Определение переменного тока. Электрический ток постоянный и переменный

Хотя электрические приборы мы каждый день используем в повседневной жизни, не каждый может ответить, чем отличается переменный ток от постоянного, несмотря на то, что об этом рассказывается в рамках школьной программы. Поэтому имеет смысл напомнить основные догматы.

Обобщенные определения

Физический процесс, при котором заряженные частицы движутся упорядоченно (направленно), называется электротоком. Его принято разделять на переменный и постоянный. У первого направление и величина остаются неизменными, а у второго эти характеристики меняются по определенной закономерности.

Приведенные определения сильно упрощены, хотя и объясняют разницу между постоянным и переменным электротоком. Для лучшего понимания, в чем заключается это различие, необходимо привести графическое изображение каждого из них, а также объяснить, как образуется переменная электродвижущая сила в источнике. Для этого обратимся к электротехнике, точнее ее теоретическим основам.

Источники ЭДС

Источники электротока любого рода бывают двух видов:

• первичные, с их помощью происходит генерация электроэнергии путем превращения механической, солнечной, тепловой, химической или другой энергии в электрическую;
• вторичные, они не генерируют электроэнергию, а преобразуют ее, например, из переменной в постоянную или наоборот.

Единственным первичным источником переменного электротока является генератор, упрощенная схема такого устройства показана на рисунке.

Обозначения:

• 1 – направление вращения;
• 2 – магнит с полюсами S и N;
• 3 – магнитное поле;
• 4 – проволочная рамка;
• 5 – ЭДС;
• 6 – кольцевые контакты;
• 7 – токосъемники.

Принцип работы

Механическая энергия преобразуется изображенным на рисунке генератором в электрическую следующим образом:

за счет такого явления, как электромагнитная индукция, при вращении рамки «4», помещенной в магнитное поле «3» (возникающее между различными полюсами магнита «2»), в ней образуется ЭДС «5». Напряжение в сеть подается через токосъемники «7» с кольцевых контактов «6», к которым подключена рамка «4».

Видео: постоянный и переменный ток – отличия

Что касается величины ЭДС, то она зависит от скорости пересечения силовых линий «3» рамкой «4». Из-за особенностей электромагнитного поля минимальная скорость пересечения, а значит и самое низкое значение электродвижущей силы будет в момент, когда рамка находится в вертикальном положении, соответственно, максимальное – в горизонтальном.

Учитывая изложенное выше, в процессе равномерного вращения индуктируется ЭДС, характеристики величины и направления которого изменяются с определенным периодом.

Графические изображения

Благодаря применению графического метода, можно получить наглядное представление динамических изменений различных величин. Ниже приведен график изменения напряжения с течением времени для гальванического элемента 3336Л (4,5 В).

Как видим, график представляет собой прямую линию, то есть напряжение источника остается неизменным.

Теперь приведем график динамики изменения напряжения в течение одного цикла (полного оборота рамки) работы генератора,.

Горизонтальная ось отображает угол поворота в градусах, вертикальная – величину ЭДС (напряжение)

Для наглядности покажем начальное положение рамки в генераторе, соответствующее начальной точке отчета на графике (0°)

Обозначения:

• 1 – полюса магнита S и N;
• 2 – рамка;
• 3 – направление вращения рамки;
• 4 – магнитное поле.

Теперь посмотрим, как будет изменяться ЭДС в процессе одного цикла вращения рамки. В начальном положении ЭДС будет нулевым. В процессе вращения эта величина начнет плавно возрастать, достигнув максимума в момент, когда рамка будет под углом 90°. Дальнейшее вращение рамки приведет к снижению ЭДС, достигнув минимума в момент поворота на 180°.

Продолжая процесс, можно увидеть, как электродвижущая сила меняет направление. Характер изменений поменявшей направление ЭДС будет таким же. То есть она начнет плавно возрастать, достигнув пика в точке, соответствующей повороту на 270°, после чего будет снижаться, пока рамка не завершит полный цикл вращения (360°).

