Постоянный ток это ток: Постоянный электрический ток: определение, механизм, характеристики

Постоянный электрический ток: определение, механизм, характеристики

Определение 1

Постоянный ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, движущихся в одном направлении.

По теории данные заряженные частицы относят к носителям тока. В проводниках и полупроводниках такими носителями являются электроны, в электролитах – заряженные ионы, в газах – электроны и ионы. Металлы характеризуются перемещением только электронов. Отсюда следует, что электрический ток в них – это движение электронов проводимости.

Результат прохождения электрического тока в металлах и электропроводящих растворах заметно отличается. Наличие химических процессов в металлах при протекании тока отсутствует. В электролитах под воздействием тока происходит выделение ионов вещества на электродах. Различие заключается в отличии носителей зарядов металла и электролита. В металлах – это свободные электроны, отделившиеся от атомов, в растворах – ионы, атомы или их группы с зарядами.

Необходимые условия существования электрического тока

Первое необходимое условие существования электрического тока любого вещества – наличие носителей заряда.

Для равновесного состояния зарядов необходимо равнение нулю разности потенциалов между любыми точками проводника. При нарушении данного условия, заряд не сможет переместиться. Отсюда следует, что второе необходимое условие существования электрического тока в проводнике – создание напряжения между некоторыми точками.

Определение 2

Упорядоченное движение свободных зарядов, возникающее в проводнике как результат воздействия электрического поля, называют током проводимости.

Такое движение возможно при перемещении в пространстве заряженного проводника или диэлектрика. Подобный электрический ток получил название конвекционного.

Механизм осуществления постоянного тока

Для постоянного прохождения тока в проводнике следует подсоединить к проводнику или их совокупности устройство, в котором постоянно происходит процесс разделения электрических зарядов для поддержания напряжения в цепи. Данный механизм получил название источника тока (генератора).

Силы, разделяющие заряды, называют сторонними. Они характеризуются неэлектрическим происхождением, действуют внутри источника. При разделении зарядов сторонние силы способны создать разность потенциалов между концами цепи.

Если электрический заряд перемещается по замкнутой цепи, то работа электростатических сил равняется нулю. Отсюда следует, что суммарная работа сил A, действующих на заряд, равна работе сторонних Ast. Определение физической величины, характеризующей источник тока, ЭДС источника ε запишется как:

ε=Aq (1), где значение q подразумевает положительный заряд. Его движение происходит по замкнутому контуру. ЭДС – это не сила. Единица измерения ε=В.

Природа сторонних сил различна. В гальваническом элементе они являются результатом электрохимических процессов. В машине с постоянным током такой силой является сила Лоренца.

Основные характеристики электрического тока

Условно принято считать направление тока за направление движения положительных частиц. Отсюда следует, что направление тока в металлах характеризуется противоположным направлением относительно направления движения частиц.

Электрический ток обладает силой тока.

Определение 3

Сила тока I – скалярная величина, равняется производной от заряда q по времени для тока, который проходит через поверхность S:

I=dqdt (2).

Ток может быть постоянным и переменным. При неизменной силе тока  с его направлением по времени ток называют постоянным, а выражение силы тока для него примет вид:

I=qt (3), где сила тока рассматривается в качестве заряда, проходящего через поверхность S в единицу времени.

По системе СИ основная единица измерения силы тока – Ампер (А).

1 A=1 Кл1 с.

Определение 4

Плотность – это векторная локальная характеристика. Вектор плотности тока j→способен показывать, каким образом распределяется ток по сечению S. Его направление идет в сторону, куда движутся положительные заряды.

Значение вектора плотности тока по модулю равно:

j=dIdS’ (4), где dS’ является проекцией элементарной поверхности dS на плоскость, перпендикулярную вектору плотности тока, dI – элементом силы, которая идет через поверхности dS и dS’.

Представление плотности в металле возможно по формуле:

j→=-n0qeυ→ (5), где n0 обозначается концентрацией электронов проводимости, qe=1,6·10-19 Кл  – зарядом электрона, υ→ – средней скоростью упорядоченного движения электронов. Если значение плотностей тока максимальное, то

υ→=10-4 мс.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Закон сохранения заряда

Рисунок 1

Основным физическим законом считается закон сохранения электрического заряда. При выборе произвольной замкнутой поверхности S, изображенной на рисунке 1, ограничивающей объем V количество выходящего электричества в единицу времени (1 секунду) из объема V можно определить по формуле ∮sjndS. Такое же количество электричества выражается через заряд -∂q∂t, тогда получаем:

∂q∂t=-∮SjndS (6), где jn считается проекцией вектора плотности на направление нормали к элементу поверхности dS, при этом:

jn=jcos a (7), где a является углом между направлением нормали к dS и вектором плотности тока. Уравнение (6) показывает частое употребление производной для того, чтобы сделать акцент на неподвижности поверхности S.

Выражение (6) считается законом сохранения электрического заряда в макроскопической электродинамике. Если ток постоянен во времени, тогда запись этого закона примет вид:

∮SjndS=0 (8).

Пример 1

Найти формулу для того, чтобы рассчитать конвекционный ток при его возникновении в длинном цилиндре с радиусом сечения R и наличием его равномерной скорости движения υ, который заряжен по поверхности равномерно. Значение напряженности поля у поверхности цилиндра равняется E. Направление скорости движения вдоль оси цилиндра.

Решение

Основой решения задачи берется определение силы тока в виде:

I=dqdt (1.1).

Из формулы (1.1) следует, что возможно нахождение элемента заряда, располагающегося на поверхности цилиндра.

Напряженность поля равномерно заряженного цилиндра на его поверхности находится по выражению:

E=σε0 (1.2), где σ является поверхностной плотностью заряда, ε0=8,85·10-12 КлН·м2. Выразим σ из (1.2), тогда:

σ=E·ε0 (1.3).

Связь поверхностной плотности заряда с элементарным зарядом выражается при помощи формулы:

dqdS=σ (1.4).

Используя (1.3), (1.4), имеем:

dq=E·e0dS (1.5).

Выражение элемента поверхности цилиндра идет через его параметры:

dS=2π ·Rdh (1.6), где dh является элементом высоты цилиндра. Запись элемента заряда поверхности цилиндра примет вид:

dq=E·ε0·2h·Rdh (1.7).

Произведем подстановку из (1.7) в (1.1):

I=d(E·ε0·2π·Rdh)dt=2πRε0Edhdt (1.8).

Движение цилиндра идет вдоль оси, тогда запишем:

dhdt=υ (1.9).

Получим:

I=2πRε0Eυ.

Ответ: конвективный ток I=2πRε0Eυ.

Пример 2

Изменение тока в проводнике происходит согласно закону I=1+3t. Определить значение заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, за время t, изменяющегося от t1=3 с до t2=7 c. Каким должен быть постоянный электрический ток, чтобы за аналогичное время происходило то же значение заряда?

Решение

Основа решения задачи – выражение, связывающее силу тока и заряд, проходящий через поперечное сечение проводника:

I=dqdt (2.1).

Формула (2.1) показывает, что нахождение количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время от t1 до t2 возможно таким образом:

q=∫t1t2Idt (2.2).

Произведем подстановку имеющегося по условию закона в (2.2) для получения:

q=∫t1t2(1+3t)dt=∫t1t2dt+∫t1t23tdt=t2-t1+3·t22t1t2=(t2-t1)+32t22-t12 (2. 3).

Вычислим заряд:

q=7-3+32(72-32)=4+32·40=64 (Кл).

Чтобы определить постоянный ток для получения силы используется формула:

Iconst=qt (2.3), где t считается временем, за которое поперечное сечение проводника пройдет заряд q.

Тогда время протекания заряда равняется:

t=t2-t1 (2.4).

Выражение (2.3) примет вид:

Iconst=qt2-t1 (2.5).

Произведем подстановку и вычислим:

Iconst=647-3=644=16 (A).

Ответ: q=64 Кл. Iconst=16 А..

Проектируем электрику вместе: Постоянный и переменный ток

Постоянный ток (DC).. Свободные электроны.. Направление электрического тока.. Переменный ток (AC).. Преимущества переменного тока.. Трансформатор напряжения (тока)..

