Что такое переменное напряжение

Переменный и постоянный ток: в чем разница, история развития, применение

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:

  1. 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.
  2. При напряжениях около 400-600 Вольт переменный и постоянный токи считаются одинаково опасными. При напряжении более 600 Вольт более опасен постоянный ток.
  3. 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.

  • Контрольная работа от 1 дня / от 100 р. Узнать стоимость
  • Дипломная работа от 7 дней / от 7950 р. Узнать стоимость
  • Курсовая работа 5 дней / от 1800 р. Узнать стоимость
  • Реферат от 1 дня / от 700 р. Узнать стоимость

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Что такое переменное напряжение

Наш прибор показывает так называемое действующее значение напряжения ( или тока). Для простоты понимания можете считать его усредненным. А как же в действительности будет изменяться напряжение в сети? В действительности напряжение будет меняться от нуля до своего максимального значения величиной 310В. В какой-то выбранный момент времени напряжение будет иметь свое значение. Поэтому, например, если (вероятность этого, конечно, мала)вы включите свет в момент напряжения в сети 310В, будьте уверены – вам придется лампочку поменять. А в телевизоре, например, может перегореть предохранитель. Хотя к современным ТВ это мало относится.

Те, кто хочет узнать кое-что поподробнее, могут почитать дальше.

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 50колебаний(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 50раз 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.

1)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;

2)приборы, предназначенные для измерения переменного тока, показывают его действующее значение;

3)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;

4)зная значение(действующее) переменного напряжения, всегда можно узнать его максимальное значение(не забудьте – оно меняется по синусоидальному закону). А связь здесь такая –

U max = 1,4 U , где U – действующее значение, а U max – максимальное значение(амплитуда). На этом пока всё!

Электрический ток постоянный и переменный

В самом начале, давайте дадим короткое определение электрическому току. Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Ток – это движение электронов в проводнике, напряжение – это то, что приводит их (электроны) в движение.

Теперь рассмотрим такие понятия, как постоянный и переменный ток и выявим их принципиальные отличия.

Отличие постоянного тока от переменного

Основная особенность постоянного напряжения в том, что оно постоянно как по своей величине, так и по знаку. Постоянный ток, “течет” в все время одну сторону. Например, по металлическим проводам от плюсового зажима источника напряжения к минусовому (в электролитах его создают положительные и отрицательные ионы). Сами же электроны движутся от минуса к плюсу, но ещё до открытия электрона договорились считать, что ток течет от плюса к минусу и до сих пор при расчетах придерживаются этого правила.

Чем же от постоянного отличается переменный ток (напряжение)? Из самого названия следует, что он меняется. Но – как именно? Переменный ток меняет за период как свою величину, так и направление движения электронов. В наших бытовых розетках – это ток с синусоидальными (гармоническими) колебаниями частотой 50 герц (50 колебаний в секунду).

Если рассмотреть замкнутую цепь на примере лампочки, то мы получим следующее:

  • при постоянном токе электроны будут течь через лампочку всегда в одном направлении от (-) минуса к (+) плюсу
  • при переменном направление движения электронов будет меняться в зависимости от частоты генератора. т. е. если в нашей сети частота переменного тока 50 герц (Hz), то направление движения электронов за 1 секунду поменяется 100 раз. Таким образом + и – в нашей розетке меняются местами сто раз в секунду относительно ноля. Именно поэтому мы можем воткнуть электрическую вилку в розетку “вверх ногами” и все будет работать.

Переменное напряжение в нашей бытовой розетке изменяется по синусоидальному закону. Что это значит? Напряжение от нуля увеличивается до положительного амплитудного значения (положительный максимум), потом уменьшается до нуля и продолжает уменьшаться дальше – до отрицательного амплитудного значения (отрицательный максимум), затем снова увеличивается, переходя через ноль и возвращается к положительному амплитудному значению.

Говоря другими словами, при переменном токе постоянно меняется его заряд. Это значит, что напряжение составляет то 100%, то 0%, то снова 100%. Получается, что за секунду электроны 100 раз меняют направление своего движения и свою полярность, с положительной на отрицательную (помните, что их частота составляет 50 герц – 50 периодов или колебаний в секунду?).

