Переменный электрический ток и значение частоты

Электричество существует в природе повсеместно: это и грозовые молнии, и электрохимическая коррозия металлов (ржавление), а также деятельность мозга и нервных окончаний живых существ – примеров можно привести множество.
Человечество поставило электрические силы себе на службу не так уж давно — всего двести лет назад, хотя было знакомо с электромагнитными явлениями с глубокой древности.
Зато на сегодняшний день подавляющее большинство современной техники, осветительных и отопительных систем работают на электричестве.

Так что же мы знаем о нём?

Что такое электрический ток и напряжение

На заре исследования электричества учёные сравнивали его с неким течением эфира, и они были не так уж далеки от истины потому, что это поток частиц, возникающий из-за разницы поля потенциалов на концах цепи.

В общем под ними понимаются не только электроны, как это принято считать.
Любые частицы, обладающие более положительным или отрицательным зарядом по сравнению с остальными, могут создавать электричество (например, катионы или анионы в электролитах).
Цепью является замкнутая система, содержащая заряженные атомы. Чаще всего для создания электрических цепей используются металлы, которые благодаря уникальному атомному строению имеют большое количество свободных электронов.

Существуют токи следующих видов:

• Постоянный – его ещё иногда называют прямым (когда вся сумма частицы с течением времени движется в одном направлении);
• Переменный – его иногда называют попеременным (когда движение  систематически меняет направление).

Величина, которая показывает какое количество заряда прошло через поперечное сечение проводника за единицу времени, называется силой тока (I) и выражается в амперах (А) (названа так в честь французского учёного Ампера).

Напряжение(U) – это слово означает движущую силу ( эдс ) , которая подталкивает электроны двигаться в определённом направлении, и которая возникает из-за разницы потенциалов на концах цепи. Оно выражается в вольтах (В).

Проше говоря, для «чайников» напряжение можно представить в виде атмосферных явлений в двух соприкасающихся областях.
Простой пример: температура воздуха в Новгороде выше нуля, а в соседнем Твери уже начались первые заморозки.
Из-за разных давлений, связанных с температурным расширением воздуха, ветер будет дуть из Твери в Новгород.
В данном примере представьте разницу атмосферных давлений как разницу потенциалов – это и есть напряжение.
А любой ветер – электричество. Чем сильнее контраст температур в двух областях в которых расположены города (суммы количества зарядов на двух концах цепи), тем более сильный ветер (ток) будет дуть из одного направления в другое, и наоборот.

Направление движения электронов в цепи изменяется при помощи прикладываемого напряжения, поэтому существует два вида напряжений (в зависимости от того, какой ток они создают):

• Постоянное напряжение (возникает при создании постоянного отличия потенциалов на двух концах цепи);
• Переменное напряжение (возникает, если периодически менять полярность потенциалы на концах цепи).

Согласно формуле задач для расчета, напряжение и ток подчинены закону Ома:

где I – это сила тока в амперах, U – напряжение в вольтах, R – сопротивление цепи (единица измерения Ом).

Из такой формулы видно, что ток прямо зависит от напряжения источника.

Единственное, что его ограничивает – это сопротивление, которое оказывают статичные атомы среды (например, металла) движению заряженных электронов – то есть сопротивление проводника.

Источники электрического тока.

Рассмотрим получение постоянного и переменного тока в зависимости от метода получения:

Механический

В начале XIX века Майкл Фарадей каким-то чудом открыл удивительную способность магнита при движении через катушку с проводом возбуждать в ней магнитную индукцию.

При вращении магнита внутри катушки индуктивности в право, лево или верх, низ его магнитное поле как бы тянет за собой электроны, которые начинают активно перемещаться в замкнутом проводнике.
Основное получение в настоящее время переменного электрического тока приходится на долю электромагнитного механического возбуждения.

Химический

Основан на возникновении движения электронов в следствие химических реакций.

Тепловой

Помимо электромагнитной катушки в начале XIX века было совершено ещё одно очень важное открытие: Томас Зеебек обнаружил, что электричество может возникать в сочетании двух проводников (термопаре) при их непосредственном нагреве.

Световой

Основан на явлении фотоэффекта – способности некоторых материалов под действием световых волн испускать заряженные электроны.
Например, при облучении светом полупроводников возникает внутренний фотоэффект – испускаемые электроны остаются внутри полупроводника, повышая тем самым его проводимость. При соединении полупроводников (различия проводимости которых обозначаются буквами n и p) в диод, внутренний фотоэффект пропорционально приводит к возникновению движения электронов из места с большой концентрацией в область с их недостатком.

Источники электрической энергии

Человечество использует все возможные источники электрической энергии. Как ток постоянный, так и переменный находят активное применение в повседневной жизни.

Химический метод получения применяют при создании аккумуляторов и батареек.

Таким способом может получаться только постоянный электрический ток.

На основе термопар были созданы устройства — теплогенераторы.

Они способны получить электричество из энергии термальных вод.

С изобретением диодов стало возможным собирать эффективные солнечные батареи, которые работают на внутреннем фотоэффекте.
Ну и, наконец, подавляющее большинство тепло- и гидроэлектростанций, приливных электростанций, ветрогенераторов, атомных электростанций работают по принципу вращения магнита в катушке индуктивности — отличается только способ изменения индукции и приведение магнита в движение.

Получаемый при этом ток является изменяющимся.

В чем отличия переменного тока

Давайте рассмотрим, чем отличается практически переменный ток от постоянного.
Как уже упоминалось выше, основное отличие заключаются в направлении движения зарядов.

Постоянный ток

Постоянное напряжение характерно для электрохимических реакций, которые возникают в гальваническом элементе (батарейка, аккумулятор).

Батарейки и аккумуляторы применяется в большинстве автономных бытовых приборов.

В случае возникновения постоянного напряжения движение электронов не будет изменяться со временем.
Величина напряжения в каждый момент времени  одинакова и составляет максимум из возможных в зависимости от заряда.
Постоянный электрический ток менее опасен для человека, поскольку за счёт своей природы оказывает меньшее воздействие на нервы и сердце живых существ.

Переменный ток

Что такое по сути переменный ток уже упоминалось выше – это явление синусоидального (то есть происходящего через равные промежутки времени) изменения силы и направления движения заряженных частиц во времени.
Эта работа чем-то напоминает качели: движение набирает силу сначала в одном направлении, затем плавно сдаёт назад, затухает и снова усиливается уже в обратном направлении.
Если отобразить на графике зависимость сила и напряжение переменного тока от времени – то получится синусоида относительно оси абсцисс.

Постоянный ток выглядит на этом графике как ровная линия.

В случае переменного тока напряжение сети в каждый момент времени может отличаться: изменяться от максимального до значения, которое равно нулю, и наоборот.

Это свойство позволяет использовать меньшее сечение проводника для прокладки электрических сетей переменного тока.

Также переменный электрический ток более опасен для человека. Он вызывает большую возбудимость нервных окончаний, и удар периодическим током может остановить сердце.

Частота тока

Известно, что одной из важных характеристик переменного тока является частота ( скорость ), с которой оно изменяет своё направление.
Определение частоты звучит так: это число полных колебаний переменного тока за одну секунду.
В нашей сети используется частота 50 герц ( гц )

Это значит, что за одну секунду полярность и амплитуда напряжения меняется 50 раз.
В данном случае 1/50 секунды – это так называемый период (T) – время, за которое происходит полный такт изменения полярности напряжения.

Ещё одно отличие переменного тока: у постоянного частота отсутствует, поскольку он не изменяет свои характеристики во времени.

Преобразование переменного тока

Преобразование от переменного тока к постоянному стало возможным с появлением первых диодов – полупроводниковых элементов, способных проводить его только в одну сторону.

Приборы на основе диодов считаются выпрямителями, а сам процесс преобразования из синусоидального в постоянный – выпрямлением.

Проходя через диод, утрачивается способность изменять значения силы тока и напряжения на противоположную полярность, но при этом остаётся эффект пульсации – как если бы от синусоиды отсекли нижнюю (отрицательную) часть и подставили её к верхней части (положительной).

Получается не совсем ровный ток, а пульсирующий, изменяющий во времени свою силу.
Напомним, что график зависимости силы и напряжения постоянного тока от времени выглядит, как прямая линия.

Чтобы сгладить эффект пульсации, существуют специальные фильтры, используемые в цепи (например, конденсаторы большой емкости).

Конденсатор забирает на себя уменьшение и увеличение напряжения токов по амплитуде.

Это позволяет приблизить график синусоидального изменения к линии и сделать его среднее напряжение более стабильным.

Преобразование тока в переменный

Процесс преобразование постоянного тока в синусоидальное может называться инвертированием.

Приборы, которые преобразуют постоянный ток в переменный – это инверторы.

Принцип работы прибора заключается в попеременном изменении порядка подключения полюсов цепи источника ( U ип ) к цепи потребителя.
То есть, чтобы соединить переменный и постоянный ток, необходимо периодически менять полярность подключения источника переменного и постоянного тока.

На рисунке инвертор показан как  точки (1-2, 3-4), которые соединяют источник тока с потребителем.
В какой-то момент времени порядок соединения последовательно изменяется (1-2, 4-3) – данная манипуляция заставит электричество изменить направление своего движения.
Осуществляя переключение клемм с определённой частотой, можно регулировать параметры получаемого периодического напряжения.

При движении изменяется угол поворота радиус-вектора относительно его начального положения, а это и есть фаза переменного тока.

Где используется и в чем преимущества переменного тока

Постоянный ток может использоваться в большинстве бытовых приборов благодаря ряду преимуществ:

• Этот ток не создаёт реактивное сопротивление в цепи (сопротивление, которое является вредным, поскольку расходует мощность генератора, но при этом не производит полезную работу);
• В цепях постоянного тока задействована вся площадь поперечного сечения проводника, поскольку постоянное электричество характеризуется равномерным движением зарядов.

То есть использование постоянного тока ведёт к уменьшению мощностных потерь.

Однако переменное напряжение обладает важным преимуществом, в связи с чем и заслужил главенствующее место в доставке электроэнергии на дальние расстояния:

• Напряжением переменного тока легче управлять за счёт электромагнитной природы его возникновения.

Используя трансформаторы, учёные сделали понижение напряжения линии высоковольтной передачи до напряжения потребителя достаточно простым действием.
Это позволило передавать электроэнергию высокой мощности на дальние расстояния.

Почему в сети переменное напряжение

Передача энергии от источника к потребителю связана с потерями мощности.

Мощность – так называемая переменная величина, и её можно определить поскольку она зависит от силы тока и равна:

то есть чем меньше сила тока, тем меньше потери мощности при транспортировке.
Однако производитель не может произвольно уменьшать силу тока без компенсации, ведь потребителю необходимо доставить нужный объём мощности для бытовых нужд. Чтобы сохранить небольшую силу тока (I) и высокую мощность (Р), нужен значительный скачок напряжения сети (U) в соответствии с формулой мощности:

Благодаря этим зависимостям величины мощности от силы тока человечество получило возможность существенно сократить потери мощности электроэнергии при передаче на большие расстояния путём повышения напряжения сети.

Разность потенциалов высоковольтных линий электропередачи может достигать 1150 кВ – такая разность делает передачу мощности для промышленных предприятий по проводам максимально эффективной с минимальными потерями.

Однако возникает существенная проблема: высокое напряжение нужно как-то снизить, чтобы раздать потребителю электроэнергии из обычной розетки дома.

Проще всего снижать или повышать разность потенциалов с помощью использования трансформатора.

Электромагнитное поле высоковольтных линий возбуждает в трансформаторных катушках индуктивности более низкое переменное напряжение, которое мы уже используем в бытовых целях.

Именно благодаря возможности легко управлять переменным напряжением для передачи электрической энергии на большое расстояние была выбрана такая схема.

Обозначения на электроприборах и схемах

Общемировая практика стандартизации технической документации привела к тому, что за определёнными техническими решениями и явлениями закрепились конкретные обозначения. Так существует обозначение и для постоянного и переменного тока.

Как обозначается постоянный ток

За стандартное обозначение постоянного тока выбрана английская маркировка DC – Direct Current (если переводить дословно, это означает «прямой ток»).

На схемах он должен представлять собой сочетание сплошной и пунктирной линий.

Как обозначается переменный ток

Стандартное обозначение представляет собой английскую аббревиатуру AC – Alternating Current (дословно это означает «переменный ток»).
На схемах переменный ток должен обозначаться в виде волнистой линии.

После неё обычно указывается напряжение сети.

Стандартизация обозначений позволяет людям с россии, сша и стран всего мира обмениваться технической документацией, исследованиями, чертежами в понятном, общедоступном формате.

Читайте наши статьи и задавайте вопросы.