Постоянный ток

Электрическим током называется направленное движение носителей электрического заряда (в проводниках – это свободные электроны) под действием электрического поля.
Если полярность источника электрической энергии не меняется, то направление движения электронов в проводнике остается неизменным все время, когда цепь замкнута.

В такой цепи электроны выходят из отрицательного полюса (минус источника) и двигаются к положительному полюсу (плюс источника)  – одноименные заряды отталкиваются, противоположные — притягиваются.

Такое, неизменное по направлению движение носителей электрического заряда под действием электрического поля называется постоянным током.
Общим обозначением для любого источника постоянного тока (напряжения) является символ батареи (рис. 1).

Рис. 1. Постоянный ток (Direct Current — DC)

Важно напомнить, что в физике за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов (от плюса источника к минусу), т. е. противоположное истинному направлению. Причины такого несоответствия были рассмотрены здесь.

Рис. 2. Постоянный ток не меняет своего направления во времени, хотя величина его может меняться.  

Этот тип электрического тока  используется в большинстве игрушек, в многочисленных электронных приборах (телефоны, смартфоны, плеера, ноутбуки и т. д.), в автомобильной электронике и других устройствах, использующих аккумуляторы и выпрямители переменного тока.
                             

  Переменный ток

Электрический ток может протекать  в электрической цепи двумя разными способами.
При наличии постоянного источника электрической энергии мы имеем в такой цепи постоянный ток.

Если полярность источника электрической энергии периодически меняется, то мы имеем в такой цепи переменный ток (рис. 3). В этом случае направление электрического поля в проводнике меняется с частотой сети, а свободные электроны совершают колебательные движения относительно некоторого положения равновесия. При этом свободные электроны не движутся ни в одну, ни в другую сторону, но под действием переменного электрического поля (изменяющегося по синусоидальному закону) они совершают колебания в полном соответствии с изменениями электрического поля.

Рис. 3. Переменный ток (Alternating Current — AC)  
          

Таким образом, переменный ток — это ток, который с определенной периодичностью (50 или 60 раз в секунду — в зависимости от электрической системы, принятой в стране) меняет направление движения и величину (рис. 4).
У нас в России в бытовой сети используется стандарт переменного напряжения и тока  — 220 В, 50 Гц в отличие от США, где переменный ток в розетках меняет свое направление 60 раз в секунду (60 Гц). Под эти параметры сети рассчитаны все бытовые потребители (светильники, электродвигатели пылесосов и холодильников, стиральные машины и др. ). Многие бытовые электроприборы работают на постоянном токе при напряжении в 5-12 вольт, однако из сети они получают переменный ток, а затем внутри электроприборов переменный ток с помощью выпрямительных устройств преобразуется в постоянный, если в этом есть необходимость.

Рис. 4. В течение одного периода колебания величина тока повышается до максимума, затем проходит через ноль, а потом происходит обратный процесс, но уже с другим знаком.

В чем преимущества переменного тока?

Можно спросить, а зачем нужен такой ток, в чем его преимущество?
Действительно, в некоторых случаях переменный ток (AC) не имеет никакого практического преимущества по сравнению с постоянным током (DC).
В тех случаях, когда электроэнергия используется для рассеивания энергии в виде тепла, полярность или направление тока не имеет значения до тех пор, пока существует достаточное напряжение и ток в нагрузке для получения требуемого тепла (рассеиваемой мощности).

Вместе с тем, на переменном токе можно построить электрические генераторы и двигатели, которые будут более простыми и более надежными, чем на постоянном токе.
Но главное, переменный ток наилучшим образом подходит для передачи электроэнергии на дальние расстояния.
Это становится возможным при использовании такого устройства, как трансформатор (рис. 5).

Рис. 5. Трансформатор «преобразует» переменное напряжение и ток.

В простейшем случае трансформатор представляет собой две индуктивные катушки, расположенные на общем сердечнике.
Если мы активируем одну катушку переменным током, то за счет эффекта взаимной индукции в другой катушке также будет создаваться напряжение переменного тока. Если количество витков W2 > W1, то и напряжение U2 > U1. И наоборот.

Способность трансформатора легко увеличивать или уменьшать напряжение переменного тока простым изменением числа витков вторичной обмотки дает переменному току непревзойденное преимущество в области распределения электроэнергии (рис. 6).

Рис. 6

При помощи трансформатора низкое напряжение вначале преобразуется в высокое напряжение, после чего его можно передавать на любые расстояния (при меньших значениях тока, меньшем диаметре проводов, с меньшими тепловыми потерями энергии).
У потребителей происходит обратное преобразование тока высокого напряжения – в переменный ток низкого напряжения.

Похожие статьи: 1. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
                              2. Направление электрического тока
                              3. Что такое электрический ток?
                              4. Проводники и изоляторы. Полупроводники
                              5. О скорости распространения электрического тока
                              6. Электрический ток в жидкостях 
                              7. Проводимость в газах
                              8. Электрический ток в вакууме
                              9. О проводимости полупроводников
  

постоянный ток — это… Что такое постоянный ток?

электрический ток, не изменяющийся во времени.

ПОСТОЯ́ННЫЙ ТОК, электрический ток (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК), величина и направление которого не изменяются с течением времени.

Постоянный электрический ток может возникнуть только при наличии свободных заряженных частиц, на которые действуют силы, обеспечивающие их упорядоченное перемещение в течение конечного промежутка времени. Электрический ток характеризуется силой тока (см. СИЛА ТОКА) и плотностью тока (см. ПЛОТНОСТЬ ТОКА). Во всех сечениях неразветвлённой замкнутой цепи сила постоянного тока одинакова. За направление тока условно принимают направленное движение положительных зарядов, которое соответствует переходу от большего потенциала (см. ПОТЕНЦИАЛ (в физике)) к меньшему. Если через любое сечение проводника в одни и те же промежутки времени проходит одно и то же количество электричества, ток называют установившимся (стационарным).

Для протекания постоянного тока в проводнике необходимо, чтобы цепь постоянного тока проводимости была замкнутой, напряженность электрического поля в проводнике была постоянной, на свободные электрические заряды, помимо кулоновских сил, действовали неэлектростатические сторонние силы (см. СТОРОННИЕ СИЛЫ).

Цепь постоянного тока можно разбить на определенные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.

Основными законами для постоянного тока являются Ома закон (см. ОМА ЗАКОН), устанавливающий зависимость силы тока от напряжения, и Джоуля — Ленца закон (см. ДЖОУЛЯ — ЛЕНЦА ЗАКОН), определяющий количество тепла, выделяемого током в проводнике. Расчет разветвленных цепей постоянного тока производится с помощью Кирхгофа правил (см. КИРХГОФА ПРАВИЛА).

В технике установками постоянного тока принято считать такие установки, в которых ток не меняет своего направления, но может меняться по величине.

Возрождение постоянного тока в умных домах и

Все началось на Международной выставке электричества в 1881 г. в Париже, где Томас Альва Эдисон пригласил весь мир подивиться новому изобретению — электрическому свету от световых ламп накаливания. В то время обычно использовались электросети постоянного тока. Чтобы сделать свой продукт успешным, Эдисон принял невероятный вызов электрифицировать самые большие города того времени, в частности Нью-Йорк, Лондон и Париж. Эдисон работал с током силой 110 В DC. Благодаря большим потерям в цепи постоянного тока электричество могло тем не менее передаваться только на относительно короткие расстояния. Это означало, что электростанции должны были быть построены прямо в центре города, так как каждая могла обеспечивать электричеством только дома в радиусе максимум 1,5 км. Хотя это трудно себе представить сегодня, но такие электростанции были действительно построены во всех центрах крупнейших городов.

Тем не менее скоро стало очевидно, что сети постоянного тока не могли эксплуатироваться в пределах разумных затрат на меньших площадях. Тогда Джордж Вестингаус предложил использовать переменный ток, который имел два главных преимущества: он относительно легко мог быть трансформирован в более высокое напряжение и для его передачи могли использоваться более длинные и тонкие провода. Два изобретателя стали соперниками в войне токов в начале 1890-х. В конце концов Вестингаус одержал победу, в чем ему немало посодействовал Никола Тесла, изобретатель многофазного индукционного двигателя переменного тока. Вот поэтому в наших домах все еще используются цепи постоянного тока, в то время как миллионы генераторов по всему миру снабжают нашу бытовую технику постоянным током.

Возрождение постоянного тока

Сможет ли самообслуживаемый интеллектуальный дом будущего открыть новую эру постоянного тока? И станут ли снова цепи постоянного тока интересным решением? Этот вопрос не настолько надуман, как может показаться.

Давайте посмотрим на Солнце. Это светило предоставляет нам энергию почти ежедневно и практически бесплатно. Поэтому фотогальванические электростанции стали одним из самых распространенных решений для домовладельцев, которые хотят быть менее зависимыми от городских электросетей. Практически все наши дома оснащены проводкой для переменного тока. Это означает, что электричество, генерируемое фотогальваническими панелями, не может быть использовано, если его не трансформировать в электроэнергию 230 В AC/50 Гц. В то время как современные преобразователи переменного тока имеют КПД ≥95%, некоторое количество энергии все же теряется.

Энергия, получаемая от солнечных лучей, не всегда доступна, когда это необходимо, например в вечернее время. Поэтому энергиию от большинства солнечных электростанций необходимо накапливать в соответствующих хранилищах. В недавнем прошлом это было очень выгодное решение, так как тарифы на поставку электроэнергии в сеть были искусственно завышены. Во время текущего кризиса помощь в виде грантов для возобновляемой энергии в Европе была постепенно сокращена, и поставки электроэнергии в сеть уже не являются таким привлекательным решением, как несколько лет назад. Поскольку владельцам солнечных электростанций было «отказано» в поставке электроэнергии по льготным тарифам, они стали рассматривать возможность переоборудования своих домов, чтобы можно было использовать постоянный ток в собственных целях. Любая «лишняя» энергия может храниться в буферной батарее, которая обеспечивает дома током в то время, когда отсутствует солнечный свет.

На рис. 1 показана установка постоянного тока в доме, которая может в скором будущем стать стандартной в интеллектуальных домах. С помощью внутренней разводки постоянного тока электроэнергией снабжаются почти все бытовые приборы, система освещения и элементы управления интеллектуального дома. Такие сети оптимально подходят для электроэнергии 24 В DC, так как это самое эффективное напряжение, учитывая длину кабеля и профилей. Если для перезарядки батареи будет недостаточно солнечного света, можно воспользоваться электроэнергией от городской сети. Поэтому в интеллектуальных домах не используется подключение 230 В AC.

Рис. 1. Внутридомовая система разводки для постоянного тока, производимого встроенной солнечной электростанцией (обозначена синим цветом), буферная батарея и электродвигатель. Сеть постоянного тока (показана красным цветом) снабжается электроэнергией от блоков сетевого питания, потребляет много энергии и служит запасным зарядным устройством для батареи

Некоторые мощные бытовые приборы, например стиральные машины, холодильники, электропечи, лучше всего подключить к переменному току от сети. Это также касается бойлерных для горячей воды и нагревательных насосов. В то же время система контроля отопления может питаться от сети постоянного тока.

Работа от сети постоянного тока

Почему многие решают установить сеть постоянного тока? Разве не очевидно, что для большей части приборов в наших домах используется переменный ток от сети? Это не совсем так. Поскольку электронные компоненты основаны на технологии полупроводников, они работают от постоянного тока. Другими словами, ток 230 В AC из розетки сначала трансформируется в 24, 12 или 5 В DC, а затем подается в электронику. Стереосистемы, компьютеры и другое оборудование поставляются с адаптерами, которые обеспечивают необходимый им постоянный ток. Когда прибор включен в сеть, потери на преобразование незначительны. Но поскольку большая часть приборов в наших домах и офисах находится в режиме ожидания, суммарное потребление ими электроэнергии составляет уже значительную величину и тратится попусту.

Согласно Директиве Европейского Союза о ЭПП (энергопотребляющие продукты), с начала 2013 г. электронные приборы в режиме ожидания не должны потреблять более 500 мВт (для дисплеев 1 Вт). Чтобы соответствовать требованиям этой директивы, в генератор должен быть встроен небольшой модуль переменного/постоянного тока и реле, как показано на рис. 2. Это единственный способ уменьшить потребление электроэнергии в режиме ожидания до 500 мВт максимум.

Рис. 2. Резервная электроцепь с модулем постоянного/переменного тока малой мощности для минимального резервного потребления (например, RAC03, 80 мВт). Основной генератор подключен к цепи с помощью реле

Самые большие потребители электроэнергии гораздо менее заметны. Обратите внимание на многочисленные зарядные устройства, которых предостаточно в домах. На рис. 3 показано, как они устроены. К примеру, линейный регулятор серии LM78 уменьшает энергоэффективность на 60–65%. Установив импульсный регулятор (например, серии R-78), можно значительно улучшить эффективность (до ≥95%).

Рис. 3. Зарядное устройство с энергозатратным линейным регулятором

С внедрением светодиодной технологии бытовое освещение также перешло на постоянный ток. Для подключения светодиодных светильников используются светодиодные драйверы постоянного/переменного тока. Для систем домашнего освещения обычно используются светодиодные лампы 15–30 Вт (они дают освещенность, сравнимую с лампой накаливания 100 Вт). КПД светодиодных драйверов постоянного/переменного тока в этом диапазоне мощности редко превышает 80%.

Рис. 4. Плоский диск RECOM, легко устанавливаемый в стандартные распределительные устройства (слева) с универсальным комплектом для монтажа на DIN-рейку, который подходит для всех модулей RAC01-RAC10 (справа)

Эти примеры показывают, что при использовании переменного тока электронными приборами теряется 15–20% потребляемой энергии. Использование сети постоянного тока в доме позволяет значительно снизить эти потери.

Голубая мечта

В настоящее время уже существуют технологии, которые можно интегрировать в существующие сети переменного тока. Одним из примеров может служить преобразователь RAC03-SCR, разработанный компанией RECOM (рис. 4, слева). Он является отличным решением для энергоэффективного питания приборов управления, к примеру, шторами и системами освещения.

Так как приборы управления часто устанавливаются в распределительных коробках, в этом случае самым лучшим решением будет монтаж компактных генераторов на направляющие рейки. Это легко можно сделать с помощью универсального адаптера на DIN-рейку (рис. 4, справа), разработанного компанией RECOM для своих модулей постоянного/переменного тока. Эти модули могут быть индивидуально настроены под мощность в диапазоне 1–10 Вт.

Несомненно, в ближайшем будущем в интеллектуальных домах будет использоваться возобновляемый постоянный ток. А пока почему бы не начать энергосбережение с помощью умных решений?

Постоянный ток [wiki.eduVdom.com]

Электропроводность – это способность веществ проводить электрический ток.
По электропроводности все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Для существования электрического тока в замкнутой электрической цепи необходимо:

1. наличие свободных заряженных частиц;

2. наличие внешнего электрического поля, силы которого, действуя на заряженные частицы, заставляют их двигаться упорядоченно;

3. наличие источника тока, внутри которого сторонние силы перемещают свободные заряды против направления электростатических (кулоновских) сил.

Источники электрического тока – это устройство, способное поддерживать разность потенциалов и обеспечивать упорядоченное движение электрических зарядов во внешней цепи.

Источник электрического тока имеет два полюса (две клеммы), к которым присоединяются концы проводника (внешнего участка цепи). В источниках тока происходит превращение энергии/

Сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда
Δq, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени
Δt, к этому промежутку:
$$ I=\frac{\Delta q}{\Delta t} $$
Обозначается буквой I, измеряется в амперах (A)
За направление тока принято направление движения по проводнику положительно заряженных частиц.

В замкнутой цепи электрический ток направлен от положительного полюса(+) источника к отрицательному(–).
Сопротивление однородного проводника цилиндрической формы длиной l постоянного поперечного сечения S определяется по формуле , где
ρ — удельное сопротивление проводника, табличная величина.ρ — удельное сопротивление проводника, табличная величина.
численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника,
изготовленного из данного материала и имеющего единичную длину и единичную площадь поперечного сечения
$$ \rho =R\cdot \frac{S}{l} $$
Обозначается буквой ρ, измеряется в Ом·м.

Если площадь поперечного сечения проводника измеряют в мм2, то можно
$$ \left [ \varrho \right ]=\frac{Oм\cdot мм^{2}}{м} $$

Удельное сопротивление металлов с уменьшением температуры уменьшается. При температурах близких к –273 C (абсолютный нуль) наблюдается
явление сверхпроводимости. Оно заключается в том, что при температуре ни-
же некоторой критической (называемой температурой перехода в сверхпро-водящее состояние), удельное сопротивление проводника скачком падает до
нуля.

Всякий проводник, обладающий достаточно большим сопротивлением
будем называть резистором.

Реостат — это прибор, рабочее сопротивление которого можно изменять за счет длины включаемого в цепь проводника.

Сочетание источника тока, нагрузки и соединительных проводов называют электрической цепью.
Обычно в цепи используют еще и выключатель (ключ).

Закон Ома для однородного участка цепи.
Сила тока I на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению U на конца этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению R:
$$ I=\frac{U}{R} $$

Последовательное и параллельное соединение проводников.

Закономерности последовательного соединения резисторов:
$$ I=I_{1}=I_{2}=\ldots=I_{N} ,U=U_{1}+U_{2}+\ldots+U_{N} $$
$$ R=R_{1}+R_{2}+\ldots+R_{N} $$

и если
$$ R_{1}=R_{2}=\ldots=R_{N} $$,то $$ R=N\cdot R_{1} $$ $$ U=N\cdot U_{1} $$

Закономерности параллельного соединения резисторов:
$$ I=I_{1}=I_{2}=\ldots=I_{N} ,U=U_{1}+U_{2}+\ldots+U_{N} $$
$$ \frac{1}{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}}+\ldots+\frac{1}{R_{N}} $$

и если
$$ R_{1}=R_{2}=\ldots=R_{N} $$ $$ R=\frac{R_{1}}{N} $$ $$ I=N\cdot I_{1} $$

Для измерения в проводнике R1 силы тока применяют амперметр, который включают последовательно с этим проводником . Поскольку включение амперметра в электрическую цепь не должно сильно изменять силу тока в ней, то сопротивление амперметра должно быть как можно меньше.

У идеальных амперметров сопротивление равно нулю.

Для измерения на проводнике R1 напряжения применяют вольтметр, который включают параллельно этому проводнику. Чтобы подключение вольтметра существенно не изменяло силу тока и распределение напряжений на участке цепи, его сопротивление должно быть как можно большим. {2\cdot }r $$

Полная мощность источника тока равна
$$ P=P_{пол}+P_{тер} $$
или
$$ P=I\cdot \varepsilon $$
Коэффициент полезного действия (КПД) источника тока определяется
как отношение полезной мощности к полной:
$$ \eta =\frac{P_{пол}}{P\cdot }100% $$
$$ \eta =\frac{R}{R+r}\cdot 100% $$
где R — внешнее сопротивление цепи; r — сопротивление источника тока.

Пульсирующий ток — Основы электроники

Мы познакомились с постоянным и переменным токами. Постоянным током мы называем ток, который не изменяется ни по величине, ни по направлению. Переменный же ток, наоборот, все время изменяется и по величине, и по направлению.

Изучая переменный ток, была принята синусоида как основная форма его изменения.

Однако в радиотехнике приходится иметь дело и с несинусоидальными переменными токами, ЭДС и напряжениями, графики которых отличаются от графика синусоиды.

Существуют токи, направление которых постоянно, а величина все время изменяется.

Одним из примеров такого несинусоидального тока может служить пульсирующий ток, график которого изображен на рисунке 1.

Согласно ГОСТ 19880-74 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. Термины и определения:пульсирующий ток — это периодический электрический ток, не изменяющий своего направления.

Рисунок 1. Изображение пульсирующего тока. 

Как видно из графика, такой ток непрерывно изменяется по величине, но проходит по цепи в одном направлении. Действительно, кривая тока расположена выше оси времени, нигде не пересекая ее, а следовательно, и направление тока в цепи не изменяется.

При пульсирующем токе электроны в проводнике движутся все время в одном направлении, но их движение то убыстряется, то замедляется. Движение каждого отдельного электрона в этом случае походит на движение пассажира, прогуливающегося взад и вперед по вагону движущегося поезда. Пассажир движется вместе с поездом все время вперед, но скорость его движения убыстряется, когда он идет по ходу поезда, и замедляется, когда он идет обратно.

Примером цепи, в которой создается пульсирующий ток, может служить любое выпрямительное устройство.

Пульсирующий ток можно также получить, если одновременно пропускать по цепи постоянный и переменный токи. То есть всякий пульсирующий ток можно представить в виде суммы двух токов — постоянного и переменного. Необходимым условием является только, чтобы постоянный ток был больше амплитудного значения переменного тока.

На рисунке 2 изображен график пульсирующего тока, а также графики постоянного и переменного токов, из которых он состоит.

Рисунок 2. Создание пульсирующего тока. а) направление пульсирующего тока не именяется, изменяется только его величина; б) переменная составляющая пульсирующего тока; в) постоянная составляющая пульсирующего тока.

Проверим графически процесс возникновения пульсирующего тока, путем сложения двух графиков — постоянного и переменного синусоидального токов (рисунок 3).

Рисунок 3. Результирующая кривая, полученная от сложения потоянного и синусоидального токов.

На рисунке 3 кривая переменного тока и складываемая с ней прямая постоянного тока нанесены пунктиром, при этом амплитуда переменного тока взята чуть меньше величины постоянного тока.

В начальный момент времени, когда величина переменного тока равна, нулю, сумма токов будет равна величине постоянного тока. Следовательно, точка 1 будет начальной точкой графика результирующего тока.

Так как в течение первой четверти периода своего изменения переменный ток возрастает, совпадая по направлению с постоянным током, то общий ток в цепи будет также возрастать и достигнет своего максимального значения в тот момент, когда переменный ток достигнет наибольшей величины (точка 2).

По истечении времени, равного половине периода T/2, переменный ток уменьшится до нуля и общий ток в цепи станет равным постоянному току (точка 3). В следующую половину периода переменный ток начнет проходить в обратном направлении, т. е. навстречу постоянному току. Общий ток в цепи станет меньше постоянного и его значение станет минимальным, когда переменный ток достигнет своего максимального отрицательного значения (точка 4).

К концу последней четверти периода уменьшение величины переменного тока приведет к тому, что в цепи на мгновение установится величина постоянного тока (точка 5), после чего весь процесс повторится.

Итак, сложив графически постоянный и переменный токи,, мы получили график пульсирующего тока. Следовательно, пульсирующий ток, графически изображенный на рисунке 3— это сложный ток, состоящий из двух простых токов: постоянного, называемого постоянной составляющей пульсирующего тока, и переменного синусоидального тока, называемого переменной составляющей пульсирующего тока.

Постоянную и переменную составляющие пульсирующего тока можно легко отделить друг от друга, т. е. получить отдельно переменный ток и отдельно постоянный.

Пример такого разделения показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема для разделения переменной и постоянной составляющих пульсирующего тока.

Переменная составляющая направляется по наиболее легкому для нее пути через конденсатор, а постоянная составляющая — через дроссель.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

ПОСТОЯННЫЙ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

В 21-веке электроника стала очень популярной. Многие люди хотят узнать больше о радиотехнике и начинают читать специальные книги, хотя многое в книгах не понятно. И поэтому начинают путаться, задавать много вопросов. Не могут найти подходящие и понятные сайты о электронике, где можно вкратце и просто понять что к чему. Но что-то мы далеко ушли, ладно давайте приступим к делу. Задача — рассказать всё подробнее и понятнее о постоянном и переменном токе.

Постоянный ток

До того времени, когда не было радиоприёмников и радиосвязи, был ток который тёк в одну сторону — его назвали постоянным, на графике он изображается прямой линией, как показано на рисунке ниже.

Давайте разберёмся, каков принцип работы этого тока, а он очень прост. Потому что постоянный ток течёт только в одну сторону. На мощных электростанциях вырабатывается переменный ток, его нужно сделать в постоянный. Постоянный ток может создать только гальванический элемент. Гальванический элемент — это элемент вырабатывающим постоянный ток, то есть обычная батарейка. Принцип работы батарейки разбирать не будем, нам сейчас главное, чтобы в вашей памяти уложился только постоянный и переменный ток. Допустим, мы выработали постоянный ток, он начнёт двигаться от плюса к минусу, это обязательно запомнить.

Переменный ток

Теперь переходим к переменному току, всё радиосвязь появилась, переменный ток стал изюминкой. Рассмотрим график переменного тока. Вы сразу обратили внимание на эти странные буквы, они нам не нужны, кроме одной – Т. У переменного тока есть особенность, он может менять своё направление, например: он, движется то в одну сторону, потом в другую. Этот процесс называется колебанием или периодом. На рисунке период обозначен этой самой буквой Т. Видно, что выше оси t волна, и ниже её, тоже волна. Это значит, что выше оси это движение к плюсу, а ниже, движение к минусу, проще говоря, это положительный полупериод, почему полупериод, потому что два полупериода равны T, то есть равны периоду, значит они всё таки полупериоды. Период — то же самое, что и колебание. Несколько колебаний совершённые в 1 секунду называют частотой. Итак, разобрались, что такое постоянный и переменный ток, думаю что разобрались.

Запомните: В розетке всегда 220 В переменного тока — он очень опасный. Один удар может даже убить человека, поэтому соблюдайте осторожность!

В памяти у вас должно отложиться: движение постоянного и переменного тока; графики постоянного и переменного тока; что такое частота, полупериод, период.

Кстати забыл сказать, в чём измеряется частота. Запомните: частота измеряется в Герцах. Допустим, совершается 50 колебаний в секунду, это значит что частота равна 50 герц. Таким образом можно определять любые другие значения. Всем пока, с вами был Дмитрий Цывцын.

Постоянный ток — Energy Education

Рисунок 1: Анимация из моделирования PhET ^[1] постоянного тока, который был значительно замедлен. См. Переменный ток для сравнения.

Постоянный ток (DC) — это электрический ток, который является однонаправленным, поэтому поток заряда всегда в одном и том же направлении. ^[2] В отличие от переменного тока направление и сила постоянного тока не меняются. Он используется во многих бытовых приборах и во всех устройствах, в которых используются батарейки. ^[3]

Недвижимость

Постоянный ток определяется постоянным потоком электронов (см. Рисунок 1) из области с высокой электронной плотностью в область с низкой электронной плотностью. В схемах, включающих батареи, это иллюстрируется постоянным потоком заряда от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме батареи. Изменять напряжение постоянного тока гораздо дороже и труднее, чем переменного, что делает его плохим выбором для передачи электроэнергии под высоким напряжением.Однако на очень большие расстояния передача HVDC может быть более эффективной, чем переменный ток ^[2] .

Использует

Постоянный ток используется в любом электронном устройстве с батареей в качестве источника питания. Он также используется для зарядки аккумуляторов, поэтому перезаряжаемые устройства, такие как ноутбуки и сотовые телефоны, поставляются с адаптером переменного тока, который преобразует переменный ток в постоянный ^[2] .

Моделирование PhET

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующее моделирование PhET.Это моделирование можно использовать для изучения того, как работают постоянный и переменный ток.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Произошла ошибка: SQLSTATE [42000]: синтаксическая ошибка или нарушение прав доступа: 1064 У вас есть ошибка в синтаксисе SQL; проверьте руководство, которое соответствует версии вашего сервера MySQL, чтобы найти правильный синтаксис рядом с ‘)’ в строке 1

Постоянный ток — Energy Education

Рисунок 1: Анимация из моделирования PhET ^[1] постоянного тока, который имеет значительно замедлился.См. Переменный ток для сравнения.

Постоянный ток (DC) — это электрический ток, который является однонаправленным, поэтому поток заряда всегда в одном и том же направлении. ^[2] В отличие от переменного тока направление и сила постоянного тока не меняются. Он используется во многих бытовых приборах и во всех устройствах, в которых используются батарейки. ^[3]

Недвижимость

Постоянный ток определяется постоянным потоком электронов (см. Рисунок 1) из области с высокой электронной плотностью в область с низкой электронной плотностью.В схемах, включающих батареи, это иллюстрируется постоянным потоком заряда от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме батареи. Изменять напряжение постоянного тока гораздо дороже и труднее, чем переменного, что делает его плохим выбором для передачи электроэнергии под высоким напряжением. Однако на очень большие расстояния передача HVDC может быть более эффективной, чем переменный ток ^[2] .

Использует

Постоянный ток используется в любом электронном устройстве с батареей в качестве источника питания.Он также используется для зарядки аккумуляторов, поэтому перезаряжаемые устройства, такие как ноутбуки и сотовые телефоны, поставляются с адаптером переменного тока, который преобразует переменный ток в постоянный ^[2] .

Моделирование PhET

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующее моделирование PhET. Это моделирование можно использовать для изучения того, как работают постоянный и переменный ток.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Произошла ошибка: SQLSTATE [42000]: синтаксическая ошибка или нарушение прав доступа: 1064 У вас есть ошибка в синтаксисе SQL; проверьте руководство, соответствующее версии вашего сервера MySQL, чтобы найти правильный синтаксис рядом с ‘)’ в строке 1

DC Current: Что это такое? (Символ переменного, постоянного и постоянного тока)

Что такое постоянный ток?

DC означает постоянный ток, хотя его часто называют «постоянным током».Постоянный ток определяется как однонаправленный поток электрического заряда. В постоянном токе электроны перемещаются из области отрицательного заряда в область положительного заряда, не меняя направления. Это отличается от цепей переменного тока (AC), где ток может течь в обоих направлениях.

Постоянный ток может протекать через проводящий материал, например проволоку, а также через полупроводники.

Аккумулятор — лучший пример источника постоянного тока. В батарее электрическая энергия, производимая из химической энергии, хранящейся в батарее.Когда аккумулятор включен в цепь, он обеспечивает постоянный поток заряда от отрицательного полюса аккумулятора к положительному.

Выпрямитель используется для преобразования переменного тока в постоянный. А инвертор используется для преобразования постоянного тока в переменный.

Символ постоянного тока

Постоянный ток — это постоянный ток. Поэтому символ постоянного тока — прямая линия. Символ постоянного и переменного тока показан на рисунке ниже.

Символ постоянного и переменного тока

Разница между переменным и постоянным током

Электроэнергия доступна в виде переменного тока (AC) или постоянного тока (DC).В переменном токе ток меняет направление 50-60 раз в секунду в зависимости от частоты.

Основные различия между переменным и постоянным током приведены в таблице ниже;

	Переменный ток (AC)	Постоянный ток (DC)
Направление тока	Когда переменный ток течет по цепи, он меняет свое направление на противоположное.	Когда по цепи протекает постоянный ток, он не меняет своего направления.
Частота	Частота переменного тока определяет, сколько раз он меняет свое направление на обратное. Если частота 50 Гц, это означает, что ток меняет направление 50 раз.	Частота постоянного тока всегда равна нулю. Потому что он никогда не меняет своего направления.
Движение электрона	Электроны продолжают менять свое направление с прямого на обратное	Электроны движутся только в прямом направлении.
Величина тока	Величина мгновенного тока изменяется со временем.	Величина постоянна в каждый момент времени для чистого постоянного тока. Но это переменная величина для пульсирующего постоянного тока.
Коэффициент мощности	Диапазон от 0 до 1.	Всегда 1.
Пассивный параметр	Импеданс (комбинация реактивного сопротивления и сопротивления).	Только сопротивление.
Типы	Синусоидальный, трапециевидный, квадратный, треугольный	Чистый постоянный ток и пульсирующий постоянный ток
Передача электроэнергии	В энергосистеме обычным методом передачи энергии является система передачи HVAC.Потери меньше, но больше, чем в системе передачи HVDC.	В энергосистеме самой новой технологией для систем передачи является система передачи HVDC. В системе передачи HVDC потери намного меньше.
Преобразовать	Он может преобразовать от источника постоянного тока с помощью инвертора.	Может преобразовывать от сети переменного тока с помощью выпрямителя.
Тип нагрузки	Может подключаться к резистивному, индуктивному и емкостному типу нагрузки.	Может подключаться только с резистивным типом нагрузки.
Источник	Генератор переменного тока	Генератор постоянного тока и аккумулятор
Опасно	Это опасно.	Но он опаснее переменного тока при той же мощности.
Форма волны
Приложение	Большая часть бытового, промышленного и коммерческого оборудования работает на постоянном токе.	Сотовые телефоны, электромобили, гальваника, фонарики и т. Д.

Что использует постоянный ток

Постоянный ток можно легко получить от батареи и солнечных элементов. Для большинства схем силовой электроники требуется питание постоянного тока. Применение постоянного тока в различных областях перечислено ниже;

• Источник постоянного тока, используемый во многих низковольтных устройствах, таких как зарядка мобильных аккумуляторов. В жилых и коммерческих зданиях DC используется для аварийного освещения, камеры наблюдения, телевидения и т. Д.
• В автомобиле аккумулятор используется для запуска двигателя, освещения и системы зажигания.Электромобиль работает от аккумулятора (постоянный ток).
• Для связи используется источник постоянного тока 48 В. Как правило, для связи используется один провод, а в качестве обратного пути используется земля. Большинство коммуникационных сетевых устройств работают от постоянного тока.
• Передача энергии высокого напряжения возможна по линии передачи HVDC. Система передачи HVDC имеет много преимуществ по сравнению с традиционной системой передачи HVAC. Система HVDC более эффективна, чем система HVAC, поскольку не испытывает потерь мощности из-за эффекта коронного разряда или скин-эффекта.
• В солнечной электростанции энергия, вырабатываемая в виде постоянного тока.
• Мощность переменного тока не может храниться как постоянный ток. Итак, для хранения электроэнергии всегда используется постоянный ток.
• В тяговых системах двигатели локомотивов работают от постоянного тока. В тепловозе также вентилятор, фары, переменный ток и розетки работают от постоянного тока.

Как измерить постоянный ток

Постоянный ток можно измерить с помощью мультиметра. Мультиметр подключается последовательно с нагрузкой.

Черный (COM) щуп мультиметра подключается к отрицательной клемме аккумулятора. Положительный зонд (красный зонд) подключен к нагрузке. Положительный полюс аккумулятора подключен к нагрузке. Схема подключения показана на рисунке ниже.

Измерение постоянного тока

Установите тип постоянного тока на мультиметре. Показание показывает значение постоянного тока, протекающего через нагрузку. Токоизмерительные клещи также используются для измерения постоянного тока, протекающего по проводнику.

В какую сторону проходит постоянный ток

Ток известен как поток заряда или электронов. Направление тока зависит от направления потока заряда.

Электроны текут от отрицательного полюса батареи к положительному полюсу. Кроме того, ток указывает направление от положительного к отрицательному концу.

Бенджамин Франклин заметил, что что-то движется через проводник. Но в то время протоны и электроны не обнаружены.Значит, он не знает, что движется через проводник.

Он предположил, что ток течет из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации. И он назвал область более высокой концентрации положительной, а область более низкой концентрации отрицательной. Следовательно, ток течет с положительного на отрицательный. И это направление известно как условное направление течения тока.

После изобретения электрона и протона было подтверждено, что ток перемещается от отрицательного полюса батареи к положительному. Но все же мы принимаем направление тока как обычным методом.

Кто изобрел постоянный ток

Постоянный ток был впервые представлен батареей итальянского физика Алессандро Вольта. В то время направление тока не вводилось. Французский физик Ампер считает, что ток движется в одном направлении от положительного к отрицательному.

В конце 19-го, ^-го, -го века три изобретателя, Никола Тесла, Джордж Вестингауз и Томас Эдисон борются за выбор системы электроснабжения.

Компания Эдисона продвигала систему постоянного тока как доминирующую.
электрическая система, и она лучше, чем система переменного тока. Он построил первую электростанцию
и начал передавать энергию постоянного тока в дом в Нью-Йорке.

Началась конкуренция между Эдисоном и Теслой. Потому что Tesla поддерживает систему переменного тока и может передавать мощность переменного тока на большие расстояния. После этой войны Westinghouse изготовила первый гидроэлектрический генератор, установленный на Ниагарском водопаде. И победитель нынешней войны. С этого момента система переменного тока преобладает над системой постоянного тока.

Но в настоящее время, в связи с увеличением количества оборудования силовой электроники, постоянный ток используется для питания низковольтных устройств силовой электроники.

20,5: Переменный ток в сравнении с постоянным

Переменный ток

Большинство рассмотренных до сих пор примеров, особенно те, которые используют батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он также становится постоянным. Постоянный ток (DC) — это поток электрического заряда только в одном направлении.Это установившееся состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник напряжения, изменяющийся во времени. Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь называется цепью переменного тока. Примеры включают коммерческую и бытовую энергетику, которая обслуживает так много наших потребностей. На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичных источников постоянного и переменного тока.Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (a) Напряжение и ток постоянного тока постоянны во времени после установления тока. (б) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока частотой 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и совпадают по фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковое напряжение источников переменного тока сильно различаются.

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана схема простой схемы с источником переменного напряжения.Напряжение между выводами колеблется, как показано на рисунке: напряжение переменного тока определяется как \ [V = V_ {0} sin 2 \ pi ft, \ label {20.6.1} \], где \ (V \) — напряжение на время \ (t \), \ (V_ {0} \), \ (V_ {0} \) — пиковое напряжение, а \ (f \) — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления \ (I = V / R \), поэтому переменный ток равен

\ [I = I_ {0} sin 2 \ pi ft, \ label {20.6.2} \]

, где \ (I \) — ток в момент времени \ (t \), а \ (I_ {0} = V_ {0} / R \) — пиковый ток.В этом примере считается, что напряжение и ток находятся в фазе, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1b} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): разность потенциалов \ (V \) между выводами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для \ (V \) дается как \ (V = V_ {0} sin 2 \ pi ft \).

Ток в резисторе меняется взад и вперед, как и напряжение возбуждения, поскольку \ (I = V / R \). Например, если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, когда ток постоянно проходит через ноль.{2} 2 \ pi ft \), как показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): мощность переменного тока как функция времени. Поскольку напряжение и ток здесь синфазны, их произведение неотрицательно и колеблется от нуля до \ (I_ {0} V_ {0} \). Средняя мощность равна \ (\ left (1/2 \ right) I_ {0} V_ {0} \).

Установление соединений: домашний эксперимент — AC / DC Lights

Помашите рукой между лицом и люминесцентной лампочкой. Вы наблюдаете то же самое с фарами на своей машине? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение: Не смотрите прямо на очень яркий свет.

Чаще всего нас интересует средняя мощность, а не ее колебания — например, у лампочки 60 Вт в настольной лампе средняя потребляемая мощность 60 Вт. Как показано на Рисунке 3, средняя мощность \ (P_ {ave} \) равна \ [P_ {ave} = \ frac {1} {2} I_ {0} V_ {0}. \ label {20.6.3} \] Это видно из графика, поскольку области выше и ниже линии \ (\ left (1/2 \ right) I_ {0} V_ {0} \) равны, но также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств.Точно так же мы определяем средний или среднеквадратичный ток \ (I_ {rms} \) и среднее значение или среднеквадратичное напряжение \ (V_ {rms} \), соответственно, равным

\ [I_ {rms} = \ frac {I_ {0}} {\ sqrt {2}} \ label {20.6.4} \]

и

\ [V_ {rms} = \ frac {V_ {0}} {\ sqrt {2}}. \ Label {20.6.5} \]

, где среднеквадратичное значение означает среднеквадратичное значение, особый вид среднего. Как правило, для получения среднеквадратичного значения конкретная величина возводится в квадрат, определяется ее среднее значение (или среднее значение) и извлекается квадратный корень.Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Теперь \ [P_ {ave} = I_ {rms} V_ {rms}, \ label {20.6.6} \], что дает

\ [P_ {ave} = \ frac {I_ {0}} {\ sqrt {2}} \ cdot \ frac {V_ {0}} {\ sqrt {2}} = \ frac {1} {2} I_ {0} V_ {0}, \ label {20.6.7} \]

, как указано выше. Стандартная практика — указывать \ (I_ {rms} \), \ (V_ {rms} \) и \ (P_ {ave} \), а не пиковые значения. Например, большая часть бытовой электроэнергии составляет 120 В переменного тока, что означает, что \ (V_ {среднеквадратичное значение} \) составляет 120 В. Обычный автоматический выключатель на 10 А прерывает постоянное значение \ (I_ {среднеквадратичное значение} \) более 10 А.Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет \ (P_ {ave} = 1,0 кВт \) и так далее. Вы можете рассматривать эти среднеквадратичные и средние значения как эквивалентные значения постоянного тока для простой резистивной цепи.

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

\ [I_ {rms} = \ frac {V_ {rms}} {R}. \ Label {20.6.8} \]

Различные выражения для мощности переменного тока \ (P_ {ave} \):

\ [P_ {ave} = I_ {rms} V_ {rms}, \ label {20.{2} _ {rms} R. \ label {20.6.11} \]

Пример \ (\ PageIndex {1} \): пиковое напряжение и мощность для переменного тока

(a) Каково значение пикового напряжения для сети 120 В переменного тока?

Стратегия

Нам говорят, что \ (V_ {rms} \) составляет 120 В, а \ (P_ {ave} \) — 60,0 Вт. Мы можем использовать \ (V_ {rms} = \ frac {V_ {0}} {\ sqrt { 2}} \), чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданной средней мощности.

Решение
Решая уравнение \ (V_ {rms} = \ frac {V_ {0}} {\ sqrt {2}} \) для пикового напряжения \ (V_ {0} \) и подставляя известное значение для \ (V_ {rms} \) дает \ [V_ {0} = \ sqrt {2} V_ {rms} = 1.414 \ влево (120 В \ вправо) = 170 В. \]

Обсуждение

Это означает, что напряжение переменного тока изменяется от 170 В до \ (- 170 В \) и обратно 60 раз в секунду. Эквивалентное постоянное напряжение составляет 120 В.

(b) Какова пиковая потребляемая мощность лампочки переменного тока мощностью 60,0 Вт?

Решение

Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом, \ [P_ {0} = I_ {0} V_ {0} = 2 \ left (\ frac {1} {2} I_ {0} V_ {0} \ right) = 2P_ {ave}. \] Мы знаю, что средняя мощность 60.0 Вт, и поэтому \ [P_ {0} = 2 \ left (60,0 Вт \ справа) = 120 Вт. \]

Обсуждение

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

Зачем использовать переменный ток для распределения электроэнергии?

Большинство крупных систем распределения электроэнергии — это переменный ток. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоком напряжении, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве частей мира), которые мы используем дома и на работе. Благодаря эффекту масштаба строительство нескольких очень крупных электростанций обходится дешевле, чем строительство множества небольших.Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно минимизировать потери энергии в пути. Как мы увидим, высокие напряжения могут передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкие напряжения. (См. Рис. 4.) В целях безопасности напряжение у пользователя снижено до знакомых значений. Решающим фактором является то, что намного легче увеличивать и уменьшать напряжение переменного тока, чем постоянного, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): мощность распределяется на большие расстояния при высоком напряжении, чтобы уменьшить потери мощности в линиях передачи.Напряжение, генерируемое на электростанции, повышается пассивными устройствами, называемыми трансформаторами (см. Трансформаторы), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру). В месте использования трансформаторы снижают напряжение

Пример \ (\ PageIndex {2} \): потери мощности меньше для высоковольтной передачи

(a) Какой ток необходим для передачи мощности 100 МВт при 200 кВ?

Стратегия

Нам дано \ (P_ {ave} = 100 MW \), \ (V_ {rms} = 200 kV \), а сопротивление линий равно \ (R = 1. {2} \ left (1.00 \ Omega \ right) = 250 кВт. \]

(c) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?

Решение

Процент потерь — это отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100: \ [% loss = \ frac {250kW} {100 MW} \ times 100 = 0.250%. \]

Обсуждение

Четверть процента — приемлемая потеря. Обратите внимание, что если бы мощность 100 МВт была передана при 25 кВ, то потребовался бы ток 4000 А.Это приведет к потере мощности в линиях на 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 потребуются более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было бы экономично производить, в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в следующей главе, в сверхпроводниках тоже есть предел.Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи энергии, а напряжение переменного тока намного легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Широко признано, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредными. Таким образом, опасность определяется не только напряжением. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока.Томас Эдисон считал, что электрические разряды более опасны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные бои, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Тесла, которые выступали за использование переменного тока в ранних системах распределения энергии. Преобладал переменный ток в значительной степени благодаря трансформаторам и более низким потерям мощности при передаче высокого напряжения.

ФЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ: ГЕНЕРАТОР

Генерируйте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этих явлений, исследуя магниты и узнавая, как с их помощью загорается лампочка.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Генератор

AC / DC: в чем разница? | Американский опыт | Официальный сайт

Чудо света Эдисона |

Статья

AC / DC: В чем разница?

1880 лампочка

В 1887 году постоянный ток был королем. В то время в Соединенных Штатах была 121 электростанция Эдисона, которая поставляла электроэнергию постоянного тока потребителям.Но у постоянного тока было большое ограничение, а именно, что электростанции могли отправлять электричество постоянного тока только примерно за милю до того, как электричество начало терять мощность. Поэтому, когда Джордж Вестингауз представил свою систему, основанную на высоковольтном переменном токе (AC), которая могла переносить электричество на сотни миль с небольшой потерей мощности, люди, естественно, обратили на это внимание. Завязалась «битва течений». В конце концов, AC Westinghouse победил. Но эта особенность касается не двух электрических систем и того, как они работали.Скорее, это простое объяснение, показывающее разницу между переменным и постоянным током.

Внутри провода

Когда вы получаете разряд статического электричества, крошечные частицы, называемые электронами, фактически перемещаются между вашим телом и каким-либо другим объектом. В двух словах, вот что такое электричество — движение электронов.

Вся материя состоит из атомов, и все атомы имеют электроны.

Электроны занимают пространство, окружающее ядра атомов. Каждый электрон находится в «оболочке», и каждая оболочка имеет максимальное количество электронов, которое она может удерживать.

Для большинства атомов внешняя оболочка не содержит максимального количества электронов. Некоторые атомы, такие как медь, имеют только один электрон на внешней оболочке.

Поскольку во внешней оболочке атома меди находится только один электрон, он не сильно прикреплен к атому. Другими словами, его легко оторвать.

В медной проволоке электроны могут относительно свободно перемещаться от атома к атому.

Однако не все материалы позволяют электронам двигаться так свободно.Углерод, например, оказывает сопротивление потоку электронов. Электроны все еще могут двигаться через углерод, просто требуется больше энергии, чтобы заставить их двигаться.

Вы, несомненно, слышали термины «ток» и «напряжение».

Ток описывает, сколько электронов проходит через провод или другой объект в любой данный момент. Сильный ток означает, что в движении находится много электронов.

Напряжение описывает, сколько энергии переносят электроны. Высокое напряжение означает много энергии.

Внутри батареи

Можно рассматривать аккумулятор как своего рода помпу. Но вместо того, чтобы качать воду по трубам, батарея перемещает электроны через провод (и через предметы, к которым этот провод подключен).

Вот как работает аккумулятор (тот, который вы покупаете на кассе): батарея состоит из цинковой банки, которая действует как контейнер для батареи (хотя обычно она покрыта блестящим металлическим корпусом) и угольного стержня. , который находится в центре батареи, взвешенный в пастообразной смеси, которая в щелочном элементе содержит гидроксид калия.

Химическая реакция внутри пастообразной смеси отрывает электроны от некоторых ее атомов. Эти избыточные электроны собираются на цинковой банке, которая действует как отрицательный полюс.

На углеродном стержне находятся атомы с недостатком электронов.

Электроны на отрицательной клемме хотят перейти на положительную клемму, им просто нужен способ попасть туда. В нашей схеме с лампочкой путь туда проходит через провод. Количество электронов, которые батарея может протолкнуть через цепь, будет зависеть от сопротивления нити накала лампы.

Поскольку электроны текут только в одном направлении, батареи производят постоянного тока .

В системе постоянного тока Эдисона электричество производилось не батареями, а генератором постоянного тока. Генератор фактически вырабатывал переменный ток, который затем преобразовывался в постоянный ток с помощью коммутатора.

Внутри генератора переменного тока

Генератор предназначен для преобразования движения в электричество. Это было бы невозможно, если бы не один факт: провод, проходящий через магнитное поле, заставляет электроны в этом проводе двигаться вместе в одном направлении.

Генератор состоит из нескольких магнитов и провода (обычно очень длинного, скрученного в несколько катушек и известного как якорь). Паровая машина или другой внешний источник движения перемещает провод или якорь через магнитное поле, создаваемое магнитами.

В примере слева петля из проволоки вращается в магнитном поле. Поскольку он всегда движется через поле, ток поддерживается.

Но поскольку петля вращается, она движется по полю сначала в одном направлении, а затем в другом, а это означает, что поток электронов постоянно меняется.

Поскольку электроны текут сначала в одном направлении, а в другом, генератор вырабатывает переменный ток .

Одним из преимуществ переменного тока перед постоянным током является то, что его можно легко «повысить» или «понизить» с помощью трансформатора. Другими словами, трансформатор может принимать ток низкого напряжения и превращать его в ток высокого напряжения, и наоборот.

Это удобно при передаче электроэнергии на большие расстояния. Поскольку переменный ток перемещается более эффективно при высоком напряжении, используются трансформаторы для повышения напряжения перед подачей электричества, а затем другие трансформаторы используются для понижения напряжения для использования в домах и на предприятиях.

Внутри лампочки

Представьте, что вы держите садовый шланг без насадки. Ничто не препятствует прохождению воды, она свободно льется из конца шланга. Но если вы положите большой палец на конец шланга, вода выльется наружу. Причина в том, что это происходит из-за сопротивления, создаваемого вашим большим пальцем.

То же самое и с лампочкой. Электроны относительно свободно перемещаются по проводу, затем попадают на нить накала лампы, которая сопротивляется потоку электронов.

Электроны могут пройти, но не так легко, как через провод. Проделанная работа по преодолению сопротивления вызывает нагревание нити и испускание света.

переменного и постоянного тока

Электроэнергия в Великобритании — это источник переменного тока (230 В). Но что такое переменный ток и чем он отличается от постоянного тока (DC)?

AC вырабатывает напряжения с переменной полярностью, движущиеся вперед и назад в цепи с течением времени, либо за счет полярности переключения напряжения, либо из-за изменения направления тока и назад и вперед.Он присутствует во множестве источников электричества, в первую очередь во вращающихся электромеханических генераторах. Переменный ток повышается до максимального значения в одном направлении, а затем падает до нуля, прежде чем процесс повторяется в противоположном направлении.

Время, необходимое для того, чтобы переменный ток поднялся с нуля, достиг своего пика, вернулся к нулю и повторил процесс в обратном направлении, называется одним циклом . Количество циклов, происходящих каждую секунду, называется частотой .

В Великобритании электричество подается как переменный ток с частотой 50 циклов в секунду или 50 герц (Гц).

В чем разница между переменным и постоянным током?

Если переменный ток меняет полярность взад и вперед, постоянный ток или Постоянный ток — это электричество, которое течет в одном постоянном направлении по цепи и / или имеет напряжение с постоянной полярностью.

Для приложений с большим током необходимы генераторы постоянного тока, в которых генератор преобразует механическое вращение в электрическую мощность.Генераторы переменного тока менее сложны и дешевле в эксплуатации.

AC легче транспортировать на большие расстояния с минимальными потерями мощности. Для изменения напряжения можно использовать трансформаторы, а переменный ток можно легко преобразовать в постоянный (но постоянный ток не так легко преобразовать в переменный).

Примеры операций постоянного и переменного тока

Работа постоянного тока:

Работа переменного тока:

Форма сигнала напряжения переменного тока постоянно меняется по величине и периодически меняет направление.На диаграмме ниже (а) изменяется вокруг опорного напряжения и (б), как правило, 0 вольт, но не обязательно всегда так.

Что такое генерация напряжения?

Когда существует относительное движение между проводником и магнитным полем, в результате чего силовые линии обрезаются, в проводнике индуцируется напряжение. Величина этого напряжения зависит от скорости движения.

Можно перемещать либо проводник, либо магнитное поле, пока между ними существует относительное движение, индуцируется напряжение.

Величина индуцированного напряжения зависит от количества линий магнитного потока, обрезанных за определенный период. Чем быстрее движение, тем больше обрезается линий и, следовательно, индуцируется большее напряжение. Завершение цепи между концами проводника позволяет току течь.

Полярность наведенного напряжения зависит от направления относительного движения между проводником и магнитным полем. Когда относительное движение параллельно магнитному полю, напряжение не индуцируется. Это потому, что нет относительного движения, и поэтому линии магнитного потока не пересекаются.

Это простейшая форма генератора переменного тока. Проволочная петля вращается в магнитном поле, и когда петля вращается, индуцируется напряжение, которое перерезает силовые линии. Контактные кольца снимают индуцированное напряжение, заставляя ток течь через нагрузку.

Поскольку петля вращается через точки A и C (ниже), она параллельна магнитным линиям, поэтому напряжение не индуцируется. Когда он движется через точки B и D, он перпендикулярен линиям магнитного потока. В этот момент индуцируется максимальное напряжение.

Основные определения — постоянный ток

Постоянный ток (DC) — это однонаправленный поток электрического заряда. Постоянный ток вырабатывается такими источниками, как батареи, термопары, солнечные элементы и электрические машины коммутаторного типа динамо-типа. Постоянный ток может течь в проводнике, таком как провод, но также может проходить через полупроводники, изоляторы или даже через вакуум, как в электронных или ионных пучках.Электрический заряд течет в постоянном направлении, что отличает его от переменного тока. Термин, ранее использовавшийся для обозначения постоянного тока, был гальваническим током.

Постоянный ток может быть получен от источника переменного тока с помощью устройства переключения тока, называемого выпрямителем, которое содержит электронные элементы (обычно) или электромеханические элементы (исторически), которые позволяют току течь только в одном направлении. Постоянный ток может быть преобразован в переменный ток с помощью инвертора или мотор-генераторной установки.

В первой коммерческой передаче электроэнергии (разработанной Томасом Эдисоном в конце девятнадцатого века) использовался постоянный ток. Поскольку раньше было преимущество переменного тока перед постоянным при преобразовании и передаче, распределение электроэнергии до нескольких лет назад было почти полностью переменным током. В середине 1950-х годов была разработана передача HVDC, которая теперь заменяет старые высоковольтные системы переменного тока. Для приложений, требующих постоянного тока, таких как энергосистемы третьего рельса, переменный ток распределяется на подстанцию, которая использует выпрямитель для преобразования мощности в постоянный ток. См. Войну течений.

Постоянный ток используется для зарядки аккумуляторов и почти во всех электронных системах в качестве источника питания. Очень большие количества энергии постоянного тока используются в производстве алюминия и других электрохимических процессах. Постоянный ток используется для некоторых железнодорожных движителей, особенно в городских районах. Постоянный ток высокого напряжения используется для передачи большого количества энергии от удаленных объектов генерации или для соединения электрических сетей переменного тока.

Различные определения

В области электротехники термин «постоянный ток» используется для обозначения энергосистем, в которых используется только одна полярность напряжения или тока, и для обозначения постоянного, нулевого или медленно меняющегося местного среднего значения напряжения или тока.Например, напряжение на источнике постоянного напряжения постоянно, как и ток через источник постоянного тока. Решение для электрической цепи постоянного тока — это решение, в котором все напряжения и токи постоянны. Можно показать, что любая стационарная форма волны напряжения или тока может быть разложена на сумму составляющей постоянного тока и изменяющейся во времени составляющей с нулевым средним значением; составляющая постоянного тока определяется как ожидаемое значение или среднее значение напряжения или тока за все время.

Хотя «постоянный ток» означает «постоянный ток», «постоянный ток» иногда означает «постоянная полярность».Согласно этому определению, напряжения постоянного тока могут изменяться во времени, например, необработанный выходной сигнал выпрямителя или колеблющийся голосовой сигнал в телефонной линии.

Некоторые формы постоянного тока (например, вырабатываемые регулятором напряжения) почти не имеют изменений напряжения, но могут иметь изменения в выходной мощности и токе.

Приложения

Установки постоянного тока обычно имеют разные типы розеток, выключателей и приспособлений, в основном из-за используемых низких напряжений, от тех, которые подходят для переменного тока.