Первые электрические сети были постоянного тока. С этим было связано несколько проблем, одна из них – сложность конструкции самого генератора. А генератор переменного тока обладает более простой конструкцией, а потому прост и дешев в эксплуатации.

Дело в том, что одинаковую мощность можно передать высоким напряжением и маленьким током или наоборот: низким напряжением и большим током. Чем больше ток, тем больше нужно сечение провода, т.е. провод должен быть толще. Для напряжения толщина провода не важна, были бы изоляторы хорошие. Переменный ток (в отличие от постоянного) просто легче преобразовывать.

И это – удобно. Так по проводу относительно небольшого сечения электростанция может отправить пятьсот тысяч (а иногда и до полутора миллионов) вольт энергии при токе в 100 ампер практически без потерь. Потом, например, трансформатор городской подстанции “заберет” 500 000 вольт при токе в 10 ампер и “отдаст” в городскую сеть 10 000 вольт при 500 амперах. А районные подстанции уже преобразуют это напряжение в 220/380 вольт при токе порядка 10 000 ампер, для нужд жилых и промышленных кварталов города.

Разумеется схема упрощена и имеется в виду вся совокупность районных подстанций в городе, а не какая-то конкретно.

Персональный компьютер (ПК) работает по схожему принципу, но – в обратную сторону. Он преобразует переменный ток в постоянный а затем, при помощи блока питания, понижает его напряжение до значений, необходимых для работы всех компонентов внутри корпуса компьютера.

В конце 19-го века всемирная электрификация вполне могла пойти и другим путем. Томас Эдисон (считается, что именно он изобрел одну из первых коммерчески успешных ламп накаливания) активно продвигал свою идею постоянного тока. И если бы не исследования другого выдающегося человека, доказавшего эффективность тока переменного, то все могло бы быть по другому.

Гениальный серб Никола Тесла (некоторое время работавший у Эдисона), первым спроектировал и построил генератор многофазного переменного тока, доказав его эффективность и преимущество по сравнению с аналогичными разработками, работавшими с постоянным источником энергии.

Сейчас давайте рассмотрим “места обитания” постоянного и переменного тока. Постоянный, например, находится в нашем телефонном аккумуляторе или батарейках. Зарядные устройства трансформируют переменный ток из сети в постоянный, и уже в таком виде он оказывается в местах его хранения (аккумуляторах).

Источники постоянного напряжения это:

  1. обычные батарейки применяемые в различных приборах (фонарики, плееры, часы, тестеры и т.д.)
  2. различные аккумуляторы (щелочные, кислотные и т. п.)
  3. генераторы постоянного тока
  4. другие специальные устройства, например: выпрямители, преобразователи
  5. аварийные источники энергии (освещение)

Например, городской электротранспорт работает на постоянном токе напряжением в 600 Вольт (трамваи, троллейбусы). Для метрополитена оно выше – 750-825 Вольт.

Источники переменного напряжения:

  1. генераторы
  2. различные преобразователи (трансформаторы)
  3. бытовые электросети (домашние розетки)

О том, как и чем измерять постоянное и переменное напряжение мы с Вами говорили вот в этой статье, а напоследок (всем тем кто дочитал статью до конца) хочу рассказать небольшую историю. Озвучил ее мне мой шеф, а я перескажу с его слов. Уж больно она к нашей сегодняшней теме подходит!

Поехал он как-то в служебную командировку с нашими директорами в соседний город. Налаживать дружественные отношения с тамошними IT-шниками :) А сразу возле трассы там такое замечательное местечко есть: родник с чистой водой. Возле все обязательно останавливаются и воду набирают. Это, своего рода, уже традиция.

Местные власти, решив облагородить данное место, сделали все по последнему слову техники: вырыли сразу под родничком большую прямоугольную яму, обложили ее ярким кафелем, перелив сделали, подсветку светодиодную, бассейн получился. Дальше – больше! Сам родник “упаковали” в крапленую гранитную крошку, придали ему благородную форму, иконку над жерлом под стекло вмуровали – святое место, значится!

И последний штрих – поставили систему подачи воды на фотоэлементе. Получается, что бассейн всегда наполнен и в нем “булькает”, а чтобы набрать воду непосредственно из родничка, нужно поднести руки с сосудом к фотоэлементу и оттуда – “проистекает” :)

Надо сказать, что по дороге к источнику наш шеф рассказывал одному из директоров, как это круто: новые технологии, вайфай, фотоэлементы, сканирование по сетчатке глаза и т.д. Директор был классическим технофобом, поэтому придерживался противоположного мнения. И вот, подъезжают они к родничку, подносят руки куда следует, а вода не течет!

Они и так, и сяк, а результата – ноль! Оказалось, что тупо не было напряжения в электрической сети, которая питала эту шайтан-систему :) Директор был “на коне”! Отпустил несколько “контрольных” фраз по поводу всех этих п. х технологий, таких же п. х элементов, всех машин вообще и данной конкретной в частности. Зачерпнул канистрой прямо из бассейна и пошел в машину!

Вот и получается, мы можем настроить все что угодно, “поднять” навороченный сервер, предоставить лучший и востребованный сервис, но, все равно, самый главный человек – это дядя Вася-электрик в ватнике, который одним движением руки может организовать полный skipped всей этой технической мощи и изяществу :)

Так что помните: главное – качественное электропитание. Хороший серверный UPS (источник бесперебойного питания) и стабильное напряжение в розетках, а все остальное – приложится :)

На сегодня у нас – все и до следующих статей. Берегите себя! Ниже – небольшое видео по теме статьи.

–> Сайт Георгия Таненгольца –> Главная | –> Мой профиль | –> Регистрация | –> Выход | –> Вход | RSS

–> –>Категории раздела –>

–> –>Статистика –>

Каталог статей

Переменный электрический ток

Переменным называют такой ток, величина которого меняется во времени.

По форме переменные токи подразделяются на периодические и непериодические.

Переменный непериодический ток

Переменный периодический ток (импульсы)

Периодические токи бывают несинусоидальные и синусоидальные.

Токи могут быть изменяющиеся по направлению и не изменяющиеся по направлению.

Наибольшее значение в электротехнике имеют синусоидальные токи. Синусоидальные токи производятся генераторами переменного тока.

Зачем нам переменный ток?

Этого не понимал даже великий Эдиссон. Он считал, что логичнее и проще использовать постоянный ток. Вся современная электроэнергетика – это энергетика переменного тока.

Дело в том, что переменное напряжение легко менять – повышать и понижать. Это очень важно! Например, для передачи электроэнергии на расстояние. Переменное напряжение можно поднять трансформатором до сотен тысяч Вольт и с минимальными потерями передавать электроэнергию на тысячи км.

Распределять электроэнергию в местных сетях тоже выгоднее в виде переменного тока.

Переменный ток легче производить – генераторы переменного тока проще и дешевле, чем генераторы постоянного тока.

Переменным током можно крутить самые надежные и недорогие электродвигатели – асинхронные, на них построена вся промышленность.

В быту и промышленности – везде используется переменный ток.

В домашних розетках действует переменное напряжение 220 Вольт. На это напряжение рассчитаны лампочки освещения, утюги, стиральные машины, пылесосы, электроинструмент и все остальные бытовые приборы. Электронные устройства – радио и теле аппаратура питаются постоянным током, но включаются они вилками в розетки 220 Вольт, а преобразование делается уже в самих аппаратах.

В промышленных помещениях используется переменное напряжение 220 Вольт и 380 Вольт. Под 380 Вольт подключают промышленное оборудование.

Нужно научиться считать токи, напряжения и мощности в цепях переменного тока, Это необходимо для правильного выбора источников, переменного напряжения и правильного выбора потребителей переменного тока.

В основе рассуждений о переменных процессах в электрических цепях лежат свойства синусоидального переменного процесса, то есть гармонических колебаний.

Гармоническое колебание изображается синусоидой

График изображает изменение значения переменной величины. В каждый следующий момент времени величина становится другой и если изменение происходит по закону синуса, то получается синусоида. Синусоида это изображение гармонического колебания.

Основные параметры синусоиды – Период Т в секундах, частота f в Гц и Амплитуда

Гармония – это согласованность, слаженность, взаимная обусловленность частей в целом. Синусоидальное колебание происходит равномерно без рывков и неожиданных изменений, оно полностью предсказуемо. Синусоида получается как линейная развертка равномерного вращения.

