Переменный ток и постоянный ток: Постоянный и переменный ток | Полезные статьи

Постоянный и переменный ток | Полезные статьи

Все неоднократно слышали подобные сочетания слов, да и в обиход они вошли настолько широко и плотно, как само собой разумеющееся. Останавливаться на физике процессов не будем, так как все это изучено еще в старших классах школы. 
 Начнем, естественно, с определений. Переменный ток – упорядоченное движение заряженных частиц или, по – другому, электрический ток, который с течением времени меняет свое направление и величину по определенному закону с заданной частотой.  Постоянный электрический ток, напротив — всегда постоянный по величине и направлению.

В этой статье разберемся в областях применения этих интереснейших явлений, которые, несомненно, являясь одним из локомотивов технического прогресса, делают нашу жизнь комфортной во всех сферах.
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.  

А нашло это 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. Далее фаза ноль от понижающих трансформаторов подводятся посредством ЛЭП 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.

Постоянный ток также 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. 
Но отделить постоянный и переменный ток 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 солнечной электростанцией, посредством инвертера преобразуется в переменный и подается в сеть.

Постоянный или переменный ток, какой из них опасней для человека | Энергофиксик

Наверное, каждый из нас, хотя бы раз слышал такие слова как переменный и постоянный ток. А вы никогда не задавались вопросом, какой из них опасней? В этой статье я расскажу вам о постоянном и переменном токе, а так же озвучу параметры, при достижении оных эти токи становятся просто опасными для жизни.

В чем различие токов

Для начала давайте немного углубимся в техническую сторону вопроса и поймем в чем главное различие переменного тока от постоянного, итак, начнем.

Важно. В этой статье, помимо тока будут рассматриваться такие понятия как частота и напряжение, потому что они неразрывно связаны между собой.

Постоянный ток. Ну нут все становиться понятно из самого названия. При постоянном токе электроны в проводнике движутся в одном направлении непрерывным потоком.

Вы, наверное, спросите, так где же у нас используется постоянный ток, ведь в розетке протекает именно переменный. А он (постоянный ток) используется во всех электроприборах, питающихся от батареек или же аккумуляторов, например: плеер, магнитофон, сотовый телефон и т. д.

А вот в переменном токе движение заряженных частиц происходит в неконтролируемом порядке. Вы можете возразить, так стой, лампочка же горит постоянно, а она питается от переменного тока. На самом деле она не горит постоянно, а тухнет и загорается вновь с частотой 50 раз в секунду, а все потому, что у нас принят такой стандарт.

Но наши с вами глаза и мозг неспособны полностью обработать эти данные, поэтому для нас создается эффект непрерывного свечения.

При каких же величинах ток становится опасен.

Я не буду забивать вашу голову цифрами, а рассмотрим вполне стандартные значения, которые можно встретить буквально в каждом доме.

Частота. В Российской Федерации, как и в большинстве стран бывшего СССР частота в сети должна составлять 50 Герц. При такой частоте постоянный ток безопаснее переменного примерно в 4 раза.

Напряжение. В трехфазной сети напряжение равно 380 Вольтам, а для однофазной стандартное значение равно 220 Вольтам. И при этих цифрах переменный ток является более губительным для любого живого организма.

Теперь давайте перейдем непосредственно к току и рассмотрим все его опасные диапазоны

0,6-1,5 миллиампер.

В случае переменного тока человек может ощутить легкий зуд и небольшое покалывание кожи.

Постоянный ток – не воспринимается.

2-3 миллиампера.

Переменный ток: может слегка сводить руку, ощущение протекания тока может распространиться на запястье.

Постоянный ток все так же не воспринимается.

5-7 миллиампер.

Переменный ток: начинает вызывать судороги и стойкие болевые ощущения.

При этих показателях только начинается ощущаться легкое покалывание и нагрев кожного покрова при постоянном токе.

8-10 миллиампер.

Переменный ток: сильные боли и судороги в руках, но их еще можно оторвать от оголенного провода.

Постоянный ток: Возрастает эффект нагрева кожи.

20-25 миллиампер.

Переменный ток: мгновенный паралич мышц рук, самостоятельно отпустить провод невозможно. Начинаются серьезные трудности с дыханием.

Постоянный ток: еще сильнее ощущается нагрев кожи, так же начинает проявляться незначительное сокращение мышц.

50-80 миллиампер.

Переменный ток: Полный паралич дыхательной функции. Начинаются серьезные проблемы с сердечной мышцей.

Постоянный ток: Сильный нагрев, судороги мышц. Ухудшение дыхательной функции.

90-100 миллиампер.

Переменный ток: Полный паралич дыхания и фибрилляция сердца через три секунды.

Постоянный ток: наступает паралич дыхательной системы.

Как вы наверное уже успели понять, переменный ток, который нас окружает практически 24 часа в сутки, является более опасным, чем постоянный. Поэтому не стоит пренебрегать элементарными правилами безопасности. Берегите себя и спасибо за внимание!

Уважаемый Читатель, моя статья оказалась полезна и интересна?! Тогда обязательно ставь палец вверх, подписывайся на мой канал ЭНЕРГОФИКСИК и делись статьей в соц. сетях. Мне очень важно чувствовать вашу поддержку. Ведь она позволит создавать еще больше качественных материалов. Если у Вас есть вопросы или предложения, то вот моя почта: [email protected]

Дымоудаление на 24В или 230В?

Что такое постоянный и переменный ток.

Переменный ток — силовой электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению ( в одном проводе идёт то плюс то минус с частой смены потенциалов 50 раз в секунду). 

Постоянный ток — слаботочный (безопасный) электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению (по одному проводу всегда идёт минус, по второму всегда идёт плюс) — при этом КПД у постоянного тока выше чем у переменного.

Почему чаще используется постоянный ток

Наиболее используемая схема для дымоудаления и компенсации воздуха в современных проектах. Для этих систем используют электроприводы с напряжением 24В постоянного тока, где управление (открывание/закрывание) осуществляется за счет смены полярности на клеммах. Наравне с этим слаботочными являются и сети АПС (автоматической пожарной сигнализации). Это оборудование обычно работает с выходным напряжением 12В. Для подключения блоков управления системы дымоудаления к АПС используют «сухой» нормально-замкнутый (NC) контакт. Для автономной работы на случай отключения основной сети блоки управления оснащаются аккумуляторами резервного питания на 24В постоянного тока. 

Постоянный ток при равных прочих позволяет обеспечить максимальное усилие (мощность) привода, которая измеряется в Ньютонах (1Н = 1 кг*м/с2). Именно максимальное усилие привода имеет определяющую роль при подборе оборудования для вертикальных и, особенно, наклонных окон с учетом ветровых и снеговых нагрузок. При этом приводы с переменным током отличаются более высокой скоростью открывания/закрывания.

Если для клапанов и вытяжных вентиляторов с системах дымоудаления и подпора воздуха достаточно подать напряжение, то для приводов важно двухфазное (реверсное) управление. При этом подача напряжения для приводов должна быть ограничена по времени — т.е. после полного открывания окон и отработки концевых выключателей на приводах напряжение снимается.

Минусом систем с постоянным током 24В является потеря напряжения на длинных протяжках с большим количеством электроприводов на одном магистральном кабеле. В таких случаях приходится либо увеличивать сечение проводника, либо увеличивать количество блоков управления и протяжек, разделяя питание на группы.

Системы дымоудаления с переменным током

Такие системы существуют на рынке и самым главным преимуществом является отсутствие проблем с потерей напряжения при больших протяжках. Для таких систем используются стандартные электроприводы на 230В переменного тока и специальные шкафы управления, в основном немецких производителей. Значительная экономия достигается на проводке, в которой мы уже не учитываем потери напряжения т.к. они незначительны. Однако необходимо учитывать что стоимость шкафов управления значительно выше (в десятки раз) чем стоимость аналогичного оборудования на 24В постоянного тока. И, конечно, важнейшим условием для использования схем с переменным током является наличие автономного питания на объекте (электрогенераторы).

Данные системы наиболее актуальны для крупных промышленных и торговых объектов с большим количеством исполнительных устройств и большими протяжками.

Еще аргумент

При проектировании систем пожарной безопасности и дымоудаления главный акцент делается на гарантированной надежности всех элементов и сохранении их работоспособности в аварийной ситуации. Поэтому все системы оснащаются вторым контуром питания (аккумуляторы постоянного тока) с функцией подзарядки. При этом обеспечить аварийное питание переменного тока возможно только за счет генераторов, которые обычно работают на жидком топливе и используются для компрессоров, двигателей, вентиляционных клапанов, лифтов и прочего оборудования с напряжением питания до 1000В, необходимого только для эксплуатации зданий. 

На пороге второй войны токов: сможет ли постоянный ток завоевать мир?

Постоянный ток продолжает свое все еще медленное, но победное наступление на мир современной электроэнергетики. Борьба сторонников постоянного и переменного токов, остро развернувшаяся в конце XIX века между Эдисоном, с одной стороны, и Вестингаузом и Теслой, с другой, казалось бы, была окончательно забыта больше, чем на 100 лет, несмотря на то, что последние сети постоянного тока, исторически существовавшие в Нью-Йорке, были переведены на переменный ток только в 2007 году.

Но совершенно неожиданно в последнее время эта борьба возобновилась с новой силой и даже рискует попасть в фокус внимания широкой общественности, когда в прокат наконец выйдет «Война токов» с Бенедиктом Кембербетчем. Более того, постоянный ток, получивший немалое распространение в сверхвысоковольтных магистральных сетях в ЕС и Китае, продолжает свое наступление — на этот раз на распределительные сети и децентрализованную энергетику.

