Постоянный и переменный ток
Что такое переменный ток и постоянный? Все неоднократно слышали об этих понятиях, да и в обиход они вошли настолько широко и плотно, как само собой разумеющееся.
В данной статье поговорим о природе этих физических явлений и о том, какое применение они находят в реальной жизни.
Переменный ток – что это такое?
Переменный ток – упорядоченное движение заряженных частиц или, иначе говоря, электрический ток, который с течением времени меняет свое направление и величину по определенному закону с заданной частотой.
Переменный ток широко применяется в быту и в промышленности. Производится он традиционно на различного рода электростанциях — ТЭЦ, ТЭС, ГЭС, АЭС и др. И всех их объединяет одно, независимо от используемого источника энергии (энергии воды, сжигаемого топлива, ядерной энергии и т.д.) – наличие генераторов переменного тока, преобразующих механическую энергию вращения в электрическую.
Чем отличается переменный ток от постоянного?
Отличие переменного тока от постоянного заключается в том, что последний всегда неизменен по величине и направлению движения.
Однако, отделить постоянный ток и переменный друг от друга в наше время невозможно, так как чаще всего используется их сочетание, когда они преобразуются друг в друга по необходимости. Так, переменный ток сети преобразуется в блоках питания сложной электроники в постоянный. Переменный ток, вырабатываемый генератором автомобиля, «выпрямляется» диодным мостом и далее заряжает АКБ, питая бортовые устройства. Или постоянный ток, вырабатываемый, например, солнечной электростанцией, посредством инвертора преобразуется в переменный и подается в сеть.
.jpg)
Это явление нашло массовое применение во всем мире по одной простой причине — как наиболее экономически целесообразный способ производства и передачи электроэнергии до потребителя. Ведь, например, построить отдельную станцию для каждого потребителя невозможно и дорого. А передать электроэнергию оттуда, где ее можно произвести в силу подходящего географического расположения, близости к природным ресурсам — вполне даже реально. К тому же, само оборудование для генерации и преобразования переменного тока гораздо проще конструктивно, надежнее и, соответственно, дешевле, чем оборудование постоянного тока.
При этом трехфазная схема электрического тока, наиболее сбалансированная из возможных, позволяет создавать вращающееся магнитное поле, так необходимое для работы применяемых повсюду электрических двигателей. А почему именно 3 фазы? Две обмотки не обеспечат непрерывное равномерное взаимодействие магнитных полей, а четыре и более избыточны, так как приведут к удорожанию электрических сетей. И самое основное преимущество системы – возможность легко и просто изменять величину генерируемого напряжения с помощью повышающих и понижающих трансформаторов. А чем выше напряжение, тем дальше можно передать электроэнергию и тем меньше тепловые потери энергии при передаче. А уже ближе к потребителю напряжение снижается до необходимого нормируемого уровня при помощи понижающих трансформаторов, и подводится посредством ВЛЭП или КЛ к электроустановкам потребителя.
Постоянный ток также нашел обширное применение во всех областях деятельности человека, в первую очередь благодаря аккумуляторам, в которых посредством химической реакции возникает так называемый гальванический ток. Все без исключения современные автономные портативные устройства питаются от АКБ.
Если говорить об автономности, то безоговорочно область применения постоянного тока распространяется на бортовые системы любых автомобилей, летательных аппаратов, электропоездов. В последнее время с развитием высокопроизводительных источников питания свою нишу занял и колесный транспорт на электротяге – электромобили, скутеры, электробусы, электробайки. Плюс в том, что двигатели постоянного тока позволяют плавно развивать скорость и высокий крутящий момент во всех диапазонах оборотов.
Кроме того, постоянный ток безальтернативно используется в микроэлектронике, в средствах связи и прочей технике, то есть там, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций и даже вовсе их исключить.
Чтобы узнать больше, смотрите наше видео, в котором мы подробно рассказываем о явлении переменного и постоянного тока.
Основные отличия постоянного и переменного тока
Электричество, исходя из способа протекания, классифицируют на два вида: постоянный и переменный ток. В английском языке для постоянного электротока принято обозначение DC (Direct Current), а для переменного — AC (Alternating Current). Как видно из английских названий, постоянный ток течет лишь в одном направлении и не изменяется линейно, переменный — в переменных направлениях.
Получение электротока разных видов
Чем отличаются электротоки
Вероятно, самый знакомый постоянный электроток — это батарея сухих элементов, а самый знакомый переменный электроток – это розетка в доме, которой каждый из нас пользуется ежедневно.
Что такое — постоянный электроток? Если объяснять простыми словами для так называемых «чайников», то это вид электричества, которое всегда течет в определенном направлении, как при течении реки. Таким является поток электроэнергии от аккумуляторов и солнечных батарей.
С другой стороны, переменный электроток — это вид электричества, при котором положительные и отрицательные заряды всегда циклически переключаются, направление потока электроэнергии также постоянно меняется соответствующим образом. Переменный электрический ток вырабатывается генераторами. Электроэнергия, получаемая на электростанциях, также подается потребителям в виде переменного электротока.
Схема появления электротока в домашних розетках
В источнике постоянного тока всегда поддерживается постоянное электронапряжение. Чем дольше используются сухие элементы и аккумуляторные батареи, тем больше они разряжаются и их запас напряжения уменьшается, но направление напряжения остается неизменным.
Источник переменного тока обеспечивает электронапряжение, меняющееся от положительного до отрицательного в определенном цикле.
Чем отличается переменный ток от постоянного, демонстрируют графики, представленные на рисунке ниже.
Графики электротока разных видов
Постоянный или переменный ток никак не превосходят друг друга, у каждого вида свои положительные и отрицательные стороны. В зависимости от цели использования электроэнергии и оборудования выбирается источник тока, наиболее соответствующий требованиям. И постоянный, и переменный электроток имеет свою сферу применения.
Плюсы и минусы постоянного электротока
При постоянном все электричество проходит через нагрузку, поскольку ток всегда течет в одном направлении. Таким образом, реактивная мощность не генерируется, энергия используется эффективно. Еще преимущество постоянного тока в том, что его можно накапливать, используя батареи, аккумуляторы и конденсаторы.
При переменном электротоке, если в цепь включен конденсатор или катушка, будет наблюдаться задержка или опережение тока, протекающего через нагрузку, по отношению к поведению напряжения. Проще говоря, в этих компонентах при прохождении переменного тока возникает реактивное сопротивление. В результате на выполнение полезной работы тратится не вся мощность оборудования, некоторая ее часть, которая называется реактивной, бесполезно перемещается между нагрузкой и генератором.
Реактивную мощность стараются сделать минимальной. Ее наличие часто используют, как основной аргумент, когда пытаются объяснить, какими преимуществами обладает переменный ток по сравнению с постоянным.
Нельзя не отметить, что постоянный электроток имеет определенные недостатки. Одним из них является сложность прерывания. Поскольку постоянный электроток — это всегда постоянное электронапряжение, то в момент прерывания могут возникнуть проблемы, такие как дуга (искрение) и риск поражения электрическим током в окружающем пространстве.
Главная особенность постоянного электротока
В случае переменного электротока электронапряжение кратковременно уменьшается до нуля при его переключении с положительного на отрицательное или с отрицательного на положительное значение. Если электронапряжение направлено на низкий уровень, электроток может быть прерван более безопасно, чем при постоянном электронапряжении.
Как постоянное, так и переменное напряжение часто бывает необходимо повысить или понизить. Преобразование переменного осуществляется легко и непринужденно с помощью трансформаторов. Чтобы это сделать с постоянным, нужно его сначала преобразовать в переменное, а затем назад в постоянное, но уже с другими параметрами. В результате оборудование для преобразования постоянного напряжения является более крупным и дорогостоящим, чем для переменного.
Еще одним недостатком постоянного электротока является то, что подземные трубы, используемые для передачи электроэнергии, подвержены сильной коррозии. Поскольку электричество всегда течет в одном направлении с постоянным электротоком, электростатическая индукция и электролитическая коррозия вызывают повреждение передающего оборудования.
Следовательно, можно выделить такие преимущества постоянного электротока:
- Отсутствие опережения или задержки в электроцепи.
- Реактивная мощность не генерируется.
- Возможность накапливания электроэнергии.
Определившись с преимуществами, среди недостатков следует отметить:
- Сложность прерывания электротока.
- Сложность преобразования напряжения.
- Сильное действие электролитической коррозии.
В обычных домашних хозяйствах используется переменный электроток, а в электронном оборудовании, например, компьютерах, телевизорах — постоянный электроток. Необходимый для работы подобного оборудования переменный электроток из розетки в квартире преобразуется в постоянный с помощью конденсатора или аналогичного устройства. Однако в центрах обработки данных продвигаются источники питания постоянного электротока, чтобы снизить потери при преобразовании переменного электротока в постоянный.
Основные отличия электротоков
Плюсы и минусы переменного тока
И переменный, и постоянный ток большой мощности невозможно получать непосредственно возле потребителей. Последние могут располагаться от устройства, вырабатывающего электроток, на расстоянии многих сотен и даже тысяч километров. Передачу электроэнергии на дальние расстояния эффективнее осуществлять при очень высоком электронапряжении. Передача с использованием низкого электронапряжения приводит к довольно внушительным потерям мощности. Это связано с тем, что при протекании электричества по проводам выделяется тепло, а тепло — это энергия, которая уходит наружу, поэтому это потеря мощности.
Например, если требуется 3000 Вт (ватт) электроэнергии, то при напряжении 100 В ток должен составлять 30 А (ампер), а при напряжении 1000 В только 3 А. Другими словами, если электронапряжение увеличивается в 10 раз, величина электротока уменьшается в 10 раз. Потери мощности можно узнать, используя простейшую формулу:
Определение потерь мощности
Как видим, потери мощности при уменьшении электронапряжения в десять раз снижаются в сто раз. Это главная причина, почему передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют высоковольтными линиями. Конечно, таким электронапряжением нельзя пользоваться в домах и офисах. Поэтому его понижают, используя трансформаторы. В отличие от постоянного, переменный электроток преобразовывается намного проще, поэтому он лучше подходит для электроснабжения инфраструктуры.
Еще одно различие между переменным током и постоянным связано с тем, что подачу питания при использовании переменного электронапряжения намного легче прервать. Разница заключается еще и в том, что при пользовании переменным напряжением не имеет значения полярность. Например, при подключении к розетке никто не задумывается, где плюс или минус у электрочайника или холодильника.
Трансформаторная подстанция
С другой стороны, переменный электроток требует более высокого электронапряжения, чем целевое электронапряжение для используемого электрооборудования, поскольку значение напряжения постоянно меняется, и бывают моменты, когда напряжение падает до нуля. Форма волны переменного напряжения синусоидальная, а максимальное напряжение в √2 раз больше текущего значения. Характеристики изоляции и технические характеристики оборудования должны быть выше эффективного значения.
Другой отличающейся особенностью переменного электротока является то, что на него сильно влияют катушки и конденсаторы. Они генерируют напряжение, которое заставляет ток течь в противоположном направлении, что вызывает опережение или задержку электротока в цепи.
Следовательно, преимуществом переменного электротока является:
- Возможность более выгодной транспортировки.
- Более простой процесс преобразования.
- Легкость отключения от сети питания.
- Нет необходимости беспокоиться о плюсах и минусах.
Основной минус переменного электротока — наличие реактивной мощности. Еще одним недостатком считается то, что при прохождении электротока задействуется не все сечение проводника, происходит вытеснение заряда к поверхности. Из-за этого уменьшается площадь протекания электротока, что способствует увеличению сопротивления самого проводника, а также возникновению потерь мощности в нем.
Вытеснение электротока к поверхности проводника
Система электроснабжения становится еще более эффективной при использовании трехфазного переменного электротока. График такого электротока представляет собой три волны, смещенные относительно друг друга на 120 градусов.
График трехфазного напряжения
Для передачи трехфазного электричества требуется меньшее количество проводов, чем для передачи однофазного аналогичной мощности. Трехфазные трансформаторы отличаются меньшими габаритами, чем однофазные. Конструкция трехфазных асинхронных электродвигателей не предусматривает коллекторно-щеточного узла. Данное обстоятельство существенно снижает расходы, связанные и изготовлением и эксплуатацией моторов. Благодаря отсутствию коллекторно-щеточного узла электродвигатели развивают мощность в разы превышающую мощность моторов постоянного электротока.
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад