электронов. Разница в количестве заряженных частиц между двумя точками вызывает напряжение электростатического поля. Под его действием при наличии проводника частицы с электрическим зарядом движутся от места с их избытком до места с их недостачей. Это и есть постоянный электроток.

Электроток переменного типа имеет совсем другую природу. Суть в следующем:

  • изменяющееся во времени магнитное поле вызывает движение заряженной частицы;
  • движение заряженной частицы в пространстве вызывает появление магнитного поля;
  • появившееся магнитное поле из-за движения заряженной частицы опять заставляет ее двигаться и т. д.

В этом заключается основное отличие постоянного напряжения от переменного. При этом, если постоянное напряжение имеет неизменяемую на определенном промежутке времени величину и полярность, то переменное напряжение меняет с большой частотой и свою величину, и полярность.

Основные характеристики электротока

Если некоторые физические явления можно увидеть или ощутить другими органами чувств, то постоянное и переменное напряжение (и вызванный ими электроток) потрогать не удастся. Но можно найти аналогию, которая поможет разобраться в этом явлении. Например, давление воды и ее напор в садовом шланге вполне видны, осязаемы и поддаются пониманию среднестатистического человека, не искушенного в вопросах физики. Можно провести такое относительное сравнение:

  • давление воды — это электрическое напряжение;
  • напор (или сила потока) — это сила тока;
  • диаметр шланга — это сопротивление проводника.

Чем больше давление и меньше диаметр, тем больше напор и дальше бьет струя воды. Это заметно, если прикрыть пальцем выходное отверстие. И наоборот: чем больше диаметр шланга, тем меньше дальность исходящей струи.

Постоянное и переменное напряжениеПо такому принципу описывается электроток постоянного типа: сила электротока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Этот закон был открыт Георгом Омом и получил его имя. Согласно теории, при протяженных проводниках получаются значительные потери в силе потока заряженных частиц.

Напряжение переменного тока периодически изменяется во времени, и природа его возникновения не такая, как у напряжения электротока постоянного типа. Это и обуславливает значительно меньшие потери при передаче электричества на значительные расстояния по проводникам. Теоретические основы электротока переменного типа значительно сложнее.

Немного исторических сведений

Что такое постоянный электротокНа рубеже XIX и XX столетий активно внедрялся в быт постоянный электроток. Его популяризатором выступал Томас Эдисон. Но он столкнулся с неразрешимой проблемой: требовалось строить значительное количество промежуточных электроподстанций, чтобы электричество дошло до потребителя с заданными параметрами. Через каждые 3−4 километра устанавливалась подстанция, что было очень затратным и нерентабельным делом.

Решить эту проблему взялся молодой и талантливый физик Никола Тесла. К ней он подошел с новаторской идеей — использовать электроток с изменяемыми во времени показателями напряжения и направления движения. Проблема решалась просто и эффективно:

  • потери на сопротивление проводника снижались в несколько раз;
  • источники электротока переменного типа конструкции Тесла были проще и дешевле;
  • упрощались и сами бытовые приборы, работавшие от электротока с изменяемыми во времени показателями.

Но эта идея для Томаса Эдисона была неприемлема, так как полностью уничтожались его уже готовые разработки и ему грозили большие финансовые потери. Эдисон упорно продвигал свою идею электротока постоянного типа, проводя многочисленные публичные испытания и демонстрации.

В прессе по его указке и при его финансировании была организована настоящая травля научного оппонента. Но история расставила все по своим местам: сегодня человечество должно благодарить Николу Тесла, так как без переменного тока цивилизация не достигла бы существующего уровня развития техники, науки и комфорта в быту.

Обзор источников электричества

График постоянного и переменного тока

Для получения электротока с неизменяемыми во времени значениями напряжения необходимо разделение заряженных частиц и накопление их в одном месте. Для этого используются различные физические явления. Чаще всего для получения электрического постоянного тока применяются электролитические источники, в частности, обычные батарейки и аккумуляторы. За счет электрохимических реакций электроны накапливаются на катоде и возникает их нехватка на аноде. При замыкании контактов протекает электроток.

В промышленных масштабах постоянный ток получают из переменного при помощи выпрямителей и стабилизаторов. Диодный мост пропускает только часть синусоиды переменного тока, а стабилизаторы сглаживают полученные пульсации. Городской электротранспорт (метрополитен, трамваи и троллейбусы) как раз и работает на таком выпрямленном токе.

Постоянный ток получается и в фотоэлементах, ставших основой для создания солнечных батарей. Под действием энергии фотонов в полупроводниковых микроэлементах возникает разница потенциалов, которая суммируется и в итоге образует постоянное напряжение.

Генераторы постоянного тока постепенно выходят из обихода ввиду их малой производительности. Затраты энергии для запуска их в работу значительно превосходят получаемую в итоге электрическую энергию. Их заменой стали инверторные источники постоянного тока, которые обладают высоким КПД, малым весом, небольшими размерами и надежностью. К их достоинствам можно отнести и отсутствие пульсаций в получаемом из переменного постоянном токе.

Основной источник переменного электротока — генератор. Схематично он состоит из намагниченного ротора и статора из проводников. При вращении ротора магнитное поле меняет свой вектор по времени, что вызывает появление электродвижущей силы в обмотках проводника статора. С его контактов снимается полученное напряжение, при необходимости трансформируется и передается потребителю. По своему устройству генераторы бывают асинхронными и синхронными. На параметры выдаваемого переменного тока это практически не влияет.

Генераторы постоянного электротокаАсинхронный тип более прост в конструкции, но чувствителен к кратковременным пиковым нагрузкам. Синхронные генераторы способны выдерживать пятикратные нагрузки. Их раньше использовали для питания электросварочных аппаратов переменного тока. Сегодня сварка переменным током теряет популярность из-за того, что ее качество ниже, чем сварка постоянным током. Сварочные аппараты постоянного тока становятся более доступными широким массам.

Электродвигатели переменного тока действуют по обратному принципу: протекание переменного электрического тока по обмоткам статора вызывает вращение ротора. Теоретически электродвигатель может выполнять функции генератора, а генератор может быть использован в роли электродвигателя.

Помогла статья? Оцените её
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд
Загрузка...
Добавить комментарий