Колебание напряжения от источника получается гармоническим, – синусоидальным, потому, что процесс генерации этого напряжения происходит симметричной круглой конструкцией с равномерно вращающимся ротором.

Генератор переменного тока

Переменное напряжение, которое получается на выходе обмотки этого генератора, получается примерно синусоидальным

На самом деле получить идеально синусоидальный процесс невозможно, но мы будем рассматривать именно гармонический процесс как наиболее простой, а всеми отклонениями от синусоидального процесса для начала можно пренебречь

Синусоида достаточно сложная кривая и расчеты всех значений по синусоиде затруднительны. Более просто те же самые процессы гармонического колебания можно изобразить вращающимся вектором. Синусоида строится как набор точек, которые соответствуют положению конца радиус – вектора. Радиус – вектор переменной величины равен ее максимальному значению, а изменения переменной величины отражаются положением этого вектора.

Мгновенное значение переменной величины (точка на синусоиде) соответствует данному положению вращающегося радиус – вектора. Вертикальная проекция радиус вектора, определяет мгновенное значение переменной величины. Эта проекция радиус-вектора – противолежащий катет треугольника, а он, как известно, равен радиус вектору (гипотенузе) на синус угла поворота радиус вектора. То есть, положение точки – ее высота на синусоиде определяется синусом угла поворота радиус вектора.

Радиус -вектор рассматривают как вращающийся вокруг точки начала, против часовой стрелки, . График синусоиды откладывается на шкале времени вправо. Каждая точка синусоиды получается, как проекция конца радиус вектора в данный момент. А поскольку он крутится, значит, каждое следующее положение вектора, можно определить углом его положения.

Каждая точка синусоиды может быть описана углом положения радиус вектора в данный момент.

Для того, чтобы понятны формулы вспомним, как измеряются углы окружности.

Традиционное измерение в градусах –

360 –вся окружность

270 –три четверти окружности половина

180 – половина окружности

Анализ синусоиды в градусах неудобен, поэтому используется измерение углов в радианах

Что такое «ПИ». π – это число которое показывает сколько раз диаметр окружности укладывается в ее длине – Важнейшая мировая константа, она равна 3,14

Построим в окружности угол так, чтобы радиусы приходили в точки окружности на концах дуги равной тоже радиусу. Таких кусочков дуги укладывается в окружности 6,28 раза, значит, таких углов можно уложить в окружность тоже 6,28.

Угол, который опирается на дугу, равную радиусу называется радиан, в окружности 6, 28 радиан. А что такое 6,28 – это 2 π, то есть, в окружности 2 π радиан.

Тогда просто сравнить и понять

360 –вся окружность 6, 28 радиан – 2 π

270 –три четверти окружности 3 π/2

180 – половина окружности 3,14 радиана – π

90 – четверть окружности π/2

Значит, угол можно измерять в градусах и можно в радианах с коэффициентом π , в нашем случае это гораздо удобнее.

Как протекает переменный синусоидальный процесс во времени? Какой величины будет мгновенное значение переменной через такое -то время? Это зависит от скорости вращения радиус вектора.

Угловая скорость или угловая частота.

Скорость это путь на время. Полный путь вращающегося вектора это 2 π -целая окружность, и этот путь надо разделить на время Т, за которое радиус вектор, проходит всю окружность. Время Т называется период вращения Таким образом угловая частота обозначается ω и равна она 2 π /Т

Теперь у нас есть возможность определить значение переменной величины в любой точке (момент t) , то есть, любое мгновенное значение. Например, мгновенное значение переменного напряжения.

u=UmSin ω t, где t – это мгновение времени от нуля, в которое нас интересует переменная величина.

u – мгновенное значение переменного напряжения

Um – максимальное значение переменной величины (радиус –вектор)

Sin ω t – закон изменения переменной величины

Фаза

Фазой называется начальный угол, в котором мы начинаем рассматривать переменный процесс.

В электротехнике начальная фаза нас интересует обычно, когда мы рассматриваем одновременно 2 и больше переменных процесса.

Радиус вектор, вращается против часовой стрелки. Каждое мгновенное положение вектора соответствует определенной фазе.

Сдвиг фаз

Сдвиг фаз позволяет оценить 2 синусоидальных процесса во времени.

Фаза красной синусоиды -0, фаза синей синусоиды π / 2 , когда красная синусоида еще имеет значение 0, синяя уже выросла до максимального значения, синяя синусоида опережает красную по фазе.

Шкала времени синусоиды откладывается вправо от нуля. Если возьмем условно ноль времени за начало отсчета, то видно, что в этот момент мгновенное значение красной синусоиды равно нулю, ее фаза равна 0, в этот же момент синяя синусоида уже имеет максимальное значение, ее фаза π/2 или 90 градусов, Синяя синусоида впереди.

Фаза красной синусоиды -0, фаза синей синусоиды – π / 2, когда красная синусоида уже имеет значение 0, синяя еще в отрицательном максимуме, красная синусоида опережает синюю по фазе.

Начальная фаза- это угол радиус вектора в условный момент, который мы считаем моментом начала процесса. Начальная фаза важна для понимания сдвига фаз между разными переменными процессами

Начальная фаза обозначается буквой, Ψ и она прибавляется к углу поворота радиус вектора для данного мгновенного значения.

В дальнейшем слово «начальная» мы опускаем и когда говорим «фаза», то подразумеваем, что это начальная фаза.

Синусоида, фаза которой будет больше, опережает ту синусоиду, фаза которой меньше.

Впереди та синусоида, вектора которой повернут на больший угол.

Векторы, смотрящие вверх от горизонтального направления, считаются опережающими, а векторы, смотрящие вниз от горизонтального направления, считаются отстающими или позади.

Действующее значение переменной величины

На примере напряжения.

Переменное напряжение все время меняется. Как сказать, какое это напряжение, если оно в каждое следующее мгновение другое. Чтобы объявить значение переменного напряжения, его сравнивают со значением постоянного напряжения, которое дает такой же результат. Например, выделяет на одной и той же лампочке такую же мощность. То есть, если лампочка горит одинаково под переменным напряжением и под постоянным напряжением, значит переменное напряжение по действию равно постоянному.

Такое значение переменного напряжения принято называть действующим.

Для того чтобы получить нужное действующее значение синусоиды, ее амплитуда должна быть в корень из двух раз больше соответствующего значения постоянной величины.

Например, переменное напряжение 220 Вольт – это действующее значение переменного напряжения, Оно дает такой же результат, что и постоянное напряжение 220 Вольт, то есть мы не узнаем, глядя на лампочку, переменное напряжение на ней действует или постоянное.

Оказалось, что чтобы получить действующее напряжение 220 Вольт. Надо создать переменное напряжение, такой величины, чтобы амплитуда напряжение достигала 310 Вольт, то есть, было в корень из двух больше соответствующего действующего. 220 * 1,41= 310

Действующее значение – главная оценка переменной величины и обычно она обозначается символом без индекса, например I, U, E.

Амплитудные значения используют индексы Iа, Uа, Eа , или Im, Um, Em. В практических расчетах оно нас редко интересует.

AC/DC: чем отличается переменный ток от постоянного?

Энергосистема строится на переменном токе, тогда как во многих бытовых приборах используется постоянный.

Налицо явное несоответствие: зачем-то генерируют ток одного типа, когда нужен совсем другой. Разобраться в этом вопросе поможет нижеприведенная статья, тема которой — постоянный и переменный ток: разница.

Что такое постоянный ток?

Электрическим током называют движение заряженных частиц: в металлах — электронов, в электролитах — положительно и отрицательно заряженных ионов, в полупроводниках — электронов или дырок, в зависимости от типа проводимости.

Количество заряда, пересекающего поперечное сечение проводника за единицу времени, называют силой тока и измеряют в амперах.

В постоянном токе заряженные частицы движутся в одном направлении и при этом сила тока либо не меняется, либо меняется столь медленно, что индуктивность и емкость цепи (см. ниже) никак себя не проявляют.

Что такое переменный ток?

Переменный ток периодически меняет не только силу, но и направление движения носителей заряда. График изменения силы тока может быть ступенчатым или остроконечным, но в основном приходится иметь дело с током синусоидальным, то есть график изменения его силы имеет вид синусоиды. Именно такой ток вырабатывают генераторы электростанций.

Причина синусоидальности состоит в том, что генерация электричества обеспечивается вращением источника магнитного поля (ротора) внутри обмотки (статора) и величина наведенной ЭДС, в соответствии с законом электромагнитной индукции, определяется формулой: Е = dФ * sin (wt), где dФ — изменение магнитного потока, w — угловая скорость вращения ротора, t — время. Произведение wt составляет угол поворота линии между полюсами относительно катушки обмотки статора, ЭДС которой рассматривается.

Силу переменного тока в данный момент времени называют мгновенным значением. Оно крайне неудобно для расчетов, поскольку постоянно меняется. Вместо мгновенного оперируют действующим значением — постоянным током, вызывающим в проводнике такое же выделение тепла, как и данный переменный.

Так же поступают с переменным напряжением. Говорят, к примеру, что в однофазной сети напряжение 220 В, тогда как на деле оно постоянно меняется от -311 В до +311 В. 220 В — это действующее значение. То есть сетевое переменное напряжение вызывает в проводнике выделение тепла той же мощности, какое вызывало бы постоянное напряжение в 220 В.

В чем разница?

Переменный ток отличается от постоянного, рядом физических явлений. Далее они рассматриваются подробно.

Поверхностный эффект (скин-эффект)

Понять явление скин-эффекта поможет следующая логическая цепочка:

  1. движение заряженных частиц в проводнике всегда сопровождается возникновением магнитного поля с полярностью и индукцией, зависящими, соответственно, от направления и силы тока. Магнитное поле аккумулирует в себе часть электрической энергии;
  2. ток с трансформацией силы и направления, соответственно, формирует изменяющееся (переменное) магнитное поле;
  3. согласно закону электромагнитной индукции, изменяющийся магнитный поток формирует в проводнике, пересекаемом его силовыми линиями, ЭДС. Это относится и к проводнику, пропускающему данный ток. При этом ЭДС направлена против вызывающей ее силы, то есть против переменного тока.

То есть переменный ток вызывает в проводнике противоЭДС, причем она возрастает к центру проводника, где концентрация силовых линий поля выше. В результате, носители заряда вытесняются на поверхность, отчего эффект и получил название «поверхностный».

Чем меньше активная площадь поперечного сечения, тем больше препятствий приходится преодолевать одному и тому же количеству заряда. Следовательно, скин-эффект выражается в увеличении сопротивления проводника. Действительно, опытным путем можно установить, что сопротивление проводника постоянному току всегда ниже, чем переменному с тем же действующим значением.

Скин-эффект в проводнике

Применяют следующие меры борьбы со скин-эффектом:

  • используют проводники в виде трубы или плоской ленты;
  • покрывают провода металлами с максимальной проводимостью — серебром и золотом;
  • используют вместо монолитного проводника систему из нескольких изолированных жил (литцендрат).

Индуктивность

Индукция сформированного током магнитного поля зависит от конфигурации проводника. Если он смотан в катушку, возникает более сильное поле, чем в случае с прямым проводником.

Соответственно, наводимая им противоЭДС получается сравнительно большой. Таким образом, катушка (дроссель, обмотка трансформатора или двигателя) оказывает сопротивление переменному току.

В противоположность активному сопротивлению, индуктивное называют реактивным.

В каждом полупериоде переменный ток тратит часть энергии на преодоление этого сопротивления и создание магнитного поля противоположной полярности. Такие потери называют реактивной мощностью. На постоянный ток индуктивность тоже влияет, но только в момент подачи питания в цепь, когда сила тока нарастает от нуля до номинального значения.

Проводимость цепи с конденсатором и емкостное сопротивление

Через цепь с включенным в нее конденсатором постоянный ток не течет, поскольку она фактически разомкнута: между обкладками конденсатора имеется заполненный диэлектриком промежуток.

Конденсатор в цепи переменного тока

Переменный же ток цепь проводит, при этом конденсатор работает так:

  • в 1-м полупериоде: при возрастании силы тока заряжается, при уменьшении — разряжается;
  • во 2-м полупериоде: снова заряжается и разряжается, но с обратным знаком.