«Война токов» – новый фильм о противостоянии Томаса Эдисона и Джорджа Вестингауза

В ближайшие 25 лет разные игроки энергетического рынка, включая конечных потребителей, смогут за счет применения постоянного тока снизить свои затраты на электроэнергию — как за счет капитальных, так и за счет операционных расходов — на 30%. Именно так перспективы и преимущества перехода на постоянный ток в распределительных сетях и системах электроснабжения совсем недавно оценили аналитики PWC [1]. Они видят четыре основных драйвера спроса на переход к постоянному току:

• Существенный рост доли устройств, работающих на постоянном токе, как среди генерирующего, так и среди потребляющего оборудования.
• Потребности сетевой инфраструктуры в технологиях для бесшовной зарядки электромобилей и передачи больших мощностей на большие расстояния.
• Быстрое развитие технологий и улучшение технико-экономических показателей преобразовательной техники, используемой в системах и сетях на постоянном токе.
• Появлением отраслевых и государственных стандартов электроснабжения на постоянном токе, например, предложенного EMerge Alliance в США.

Рис. 1. Проект ARDA Power

Результаты наших поисков новых практик применения постоянного тока в распределительных сетях дают очень похожее представление об эффектах реализации этого набирающего силу подхода. Например, Bosch на основе пилотного проекта электроснабжения спортивного комплекса на постоянном токе в Форте Брэгг (штат Северная Каролина, США), обещает снижение технических потерь в сетях низкого напряжения с 12,5% до 3%, а стоимости владения системой электроснабжения на жизненном цикле 25 лет — на те же 30% , что и PWC. Другой пионер рынка DC-microgrid, американская ARDA Power, на своем пилотном объекте — офисном здании с крышными солнечными панелями и проточной батареей — показывает снижение капитальных затрат на разворачивание DC-microgrid на 60% в сравнении с аналогичным решением на переменном токе.

Рис. 2. Энергоснабжение микрорайона на переменном токе

Свой вариант архитектуры распределительных сетей микрорайона на постоянном токе и оценки ее сравнительной эффективности есть и у нас в рамках архитектурного проекта IDEA. Традиционная схема на переменном токе начинается с ввода в распределительную подстанцию среднего напряжения (20 или 10 кВ). К линям распределительной подстанции подключены понижающие трансформаторные подстанции, состоящие из двух трансформаторов (основного и резервного) с понижением напряжения 20/0,4 кВ или 10/0,4 кВ. На каждую из линий 0,4 кВ, идущих от этих трансформаторов, подключены дома, питающиеся по двум вводам, один из которых резервный. На одну трансформаторную подстанцию может приходиться совмещенная нагрузка от 400 кВт до 1 000 кВт, т. е. примерно 10–15 таунхаусов.

Рис. 3. Энергоснабжение микрорайона на постоянном токе

Схема электроснабжения на постоянном токе, которую предлагаем мы, представляет собой замкнутые кольца постоянного тока 880 В — по кольцу на микрорайон. Каждое кольцо опирается на две понижающие тяговые подстанции с одним трансформатором и активными выпрямителями напряжения. На каждое кольцо подключены все здания микрорайона, каждое здание имеет ввод и вывод, которые могут автоматически, в случае аварийной ситуации, меняться за счет управления уровнем напряжения, так, чтобы поток мощности мог идти по кольцу по любому из направлений. Это обеспечивает существенное повышение надежности без резервирования трансформаторных мощностей. И в такой схеме вообще нет необходимости в трансформаторных подстанциях.

Преобразователи постоянного тока (DC/DC) предлагается выполнить на размещаемых в зданиях емкостных делителях напряжения, обеспечивающих последовательное понижение напряжения до 440 В и затем до 220 В. В каждом здании разворачивается несколько плеч 440 В и на каждом — несколько плеч 220 В. Двунаправленный поток мощности в рамках каждого плеча, необходимый, например, для установки микрогенерации, накопителей электроэнергии и реализации локального р2р-рынка электроэнергии между таунхаусами, обеспечивается управлением уровня напряжения в пределах ±10 В от опорного значения. Для перенаправления потока мощности между плечами или из сети 220 В в сеть 440 В и выше этот поток мощности порциями передается через конденсаторы емкостных делителей и за счет управления уровнем напряжения в другом плече или в сети более высокого напряжения. Это потребует реализации цифровой системы управления перетоками мощности и набора интеллектуальных интерфейсов между плечами и сетями схемы. При этом накопители энергии могут быть подключены в такой схеме без инверторов параллельно на шину конденсаторов емкостных делителей.

Предлагаемая схема обладает немалым набором преимуществ в сравнении с электроснабжением на переменном токе и хорошим потенциалом эффективности:

• За счет более чем двукратного увеличения напряжения распределительной сети (880 В на постоянном токе против 380 В на переменном) уменьшается сечение линий распределительной сети микрорайона и увеличивается их рабочая длина.
• Подстанции 20/0,88 кВ могут устраиваться как однотрансформаторные с достаточным уровнем надежности.
• Существенно снижается необходимый объем кабельной продукции.
• Сокращается размер отчуждаемой территории под строительство сетевых подстанций и распределительной сети.
• Исключаются проблемы с качеством электроэнергии, уровнем напряжения, гармоническим составом тока и реактивной мощностью.
• Сокращаются технические потери электроэнергии.
• Обеспечивается простая интеграция систем накопления энергии и микрогенерации, в том числе на возобновляемых источниках энергии.

В рамках системы электроснабжения на постоянном токе предлагается снизить расчетную потребную мощность приемников и тем самым уменьшить мощность технологического присоединения с учетом следующих факторов:

• Снижение технических потерь активной мощности до уровня 3–4%.
• Снижение потребности в присоединенной мощности за счет передачи только активной мощности.
• Реализации интеллектуальных алгоритмов управления нагрузкой, работающих в DC/DC-преобразователях в квартирах, не допускающих одновременного включения на полную мощность большого числа потребляющих устройств.

Реализация этих возможностей позволит снизить потребную присоединенную мощностью жилого помещения почти до номинальной мощности двух-трех самых мощных приемников электроэнергии. В целом, можно ожидать снижение потребности в присоединенной мощности в два и даже три раза в расчете на одно помещение. [medium.com]

Редакция благодарит Игоря Чаусова и телеграм-канал Internet of Energy за разрешение на перепечатку материала.

Модуль AC/DC (Переменный/постоянный ток) – обзор COMSOL 5.1

Модуль AC/DC (Переменный/постоянный ток) – обзор COMSOL 5.1

×
Warning Your internet explorer is in compatibility mode and may not be displaying the website correctly.
You can fix this by pressing ‘F12’ on your keyboard, Selecting ‘Document Mode’ and choosing ‘standards’ (or the latest version
listed if standards is not an option).

Наш сайт использует файлы cookies для функционирования и повышения вашего удобства пользования веб-сайтом. Посещая наш сайт, вы соглашаетесь на использование файлов cookies.

Наш сайт использует файлы cookies для функционирования и повышения вашего удобства пользования веб-сайтом. Посещая наш сайт, вы соглашаетесь на использование файлов cookies.

OK
Узнать больше

Модуль AC/DC (Переменный / постоянный ток)

Новое приложение: Калькулятор линии передачи

С помощью параметров линии передачи R, L, G и C можно описать любой волновод для поперечных и квазипоперечных электромагнитных волн. Приложение вычисляет параметры R, L, G и C, а также характеристический импеданс и константу распространения для коаксиальных, двухпроводных, узкополосных и компланарных линий передачи.

Приложение, которое моделирует линию передачи и вычисляет параметры R, L, G и C, а также характеристический импеданс и константу распространения для коаксиальных, двухпроводных, узкополосных и компланарных линий передачи.

Приложение, которое моделирует линию передачи и вычисляет параметры R, L, G и C, а также характеристический импеданс и константу распространения для коаксиальных, двухпроводных, узкополосных и компланарных линий передачи.

Улучшения для многовитковых катушек

Новый анализ геометрии катушки

Функция Coil Current Calculation (Расчет тока в катушке) из предыдущих версий COMSOL Multiphysics заменена новой функцией Coil Geometry Analysis (Анализ геометрии катушки). Так как пользовательский интерфейс этой новой функциональности практически не изменился, пользователи, которые ранее уже работали с функцией Coil Current Calculation (Расчет тока в катушке), легко освоят и новую версию. В новую функциональность внесен ряд существенных улучшений:

• Появилась возможность обрабатывать катушки с переменным поперечным сечением и сложной формой.
• Все катушки теперь можно решить за один шаг.
• Надежный метод решения: Сходимость решения означает, что вычислено подходящее направление обмотки.
• Граничные условия стали проще и требуют меньше входных данных от пользователей.

Новая функция Coil Geometry Analysis (Анализ геометрии катушки) позволяет вычислять путь проволоки в сложных катушках с переменным поперечным сечением.

Новая функция Coil Geometry Analysis (Анализ геометрии катушки) позволяет вычислять путь проволоки в сложных катушках с переменным поперечным сечением.

Точный расчет напряжения

Трехмерные многовитковые катушки в частотной области теперь анализируются точнее. Благодаря автоматическому «этапу фильтрации» при расчете плотности тока в катушке точность вычисления параметров электрического поля значительно выросла. Соответственно, повысилась и точность расчета напряжения в катушке, а также его производных параметров – мощности, индукции и т. д. Этап фильтрации по току решается совместно с основной задачей о магнитодвижущей силе на том же шаге и не требует никаких действий от пользователя. Благодаря этой функции больше не нужно настраивать коэффициент электропроводности катушки, чтобы получить точные результаты при анализе частотной области. По умолчанию функция включена.

Диаграмма нормы электрического поля без этапа фильтрации по току, который появился в функции Accurate Voltage Calculation (Точный расчет напряжения).

Диаграмма нормы электрического поля без этапа фильтрации по току, который появился в функции Accurate Voltage Calculation (Точный расчет напряжения).

Посмотреть дополнительные скриншоты »

Более удобная работа с катушками

В процесс работы с катушками внесен ряд улучшений:

• Ускорена работа в пользовательском интерфейсе и настройка моделей.
• Упрощена настройка катушек в моделях с симметричными сечениями.
• Круглые катушки теперь можно использовать в моделях с симметричными секторами.

Многовитковые катушки теперь позволяют задавать поправочные коэффициенты симметрии, что упрощает настройку моделей, содержающих только часть катушки.

Многовитковые катушки теперь позволяют задавать поправочные коэффициенты симметрии, что упрощает настройку моделей, содержающих только часть катушки.

Улучшения в калибровке векторного потенциала

В функцию Gauge Fixing (Калибровка векторного потенциала) внесены доработки. Теперь функция требует меньше входных данных от пользователя и быстрее работает со сложными моделями. Калибровка векторного потенциала – это метод поиска единственного решения для задач о магнитных полях. Функция автоматически работает с антипериодическими моделями, моделями с множеством несвязных областей векторного потенциала (задачи о вращающихся механизмах) и моделями с решениями Mixed A-V и A.

Новая стратегия ограничений и расширенные настройки для функции Gauge Fixing (Калибровка векторного потенциала).

Новая стратегия ограничений и расширенные настройки для функции Gauge Fixing (Калибровка векторного потенциала).

Экспорт в формат SPICE и новые функции для электрической цепи

В интерфейсе физик Electrical Circuit{:/em (Электрическая цепь) появилась новая функция SPICE Export (Экспорт в формат SPICE). Для ее запуска нужно щелкнуть правной кнопкой мыши в интерфейсе физик Electrical Circuit (Электрическая цепь) и выбрать пункт SPICE Export… (Экспорт в формат SPICE). Система COMSOL сохранит электрическую цепь, смоделированную в интерфейсе физик, как текстовый файл формата SPICE.

В интерфейс физик Electrical Circuit (Электрическая цепь) добавлены новые устройства и модели:

• Плоскостный биполярный транзистор с p-n-p переходами
• МОП-структура с p-каналом
• Взаимная индукция (связка из двух катушек индуктивности)
• Преобразователь

Создание файла списка соединений, который описывает электрические цепи, разработанные в COMSOL Multiphysics.

Создание файла списка соединений, который описывает электрические цепи, разработанные в COMSOL Multiphysics.

Посмотреть дополнительные скриншоты »

Новая учебная модель: Моделирование спиральной катушки индуктивности

Преимущество спиральных катушек индуктивности заключается в том, что они легко интегрируются при электроосаждении на печатных платах и обладают стабильным коэффициентом индуктивности. Однако по мере увеличения числа витков моделирование таких спиральных катушек индуктивности может потребовать много вычислительных ресурсов. В этом примере показано, как с помощью поправочных коэффициентов симметрии существенно уменьшить размер модели. Восьмивитковая восьмигранная спиральная катушка моделируется с помощью граничного условия Single Turn Coil (Одновитковая катушка), а граничные условия Floating Potential (Переменный потенциал) обеспечивают непрерывный ток между несвязными витками катушки. Подход, использованный в этом примере, возможен в том случае, когда рабочая частота настолько ниже частоты резонанса катушки индуктивности, что емкостной связью между витками можно пренебречь.

Норма распределения плотности магнитного потока и поверхностная плотность тока катушки.

Норма распределения плотности магнитного потока и поверхностная плотность тока катушки.

20.5 Переменный ток в сравнении с постоянным током — College Physics

Переменный ток

Большинство примеров, рассмотренных до сих пор, и особенно те, в которых используются батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он, таким образом, также является постоянным. Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического заряда только в одном направлении. Это устойчивое состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник переменного напряжения.Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь известна как цепь переменного тока. Примеры включают коммерческую и жилую энергию, которая удовлетворяет многие из наших потребностей. На рис. 20.16 показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичной мощности постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.

Рисунок 20.16 (а) Напряжение постоянного тока и ток постоянны во времени, как только ток установится. (b) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока с частотой 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и находятся в фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковые напряжения источников переменного тока сильно различаются.

Рис. 20.17. Разность потенциалов VV между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для VV имеет вид V=V0sin 2 πftV=V0sin 2 πft size 12{V = V rSub { size 8{0} } «sin»» 2″π ital «ft»} {}.

На рис. 20.17 показана схема простой цепи с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано, с напряжением переменного тока, заданным

.
V=V0sin 2πft,V=V0sin 2πft, размер 12{V = V rSub { размер 8{0} } «sin»» 2″π ital «ft»} {}

20,38

, где VV размер 12{V} { } — напряжение в момент времени tt size 12{t} {} , V0V0 size 12{V rSub { size 8{0} } } {} — пиковое напряжение, а ff size 12{f} {} — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления I=V/RI=V/R размером 12{I = ital «V/R»} {}, поэтому переменный ток равен

.
I=I0 sin 2πft,I=I0 sin 2πft, размер 12{I = I rSub {размер 8{0}} «sin 2″π ital «ft»} {}

20.39

, где II размер 12{I} {} — текущий в момент времени tt размер 12{t} {}, а I0=V0/RI0=V0/R размер 12{I rSub { размер 8{0} } = V rSub { size 8{0} } ital «/R»} {} — пиковый ток. В этом примере говорят, что напряжение и ток совпадают по фазе, как показано на рис. 20.16(b).

Ток в резисторе колеблется туда-сюда точно так же, как и управляющее напряжение, поскольку I=V/RI=V/R размер 12{I = ital «V/R»} {}. Например, если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, поскольку ток многократно проходит через ноль.Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстрое для ваших глаз, но если вы помахаете рукой между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе. Тот факт, что светоотдача колеблется, означает, что мощность колеблется. Подается питание P=IVP=IV размер 12{P = итал. «IV»} {}. Используя выражения для II размера 12{I} {} и ВВ размера 12{V} {} выше, мы видим, что зависимость мощности от времени P=I0V0sin2 2πftP=I0V0sin2 2πft размер 12{P= I rSub {размер 8{ 0} } V rSub { size 8{0} } «sin» rSup { size 8{2} } » 2″π ital «ft»} {}, как показано на рисунке 20. 18.

Установление связей: домашний эксперимент — освещение переменного/постоянного тока

Проведите рукой вперед-назад между лицом и флуоресцентной лампочкой. Наблюдаете ли вы то же самое с фарами на вашем автомобиле? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение: Не смотрите прямо на очень яркий свет .

Рисунок 20.18 Мощность переменного тока как функция времени. Поскольку напряжение и ток здесь совпадают по фазе, их произведение неотрицательно и колеблется между нулем и I0V0I0V0 size 12{I rSub { size 8{0} } V rSub { size 8{0} } } {}.Средняя мощность составляет (1/2)I0V0(1/2)I0V0 размер 12{ \( 1/2 \) I rSub { размер 8{0} } V rSub { размер 8{0} } } {} _.

Чаще всего нас интересует средняя мощность, а не ее колебания — например, 60-ваттная лампочка в вашей настольной лампе потребляет в среднем 60 Вт. Как показано на рис. 20.18, средняя мощность PavePave size 12{P rSub { size 8{«ave»} } } {} равна

.
Выложить=12I0V0.Выложить=12I0V0. size 12{P rSub { size 8{«ave»} } = {{1} over {2} } I rSub { size 8{0} } V rSub { size 8{0} } } {}

20.40

Это видно из графика, так как области выше и ниже (1/2)I0V0(1/2)I0V0 размера 12{ \( 1/2 \) I rSub { размера 8{0} } V rSub { size 8{0} } } {} строки равны, но это также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств. Точно так же мы определяем средний или среднеквадратический ток IrmsIrms size 12{I rSub { size 8{«rms»} } } {} и среднее или среднеквадратичное напряжение VrmsVrms size 12{V rSub { size 8{«rms»} } } {} быть, соответственно,

Irms = I02Irms = I02 размер 12 {I rSub { размер 8 {«rms «} } = { {I rSub { размер 8 {0} } } более { sqrt {2} } } } {}

20.41

и

Вэфф =V02.Вэфф =V02. size 12{V rSub { size 8{«rms»} } = {{V rSub { size 8{0} } } over { sqrt {2} } } } {}

20,42

, где rms обозначает среднеквадратичное значение, особый вид среднего. В общем, для получения среднеквадратичного корня конкретную величину возводят в квадрат, находят ее среднее (или среднее) и извлекают квадратный корень. Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Теперь

Pave=IrmsVrms,Pave=IrmsVrms, размер 12{P rSub { размер 8{«среднеквадратичное значение»} } = I rSub { размер 8{«среднеквадратичное значение»} } V rSub {размер 8{«среднеквадратичное значение»} } } { }

20.43

что дает

Pave=I02⋅V02=12I0V0,Pave=I02⋅V02=12I0V0, размер 12{P rSub {размер 8{«ave»}} = {{I rSub {размер 8{0}} } над { sqrt {2} } } cdot { {V rSub { размер 8{0} } } более { sqrt {2} } } = { {1} более {2} } I rSub { размер 8{0} } V rSub { размер 8{0} } } {}

20,44

, как указано выше. Стандартной практикой является указывать размер IrmsIrms 12{I rSub { размер 8{«rms»} } } {}, размер VrmsVrms 12{V rSub { размер 8{«rms»} } } {} и размер PavePave 12{P rSub { size 8{«ave»} } } {} , а не пиковые значения.Например, напряжение в большинстве бытовых электросетей составляет 120 В переменного тока, что означает, что значение VrmsVrms размера 12{V rSub {размер 8{«среднеквадратичное значение»} } } {} равно 120 В. размер 12{I rSub { размер 8{«rms»} } } {} более 10 А. Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет Pave=1,0 кВтPave=1,0 кВт размер 12{P rSub { размер 8{«ave» } } =1 «.» 0`»кВт»} {} и т. д. Вы можете думать об этих среднеквадратичных и средних значениях как об эквивалентных значениях постоянного тока для простой резистивной цепи.

Подводя итог, можно сказать, что при работе с переменным током закон Ома и уравнения для мощности полностью аналогичны уравнениям для постоянного тока, но для переменного тока используются среднеквадратические и средние значения. Таким образом, для переменного тока закон Ома записывается как

Irms=VrmsR.Irms=VrmsR. размер 12{I rSub { размер 8{«среднеквадратичное значение»} } = { {V rSub {размер 8{«среднеквадратичное значение»} } } свыше {R} } } {}

20,45

Различные выражения для мощности переменного тока PavePave размера 12 {P rSub {размер 8{«ave»} } } {}

Pave=IrmsVrms,Pave=IrmsVrms, размер 12{P rSub {размер 8{«ave»} } = I rSub {размер 8{«rms»} } V rSub {размер 8{«rms»} } } {}

20. 46

Pave=Vrms2R,Pave=Vrms2R, размер 12{P rSub { размер 8{«ave»} } = { {V rSub { размер 8{«rms»} } rSup {размер 8{2} } } свыше {R } } } {}

20,47

и

Pave=Irms2R.Pave=Irms2R. размер 12{P rSub { размер 8{«ave»} } = I rSub { размер 8{«rms»} } rSup { размер 8{2} } R} {}

20,48

Пример 20.9

Пиковое напряжение и мощность для АС

(a) Каково значение пикового напряжения для сети переменного тока 120 В? (b) Какова пиковая мощность потребления 60.0-ваттная лампочка переменного тока?

Стратегия

Нам говорят, что VrmsVrms size 12{V rSub { size 8{«rms»} } } {} составляет 120 В, а PavePave size 12{P rSub { size 8{«ave»} } } {} составляет 60,0 Вт. Мы можно использовать Vrms =V02Vrms =V02 размер 12{V rSub {размер 8{«rms»} } = {{V rSub {размер 8{0} } } over { sqrt {2} } } } {} для нахождения пикового напряжения , и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданной средней мощности.

Решение для (а)

Решение уравнения Vrms =V02Vrms =V02 размер 12{V rSub { размер 8{«rms»} } = { {V rSub { размер 8{0} } } более { sqrt {2} } } } {} для пика напряжение V0V0 размер 12{V rSub { размер 8{0} } } {} и подстановка известного значения VrmsVrms размер 12{V rSub { размер 8{«rms»} } } {} дает

V0=2Vrms= 1.414 (120 В) = 170 В. V0 = 2 В (среднеквадратичное значение) = 1,414 (120 В) = 170 В. размер 12 {V rSub { размер 8 {0} } = sqrt {2} V rSub { размер 8 {«rms»} } =» 1″ «.» «414»\(«120″»В»\)=»170В»} {}

20.49

Обсуждение для (а)

Это означает, что переменное напряжение колеблется от 170 В до –170–170 В и обратно 60 раз в секунду. Эквивалентное постоянное напряжение равно постоянным 120 В.

Решение для (b)

Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом,

P0=I0V0= 212I0V0= 2Паве.P0=I0V0= 212I0V0= 2Паве. размер 12{P rSub { размер 8{0} } = I rSub { размер 8{0} } V rSub { размер 8{0} } =» 2″ слева ( {{1} более {2} } I rSub { размер 8{0} } V rSub { size 8{0} } right ) =» 2″P rSub { size 8{«ave»} } } {}

20,50

Мы знаем, что средняя мощность составляет 60,0 Вт, поэтому

P0= 2(60,0 Вт)= 120 Вт.P0= 2(60,0 Вт)= 120 Вт. размер 12{P rSub { размер 8{0} } =» 2″ \( «60» «.» «0 Вт» \) =» 120 Вт»} {}

20,51

Обсуждение

Итак, мощность колеблется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за цикл), а средняя мощность составляет 60 Вт.

Зачем использовать переменный ток для распределения электроэнергии?

Большинство крупных систем распределения электроэнергии работают на переменном токе. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоких напряжениях, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве стран мира), которые мы используем дома и на работе. Экономия за счет масштаба делает строительство нескольких очень крупных электростанций дешевле, чем строительство множества мелких. Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно, чтобы потери энергии в пути были сведены к минимуму.Как мы увидим, высокое напряжение может передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкое напряжение. (См. рис. 20.19.) Из соображений безопасности напряжение у пользователя снижено до привычных значений. Решающим фактором является то, что переменное напряжение намного проще увеличивать и уменьшать, чем постоянное, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Рисунок 20.19. Энергия распределяется на большие расстояния при высоком напряжении для снижения потерь мощности в линиях передачи. Напряжения, генерируемые на электростанции, повышаются пассивными устройствами, называемыми трансформаторами (см. Трансформаторы), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру).В месте использования трансформаторы снижают передаваемое напряжение для безопасного бытового и коммерческого использования. (Источник: GeorgHH, Wikimedia Commons)

Пример 20.10

Меньшие потери мощности при высоковольтной передаче

(a) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при 200 кВ? б) Какова мощность, рассеиваемая линиями передачи, если они имеют сопротивление 1,00 Ом 1,00 Ом размером 12{1″». «00» %OMEGA } {}? в) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?

Стратегия

Дано: Pave=100 МВтave=100 МВт типоразмер 12{P rSub { размер 8{«ave»} } =»100″`»МВт»} {}, Vrms=200 кВVrms=200 кВ типоразмер 12{V rSub { размер 8{«rms»} } =»200″`»кВ»} {}, а сопротивление линий R=1.00ΩR=1,00Ω размер 12{R=1 «.» «00»` %OMEGA} {}. Используя эти данные, мы можем найти протекающий ток (от P=IVP=IV размер 12{P = итал. «IV»} {}), а затем мощность, рассеиваемую в линиях (P=I2RP=I2R размер 12{P = I rSup { size 8{2} } R} {}), и мы берем отношение к общей передаваемой мощности.

Раствор

Чтобы найти ток, мы меняем соотношение Pave=IrmsVrmsPave=IrmsVrms size 12{P rSub { size 8{«ave»} } = I rSub { size 8{«rms»} } V rSub { size 8{«rms» } } } {} и замените известные значения. Это дает

Irms=PaveVrms=100 × 106 W200 × 103 В= 500 A.Irms=PaveVrms=100 × 106 W200 × 103 В= 500 A. размер 12{I rSub { размер 8{«rms»} } = { {P rSub { размер 8{«среднее»} } } более {V rSub { размер 8{«среднеквадратичное значение»} } } } = {{«100 » раз » 10″ rSup { размер 8{6} } «W»} более {«200 » раз » 10″ rSup {размер 8{3} } «V»} } =» 500 A»} {}

20,52

Решение

Зная ток и учитывая сопротивления линий, мощность, рассеиваемая в них, находится из Pave=Irms2RPave=Irms2R size 12{P rSub { size 8{«ave»} } = I rSub { size 8{«rms»} } rSup {размер 8{2} } R} {}.Подстановка известных значений дает

Pave=Irms2R=(500 А)2(1,00 Ом)= 250 кВт. Pave=Irms2R=(500 А)2(1,00 Ом)= 250 кВт. размер 12 {P rSub { размер 8 {«ср.кв.»} } = I rSub { размер 8 {«rms»} } rSup { размер 8 {2} } R = \(«500 A» \) rSup { размер 8{2 } } \( 1 «.» «00 » %OMEGA \) =» 250 кВт»} {}

20,53

Решение

Процент потерь – это отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100:

% потерь=250 кВт100 МВт×100=0,250 %. % потерь=250 кВт100 МВт×100=0.250 %. размер 12{%» loss=» {{«250″» кВт»} свыше {«100″» МВт»} } ´»100″=0 «.» «250 %»} {}

20,54

Обсуждение

Одна четвертая процента является приемлемой потерей. Заметим, что если бы передавалось 100 МВт мощности при напряжении 25 кВ, то понадобился бы ток 4000 А. Это приведет к потере мощности в линиях 16,0 МВт, или 16,0%, а не 0,250%. Чем ниже напряжение, тем больше требуется тока и тем больше потери мощности в линиях передачи с фиксированным сопротивлением.Конечно, можно построить линии с меньшим сопротивлением, но для этого нужны более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было производить экономично, то в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в одной из последующих глав, в сверхпроводниках также существует предел тока. Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи мощности, а напряжение переменного тока гораздо легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупномасштабных систем распределения электроэнергии.

Широко признано, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое напряжение.Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредными. Так что не только напряжение определяет опасность. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока. Томас Эдисон считал, что удары переменного тока более вредны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные споры, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой, которые выступали за использование переменного тока в первых системах распределения электроэнергии.Переменный ток преобладает во многом благодаря трансформаторам и меньшим потерям мощности при передаче высокого напряжения.

PhET Explorations

Генератор

Генерация электричества с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.

Как вы заряжаете свой телефон постоянного тока от источника переменного тока?

Позвольте мне начать с того, что этот пост был навеян потрясающей демонстрацией физики, которую я видел в отделении Северной Каролины Американской ассоциации учителей физики.Версия демо (которую я покажу ниже) была создана школьным учителем физики Джеффом Регестером. Фактически, вы можете увидеть его страницу об адаптерах питания переменного тока здесь (включая эту демонстрацию).

AC и DC

Вы не можете жить без зарядного устройства для смартфона. Я это понимаю. Однако зарядному устройству требуется источник постоянного тока. DC означает постоянный ток (это означает, что вы не можете сказать «постоянный ток» — это все равно, что сказать «постоянный ток»). Это тип тока, который вы получаете, когда подключаете аккумулятор к лампочке.Это означает, что ток движется в одном направлении в цепи и, надеюсь, ток в основном постоянный. Многим устройствам в вашем доме нужен постоянный ток.

Rhett Allain

Когда вы включаете что-то в розетку в вашем доме, вы не получаете постоянный ток. Бытовые розетки переменного тока. Этот ток имеет частоту 60 Гц и будет выглядеть примерно так (если вы изобразите ток как функцию времени).

Этот переменный ток прекрасно работает с чем-то вроде лампы накаливания, но не очень подходит для аккумулятора вашего смартфона.

Но почему мы используем переменный ток вместо постоянного? Есть две причины. Во-первых, если у вас есть переменный ток, вы можете легко изменить напряжение с помощью трансформатора (по сути, это всего лишь две катушки провода с разным количеством витков). Во-вторых, с переменным током вы можете использовать очень высокое напряжение для передачи по линии электропередач. Высокие напряжения означают низкие токи в линиях электропередач. Оказывается, вы теряете много энергии, когда у вас есть большие токи в передаче. Итак, переменный ток позволяет более легко распределять электроэнергию на большие расстояния.

Мостовой выпрямитель

Если бы только можно было взять источник переменного тока и получить постоянный ток. Ну конечно есть — мостовой выпрямитель. На самом деле это довольно простая схема, но она зависит от одного ключевого элемента — диода. Диод — это твердотельное устройство, которое, по сути, выполняет только одну функцию. Когда ток проходит через диод в одном направлении, диода как будто и нет. Когда ток проходит через диод в противоположном направлении, он имеет почти бесконечное сопротивление. Эффект состоит в том, что ток может проходить через диод только в одном направлении.Это как односторонний клапан на водопроводной трубе, кроме тока.

Если у меня есть источник переменного тока, я могу сделать его более похожим на постоянный ток с помощью этой схемы.

Постоянный ток (DC) и переменный ток (AC)

Постоянный ток, постоянный ток

При постоянном токе (DC) ток течет только в одном направлении проводника. Например, поскольку клеммы батареи всегда имеют постоянный полюс, ток в электрической цепи течет только в одном направлении. Большая часть электронов внутри проводов приводится в движение беспорядочными движениями, и они постепенно перемещаются к (+) полюсу батареи из-за приложенного к цепи напряжения.Батареи, которые генерируют напряжение постоянного тока, или детали, работа которых зависит от полярности цепи, имеют собственную маркировку полярности.

Переменный ток, переменный ток

Переменный ток (AC) только вибрирует без определенного направления. Это связано с тем, что напряжение в цепи периодически меняется.
Поскольку источником питания в доме является переменный ток, в месте вставки вилки нет отметки полярности. Частота переменного тока в Корее составляет 60 Гц. Другими словами, напряжение меняется дважды и возвращается в исходное состояние, повторяясь 60 раз в секунду.Электронные устройства, работающие от сети переменного тока, не нуждаются в маркировке полярности, поэтому вам не нужно беспокоиться о полярности (+) и (-) при подключении.

Причина, по которой электрическая цепь с использованием батареи является постоянным током

Причину, по которой электрическая цепь с использованием батареи является постоянным током, можно выяснить, изучив структуру батареи. Химические ячейки предназначены для непрерывного потока электронов за счет химической реакции веществ.
В центре 1.5В марганцевая батарея, угольный стержень формирует (+) полюс, а цинковая пластина формирует (-) полюс снаружи. Разбавленный хлорид аммония содержится в пасте между угольным стержнем и цинковой пластиной.

Структура обычно используемой марганцевой батареи

Особенности цепи переменного тока

Когда напряжение в определенном направлении подается подобно постоянному току, электроны могут двигаться в одном направлении, тогда как в цепи переменного тока электроны не двигаются. Электроны колеблются только вперед и назад.

Бытовая электрическая розетка — это соединение, по которому подаются электроны?

Это не так. В доме переменный ток. В переменном токе электроны колеблются. Суть того, что доставлено из бытовой розетки, это энергия, а не осязаемая субстанция вроде электронов.

История постоянного тока и обмена

Концепция снабжения электроэнергией переменного тока была предложена Теслой из США (1856-1943). По иронии судьбы, когда Тесла работал на электростанции постоянного тока (DC) Эдисона, он разработал переменный ток (AC), но Эдисона не интересовала система питания переменного тока Теслы. В конце концов, Тесла ушел из этой компании и начал работать самостоятельно. Осознав рыночный потенциал переменного тока, Джордж Вестингауз приобрел патентное право Теслы. Эдисон пытался остаться на постоянном токе, но отставал от сети переменного тока. В настоящее время все электричество в мире в основном питается от переменного тока Tesla.

Разница между переменным и постоянным током

Электрический ток течет либо в одном направлении, либо периодически меняет свое направление.Следовательно, есть два пути течения тока, а именно; Переменный ток (AC) и постоянный ток (DC). Основное различие между переменным и постоянным током заключается в том, что текущий ток постепенно течет в одном направлении в постоянном токе (DC). Однако Ток постоянно меняет свое Направление с прямого на обратное и наоборот. Узнайте больше о точках, которые различают переменный и постоянный ток.

Что такое переменный ток?

Термин «переменный ток» относится к переменному току в физике, который наиболее предпочтителен в качестве электроэнергии для офисного, бытового оборудования и многого другого.Критическая разница между переменным током и постоянным током заключается в направлении, в котором текут электрические заряды. В переменном токе электроны непрерывно периодически меняют свое направление с прямого на обратное.

Кривая переменного тока, нарисованная на графике, представляет собой синусоидальную форму волны. Изогнутые линии обозначают электрические циклы, измеряемые в секунду. По сравнению с постоянным током, переменный ток легче генерировать и передавать на большие расстояния. Следовательно, переменный ток широко используется в зданиях, электростанциях и т. д.

Что такое постоянный ток?

Постоянный ток относится к постоянному току, при котором нет изменения направления тока. Следовательно, основное различие между переменным и постоянным током заключается в том, что электрический ток течет только в одном направлении при стабильном напряжении постоянного тока. Одним из основных применений постоянного тока является зарядка аккумуляторов и питание электрических устройств. В цепи постоянного тока электроны выходят из отрицательной стороны и движутся к положительной стороне. Основным источником постоянного тока являются фотогальванические элементы, батареи или электрохимические элементы.

На изображении выше показано, что постоянный ток течет в одном направлении. График показывает пропорциональность между величиной постоянного тока и временем.

Все, что использует адаптер переменного тока при подключении к стене или работает от батареи, зависит от постоянного тока. Некоторые из примеров постоянного тока включают фонарики, аккумуляторы для мобильных телефонов, электромобили и многое другое. Изучая разницу между переменным током и постоянным током, легко понять, почему переменный ток чаще всего упоминается в нескольких приложениях.

Как переменный ток преобразуется в постоянный?

Есть несколько случаев, когда необходимо преобразовать переменный ток в постоянный. Именно из-за разницы переменного и постоянного тока постоянный ток менее предпочтителен на больших расстояниях. Для преобразования переменного тока в постоянный требуется источник питания, состоящий из трансформатора. Позже он преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителя. Преобразование переменного тока в постоянный полезно для предотвращения обратного течения тока.Используемый фильтр устранял пульсации тока на выходе выпрямителя.

Подводя итоги, точки различия между AC и DC включают в себя:

дифференцируют между переменного и постоянного тока

Закон Ома

Закон Ома формулирует, что напряжение на электрическом проводнике прямо пропорционально протекающему по нему току (при условии, что все физические условия и температура остаются постоянными).Закон Ома полезен только тогда, когда заданная температура и другие физические факторы остаются постоянными. В некоторых компонентах расширение Тока повышает температуру. Например, нить накаливания лампочки, в которой температура увеличивается по мере увеличения тока. Закон Ома не может быть применен к таким условиям, потому что Ток здесь является переменной. Нить накала лампочки нарушает закон Ома.

Закон Фарадея

Закон Фарадея или Закон электромагнитной индукции является основным законом электромагнетизма, который позволяет указать, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью для создания ЭДС (электродвижущей силы), которую также называют электромагнитной индукцией.

Законы электромагнитной индукции Фарадея состоят из 2-х законов. Они-

1. Первый закон электромагнитной индукции Фарадея. Первый закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что в катушке возникает ЭДС (электродвижущая сила), когда магнитный поток через катушку изменяется со временем.

2. Второй закон электромагнитной индукции Фарадея. Второй закон электромагнитной индукции Фарадея отмечает, что индуцированная ЭДС (электродвижущая сила) в катушке эквивалентна скорости изменения потокосцепления.

Переменный ток, постоянный ток, солнечная энергия и вы

(Этот пост был написан Гарансом Перретом, сотрудником Solar United Neighbours Communications)

Каждая солнечная система поставляется с устройством, называемым инвертором. Инверторы являются ключевым компонентом вашей системы. Они преобразуют энергию, собранную панелями от солнца, в энергию, необходимую для питания вашего дома. То есть инверторы преобразуют постоянный ток (DC) в переменный ток (AC). Чтобы понять, почему это изменение необходимо, давайте посмотрим на разницу между постоянным и переменным током.

Электрический ток – это поток заряженных электронов. Разница между переменным и постоянным током заключается в направлении движения электронов. При постоянном токе поток электронов движется в одном направлении. При переменном токе поток электронов колеблется, создавая волнообразный узор.

Большинство бытовых приборов и зданий питаются от сети переменного тока, потому что гораздо проще изменить уровень напряжения переменного тока. Кроме того, переменный ток лучше передается на большие расстояния.На заре электричества между инженерами шла ожесточенная конкуренция за то, кто из них эффективнее.

Томас Эдисон был активным сторонником использования постоянного тока. Он даже возглавил кампанию по предотвращению использования переменного тока, ссылаясь на соображения безопасности. Переменный ток стал доминирующим в конце 19 века, когда инженеры увидели его способность передавать энергию на большие расстояния.

Давайте посмотрим, как эти различия применимы к вашей системе. Электрическая мощность вашей системы измеряется в ваттах. Важно, чтобы вам было ясно, относится ли это измерение к выходу переменного тока панелей или к выходу постоянного тока.Выход переменного тока панели отличается от выхода постоянного тока: думайте об этом как об обмене валюты. Один доллар имеет другую ценность, чем один евро.

Хотя переменный ток победил в качестве электрического тока, используемого вашим домом и бытовой техникой, многие устройства, такие как батареи, по-прежнему используют постоянный ток. Постоянный ток также является формой электричества, вырабатываемой вашими солнечными панелями. Вот почему производители солнечных панелей маркируют мощность своих панелей в постоянном токе.

Выходные данные панелей

измеряются двумя способами: стандартные условия испытаний (STC) и условия испытаний производительности (PTC).STC относится к выходу панели в лабораторных условиях. Это максимальное количество электроэнергии, которое он может произвести. PTC измеряет мощность панели в реальных условиях. Чтобы рассчитать выходную мощность ваших панелей в переменном токе, вы умножаете вышеупомянутое измерение PTC на эффективность ваших инверторов — обычно около 95%. Это означает, что измерение постоянного тока всегда будет больше, чем измерение переменного тока.

Итак, вы можете задаться вопросом, лучше ли один показатель, чем другой? Нет, но важно, когда вы сравниваете котировки, чтобы вы четко понимали, какая метрика используется.Таким образом, вы можете сравнить яблоки с яблоками.

20.5 Переменный ток в сравнении с постоянным током – College Physics главы 1-17

Большинство примеров, рассмотренных до сих пор, и особенно те, в которых используются батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он, таким образом, также является постоянным. Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического заряда только в одном направлении. Это устойчивое состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник переменного напряжения.Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь известна как цепь переменного тока. Примеры включают коммерческую и жилую энергию, которая удовлетворяет многие из наших потребностей. На рис. 1 показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичной мощности постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.

Рис. 1. (a) Напряжение постоянного тока и ток постоянны во времени, как только ток установится. (b) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока с частотой 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и находятся в фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковые напряжения источников переменного тока сильно различаются. Рисунок 2. Разность потенциалов В между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для В имеет вид В = В ₀ sin 2πft .

На рис. 2 показана схема простой цепи с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано, с напряжением переменного тока, заданным

.

[латекс]\boldsymbol{V = V_0 \;\textbf{sin} \; 2 \pi ft},[/латекс]

, где [latex]\boldsymbol{V}[/latex] – напряжение в момент времени, [latex]\boldsymbol{t}[/latex], [latex]\boldsymbol{V_0}[/latex] – пиковое напряжение, а [латекс]\boldsymbol{f}[/латекс] — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления [латекс]\boldsymbol{I = V/R}[/латекс], поэтому переменный ток равен

[латекс]\boldsymbol{I = I_0 \;\textbf{sin} \; 2 \pi ft},[/латекс]

, где [latex]\boldsymbol{I}[/latex] – текущий момент времени [latex]\boldsymbol{t}[/latex], а [latex]\boldsymbol{I_0 = V_0/R}[/latex] – пиковый ток. В этом примере говорят, что напряжение и ток совпадают по фазе, как показано на рисунке 1(b).

Ток в резисторе колеблется туда-сюда точно так же, как и управляющее напряжение, поскольку [latex]\boldsymbol{I = V/R}[/latex]. Например, если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, поскольку ток многократно проходит через ноль. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстрое для ваших глаз, но если вы помахаете рукой между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе.2\; 2 \pi ft}[/latex], как показано на рисунке 3.

Установление связей: домашний эксперимент — освещение переменного/постоянного тока

Проведите рукой вперед-назад между лицом и флуоресцентной лампочкой. Наблюдаете ли вы то же самое с фарами на вашем автомобиле? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение: Не смотрите прямо на очень яркий свет .

Рис. 3. Мощность переменного тока в зависимости от времени. Поскольку напряжение и ток здесь совпадают по фазе, их произведение неотрицательно и колеблется от нуля до I ₀ В ₀ .Средняя мощность (1/2)I ₀ В ₀ .

Чаще всего нас интересует средняя мощность, а не ее колебания — например, 60-ваттная лампочка в вашей настольной лампе потребляет в среднем 60 Вт. Как показано на рисунке 3, средняя мощность [latex]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}}}[/latex] равна

.

[латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}} =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{1}{2}}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{I_0 V_0}. [/латекс]

Это видно из графика, так как площади выше и ниже линии [latex]\boldsymbol{(1/2)I_0V_0}[/latex] равны, но это также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств.Точно так же мы определяем средний или среднеквадратический ток [latex]\boldsymbol{I _{\textbf{rms}}}[/latex] и среднее или среднеквадратичное напряжение [latex]\boldsymbol{V _{\textbf{rms}}}[/ латекс] будет, соответственно,

[латекс]\boldsymbol{I_{\textbf{rms}} =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{I_0}{\sqrt{2}}}[/латекс]

и

[латекс]\boldsymbol{V_{\textbf{rms}} =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{V_0}{\sqrt{2}}} . [/латекс]

, где rms означает среднеквадратичное значение, особый вид среднего значения.В общем, для получения среднеквадратичного корня конкретную величину возводят в квадрат, находят ее среднее (или среднее) и извлекают квадратный корень. Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Сейчас

[латекс] \boldsymbol {P _ {\ textbf {ср.}} = I _ {\ textbf {rms}} V _ {\ textbf {rms}}}, [/ латекс]

что дает

[латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}} =}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{I_0}{2} \cdot \frac{V_0}{2}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{=}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{1}{2}}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{I_0 V_0},[/латекс]

, как указано выше.Стандартной практикой является цитирование [латекс]\boldsymbol{I_{\textbf{rms}}}[/latex], [латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{rms}}}[/латекс] и [латекс] \boldsymbol{P_{\textbf{ave}}}[/latex], а не пиковые значения. Например, в большинстве бытовых электросетей используется переменное напряжение 120 В, а это означает, что [латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{среднеквадратичное значение}}}[/латекс] равно 120 В. ]\boldsymbol{I_{\textbf{rms}}}[/latex] более 10 А. Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет [латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}}=1.0 \;\textbf{kW}}[/latex] и так далее. Вы можете думать об этих среднеквадратичных и средних значениях как об эквивалентных значениях постоянного тока для простой резистивной цепи.

Подводя итог, при работе с переменным током закон Ома и уравнения для мощности полностью аналогичны уравнениям для постоянного тока, но для переменного тока используются среднеквадратические и средние значения. Таким образом, для переменного тока закон Ома записывается как

[латекс]\boldsymbol{I _{\textbf{rms}} =}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{V{\textbf{rms}}}{R}}.[/latex]

Различные выражения для мощности переменного тока [латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}}}[/латекс] равны

[латекс] \boldsymbol {P _ {\ textbf {ср.}} = I _ {\ textbf {rms}} V _ {\ textbf {rms}},} [/ латекс]

[латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}} =}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{rms}}^2}{R},}[/latex]

и

[латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}} = I_{\textbf{rms}}^2 R} . [/латекс]

Пример 1: Пиковое напряжение и мощность для переменного тока

(a) Каково значение пикового напряжения для сети переменного тока 120 В? (b) Какова пиковая мощность, потребляемая лампочкой переменного тока мощностью 60,0 Вт?

Стратегия

Нам говорят, что [latex]\boldsymbol{V_{\textbf{rms}}}[/latex] составляет 120 В, а [latex]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}}}[/latex] составляет 60,0 Вт. Мы можем использовать [latex]\boldsymbol{V_{\textbf{rms}} = \frac{V_0}{\sqrt{2}}}[/latex], чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем манипулировать определением мощности найти пиковую мощность по заданной средней мощности.

Раствор для (а)

Решение уравнения [латекс]\boldsymbol{V_{\textbf{rms}} = \frac{V_0}{\sqrt{2}}}[/latex] для пикового напряжения [латекс]\boldsymbol{V_0}[/ латекс] и подставив известное значение для [латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{rms}}}[/латекс] дает

[латекс]\boldsymbol{V_0 = \sqrt{2} V_{\textbf{rms}} = 1,414(120 \;\textbf{V}) = 170 \;\textbf{V}. }[/latex]

Обсуждение для (а)

Это означает, что переменное напряжение колеблется от 170 В до –170 В и обратно 60 раз в секунду.Эквивалентное постоянное напряжение равно постоянным 120 В.

Раствор для (b)

Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом,

[латекс]\boldsymbol{P_0 = I_0 V_0 = 2 \; (}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{1}{2}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{I_0 V_0 ) = 2P _{\textbf{ave}}.}[/latex]

Мы знаем, что средняя мощность равна 60,0 Вт, поэтому

[латекс]\boldsymbol{P_0 = 2(60.0 \;\textbf{W}) = 120 \;\textbf{W}.}[/latex]

Обсуждение

Итак, мощность колеблется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за цикл), а средняя мощность составляет 60 Вт.

Большинство крупных систем распределения электроэнергии работают на переменном токе. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоких напряжениях, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве стран мира), которые мы используем дома и на работе. Экономия за счет масштаба делает строительство нескольких очень крупных электростанций дешевле, чем строительство множества мелких. Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно, чтобы потери энергии в пути были сведены к минимуму. Как мы увидим, высокое напряжение может передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкое напряжение.(См. рис. 4.) Из соображений безопасности напряжение у пользователя снижено до привычных значений. Решающим фактором является то, что переменное напряжение намного проще увеличивать и уменьшать, чем постоянное, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Рисунок 4. Энергия распределяется на большие расстояния при высоком напряжении для уменьшения потерь мощности в линиях передачи. Напряжение, генерируемое электростанцией, повышается с помощью пассивных устройств, называемых трансформаторами (см. главу 23.7 «Трансформаторы»), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру). В месте использования трансформаторы снижают передаваемое напряжение для безопасного бытового и коммерческого использования. (Источник: GeorgHH, Wikimedia Commons)

Пример 2: Меньшие потери мощности при высоковольтной передаче

(а) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 200 кВ? (b) Какова мощность, рассеиваемая линиями передачи, если они имеют сопротивление [латекс]\boldsymbol{1,00 \;\Омега}[/латекс]? в) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?

Стратегия

Нам дано [латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{ave}} = 100 \;\textbf{MW}}[/latex], [латекс]\boldsymbol{V_{\textbf{rms}} = 200 \ ;\textbf{кВ}}[/latex], а сопротивление линий равно [latex]\boldsymbol{R = 1.2 (1,00 \;\Омега) = 250 \;\textbf{кВт}}.[/latex]

Раствор

Процент потерь – это отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100:

[латекс]\boldsymbol{\% \;\textbf{потеря} =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{250 \;\textbf{кВт}}}{100 \;\textbf{МВт}} }[/латекс] [латекс]\жирныйсимвол{\раз 100=0,250\%}. [/латекс]

Обсуждение

Одна четвертая процента является приемлемой потерей. Заметим, что если бы передавалось 100 МВт мощности при напряжении 25 кВ, то понадобился бы ток 4000 А.Это приведет к потере мощности в линиях 16,0 МВт, или 16,0%, а не 0,250%. Чем ниже напряжение, тем больше требуется тока и тем больше потери мощности в линиях передачи с фиксированным сопротивлением. Конечно, можно построить линии с меньшим сопротивлением, но для этого нужны более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было производить экономично, то в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в одной из последующих глав, в сверхпроводниках также существует предел тока.Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи мощности, а напряжение переменного тока гораздо легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупномасштабных систем распределения электроэнергии.

Широко признано, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое напряжение. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредными. Так что не только напряжение определяет опасность. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока.Томас Эдисон считал, что удары переменного тока более вредны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные споры, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой, которые выступали за использование переменного тока в первых системах распределения электроэнергии. Переменный ток преобладает во многом благодаря трансформаторам и меньшим потерям мощности при передаче высокого напряжения.

Исследования PhET: Генератор

Генерируйте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.

Рис. 5. Генератор

Проблемные упражнения

1: а) Чему равно тепловое сопротивление лампочки мощностью 25 Вт, работающей от сети переменного тока 120 В? б) Если рабочая температура лампы 2700°С, каково ее сопротивление при 2600°С?

2: Некоторое тяжелое промышленное оборудование использует переменный ток с пиковым напряжением 679 В. Каково среднеквадратичное значение напряжения?

3: Определенный автоматический выключатель срабатывает, когда среднеквадратичное значение тока равно 15.0 А. Каков соответствующий пиковый ток?

4: В военных самолетах используется переменный ток с частотой 400 Гц, поскольку на этой более высокой частоте можно проектировать более легкое оборудование. Каково время одного полного цикла этой мощности?

5: Турист из Северной Америки берет свою бритву мощностью 25,0 Вт и 120 В переменного тока в Европу, находит специальный адаптер и подключает ее к сети 240 В переменного тока. Предполагая постоянное сопротивление, какую мощность потребляет бритва при ее поломке?

6: В этой задаче вы проверите утверждения, сделанные в конце потерь мощности для Примера 2.а) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 25,0 кВ? (b) Найдите потери мощности в линии передачи [latex]\boldsymbol{1.00 — \;\Omega}[/latex]. (c) Какой процент потерь это представляет?

7: Кондиционер небольшого офисного здания работает от сети переменного тока 408 В и потребляет 50,0 кВт. а) Каково его эффективное сопротивление? (b) Какова стоимость работы кондиционера в жаркий летний месяц, когда он работает по 8 часов в день в течение 30 дней и стоит электричество [латекс]\boldsymbol{9.00 \;\textbf{центов/кВт} \cdot \;\textbf{ч}}[/латекс]?

8: Какова пиковая потребляемая мощность микроволновой печи на 120 В переменного тока, которая потребляет 10,0 А?

9: Каков пиковый ток через комнатный обогреватель мощностью 500 Вт, работающий от сети переменного тока 120 В?

10: Два разных электрических устройства имеют одинаковую потребляемую мощность, но одно предназначено для работы от сети переменного тока 120 В, а другое от сети переменного тока 240 В. а) Каково отношение их сопротивлений? б) Каково отношение их токов? (c) Если предположить, что его сопротивление не изменится, во сколько раз увеличится мощность, если устройство на 120 В переменного тока подключить к сети 240 В переменного тока?

11: Нихромовая проволока используется в некоторых радиационных нагревателях.2}[/latex], нужен, если рабочая температура 500º C? в) Какую мощность он потребляет при первом включении?

12: Найдите время после [latex]\boldsymbol{t = 0}[/latex], когда мгновенное напряжение переменного тока частотой 60 Гц впервые достигает следующих значений: (a) [latex]\boldsymbol{V_0/2 }[/латекс] (б) [латекс]\boldsymbol{V_0}[/латекс] (в) 0,

13: (a) В какие два раза в первый период после [latex]\boldsymbol{t = 0}[/latex] мгновенное напряжение переменного тока частотой 60 Гц равно [latex]\boldsymbol{V_{\ textbf{rms}}}[/латекс]? (b) [латекс]\boldsymbol{-V _{\textbf{rms}}}[/латекс]?

Война токов — AC vs.

округ Колумбия | ОРЕЛ

Добро пожаловать в 1880-е. Между постоянным током (DC) и переменным током (AC) идет масштабная война. В этой Войне Токов, как и в любом другом конфликте в истории человечества, есть набор конкурирующих идей о том, как лучше всего доставить электричество в мир. И, конечно же, на этом пути можно заработать кучу денег. Так удержится ли Томас Эдисон и его батальон DC, или Джордж Вестингауз и его AC Armada заявят о своей победе? Это была битва за будущее человечества, в которой было много нечестной игры.Посмотрим, как оно пошло вниз.

Эдисон в игре

Томас Эдисон. Этот парень знает свое дело, ему приписывают более 1000 изобретений, при этом он остается успешным бизнесменом (Источник изображения)

Имя Эдисона в свое время было нарицательным, за его плечами более 1000 изобретений. И вам было бы трудно не найти его имя, разлетающееся по городу в 1880-х годах с такими творениями, как фонограф, кинокамера и лампочка, которые изменили нашу жизнь, и все они питались от постоянного тока Эдисона.

Вот Эдисон с одной из своих первых ламп накаливания, на изготовление которой ушло более 1000 попыток. (Источник изображения)

Эдисон был не только великим изобретателем, но и проницательным бизнесменом, который смог превратить почти все свои изобретения в коммерческий успех. Чего нельзя было сказать о его бывшем сотруднике Николе Тесле, который практически отдал свой патент на переменный ток Джорджу Вестингаузу, что в конечном итоге изменило ход битвы.

Излишне говорить, что Эдисон очень гордился своими изобретениями и системой постоянного тока, и на этом можно было заработать кучу денег.Поэтому, когда пришло время решать, как будет питаться будущее Америки и Европы, Эдисон перешел в наступление.

Чем хорош постоянный ток?

Если у вас есть смартфон или ноутбук, то Томас Эдисон и его постоянный ток должны благодарить вас за новообретенную зависимость от Интернета. Постоянный ток, в отличие от переменного, гораздо проще использовать, поскольку он обеспечивает постоянное и постоянное напряжение и может течь только в одном направлении — вперед.

Батарея — отличный пример того, как работает постоянный ток.Одна сторона положительная, а другая отрицательная. Когда вы подключаете его к электронному устройству, электричество течет только в одном направлении, от отрицательного к положительному. Если бы вы посмотрели напряжение постоянного тока на графике, то это была бы просто прямая линия. Никаких взлетов, никаких спадов, это постоянный источник в мире электричества.

Батарейки — это простой способ проиллюстрировать протекание постоянного тока с одной стороны на другую (Источник изображения).

Но какая польза от постоянного тока? Ответ на этот вопрос связан с нашей вновь обретенной любовью к компьютерам.Большая часть цифровой электроники питается от постоянного тока, и на то есть веская причина. Компьютеры работают в двоичной системе, которая, по сути, представляет собой набор единиц и нулей, сплетенных вместе безумно творческим образом, чтобы оживить все ваши приложения, видеоигры и фильмы. Вы знаете ту ленту Facebook, от которой вы зависимы? Все 1 и 0. Или этот смартфон, от которого невозможно оторвать пальцы? Это стало возможным благодаря единицам и нулям.

Дело в том, что эта бинарная логика требует особого набора значений. Это должно быть либо 1, либо 0, черное или белое.Если это 1, он включен, а если 0, выключен. Ничего промежуточного в мире компьютеров не существует. Поскольку напряжение постоянного тока всегда постоянно, вы всегда знаете, находитесь ли вы в состоянии положительного заряда, будучи включенным, или в состоянии отрицательного или нулевого заряда, когда выключены. Теперь видите связь? Это позволяет компьютерам легко интерпретировать, что такое 1 и что такое 0 при использовании постоянного тока в качестве источника питания.

Понял? Двоичная магия питает всю нашу компьютерную магию, эти таинственные 1 и 0. (Источник изображения)

DC не все так хорошо

Несмотря на все его прекрасные возможности для использования в таких устройствах, как смартфоны, телевизоры, фонарики и даже электромобили, постоянный ток имеет три серьезных ограничения:

1. Высокое напряжение. Если вам нужны высокие напряжения, например, для питания холодильника или посудомоечной машины, то постоянный ток не подходит для этой задачи.
2. Дальние расстояния. DC также не может путешествовать на большие расстояния, не исчерпав запас энергии.
3. Больше электростанций. Из-за небольшого расстояния, на которое может перемещаться DC, вам нужно установить намного больше электростанций по всей стране, чтобы получить его в домах людей. Это ставит людей, живущих в сельской местности, в затруднительное положение.

Эти ограничения были огромной проблемой для Эдисона, поскольку Война Токов продолжала разворачиваться.Как он собирался снабжать энергией целый город, не говоря уже о стране, когда постоянное напряжение едва ли могло пройти милю, не разрядившись? Решение Эдисона состояло в том, чтобы иметь электростанцию ​​постоянного тока в каждом районе города и даже в его окрестностях. И когда в 1887 году по Соединенным Штатам была разбросана 121 электростанция Эдисона, Эдисон думал, что решение находится в его руках.

Электростанция Эдисона. Вы можете себе представить, что это рядом?

Но из-за того, что вдалеке замаячил его конкурент, работающий на переменном токе, Эдисон так и не придумал решение для местной электростанции.Такой стране, как Соединенные Штаты, требовалась более надежная система для обеспечения электроэнергией на расстоянии сотен миль.

Переменный ток — этот сумасшедший сосед

Переменный ток похож на вашего сумасшедшего соседа, который любит разговаривать сам с собой на крыльце. Его личность, кажется, меняется от одной минуты к другой, и это именно то, что означает чередующееся настоящее, постоянное изменение. В переменном токе поток напряжения будет постоянно меняться от положительного к отрицательному в волнообразном движении.

Вот простая синусоида переменного тока, показывающая возвратно-поступательное движение от положительного к отрицательному напряжению.

То, как ведет себя переменный ток, может показаться сумасшедшим и непредсказуемым, но у него есть несколько замечательных применений, включая передачу энергии в ваш дом на большие расстояния. Помните все эти линии электропередач возле вашего дома? Через эти штуки течет переменный ток. Когда дело доходит до передачи электроэнергии на большие расстояния, переменный ток не может быть лучше.

Выглядит знакомо? Вы найдете трансформаторы на всех жилых линиях электропередач, преобразующие переменный ток в постоянный.

Вы обнаружите, что почти все дома и офисы по всему миру используют переменный ток в своих розетках. Переменный ток также используется для питания электродвигателей и других крупных бытовых приборов, таких как посудомоечные машины, холодильники и обогреватели. Единственным недостатком переменного тока является то, что он не может использоваться такими вещами, как ваш смартфон или ноутбук, поэтому его необходимо сначала преобразовать в постоянный ток.

Вот почему почти все силовые кабели для вашей электроники имеют эти неприглядные коробки посередине провода.Они берут электричество переменного тока из вашей розетки и преобразуют его в электричество постоянного тока, которое может переварить ваша электроника.

Война продолжается с примесью пропаганды

Еще во времена Войны Токов ученые и бизнесмены начали понимать преимущества использования переменного тока перед постоянным, и Эдисон был недоволен. Итак, в течение следующих нескольких лет Эдисон ведет пропагандистскую кампанию, в которой переменный ток, по сути, очерняется.

Это включало лоббирование в законодательных собраниях штатов.Но Эдисон также делал некоторые странные вещи, например, публично убивал животных электрическим током с помощью переменного тока, чтобы показать, насколько это опасно по сравнению с постоянным током. Сотрудники Эдисона пошли еще дальше, спроектировав первый электрический стул для штата Нью-Йорк, работающий от вражеского переменного тока.

Справедливости ради следует отметить, что при использовании переменного тока были серьезные опасения по поводу безопасности, и на то были веские причины. Еще во время снежной бури 1888 года в Нью-Йорке один из свисающих проводов переменного тока, по которому шло напряжение до 6000 вольт, оборвался во время сильного шторма, в результате чего ребенок был убит электрическим током. Но проблема заключалась не столько в вине переменного тока, сколько в линиях электропередач, практически не имевших изоляции, со многими проводами, которые больше не обслуживались.

Посмотрите на все эти провода. Неудивительно, что во время снежной бури 1888 года оборвались линии электропередач. (Источник изображения)

Итак, когда Эдисон наступал, лгал и дезинформировал всех, кто готов был его слушать, Джорджу Вестингаузу понадобилась какая-то поддержка для защиты переменного тока. И он нашел решение в известном хорватском вундеркинде – Николе Тесле.

О да, этот парень из Теслы

Это классный чувак — Никола Тесла, сербско-американский изобретатель, инженер-электрик, инженер-механик и физик. (Источник изображения)

Хотя Тесла заслуживает отдельного поста в блоге, его вклад в Войну Токов заслуживает упоминания здесь, поскольку он помог переломить ход битвы. Тесла прибыл в Соединенные Штаты в 1884 году с одной одеждой на спине. Сначала он работал на Эдисона, и они были неразлучны, день и ночь работая над усовершенствованием изобретений Эдисона.Иногда дружба заканчивается, как и у Эдисона и Теслы, когда их пути расходятся после столкновения личностей.

Тесла подал патенты на несколько электрических систем переменного тока, которые позже были куплены Джорджем Вестингаузом за колоссальные 60 000 долларов. Остаток жизни Теслы после Вестингауза был странной нисходящей спиралью, поскольку Тесла безуспешно пытался построить систему беспроводной связи, которая обеспечивала бы бесплатное электричество по всему миру.

Эта оплошность лишит Теслу всех его финансов в результате полного банкротства.И после этого поражения Тесла уже никогда не был прежним и начал страдать от нервных срывов. В конце концов, бедняга умер в одиночестве в своей квартире в возрасте 85 лет в Нью-Йорке, и его друзьями были только несколько голубей.

Смертельный удар по DC

Несмотря на то, что у Теслы была довольно беспокойная и беспорядочная жизнь, его электрические системы в конечном итоге дали переменному току преимущество, необходимое для победы в Войне токов. Первая победа пришлась на 1891 год, на выставке во Франкфурте, Германия, где была продемонстрирована первая передача переменного тока на большие расстояния, питающая свет и двигатели.Несколько больших париков из General Electric случайно присутствовали на мероприятии и ушли под впечатлением. Через год компания начала инвестировать в технологии переменного тока.

Джордж Вестингауз, имея на руках патенты Теслы, также смог заключить контракт на строительство плотины гидроэлектростанции в Ниагарском водопаде, которая передала бы электроэнергию переменного тока всему Буффало, штат Нью-Йорк. Эта победа в конечном итоге ознаменовала медленный и постепенный упадок использования постоянного тока в Соединенных Штатах и ​​​​привела к тому, что переменный ток был принят в качестве стандарта как в Северной Америке, так и в Европе.

Плотина гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде стала последним гвоздем в крышку гроба округа Колумбия как надежного источника питания целых городов. (Источник изображения)

Сегодняшний день

Сегодня Война Токов давно закончилась. На самом деле в этой войне не было победителя, поскольку и AC, и DC продолжают мирно сосуществовать бок о бок, каждый со своими особенностями и приложениями. Но интересно, всегда ли будет сохраняться этот баланс? С интересом к производству электроэнергии из местных источников, таких как солнечные батареи, ветряные турбины и т. д., преобразуя всю эту мощность переменного тока, чтобы подать ее в ваш дом, а затем обратно в постоянный ток; все это приводит к большой трате энергии.

Возможно, Эдисон что-то задумал со своей идеей местной электростанции. Мы стали свидетелями возрождения микросетей, которые придали новый, современный вид видению Эдисона, и, возможно, именно так мы будем питать наши дома в будущем. А поскольку Tesla недавно представила новую солнечную крышу и аккумуляторную батарею для дома, наше будущее электричество может поступать из наших собственных дворов.