Если график продолжить на несколько циклов вращения, мы увидим характерную для переменного электротока синусоиду. Ее период будет соответствовать одному обороту рамки, а амплитуда – максимальной величине ЭДС (прямой и обратной).

Теперь перейдем к еще одной важной характеристике переменного электротока – частоте. Для ее обозначения принята латинская буква «f», а единица ее измерения – герц (Гц). Этот параметр отображает количество полных циклов (периодов) изменения ЭДС в течение одной секунды.

Определяется частота по формуле: . Параметр «Т» отображает время одного полного цикла (периода), измеряется в секундах. Соответственно, зная частоту, несложно определить время периода. Например, в быту используется электроток с частотой 50 Гц, следовательно, время его периода будет две сотых секунды (1/50=0,02).

Трехфазные генераторы

Заметим, что наиболее экономически выгодным способом получения переменного электротока будет использование трехфазного генератора. Упрощенная схема его конструкции показана на рисунке.

Как видим, в генераторе используются три катушки, размещенные со смещением 120°, соединенные между собой треугольником (на практике такое соединение обмоток генератора не применяется в виду низкого КПД). При прохождении одного из полюсов магнита мимо катушки, в ней индуктируется ЭДС.

Чем обосновано разнообразие электротоков

У многих может возникнуть вполне обоснованный вопрос – зачем использовать такое разнообразие электротоков, если можно выбрать один и сделать его стандартным? Все дело в том, что не каждый вид электротока подходит для решения той или иной задачи.

В качестве примера приведем условия, при которых использовать постоянное напряжение будет не только не выгодно, ни и иногда невозможно:

• задача передачи напряжения на расстояния проще реализовывается для переменного напряжения;
• преобразовать постоянный электроток для разнородных электроцепей, у которых неопределенный уровень потребления, практически невозможно;
• поддерживать необходимый уровень напряжения в цепях постоянного электротока значительно сложнее и дороже, чем переменного;
• двигатели для переменного напряжения конструктивно проще и дешевле, чем для постоянного. В данном пункте необходимо заметить, что у таких двигателей (асинхронных) высокий уровень пускового тока, что не позволяет их использовать для решения определенных задач.

Теперь приведем примеры задач, где более целесообразно использовать постоянное напряжение:

• чтобы изменить скорость вращения асинхронных двигателей требуется, изменить частоту питающей электросети, что требует сложного оборудования. Для двигателей, работающих от постоянного электротока, достаточно изменить напряжение питания. Именно поэтому в электротранспорте устанавливают именно их;
• питание электронных схем, гальванического оборудования и многих других устройств также осуществляется постоянным электротоком;
• постоянное напряжение значительно безопаснее для человека, чем переменное.

Исходя из перечисленных выше примеров, возникает необходимость в использовании различных видов напряжения.

5.1. ЗАЧЕМ НУЖЕН ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК?

В первых электротехнических установках применяли только постоянный ток. Однако вскоре выяснилось, что гораздо выгоднее использовать не постоянный, а переменный ток, т. е. такой, который периодически изменяет свое значение и направление.

Прежде всего переменный ток удобнее вырабатывать на электростанциях. Генераторы переменного тока проще и дешевле, чем аналогичные генераторы постоянного тока.

Выяснилось также, что передавать электрический ток по проводам выгоднее при высоком напряжении. Изменять напряжение переменного тока очень просто - для этого нужно использовать трансформатор. На постоянном токе сделать это значительно труднее.

Были сконструированы простые и надежные электрические двигатели переменного тока, которые очень широко используют в промышленности.

Но все это такие области применения, где переменный ток может конкурировать с постоянным. Генераторы, линии передачи и электрические двигатели могут быть выполнены и на постоянном и на переменном токе. Однако существуют такие физические явления, которые проявляются только при изменении тока.

Эти явления широко используются в радиотехнике, автоматике, электронике и т. п.

Можно сказать, что если бы не было переменного тока, не было бы и многих из этих отраслей электротехники.

В радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах используют переменные токи и заменить их током постоянным принципиально невозможно.

Очень многие технологические процессы в промышленности также базируются на переменном токе.

В к-ром средние за период значения силы тока и напряжения равны нулю. Периодом Т П. т. наз. наименьший промежуток времени (в с), через к-рый значения силы тока (и напряжения) повторяются (рис. 1). Важной хар-кой П. т. явл. его частота f - число периодов в 1 с: f=1/T. В СССР стандартная техн. частота f=50 Гц.

Рис. 1. График периодич. перем. тока i(t).

Для передачи и распределения электрич. энергии преим. используется П. т. (благодаря простоте трансформации его напряжения почти без потерь мощности). П. т. может быть выпрямлен, напр. ПП выпрямителем, а затем с помощью ПП инверторов преобразован вновь в П. т. другой, регулируемой частоты; это создаёт возможность использовать простые и дешёвые двигатели П. т. (асинхронные и синхронные) для электроприводов, требующих плавного регулирования скорости. Генераторы и двигатели П. т. по сравнению с машинами постоянного тока при равной мощности проще по устройству, дешевле и надёжнее.

Для хар-ки силы П. т. за основу принято сопоставление ср. теплового действия П. т. с тепловым действием пост. тока соответствующей силы. Полученное таким путём значение силы I П. т. наз. действующим (или эффективным) значением, математически представляющим среднеквадратичное за период значение силы тока. Аналогично определяется и действующее значение напряжения U П. т. Амперметры и вольтметры П. т. измеряют именно действующие значения тока и напряжения.

В простейшем и наиб. важном случае мгновенное значение силы i П. т. меняется во времени t по синусоидальному закону: i=Imsin(wt+a), где Im- амплитуда тока, w=2pf - его круговая частота, a - нач. . Синусоидальный (гармонический) ток создаётся синусоидальным напряжением u той же частоты: u=Umsin(wt+b), где Um- амплитуда напряжения, b- нач. фаза (рис. 2).

Рис. 2. Графики напряжения U и тока i в цепи перем. тока при сдвиге фаз j.

Действующие значения такого П. т. равны: I=Im?2»0,707 1m, U=Uт/?2»0,707Um. Для синусоидальных токов, удовлетворяющих условиям квазистационарности (см. КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЙ ТОК); в дальнейшем будут рассматриваться только такие токи), справедлив Ома закон (закон Ома в дифф. форме справедлив и для неквазистационарных токов в линейных цепях). Из-за наличия в цепи П. т. индуктивности L или (и) ёмкости С между током i и напряжением и в общем случае возникает фаз j=b-a, зависящий от параметров цепи (r, L, С, где r - активное сопротивление) и частоты w.

Рис. 3. Схема цепи и графики напряжения и U тока i в цепи, содержащей только активное сопротивление r.

Это импеданс колебательного Z/СЛ-контура, L/CR1.На резонансной (томсоновской) частоте = ( ЬС)~ 1 /* импеданс Z минимален но модулю. Методкомплексных амплитуд порождает метод векторных (круговых) диаграмм, основанныйна , построении напряжений и токов как векторов на комплексных плоскостях, Мощность W, выделяемая в цепи П. период колебаний произведения и J:

где - разность фаз между напряжением и током. Иногда вводят понятие эффективных(действующих) напряжений и токов чтобы ф-ла для оптимально поглощаемой (отдаваемой сопротивлению) мощностиимела тот же вид, что и для цепей пост. тока. Этот оптимум достигаетсяпри значении =0. Такой режим наз. согласованным. При 0часть мощности "отражается" обратно к источнику. Поэтому иногда проблемусогласования в эл.-технике наз. проблемой "оптимального cos".
С ростом частоты квазистационарное перестаёт быть справедливым, и для полученияраспределения П. т. необходимо обращаться непосредственно к Максвеллауравнениям. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, иногда такие токиназ. быстропеременными (БПТ) и предпочитают оперировать не с суммарными(интегральными) силами тока, а с их объёмными плотностями j(r,t). Припротекании по хорошо проводящим телам БПТ стремятся прижаться к их наружнымповерхностям (скин-эффект). В случае идеальной проводимости они распределяютсяпо самой поверхности; такие токи наз. поверхностными и характеризуютсяповерхностными плотностями. Плотность БПТ всегда можно разбить на потенциальнуюи вихревую . Последняя ответственна за вихревых эл.-магн. излучение эл.-магн. энергии. Это, в частности, используется в излучателях(антеннах), где путём подбора надлежащих распределений БПТ создаются требуемыеугл. распределения полей излучения (диаграммы направленности).

Лит.: Нелинейные электрические цепи. поле, 4 изд., М., 1979; Касаткин А. С., Немцов М. В.,Электротехника, 4 изд., М., 1983; Поливанов К. М., Линейные электрическиецепи с сосредоточенными постоянными, М., 1972.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК" в других словарях:

В широком смысле электрический ток, изменяющийся во времени; в узком периодический ток, среднее за период значение которого равно нулю. Наиболее часто применяется синусоидальный переменный ток … Большой Энциклопедический словарь

Переменный ток – или AC (Alternating Current ). Обозначение (~).

Электрический ток называется переменным , если он в течение времени меняет свое направление и непрерывно изменяется по величине.

Переменный ток , который используется для подключения бытовых или производственных электрических приборов, изменяется по синусоидальному закону:

i = I m sin(2πft)

График переменного тока

• i – мгновенное значение тока
• Im – амплитудное или наибольшее значение тока
• f – значение частоты переменного тока
• t – время

Широко используется переменный ток благодаря тому, что электроэнергия переменного тока технически просто и экономно может быть преобразована из энергии более низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот. Это свойство переменного тока позволяет передавать электроэнергию по проводам на большие расстояния.

Период переменного тока

Промышленный переменный электрический ток получают при помощи электрических генераторов, принцип работы которых основан на законе электромагнитной индукции. Вращение генератора осуществляется механическим двигателем, использующим тепловую, гидравлическую или атомную энергию.

Переменный однофазный электрический ток имеет следующие основные характеристики:

f – частота переменного тока определяет количество циклов или периодов в единицу времени. За единицу измерения частоты переменного тока принят Герц (Гц):

1гц = 10 3 кгц = 10 6 мгц

Τ – период – время одного полного изменения переменной величины.

Если в 1 секунду происходит 1 период Τ , то частота f = 1 Гц (Герц).

1c = 10 3 мс = 10 6 мкс = 10 12 нс

В Российской Федерации период Τ переменного тока принят равным 0,02 секунды,следовательно по формуле f = 1/Τ можно определить частоту переменного тока:

f = 1/0,02 = 50 Гц

ω – угловая скорость

Помимо частоты f при изучении цепей переменного тока вводится понятие угловой скорости ω . Угловая скорость ω связана с частотой f следующим соотношением:

При частоте 50 Гц угловая скорость равна 314 рад/с (2 × 3,14 × 50 = 314).

Мгновенное значение (i,u,e,p) – значение величины в данный момент, мгновенное.

Максимальное или амплитудное значение (Im,Um,Em,Pm).

Эффективное значение тока – это величина переменного тока, равная такому току, который на сопротивлении R , создаёт тепловыделение равное данному переменному току, за тоже время t (I,U,E,P).

I =

U =

Получение синусоидальной кривой

В системе декартовых прямоугольных координат совмещены тригонометрический круг и кривая, отражающая изменение величины тригонометрической функции sinβ от величины угла β между осью 0х и радиусом-вектором r . Радиус-вектор r вращается против часовой стрелки. Повернем радиус-вектор на угол β и от конца вектора r проведем пунктиром прямую, параллельную оси 0х. От окружности (точка а) по оси 0х отложим в масштабе отрезок. Из конца отрезка построим перпендикуляр до пересечения с пунктирной прямой. Получим точку с в пересечении перпендикуляра и пунктирной прямой.