Разряжаясь, конденсатор, подобно магнитному полю индуктивной катушки, отдает в цепь накопленную энергию, тем самым как бы препятствуя снижению силы тока. То есть при протекании переменного тока имеет место еще одна форма реактивного сопротивления — емкостное.

Сравнение достоинств

Постоянный ток повышает качество работы приборов, потому электроника функционирует именно на этой разновидности электричества. Также и сварка постоянным током получается более качественной.

Но и у переменного тока есть преимущества, побудившие строить энергосистему на нем:

  1. простота конструкции и низкая стоимость генераторов;
  2. возможность преобразования напряжения при помощи простых устройств — трансформаторов. Это позволяет повышать напряжение для передачи по ЛЭП, а в распределительных сетях снижать его до 220 В. Поскольку мощность тока определяется формулой W = U * I, то с возрастанием напряжения пропорционально уменьшается сила тока, а значит и потери в ЛЭП (выделяемое тепло кратно квадрату силы тока Q = I 2 * R);
  3. простая конструкция и низкая стоимость преобразователей переменного напряжения в постоянное. Устройства для обратного преобразования имеют более сложную конструкцию и низкий КПД;
  4. возможность 3-фазного электроснабжения. Напряжение в каждой фазе по-прежнему составляет 220 В, но между фазами получается более высокое напряжение — 380 В.

Достоинства 3-фазного электроснабжения:

  • уменьшение размеров двигателей и трансформаторов;
  • изменение мощности электроприемника путем соединения обмоток по разным схемам — «звезда» или «треугольник»;
  • возможность менять направление вращения асинхронного электродвигателя;
  • отсутствие мерцания у люминесцентных светильников (отдельные лампы подключаются к разным фазам).

Линии электропередач работают на постоянном токе

Тем не менее, ЛЭП, передающие значительные мощности на сверхдальние расстояния, работают на постоянном токе, причины следующие:

  • отсутствие скин-эффекта, благодаря чему предельная мощность не зависит от длины линии и превосходит предельной мощности для линии переменного тока;
  • возможность связки систем, работающих на разных частотах.

Направление движения

Ток направлен в ту сторону, в которую движутся положительно заряженные частицы. А перемещаются они от положительного полюса источника к отрицательному. Данное правило незыблемо даже для тех случаев, когда свободные заряженные частицы переносят только отрицательный заряд (например, электроны в металлических проводниках).

Ток все так же считается направленным от «плюса» к «минусу», хотя на самом деле носители заряда движутся в противоположном направлении.

Частота

Число циклов изменения параметров переменного тока за единицу времени называется частотой. Частота переменного тока в электросети составляет 50 Гц, то есть за одну секунду он совершает 50 колебаний, каждое из которых состоит из двух полуволн синусоиды.

С повышением частоты наблюдаются следующие явления:

  1. снижается опасность переменного тока для организма. На заре прошлого века ученый-изобретатель Н. Тесла проводил публичные опыты, в ходе которых пропускал через себя ток напряжением в миллионы вольт (держал за цоколь лампу и она при этом светилась). Ток не причинял вреда потому, что его частота исчислялась в мегагерцах. Частота в 50 Гц принята для сетевого тока по техническим причинам. При такой частоте ток для организма крайне опасен;
  2. уменьшаются габариты трансформаторов. Данное обстоятельство помогло существенно сократить размеры сварочных аппаратов. Современные модели оснащены инвертором (их так и называют — инверторные) — особой схемой, повышающей частоту тока с 50 Гц до 80 кГц. В результате требуется намного меньший трансформатор, к тому же потери в нем существенно снижаются.

Однако, с увеличением частоты сильнее проявляется поверхностный эффект.

Видео по теме

О разнице между постоянным и переменным током в видео:

Как видно, изменение характера движения заряженных частиц приводит к целому ряду следствий, кажущихся малосведущему человеку весьма неожиданными.

Выясняется, к примеру, что переменный ток, считающийся более опасным, чем постоянный, может при относительно высоких напряжении и силе тока оказаться безвредным. И в наше время электричество продолжает удивлять ученых сюрпризами в виде новых необъяснимых пока явлений.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий