Несмотря на то, что электричество прочно вошло в нашу жизнь, подавляющее большинство пользователей этого блага цивилизации не имеют даже поверхностного понимания, что такое ток, не говоря о том, чем отличается постоянный ток от переменного, какая между ними разница, и что такое ток вообще. Первым, кого ударило током, стал Алессандро Вольта, после чего он посвятил этой теме всю жизнь. Давайте и мы уделим внимание этой теме, чтобы иметь общее представление о природе электричества.
Откуда берётся ток и почему он разный?
Мы попробуем избежать сложной физики, и будем использовать для рассмотрения этого вопроса метод аналогий и упрощений. Но перед этим напомним старый анекдот про экзамен, когда честный студент вытащил билет «Что такое электрический ток».
— Извините профессор, я готовился, но забыл - ответил честный студент. — Как Вы могли! Упрекнул его профессор, Вы же единственный человек на Земле, который это знал! (с)
Это конечно шутка, но в ней огромное количество правды. Поэтому не станем искать Нобелевских лавров, а просто разберёмся, переменный ток и постоянный, в чём разница, и что принято считать источниками тока.
За основу мы примем допущение, что ток - это не движение частиц (хотя движение заряженных частиц тоже переносит заряд, а значит, создаёт токи), а движение (передача) избыточного заряда в проводнике от точки большого заряда (потенциала) к точке меньшего заряда. Аналогия - водохранилище, вода всегда стремится занять один уровень (уравнять потенциалы). Если открыть в плотине отверстие, вода начнёт течь под уклон, возникнет постоянный ток. Чем больше отверстие - тем больше воды будет протекать, сила тока вырастет, как и мощность, и количество работы, которую способен выполнить этот ток. Если не управлять процессом, вода разрушит плотину и немедленно создаст зону затопления с поверхностью одного уровня. Это короткое замыкание с выравниваем потенциалов, сопровождающееся большими разрушениями.
Таким образом, постоянный ток появляется в источнике(как правило, за счёт химических реакций), в котором возникает разница потенциалов в двух точках. Движение заряда от более высокого значения «+» к низкому «-» выравнивает потенциал, пока длится химическая реакция. Итог полного выравнивая потенциала, мы знаем - «батарейка села». Отсюда следует понимание, почему постоянное и переменное напряжение значительно отличаются по стабильности характеристик . Батарейка (аккумулятор) расходуют заряд, поэтому напряжение постоянного тока снижается со временем. Для поддержания его на одном уровне используют дополнительные преобразователи. Изначально человечество долго решало, чем отличается постоянный ток от переменного для повсеместного использования, т.н. «Война токов». Она закончилась победой переменного тока не только потому, что меньше потери при передаче на расстояние, но и генерация постоянного тока из тока переменного оказалась проще. Очевидно, что постоянный ток, получаемый таким образом (без расходуемого источника) имеет куда более стабильные характеристики. Фактически в этом случае переменное и постоянное напряжение жёстко связаны, и по времени зависят только от генерации энергии и количества расхода.
Таким образом, постоянный ток по своей природе - это возникновение неравномерного заряда в объёме (химическая реакция), который можно перераспределить при помощи проводов, соединив точку высокого и низкого заряда (потенциала).
Остановимся на таком определении как общепринятом. Все остальные постоянные токи (не батарейки и аккумуляторы) являются производными от источника переменного тока. Например, на этой картинке синяя волнистая линия наш постоянный ток, как итог преобразования переменного.
Обратите внимание на комментарии к картинке, «большое количество контуров и коллекторных пластин». Если преобразователь будет другим, картинка будет другой.
Та же синяя линия ток почти постоянный, но пульсирующий, запомним это слово. Здесь, кстати, чистый постоянный ток - красная линия.
Взаимосвязь магнетизма и электричества
Теперь посмотрим, чем отличается переменный ток от постоянного тока, который зависит от материала. Самое главное -
возникновение переменного тока не зависит от реакций в материале
. Работая с гальваническим (постоянным током), быстро было установлено, что проводники притягиваются друг к другу как магниты. Следствием стало открытие, что магнитное поле при определённых условиях генерирует электрический ток. То есть, магнетизм и электричество оказались взаимосвязанным явлением с обратным преобразованием. Магнит мог дать ток в проводник, а проводник с током мог быть магнитом. На этой картинке моделирование опытов Фарадея, который, собственно говоря, и обнаружил это явление.
Теперь аналогия для переменного тока. Магнитом у нас будет сила притяжения, а генератором тока - песочные часы с водой. На одной половине часов напишем «верх», на другой «низ». Переворачиваем наши часы и видим, как вода течёт «вниз», когда вся вода перетекла, переворачиваем ещё раз и вода у нас течёт «вверх». Притом, что ток у нас имеется в наличии, он меняет направление два раза за полный цикл. По науке это будет выглядеть так: частота тока зависит от частоты вращения генератора в магнитном поле. При определённых условиях мы получим чистую синусоиду, или просто переменный ток с разными амплитудами.
Ещё раз! Это очень важно для понимания, чем отличается постоянный ток от переменного тока. В обеих аналогиях вода течёт «под уклон». Но в случае постоянного тока водохранилище опустеет рано, или поздно, а для тока переменного часы будут переливать воду очень долго, она в замкнутом объёме. Но при этом в обоих случаях вода течёт под уклон. Правда в случае переменного тока, она половину времени течёт под уклон, но вверх. Иначе говоря, направление движения переменного тока величина алгебраическая, то есть «+» и «-» непрерывно меняются местами, при неизменности направления движения тока. Постарайтесь обдумать и понять это отличие. Как модно говорить в сети: «Ты понял это, теперь ты знаешь всё».
Чем обусловлено большое разнообразие токов
Если понимать в чем разница постоянного и переменного токов, возникает естественный вопрос - а зачем их так много, токов? Выбрали бы один ток как стандарт, и всё было бы одинаково.
Но, как говорится, «не все токи одинаково полезны», кстати, давайте подумаем, какой ток опаснее: постоянный или переменный, если мы примерно представили себе не природу тока, а скорее его особенности. Человек - это хорошо проводящий электричество коллодиум. Набор разных элементов в воде (мы на 70% из воды, если кто не в курсе). Если на такой коллодиум подать напряжение - ударить током, то частицы внутри нас начнут передавать заряд. Как и положено от точки высокого потенциала к точке с низким потенциалом. Опаснее всего стоять на земле, которая вообще является точкой с бесконечно нулевым потенциалом. Иначе говоря, мы передадим в землю весь ток, то есть разницу зарядов. Так вот при постоянном направлении движения заряда, процесс выравнивания потенциала в нашем организме происходит плавно. Мы словно песок пропускаем через себя воду. И можем безопасно «поглотить» много воды. При переменном токе картина немного другая - все наши частицы будет «дёргать» то туда то сюда. Песок не сможет спокойно пропускать воду, и весь будет взбаламучен. Поэтому ответ на вопрос, какой ток опаснее постоянный или переменный ответ однозначен - переменный. Для справки, опасная для жизни пороговая сила постоянного тока 300мА. Для переменного тока эти значения зависят от частоты и начинаются со значения 35мА. При токе в 50 герц 100мА. Согласитесь, разница в 3-10 раз сама по себе отвечает на вопрос: что опаснее? Но это не главный аргумент в выборе стандарта тока. Давайте упорядочим всё, что принимается во внимание при выборе вида тока:
- Доставка тока на большие расстояния . Постоянный ток будет потерян почти весь;
- Преобразование в разнородных электрических цепях с неопределённым уровнем потребления. Для постоянного тока практически не решаемая задача;
- Поддерживать постоянное напряжение для переменного тока на два порядка дешевле, чем для тока постоянного;
- Преобразование электрической энергии в механическую силу гораздо дешевле в двигателях и механизмах переменного тока. Такие двигатели имеют свои недостатки и в ряде областей не могут заменить двигатели постоянного тока;
- Для массового использования, таким образом, постоянный ток имеет одно преимущество - он безопаснее для человека.
Отсюда и разумный компромисс, который выбрало человечество. Не один какой-то ток, а вся совокупность доступных преобразований от генерации, доставки потребителю, распределения и использования. Перечислять все мы не будем, но считаем главным ответом на вопрос статьи, «чем отличается постоянный ток от переменного» одно слово - характеристиками. Наверное, это самый правильный ответ для любых бытовых целей. А для понимания стандартов, предлагаем рассмотреть основные характеристики этих токов.
Основные характеристики применяемых сегодня токов
Если для постоянного тока с момента открытия характеристики остались в целом без изменений, то с переменными токами всё обстоит куда сложнее. Посмотрите на эту картинку - модель движения тока в трёхфазной системе от генерации до потребления
С нашей точки зрения очень наглядная модель, на которой понятно как снять одну фазу, две или три. Заодно видно как тот попадает к потребителю.
В итоге мы имеем цепочку генерации, переменное и постоянное напряжение (токи) на этапе потребителя. Соответственно чем дальше от потребителя, тем выше токи и напряжение. Фактически в нашей розетке самый простой и слабый - переменный однофазный ток, 220В с фиксированной частотой в 50 Гц. Только повышение частоты способно при этом напряжении сделать ток высокочастотным. Простейший пример стоит у Вас на кухне. СВЧ печать преобразует простой ток в высокочастотный, который собственно и помогает готовить. Кстати ответим на вопрос о мощности СВЧ - это как раз сколько «обычного» тока она преобразует в токи высокой частоты.
Стоит помнить о том, что любое преобразование токов не обходится «даром». Чтобы получить переменный ток, надо чем-то вращать вал. Чтобы получить из него ток постоянный, придётся часть энергии рассеять как тепло. Даже токи передачи энергии придётся рассеять в виде тепла при доставке в квартиру при помощи трансформатора. То есть любое изменение параметров тока сопровождается потерями. И конечно потерями сопровождается доставка тока потребителю. Это, казалось бы, теоретическое знание, позволяет понять, откуда возникают наши переплаты за энергию, снимая половину вопросов, почему на счетчике 100 рублей, а в квитанции 115.
Вернёмся к токам. Мы упомянули вроде бы все, и даже знаем, чем отличается постоянный ток от переменного, поэтому давайте, напомним какие токи, вообще есть.
- Постоянный ток , источником является физика химических реакций с изменением заряда, может быть получен преобразованием тока переменного. Разновидность - импульсный ток, который меняет свои параметры, в широком диапазоне, но не меняет направления движения.
- Переменный ток . Может быть однофазным, двухфазным или трёхфазным. Стандартным или высокочастотным. Такая простая классификация вполне достаточна.
Заключение или каждому току свой прибор
На фото генератор тока на Саяно-Шушенской ГЭС. А на этом фото место его установки.
А это обычная лампочка.
Не правда ли разница масштабов поражает, хотя первое создано, в том числе и для работы второго? Если обдумать эту статью, то становится понятно, что чем ближе прибор к человеку, тем чаще в нём применяется постоянный ток. За исключением двигателей постоянного тока и промышленного применения это действительно стандарт, основанный именно на том, что какой ток опаснее постоянный или переменный мы выяснили. На этом же принципе основаны характеристики бытовых токов, так как переменный ток 220В 50Гц является компромиссом между опасностью и потерями. Цена компромисса - защитная автоматика: от предохранителя до УЗО. Отойдя от человека, мы попадаем в зону переходных характеристик, где и токи и напряжения выше, и где опасность для человека не принимается во внимание, а уделяется внимание технике безопасности - зона промышленного использования тока. Дальше всего от человека, даже в промышленности находится передача энергии и генерация. Простому смертному тут делать нечего - это зона профессионалов и специалистов, которые умеют управлять этой мощью. Но даже при бытовом использовании электричества, и конечно при работах с электрикой, понимание основ природы токов никогда не будет лишним.
Постоянным током называется ток, который имеет одно направление и одну величину.
Графически постоянный ток представляет собой прямую линию.
Природа электрического тока
Проводниками называются медь, алюминий, сталь, серебро и другие металлы. В них много свободных электронов. поэтому они хорошо проводят электрический ток. Их применяют в качестве проводов и называют проводниками.
В проводниках много свободных электронов. Если электрическая цепь разомкнута, то свободные электроны в проводниках находятся в хаотическом движении.
Замкнем электрическую цепь. Источник тока образует в электрической цепи электрическое поле которое взаимодействует с электрическими полями каждого электрона. В результате свободные электроны будут двигаться в одном направлении.
Вывод: Электрический ток в проводниках это направленный поток свободных электронов.
Направление электрического тока
Электрический ток замкнутый поток электронов. Он не имеет ни начала ни конца.
Возникает вопрос откуда показывать цепь электрического тока.
В цепи потребителей может быть много а источник тока обычно один поэтому и принято показывать цепь тока от вывода источника тока до другого вывода.
Существуют два направления электрического тока
1. Истинное направление. Это направление от минуса источника до его плюса. В этом направлении идут электроны, поэтому направление называется истинным.
2.Техническое направление
Техническое направление противоположно истинному. Это направление от плюса источника до его минуса.
Техническое направление возникло исторически. Когда люди не знали природы тока, то установили чтобы все показывали одинаково от плюса к минусу. Когда узнали что ток это поток электронов, движущийся от минуса к плюсу, то решили это направление оставить и назвать его техническим и пользоваться им в технике.
Возникает вопрос когда и каким направлением пользоваться.
Когда речь идет о природе тока то нужно пользоваться истинным направлением. В остальных случаях пользуются техническим направлением.
Не будет ли недоразумений.
Не будет так как в технике имеет значение электрическая цепь а не направление тока в ней.
Не изменяется со временем ни по силе, ни по направлению движения. Он возникает в результате воздействия постоянного напряжения и существует исключительно в замкнутой цепи. Во всех участках не разветвленной цепи имеет одинаковую силу.
Самый простой его источник - гальванический элемент. Полярность такого химического источника не может самопроизвольно изменяться. К простым источникам относятся также и аккумуляторы.
В промышленных целях его получение производится при помощи специальных электрических машин - генераторов.
Применение постоянного тока
Широкое распространение получил в- различных областях техники. Практически, все электронные схемы, используют в- своей работе для питания постоянный электрический ток. Переменный, при его практическом использовании, используется, в основном, на этапе передачи от генератора до потребителя. В электронном оборудовании, работающем от сети переменного тока, для его преобразования в постоянный применяют выпрямитель.
С целью уменьшения колебаний напряжения используют сглаживающие фильтры (например, для питания компьютерной техники). С этой же целью используют для защиты аппаратуры или стабилизаторы тока. В- некоторых случаях, наоборот, он преобразуют в переменный специальными преобразователями - .
Таким образом, мы видим, что своевременная стабилизация напряжения напрямую влияет на качество работы и надежность электронной аппаратуры, особенно цифровой. Вся электронная аппаратура, использующая питание сети 220В, имеет внутренние блоки питания. Эти блоки служат для преобразования тока, получаемого из сети, в постоянный питания внутренних схем. Одновременно происходит понижение напряжения, так как во внутренних схемах используется напряжение 3 - 12В постоянного.
Устройства, работающие от обычных батареек или аккумуляторов, могут быть без блока питания и, при необходимости, работают от внешних выпрямителей
Сети постоянного тока
В современных энергетических системах наряду с сетями переменного тока имеются и сети постоянного. Эти сети действуют в следующих областях:
- Тяговые электродвигатели, применяемые на различном транспорте, на флоте. На железнодорожном транспорте и в настоящее время сети делятся на постоянного и переменного тока;
- Локальные электросети, не дающие постоянный ток в общую энергетическую систему: электролитическое рафинирование металлов - производство алюминия, меди, никеля, гальванопластика, низковольтная аппаратура - микропроцессоры, связь, сигнализация, игрушки;
- Высоковольтные линии: применяются при передаче больших мощностей на значительные расстояния, в основном, по подводным кабелям.
- Вставки постоянного тока, связывающие между собой не синхронизированные сети
Постоянным током называется электрический ток, который не изменяется во времени по направлению и по значению.
Источниками постоянного тока являются гальванические элементы, аккумуляторы и генераторы постоянного тока.
Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, направление тока считают противоположным направлению движения этих частиц.
Для количественной оценки тока в электрической цепи служит понятие силы тока. Сила тока - это количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Если за время t через поперечное сечение проводника переместилось количество электричества Q, то сила тока I=Q/t.
Единица измерения силы тока - ампер (А).
Плотностью тока А/мм 2 называют отношение силы тока I к площади поперечного сечения F проводника:
В замкнутой электрической цепи ток возникает под действием источника электрической энергии, который создает и поддерживает на своих зажимах разность потенциалов; измеряется в вольтах (В).
Важной характеристикой электрической цепи является сопротивление; от этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении. Сопротивление проводника представляет собой своеобразную меру противодействия проводника протеканию в нем электрического тока. Электрическое сопротивление измеряется в омах (Ом). Широко используется и величина, обратная сопротивлению (1/Ом), которая называется проводимостью.
Сопротивление зависит от материала проводника, его длины l и площади поперечного сечения F, т.е.
Где ρ - удельное сопротивление проводника.
Удельное сопротивление в единицах СИ численно равно сопротивлению проводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток проходит между двумя противоположными гранями куба.
Сопротивление проводников изменяется при изменении их температуры. С повышением температуры сопротивление металлических проводников увеличивается. Сопротивление угля, растворов и расплавов солей и кислот уменьшается с повышением температуры.
Обозначая через R 0 сопротивление проводника при температуре 0°С, получим для сопротивления при любой температуре формулу R=R 0 (l+αt), где α - термический коэффициент сопротивления, показывающий относительное приращение удельного сопротивления при нагревании проводника на 1° С.
Это свойство использовано в проволочных датчиках температуры.
Зависимость между разностью потенциалов (напряжением) на зажимах электрической цепи, сопротивлением и током в цепи выражается законом Ома.
Согласно закону Ома для участка однородной цепи сила тока прямо пропорциональна значению приложенного напряжения, т. е. I= U/R, где U - напряжение на зажимах цепи В; R - сопротивление, Ом; I - сила тока, А.
На практике применяют параллельное, последовательное и смешанное соединения элементов электрических цепей. При параллельном соединении элементов, например резисторов, выводы их соединяют в общие узловые точки и каждый резистор оказывается включенным на напряжение, приложенное к узловым точкам А и В (рис.1).
Общее сопротивление цепи определяюют по формуле: 1/R 0 =1/R 1 +1/R 2 +1/R 3
При последовательном соединении элементы электрических целей включаются один за другим, т. е. начало последующего соединяют с концом предыдущего (рис.2).
Электрический ток в цепи с последовательным соединением - общий для всех элементов.
Общее сопротивление цепи при последовательном соединении резисторов рассчитывают по формуле R 0 =R 1 +R 2 +R 3
Формулы, приведенные выше, можно применять для расчета общего сопротивления любого числа резисторов, соединенных параллельно или последовательно.
Работа, совершаемая электрическим током в единицу времени (секунду), называется мощностью и обозначается буквой Р. Эта величина характеризуется интенсивностью совершаемой током работы. Мощность определяют по формуле P=W/t=UIt/t= UI.
Единицей измерения мощности служит ватт (Вт). Ватт - это мощность, при которой за секунду равномерно производится работа в один джоуль. Тогда формула, приведенная выше, может быть записана следующим образом: W=Pt.
Кратные единицы мощности: киловатт-1 кВт=1000 Вт и мегаватт- 1 МВт= 1 000 000 Вт.
Единица измерения электрической энергии - киловатт-час (кВт-ч) представляет собой работу, совершаемую при постоянной мощности в 1 кВт в течение 1 ч.
Выражение мощности электрического тока можно преобразовать, заменив на основании закона Ома напряжение U=IR. В результате получим три выражения мощности электрического тока
P=UI = I 2 R=U 2 /R
Большое практическое значение имеет то, что одну и ту же мощность электрического тока можно получить при низком напряжении и большой силе тока или при высоком напряжении и малой силе тока.
Электрический ток, протекая через проводник, нагревает его. Количество тепла, выделяющееся в проводнике, определяют пj формуле Q-I 2 Rt.
Эта зависимость называется законом Джоуля - Ленца.
Провода, как правило, имеют электрическую изоляцию, которая ухудшает условия охлаждения токоведущей жилы. Кроме того, изоляция в зависимости от вида материала, из которого она изготовлена, может выдержать определенную (допустимую) температуру нагрева. Число проводов и способ их прокладки также значительно влияют на условия их охлаждения.
При проектировании электрических проводов выбирают такие сечения и марки проводов, чтобы их температура не превышала допустимых значений. Минимальное для данной силы тока сечение провода определяют по таблице длительных допустимых токовых нагрузок на провода и кабели. Эти таблицы приводятся в электротехнических справочниках и в «Правилах устройства электроустановок» (ПУЭ).
На основании закона Ома и закона Джоуля - Ленца можно проанализировать явление, которое возникает при непосредственном соединении между собой проводников, подводящих электрический ток к нагрузке. Заслуживает внимания явление, при котором ток протекает более коротким путем, минуя нагрузку (короткое замыкание).
На рис.3 приведена схема включения электрической лампы накаливания в электрическую сеть. Если сопротивление этой лампы R=484 Ом, а напряжение сети U= 220В, то ток в цепи лампы в соответстии с уравнением 
Рассмотрим случай, когда провода, идущие к лампе накаливания, оказываются соединенными через очень малое сопротивление, например толстый металлический стержень. В этом случае ток цепи, проходя к точке А, разветвляется по двум путям: одна, большая его часть, пойдет по пути с малым сопротивлением - металлическому стержню, а другая, небольшая часть тока - по пути с большим сопротивлением - лампе накаливания.
В действительности при коротком замыкании напряжение сети будет меньше 220 В, так как большой ток в цепи вызовет большое падение напряжения и поэтому ток, протекающий по металлическому стержню, будет несколько меньше. Но тем не менее этот ток будет во много раз превышать ток, который ранее протекал по цепи.
В соответствии с зависимостью Q=I 2 Rt ток, проходя по проводам, выделяет тепло, и провода нагреваются. В нашем примере сечение проводов было рассчитано на небольшой ток - 0,455 А. При соединении проводов более коротким путем, минуя нагрузку, по цепи протекает очень большой ток - 22 000 А. Такой ток вызовет выделение громадного количества тепла, что приведет к обугливанию и возгоранию изоляции проводов, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактов выключателей, ножей рубильников и т. п. Источник электрической энергии питающий такую цепь, также может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар.
Каждая электрическая проводка рассчитана на определенный для нее ток.
Аварийный режим работы цепи, когда вследствие уменьшения ее сопротивления ток в ней резко возрастает по сравнению с нормальным называется коротким замыканием.
Вследствие опасных, разрушительных, а иногда и непоправимых последствий короткого замыкания необходимо соблюдать определенные условия при монтаже и эксплуатации электрических установок. Основные из них следующие:
- 1. Изоляция проводов должна соответствовать напряжению сети и условиям работы.
- 2. Сечение проводов должно быть таким, чтобы нагревание их при нормальной нагрузке не достигало опасного значения.
- 3. Проложенные провода должны быть защищены от механических повреждений.
- 4. Места соединений и ответвлений должны быть так же хорошо изолированы, как и провода.
- 5. Через стены, потолки и полы провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от механических и химических повреждений, сырости и не касались друг друга.
Чтобы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электрической цепи при ее коротком замыкании, цепь защищают предохранителями или максимальными токовыми реле.