Синусоида переменного тока

Аналогичное построение проведем, увеличивая угол β , пока радиус-вектор повернется на угол β = 360° , и получим точки аналогично точке с. Соединим точки плавной кривой, которая и будет отражать синусоидальный закон изменения величины переменного тока .

Понятие о фазе

Если две переменные величины одновременно проходят свои нулевые и максимальные значения, то они совпадают по фазе.

Если две переменные величины не одновременно проходят свои нулевые и максимальные значения, то они не совпадают по фазе.

В радиотехнике используются понятия:

1. Активное сопротивление (R a)

2. Индуктивное сопротивление (X L – реактивное сопротивление)

3. Ёмкостное сопротивление (X C – реактивное сопротивление)

Понятие об активном сопротивлении

Если по проводнику протекает ток, то вследствие явления самоиндукции, электроны распространяются не равномерно по сечению проводника, вследствие чего растёт сопротивление проводника.

Явление неравномерного распространения зарядов по сечению проводника называется – поверхностный эффект. Чем больше частота, тем больше сопротивление.

Что такое переменный ток?

Основная масса начинающих радиолюбителей начинает изучение электроники с основ постоянного тока (DC), который течет в одном направлении и/или обладает напряжением постоянной полярности. Постоянный ток - это вид электричества, производимого батареями (имеющими положительные и отрицательные клеммы), или вид заряда, производимого трением определенных типов материалов друг о друга.

Однако, постоянный ток не является единственным видом электричества. Некоторые источники электропитания (в первую очередь роторные электромеханические генераторы) производят такое напряжение, полярность которого меняется с течением времени. Такой вид электричества известен как переменный ток (АС):

Так же как знакомое нам условное обозначение батареи используется для обозначения любого источника постоянного напряжения, кружок с волнистой линией внутри используется для обозначения любого источника переменного напряжения.

Можно было бы подумать, что практическое применение переменного тока ограничено. И действительно, в некоторых случаях переменный ток уступает постоянному по части практического применения. В тех системах, где электричество используется для рассеивания энергии в форме тепла, полярность или направление тока не имеет значения, - вполне достаточно, чтобы напряжения и тока хватало нагрузке для производства необходимого тепла (рассеивания энергии). Однако, используя переменный ток, можно создавать гораздо более эффективные электрогенераторы, электродвигатели и системы распределения энергии. Благодаря этому, в высокомощных системах преобладает использование именно переменного тока. Чтобы понять, почему это так, нам нужно узнать немного больше о переменном токе как таковом.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Это основополагающий принцип работы генератора переменного тока, или альтернатора.

Принцип работы альтернатора

Заметьте, как меняется полярность напряжения на катушках, когда при вращении возле них оказываются разные полюсы магнита. При соединении с нагрузкой такое напряжение будет создавать ток, периодически меняющий направление своего движения. Чем быстрее вращается вал альтернатора, тем быстрее будет вращаться магнит, и тем чаще напряжение будет менять полярность, а ток – направление за определённый промежуток времени.

Несмотря на то, что генераторы постоянного тока работают так же по принципу электромагнитной индукции, их устройство гораздо сложнее, чем у их соперников, генераторов переменного тока. У генераторов постоянного тока обмотка находится на валу (у альтернаторах на валу находится магнит), и эта вращающаяся обмотка соприкасается с неподвижными угольными «щётками». Такая конструкция необходима для переключения изменяющейся полярности на выходе катушки во внешнюю схему, чтобы на последней создавалась постоянная полярность:

Принцип работы генератора постоянного тока

Генератор, показанный на данном рисунке, производит два импульса напряжения за одно вращение вала. Оба импульса имеют одинаковую полярность. Чтобы генератор постоянного тока производил постоянное напряжение, а не короткие импульсы за каждый полупериод вращения, создаётся набор обмоток, которые периодически входят в контакт с щётками. Приведенный выше рисунок в упрощенной форме показывает то, что вы увидите на практике.

Проблемы, связанные с возникновением и прерыванием электрического контакта при движении обмотки очевидны (искрение и перегрев), особенно если вал генератора вращается с большой скоростью. Если в среде вокруг генератора содержатся легковоспламеняющиеся или взрывоопасные пары, проблемы, связанные с искрообразованием, усугубляются. Для работы генератора переменного тока (альтернатора) никаких щёток и коммутаторов не требуется, поэтому он застрахован от проблем, присущих генераторам постоянного тока.

Генераторы переменного тока имеют очевидные преимущества перед генераторами постоянного тока и при использовании их в качестве электродвигателей. В отличие от электродвигателей постоянного тока, двигатели переменного тока не страдают проблемой соприкосновения щёток с подвижной обмоткой. Электродвигатели постоянного и переменного тока по своему устройству очень похожи на соответствующие электрогенераторы.

Таким образом, становится понятно, что конструкция генераторов и электродвигателей переменного тока гораздо проще конструкции генераторов и электродвигателей постоянного тока. Относительная простота этих устройств на практике выливается в гораздо большую надежность и рентабельность. Для чего же еще используют переменный ток? Наверняка должно быть что-то еще кроме применения его в генераторах и электродвигателях! И действительно, спектр применения переменного тока очень широк. Наверняка вы слышали о таком явлении, как взаимная индукция. Она возникает при размещении двух или более обмоток таким образом, что переменное магнитное поле, создаваемое одной из обмоток наводит напряжение в другой. Если на одну обмотку мы подадим переменное напряжение, то на другой мы также получим переменное напряжение. Такое устройство известно как трансформатор.

Главное предназначение трансформатора состоит в его способности повышать и понижать напряжение на вторичной обмотке. Напряжение переменного тока, возникающее во вторичной обмотке равно напряжению переменного тока на первичной обмотке, умноженному на коэффициент отношения числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной. Если же со вторичной обмотки ток подаётся в нагрузку, то изменение тока на вторичной обмотке будет прямо противоположным: ток первичной обмотки умножается на коэффициент отношения числа витков первичной к числу витков вторичной обмотки. Механическим аналогом подобных отношений может служить пример с крутящим моментом и скоростью (вместо напряжения и тока, соответственно):

Если соотношение витков обмоток обратное, т.е. первичная обмотка имеет меньше витков, чем вторичная, то трансформатор увеличивает напряжение источника до более высокого уровня:

Способность трансформатора повышать и понижать переменное напряжение дает переменному току неоспоримое преимущество над постоянным в области распределения энергии (см. рисунок ниже). Гораздо эффективнее передавать электроэнергию на большие расстояния при высоком напряжении и низком токе (провода меньшего диаметра с меньшими потерями на сопротивление), а затем понижать напряжение и усиливать ток при подаче энергии конечным потребителям.

Благодаря трансформаторам передача электрической энергии на большие расстояния стала гораздо более практичной. Не имея возможности эффективного увеличения и понижения напряжения было бы непомерно дорого создавать системы энергообеспечения для больших расстояний (более нескольких десятков километров).

Для работы трансформаторов необходим только переменный ток. Поскольку явление взаимоиндукции основано на переменных магнитных полях, трансформаторы просто не будут работать на постоянном токе (постоянный ток способен создавать только постоянные магнитные поля) . Конечно, на первичную обмотку трансформатора можно подать постоянный прерывистый (импульсный) ток, чтобы создать переменное магнитное поле (как это делается в автомобильной системе зажигания, для создания искры в свече от низковольтной батареи постоянного тока), но в таком варианте импульсный постоянный ток ничем не отличается от переменного. Возможно, именно по этой причине переменный ток находит более широкое применение в энергосистемах.