Где используют переменный электрический ток?

Переменный ток

Переменный ток – род тока, направление протекания которого непрерывно меняется. Становится возможным, благодаря наличию разницы потенциалов, подчиняющейся закону. В повседневном понимании форма переменного тока напоминает синусоиду. Постоянный способен изменяться по амплитуде, направление прежнее. В противном случае получаем переменный ток. Трактовка радиотехников противоположна школьной. Ученикам говорят – постоянный ток одной амплитуды.

Создание переменного тока

Как образуется переменный ток

Начало переменному току положил Майкл Фарадей, читатели подробнее узнают ниже по тексту. Показано: электрическое и магнитное поля связаны. Ток становится следствием взаимодействия. Современные генераторы работают за счет изменения величины магнитного потока через площадь, охватываемую контуром медной проволоки. Проводник может быть любым. Медь выбрана из критериев максимальной пригодности при минимальной стоимости.

Статический заряд преимущественно образуется трением (не единственный путь), переменный ток возникает в результате незаметных глазу процессов. Величина пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, охваченную контуром.

История открытия переменного тока

Впервые переменным токам стали уделять внимание ввиду коммерческой ценности после появления на свет изобретений, созданных Николой Тесла. Материальный конфликт с Эдисоном отметил сильным отпечатком судьбы обоих. Когда американский предприниматель забрал назад обещания перед Николой Тесла, потерял немалую выгоду. Выдающемуся ученому не понравилось вольное обращение, серб выдумал двигатель переменного тока промышленного типа (изобретение сделал намного раньше). Предприятия пользовались исключительно постоянным. Эдисон продвигал указанный вид.

Тесла впервые показал: переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, резко снижая потери на активном сопротивлении. Приемная сторона параметры вновь возвращает к исходным. Неплохо сэкономите на толщине проводов.

Сегодня показано: передача постоянного тока экономически выгоднее. Тесла изменил ход истории. Придумай ученый преобразователи постоянного тока, мир выглядел бы иначе.

Начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. Опыты передачи энергии на значительные расстояния расставили факты по своим местам: неудобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.

Школьный вариант трактовки переменного и постоянного тока

Переменный ток демонстрирует ряд свойств, отличающих явление от постоянного. Вначале обратимся к истории открытия явления. Родоначальником переменного тока в обиходе человечества считают Отто фон Герике. Первым заметил: заряды природные двух знаков. Ток способен протекать в разном направлении. Касательно Тесла, инженер больше интересовался практической частью, авторские лекции упоминают двух экспериментаторов британского происхождения:

  1. Вильям Споттисвуд лишен странички русскоязычной Википедии, национальная часть – замалчивает работы с переменным током. Подобно Георгу Ому, ученый – талантливый математик, остается сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался муж науки.
  2. Джеймс Эдвард Генри Гордон намного ближе практической части вопроса применения электричества. Много экспериментировал с генераторами, разработал прибор собственной конструкции мощностью 350 кВт. Много внимания уделял освещению, снабжению энергией заводов, фабрик.

Считается, первые генераторы переменного тока созданы в 30-е годы XIX века. Майкл Фарадей экспериментально исследовал магнитные поля. Опыты вызывали ревность сэра Хемфри Дэви, критиковавшего ученика за плагиат. Сложно потомкам выяснить правоту, факт остается фактом: переменный ток полвека просуществовал невостребованным. В первой половине XIX-го века выдуман электрический двигатель (авторство Майкла Фарадея). Работал, питаемый постоянным током.

Никола Тесла впервые догадался реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Понадобились две фазы переменного тока (сдвиг 90 градусов). Попутно Тесла отметил: возможны более сложные конфигурации (текст патента). Позднее изобретатель трехфазного двигателя, Доливо-Добровольский, тщетно силился запатентовать детище плодотворного ума.

Продолжительное время переменный ток оставался невостребованным. Эдисон противился внедрению явления в обиход. Промышленник боялся крупных финансовых потерь.

Никола Тесла изучал электрические машины

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Ученые доказали недавно: передавать постоянный ток выгоднее. Снижаются потери излучения линии. Никола Тесла перевернул ход развития истории, правда восторжествовала.

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Никола Тесла посетил конкурирующую с эдисоновской компанию, продвигая новое явление. Увлекся, часто ставил эксперименты на себе. В противовес сэру Хемфри Дэви, который укоротил жизнь, вдыхая различные газы, Тесла добился немалого успеха: покорил рубеж 86 лет. Ученый обнаружил: изменение направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду делает процесс безопасным для человека.

Во время лекций Тесла брал руками лампочку с платиновой нитью накала, демонстрировал свечение прибора, пропуская через собственное тело токи высокой частоты. Утверждал: явление безвредно, даже приносит пользу здоровью. Ток, протекая по поверхности кожи, одновременно очищает. Тесла говорил, экспериментаторы прежних дней (смотрите выше) пропускали удивительные явления по указанным причинам:

  • Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в прямом смысле: при помощи двигателя раскручивался ротор. Подобный принцип бессилен выдать токи высокой частоты. Сегодня проблематично, невзирая на нынешний уровень развития технологии.
  • В простейшем случае применялись ручные размыкатели. Вовсе нечего говорить о высоких частотах.

Сам Тесла использовал явление заряда и разряда конденсатора. Подразумеваем RC-цепочку. Будучи заряжен до определённого уровня, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление. Параметров элементов определяют скорость процесса, протекающего согласно экспоненциальному закону. Тесла лишен возможности использовать методы управления контуров полупроводниковыми ключами. Термионные диоды были известны. Рискнем предположить, Тесла мог использовать изделия, имитируя стабилитроны, оперируя с обратимым пробоем.

Однако вопросы безопасности лишены почетного первого места. Частоту 60 Гц (общепринятая США) предложил Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Сильно отличается от безопасного диапазона. Проще сконструировать генератор. Переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.

Через эфир

Поныне безуспешно ведутся споры, касаемо первооткрывателя радио. Прохождение волны через эфир обнаружил Герц, описав законы движения, показав, сродство оптическим. Сегодня известно: переменное поле бороздит пространстве. Явление Попов (1895 год) использовал, передавая первое Земное сообщение «Генрих Герц».

Видим, ученые мужи дружны между собой. Сколько уважения демонстрирует первое сообщение. Дата остается спорной, каждое государство первенство хочет присвоить безраздельно. Переменный ток создает поле, распространяющееся через эфир.

Сегодня общеизвестны диапазоны вещания, окна, стены атмосферы, различных сред (вода, газы). Важное место отводится частоте. Установлено, каждый сигнал можно представить суммой элементарных колебаний-синусоид (согласно теоремам Фурье). Спектральный анализ оперирует простейшими гармониками. Суммарный эффект рассматривается, как равнодействующая элементарных составляющих. Произвольный сигнал раскладывается преобразованием Фурье.

Окна атмосферы определяются аналогичным образом. Увидим частоты, проходящие сквозь толщу хорошо и плохо. Не всегда последнее оказывается негативным эффектом. Микроволновые печи используют частоты 2,4 ГГц, ударно поглощаемые парами воды. Для связи волны бесполезны, зато хороши кулинарными способностями!

Новичков тревожит вопрос распространения волны через эфир. Обсудим подробнее неразрешенную поныне учеными загадку.

Диполь антенна Герца

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Взаимосвязь электрического, магнитного полей впервые продемонстрировал в 1821 году Майкл Фарадей. Чуть позднее показали: конденсатор пригоден для создания колебаний. Нельзя сказать, чтобы связь двух событий немедленно осознали. Феликс Савари разряжал лейденскую банку через дроссель, сердечником которому служила стальная игла.

Неизвестно доподлинно, чего добивался астроном, результат оказался любопытным. Иногда игла оказывалась намагниченной в одном направлении, иногда – противоположном. Ток генератора одного знака. Ученый правильно сделал вывод: затухающий колебательный процесс. Толком не зная индуктивных, емкостных реактивных сопротивлений.

Теорию процесс подвели позже. Опыты повторены Джозефом Генри, Вильямом Томпсоном, определившим резонансную частоту: где процесс продолжался максимальный период времени. Явление позволило количественно описать зависимости характеристик цепи от элементов составляющих (индуктивность и емкость). В 1861 году Максвелл вывел знаменитые уравнения, одно следствие особенно важно: «Переменное электрическое поле порождает магнитное и наоборот».

Возникает волна, векторы индукции взаимно перпендикулярны. Пространственно повторяют форму породившего процесса. Волна бороздит эфир. Явление использовал Генрих Герц, развернув обкладки конденсатора в пространстве, плоскости стали излучателями. Попов догадался закладывать информацию в электромагнитную волну (модулировать), что используется сегодня повсеместно. Причем в эфире и внутри полупроводниковой техники.

Где используется переменный ток

Переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Проще сказать, где применяется постоянный, читатели сделают выводы:

  1. Постоянный ток применяется в аккумуляторах. Переменный порождает движение – не может храниться современными устройствами. Потом в приборе электричество преобразуется в нужную форму.
  2. КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине выгодно применять указанные разновидности.
  3. При помощи постоянного тока действуют магниты. К примеру, домофонов.
  4. Постоянное напряжение применяется электроникой. Потребляемый ток варьируется в некоторых пределах. В промышленности носит название постоянного.
  5. Постоянное напряжение применяется кинескопами для создания потенциала, увеличения эмиссии катода. Случаи назовем аналогами блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие значительно.

В остальных случаях переменный ток выказывает весомое преимущество. Трансформаторы – неотъемлемая составляющая техники. Даже в сварке далеко не всегда господствует постоянный ток, но в любом современном оборудовании этого типа имеется инвертор. Так гораздо проще и удобнее получить достойные технические характеристики.

Хотя исторически первыми получены были статические заряды. Вспомним шерсть и янтарь, с которыми работал Фалес Милетский.

Что такое переменный ток

Используемое человеком электричество имеет два рода происхождения: постоянный и переменный. Чем отличается переменный ток от постоянного, нельзя ли использовать только один род? Эти и другие вопросы будут рассмотрены ниже, а начнем с понятия, что такое ток?

Как образуется переменный ток

Чтобы заряды перемещались по проводнику, а это и есть сила тока, необходимо иметь источник питания. Этот источник создает электродвижущую силу, заставляющую перемещаться заряды. В постоянных источниках это могут быть химические, механические и другие способы получения этой силы. Для промышленного переменного источника используется в основном механический способ.

Чтобы понять этот способ представим себе металлическую проволоку, согнутую в виде рамки. После чего внесем ее в подковообразный магнит. Под действием магнитного поля свободные электроны переместятся в один из концов рамки. Если ее развернуть на 180о, то магнитное поле переместит электроны в другой конец рамки. В тот момент, когда рамка вращалась, перемещались заряды, создавая ток.

Если рамка будет вращаться с определенной скоростью, то в ней будут перемещаться и заряженные частицы. Если отобразить перемещение электронов по рамке графически, то получим синусоиду. Она покажет, как напряжение возрастает при приближении рамки к магниту и убывает при удалении ее от магнита. Конечно, обычным вольтметром вряд ли удастся обнаружить такое напряжение, но если рамка будет состоять из множества витков провода, то напряжение поднимется.

На электростанциях происходит принципиально то же самое. Большие катушки вращаются внутри постоянных магнитов либо магниты вращаются вокруг катушек, что на принцип действия не оказывает никакого влияния. Так получают переменное напряжение, которое, в отличие от постоянного, меняет свое направление или силу.

История открытия переменного напряжения

Постоянный ток известен давно, но серьезное отношение к нему проявил Георг Симон Ом – немецкий физик. Закон, названный в его честь, был открыт в 1826 году. Его начинания подхватил Томас Алва Эдисон, американский предприниматель и изобретатель.

В 1884 году к Эдисону устроился ученый, изобретатель, инженер, физик Никола Тесла. Его занимала мысль сделать электродвигатель с вращающимся магнитным полем. Сегодня такой двигатель называется асинхронным. Работая у Эдисона, молодой изобретатель усовершенствовал электродвигатели своего работодателя, но вместо ожидаемой награды получил лишь насмешку.

Уйдя от Эдисона, Тесла какое-то время был без денег, пока наконец не познакомился с нужными людьми. Дальнейшая жизнь прошла в воплощении некоторых своих мечтаний и постоянной борьбе со сторонниками постоянного тока в лице Томаса Эдисона. Эта борьба продолжалась даже после смерти участников и закончилась в 2007 году полной победой переменного тока над постоянным.

Почему переменный ток используется чаще постоянного?

Если ответить коротко на этот вопрос, то все дело в его многофункциональности. Что можно делать с переменным напряжением, вот несколько направлений:

  • подвергать трансформации;
  • менять частоту;
  • получать многофазные цепи;
  • в некоторых областях дает лучшие характеристики.

Одно из главных преимуществ – возможность трансформации. Правда, постоянное напряжение можно также менять с помощью делителя напряжения или умножителя, но это будет одна электрическая цепь. Для гальванической развязки нужен трансформатор, в котором используется две и более независимых цепей.

Кроме того, трансформатор намного проще умножителей напряжения и позволяет значительно увеличивать напряжение. Почему так важно повышать напряженность цепи? Дело в том, что по закону Ома, чем выше напряжение, тем меньше потери при передаче, а это дает возможность передавать электроэнергию на большие расстояния.

Все радиоустройства для передачи сигнала без проводов используют переменную составляющую, называемую промежуточной частотой. Набор частот позволяет использовать множество радиоустройств, которые не мешают друг другу. Длинноволновые сигналы способны распространяться на большие расстояния, огибая Землю. Ультракороткие частоты, напротив, распространяются по прямой, позволяя создавать радиотелескопы для изучения космоса, недр Земли, океана.

При использовании синусоидального тока возникает возможность увеличивать мощность передачи к электропотребителям. Достигается это увеличением числа фаз. Мощность однофазного и трехфазного двигателя будет значительно отличаться при одних и тех же габаритах. А передача большей мощности будет достигнута в трехфазной сети при одинаковом сечении проводов.

Чтобы выпрямить переменный ток, достаточно использовать несложное устройство, называемое выпрямитель, а вот из постоянного сделать переменный синусоидальный с помощью радиодеталей будет несколько хлопотно. До сравнительно недавнего времени для освещения использовались лампы накаливания. Использование постоянного и переменного тока дают разные результаты цветопередачи, белый свет дают лампы переменного тока. Правда, современные лампы, работающие на фотодиодах, используют постоянную составляющую, но по мощности они еще не достигли своих собратьев.

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Когда Никола Тесла ушел от Томаса Эдисона, последний устроил информационную атаку против изобретений Николы Тесла, уверяя, что переменный ток опасен для жизни человека. На самом деле все дело в величине напряжения, которое подавалось на испытуемых животных. Тесла для опровержения такого утверждения пропускал через себя ток высокой частоты. И это действительно так. Чем выше частота, тем меньше заряд проходит через внутренности человека, скапливаясь на его коже.

Что касается эффективности, то разница работы ламп накаливания говорит сама за себя. Их мощность и цветовая передача была лучше у Николы, чем у Томаса. Поэтому у Николы появлялось все больше заказчиков для освещения различных объектов. Кроме того, передача сигнала по воздуху могла осуществляться только с переменной волной, что, конечно же, невозможно для постоянного тока. Но как распространяются радиоволны?

Через эфир

Еще в XVII веке Рене Декарт выдвинул гипотезу о существовании эфира. Непонимание того, как передается свет в вакууме, подтолкнуло к такому предположению. Поэтому стали считать, что в любом пространстве существует некая физическая среда, обладающая способностью проводить через себя различные волны.

Однако разработка теории относительности сделала этот термин ненужным. Кроме того, сам факт того, что эфир, как он понимался раньше, не имеет смысла, привело к устранению из употребления. Например, теория эфира противоречила закону распространения волн в газах и жидкостях. Само понимание природы света также опровергло такую гипотезу.

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Еще одним сторонником, причем сам того не подозревая, стал Генрих Рудольф Герц. В 28 лет, став профессором физики, он начал проводить опыты по передаче радиоволн на расстоянии. В его распоряжении были лишь примитивные элементы оборудования: гальванические элементы, катушки, электроды с латунными шариками и всевозможные пластины и сферы из цинка, выполнявшие роль конденсатора.

Подключив пластины параллельно катушке, он получил колебательный контур, в котором длина волны менялась за счет перемещения пластин вдоль катушки или изменения расстояния между пластинами. Этот контур подключался к источнику питания. Другая катушка располагалась в непосредственной близости от первой. Таким образом, получился повышающий трансформатор, увеличивавший выходящее напряжение.

Концы второй катушки он подсоединял к двум электродам с шариками на концах. Высокое напряжение, получаемое в результате трансформации, подавалось на шарики, и между ними происходил разряд в виде большого искрового разряда. Так был построен передатчик радиоволн.

На расстоянии нескольких метров он установил приемник в виде разомкнутого кольца или рамки. На их концах также были закреплены шарики. Прием проверялся разрядом между шарами, что доказывало возможность передачи сигнала на расстояние по воздуху. Свое устройство он назвал вибратор Герца. С тех пор 1888 год стал считаться годом открытия электромагнитных волн.

Генрих также предполагал существование эфира, с помощью которого осуществлялась передача, однако позднее Хендрик Лоренц доказал несостоятельность такой гипотезы. Тем не менее разработки резонансного контура, доказательства существования электромагнитных волн и другие исследования прочно обосновались в современной радиотехнике. Также в его честь была названа единица, измеряющая частоту.

Где используется переменное напряжение

О наличии переменного тока говорят такие знаки

или ≈, а также буквы AC. Такое обозначение можно найти на многих электроприборах, например, индукционных плитах. В них используется мощное электромагнитное поле, разогревающее дно металлической посуды. Эти же волны, но более мощные, используются в до́менных печах, которые установлены в огромные катушки. Также применяются катушки меньшего размера в сталепрокатных или прессовочных цехах. Они позволяют очень быстро разогревать металл, причем действуют точечно, что приносит хорошую экономию электроэнергии.

Обозначаться знаком переменности могут электрические котлы, водонагреватели, холодильники, утюги и множество других бытовых приборов. Двигатели синхронные и асинхронные, одно-, двух- и трехфазные находятся на различных предприятиях и в домах. Но без чего нельзя представить современного человека, так это мобильный телефон и интернет.

Передача информации

Осуществление передачи информации происходит практически таким же образом, как это было еще и более ста лет назад. Правда, технология ушла далеко, но принцип остался тот же. С помощью колебательного контура вырабатывается так называемая несущая частота, а на нее накладывается сигнал. Чтобы расшифровать полученный такой сигнал, используют декодер. Обычно используются высокие частоты, которые передаются по прямой линии.

Этот же метод связи применяется для связи с самолетами и спутниками. Спутники могут служить в качестве промежуточного звена, принимая сигнал из одной точки земного шара и передавая в другую.

Электрификация железных дорог на переменном напряжении

Железные дороги также не остались в стороне. Тепловозы постепенно меняют на электровозы. По способу получения питания они разделяются на следующие типы:

  • контактные;
  • аккумуляторные;
  • контактно-аккумуляторные;
  • бесконтактные.

В основном для грузоперевозок и пассажиров используют контактную сеть постоянного или переменного тока. Если используется переменный вид, то делают однофазную сеть, так как трехфазную сложно создавать. Интерес представляет бесконтактная передача. Вдоль путей прокладывают шину и на нее подают ток высокой частоты. Создаваемый магнитный поток улавливается приемником электровоза и передается на электродвигатели.

Хотя поначалу и шла война между сторонниками постоянного и переменного тока, современная жизнь показала, что человеку или, вернее, электрооборудованию, используемому человеком, нужен и тот и другой род.

Где используют переменный электрический ток?

Где используется переменный ток?

В промышленности переменный ток используется для литания электромоторов, в основном. асинхронного типа, в быту — для питания электронагревательных приборов, освещения, холодильников, бытовых электромоторов и т.

Где используют постоянный электрический ток?

Постоянный ток широко используется в технике, в электрических схемах и устройствах. Так же постоянный ток используется для передачи по высоковольтным линиям больших мощностей электрической энергии. Практически всё электрооборудование электроустановок и промышленных предприятий питается от сети переменного тока.

Какой ток опасен для человека переменный или постоянный?

Тут же следует отметить, что постоянный эл. ток примерно в 3-4 раза безопаснее переменного, если частота колебаний последнего составляет 50 Гц. Напряжение. Если напряжение в сети не превышает 400 Вольт, то в этом случае переменный электрический ток опаснее постоянного.19 мая 2015 г.

Почему электрический ток называется переменным?

Электрический ток» периодически меняющийся во времени по модулю и по направлению, называется переменным током. … Это будет свидетельствовать о том, что и модуль силы индукционного тока, и его направление периодически меняются во времени, т. е. в катушке образуется переменный ток.

Почему в быту используется переменный ток?

Переменный ток хорош, прежде всего, тем, что его напряжение можно изменять относительно легко, с помощью простых катушечных трансформаторов. … Ну а высокое напряжение выгодно прежде всего потому, что оно позволяет передавать большую мощность по проводам меньшего сечения.

Как действует переменный ток?

Переменный ток, в отличие от тока постоянного, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. … Чтобы вызвать в цепи такой ток, используются источники переменного тока, создающие переменную ЭДС, периодически изменяющуюся по величине и направлению.

Где используется постоянный электрический ток?

Постоянный электрический ток может существовать только в замкнутом на себя контуре, состоящем из совокупности проводников электричества, в котором действует стационарное электрическое поле.

Где используется постоянный ток?

Постоянный ток — это ток, который у вас в телефонном аккумуляторе или батарейках. Он называется постоянным, потому что направление движения электронов не меняется. Зарядные устройства трансформируют переменный ток из сети в постоянный, и уже в таком виде он оказывается в аккумуляторах.

Что работает на постоянном токе?

Постоянный ток, достаточно широко применяется в электрических схемах и устройствах. К примеру, дома, большинство приборов, таких как модем или зарядное устройство для мобильного, работают на постоянном токе. Генератор автомобиля, вырабатывает и преобразует постоянный ток, для зарядки аккумулятора.

Какой ток является смертельным для человека?

Токи более 80–100 мА переменного и 300 мА постоянного напряжения вызывают фибрилляцию сердца и (или) прекращение работы легких. При этом наступает клиническая смерть, продолжающаяся 5–7 минут. Величина электрического тока более 100 миллиАмпер считается смертельно опасной.

Сколько вольт смертельно для человека?

Напряжение в 36 вольт и выше может вызхвать остановку сердца. Но убивает не напряжение, а сила тока. Смерть происходит от электрического удара, поражаются все системы организма, происходит спазм мышц и остановка сердца. Смертельная для человека сила тока — 100 миллиампер .

Какой ток более опасен для человека?

Самый опасный — переменный ток частотой 50 — 60 Гц. С увеличением частоты токи начинают распространяться по поверхности кожи, вызывая сильные ожоги, но не приводя к электрическому удару. Величина тока, проходящего через тело человека, зависит от сопротивления тела и приложенного напряжения.

Что называется переменным электрическим током?

Переме́нный ток — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.

Почему в сети 50 Гц?

Это частота. 1 Гц — 1 раз в секунду. 50 Гц — 50 раз в секунду, именно с такой частотой меняет направление переменный ток в российских розетках. В США — другие стандарты, там 60 Гц частота сети.

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

SA Переменный ток

Содержание

Переменный электрический ток

В механической системе вынужденные колебания возникают при действии на нее внешней периодической силы. Аналогично этому вынужденные электромагнитные колебания в электрической цепи происходят под действием внешней периодически изменяющейся ЭДС или внешнего изменяющегося напряжения.

Вынужденные электромагнитные колебания в электрической цепи представляют собой переменный электрический ток.

  • Переменный электрический ток — это ток, сила и направление которого периодически меняются.

Мы в дальнейшем будем изучать вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, гармонически меняющегося с частотой ω по синусоидальному или косинусоидальному закону:

u = U_m cdot sin omega t) или (

u = U_m cdot cos omega t) ,

где u – мгновенное значение напряжения, Um – амплитуда напряжения, ω – циклическая частота колебаний. Если напряжение меняется с частотой ω, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой, но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае

i = I_m cdot sin (omega t + varphi_c)) ,

где φc – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения.

Исходя из этого можно дать еще такое определение:

  • Переменный ток – это электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону.

Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.

Генератор переменного тока

Основная часть электроэнергии в мире в настоящее время вырабатывается генераторами переменного тока, создающими гармонические колебания.

  • Генератором переменного тока называется электротехническое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.

ЭДС индукции генератора изменяется по синусоидальному закону

где (_ =Bcdot Scdot omega) — амплитудное (максимальное) значение ЭДС. При подключении к выводам рамки нагрузки сопротивлением R, через нее будет проходить переменный ток. По закону Ома для участка цепи сила тока в нагрузке

где (I_ = dfrac) — амплитудное значение силы тока.

Основными частями генератора являются (рис. 1):

  • индуктор — электромагнит или постоянный магнит, который создает магнитное поле;
  • якорь — обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;
  • коллектор со щетками — устройство, посредством которого снимается с вращающихся частей или подается по ним ток.

Неподвижная часть генератора называется статором, а подвижная — ротором. В зависимости от конструкции генератора его якорь может быть как ротором, так и статором. При получении переменных токов большой мощности якорь обычно делают неподвижным, чтобы упростить схему передачи тока в промышленную сеть.

На современных гидроэлектростанциях вода вращает вал электрогенератора с частотой 1-2 оборота в секунду. Таким образом, если бы якорь генератора имел только одну рамку (обмотку), то получался бы переменный ток частотой 1-2 Гц. Поэтому, для получения переменного тока промышленной частоты 50 Гц якорь должен содержать несколько обмоток, позволяющих увеличить частоту вырабатываемого тока. Для паровых турбин, ротор которых вращается очень быстро, используют якорь с одной обмоткой. В этом случае частота вращения ротора совпадает с частотой переменного тока, т.е. ротор должен делать 50 об/с.

Мощные генераторы вырабатывают напряжение 15-20 кВ и обладают КПД 97-98 %.

Из истории. Первоначально Фарадей обнаружил лишь едва заметный ток в катушке при движении вблизи нее магнита. «Какая от этого польза?» — спросили его. Фарадей ответил: «Какая может быть польза от новорож­денного?» Прошло немногим более половины столетия и, как сказал американский физик Р. Фейнман, «бесполезный новорожденный превратился в чудо-богатыря и изменил облик Земли так, как его гордый отец не мог себе и представить».

*Принцип действия

Принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции.

Пусть проводящая рамка площадью S вращается с угловой скоростью ω вокруг оси, расположенной в ее плоскости перпендикулярно однородному магнитному полю индукцией (vec) (см. рис. 1).

При равномерном вращении рамки угол α между направлениями вектора индукции магнитного поля (vec) и нормали к плоскости рамки (vec) меняется со временем по линейному закону. Если в момент времени t = 0 угол α0 = 0 (см. рис. 1), то

где ω — угловая скорость вращения рамки, ν — частота ее вращения.

В этом случае магнитный поток, пронизывающий рамку будет изменяться следующим образом

Тогда согласно закону Фарадея индуцируется ЭДС индукции

Подчеркнем, что ток в цепи проходит в одном направлении в течение полуоборота рамки, а затем меняет направление на противоположное, которое также остается неизменным в течение следующего полуоборота.

Действующие значения силы тока и напряжения

Пусть источник тока создает переменное гармоническое напряжение

Согласно закону Ома, сила тока в участке цепи, содержащей только резистор сопротивлением R, подключенный к этому источнику, изменяется со временем также по синусоидальному закону:

где (I_m = dfrac>.) Как видим, сила тока в такой цепи также меняется с течением времени по синусоидальному закону. Величины Um, Im называются амплитудными значениями напряжения и силы тока. Зависящие от времени значения напряжения u и силы тока i называют мгновенными.

Кроме этих величин используются еще одна характеристика переменного тока: действующие (эффективные) значения силы тока и напряжения.

  • Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.

Обозначается буквой I.

  • Действующим (эффективным) значением напряжения переменного тока называется напряжение такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.

Обозначается буквой U.

Действующие (I, U) и амплитудные (Im, Um) значения связаны между собой следующими соотношениями:

Таким образом, выражения для расчета мощности, потребляемой в цепях постоянного тока, остаются справедливыми и для переменного тока, если использовать в них действующие значения силы тока и напряжения:

Необходимо отметить, что закон Ома для цепи переменного тока, содержащей только резистор сопротивлением R, выполняется как для амплитудных и действующих, так и для мгновенных значений напряжения и силы тока, вследствие того, что их колебания совпадают по фазе.

*Вывод формулы

Зная мгновенные значения u и i, можно вычислить мгновенную мощность

которая, в отличие от цепей постоянного тока, изменяется с течением времени. С учетом уравнений (1) и (2) перепишем выражение для мгновенной мощности на резисторе в виде

Первое слагаемое не зависит от времени. Второе слагаемое P2 — функция косинуса удвоенного угла и ее среднее значение за период колебаний равно нулю (рис. 2, найдите сумму площади выделенных фигур с учетом знаков).

Поэтому среднее значение мощности переменного электрического тока за период будет равно

Тогда с учетом закона Ома (left(I_ =dfrac> right)) получаем:

По определению действующих значений необходимо сравнивать мощности (количество теплоты в единицу времени) переменного и постоянного тока. Запишем уравнения для расчета мощности постоянного тока

и сравним с уравнениями (4>:

Литература

Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. — Минск: Нар. Асвета, 2009. — С. 46-51.

Какой электрический ток называют переменным: где используют

Переменным называется электрический ток, I, изменяющийся по величине и направлению с определённой периодичностью, T. В классическом определении, переменный ток представляет собой гармонические колебания изменяющиеся по форме синусоиды. Периодичность изменения направления и величины называется частотой, f, выражаемой в Герцах, Гц. Частота отражает, сколько раз за секунду происходит смена направления тока. Российские сети работают на частоте 50 Гц. Это значит, напряжение меняет полярность, а ток направление 50 раз за секунду.

Свойства переменного тока

С переменным током неразрывно связано явление возникновения электромагнитной индукции. Переменный ток, пропущенный через обмотку, формирует вокруг неё изменяющееся во времени магнитное поле, которое приводит к появлению электродвижущей силы, ЭДС и электрического тока в проводнике, взаимодействующем с этим полем.

Электромагнитная индукция — ключевое явление, обеспечивающее генерацию, транспортировку, использование электроэнергии. Именно электромагнитная индукция лежит в основе принципа действия трансформаторов, генераторов, двигателей. Это физическое явление определило преимущественное использование переменного тока для электроэнергетики.

Переменный ток входит в повседневную жизнь не только в виде розетки, от которой питаются наши компьютеры, телевизоры, холодильники, лампы освещения. Он способен вызывать резонансные явления в цепях, обладающих емкостью и индуктивностью. Это свойство используется для излучения электромагнитных волн, называемых радиоволнами. Радиоволны — это электромагнитные волны, излучаемые антенной, питающейся токами высокой частоты. Диапазон радиочастот от 3 до 3*10 12 Гц. На радиочастотах работают системы радиосвязи, беспроводные системы передачи данных Bluetooth, WiFi, WiMAX, спутниковое и эфирное телевидение, мобильные телефоны, навигационные системы.

Мощное высокочастотное электромагнитное поле способно вызывать нагрев. Эта особенность широко используется в бытовых микроволновых СВЧ печах, индукционных плитах. На производстве с помощью индукционных печей нагревают заготовки, закаливают и плавят металл.

Трёхфазная и однофазная сеть

Различие заключается в количестве проводников и уровне напряжения между ними.

Токи, протекающие в трёхфазной сети имеют вид синусоид, сдвинутых между собой на 120º.

Трёхфазная сеть состоит из трёх фазных проводников, АВС. Однофазная сеть использует один из фазных проводов и нулевой N.

Напряжение между фазами в точках A, B, C, называется линейным, Uл. Между нулевым N и одним из фазных проводов — фазным, Uф. Фазное напряжение меньше линейного в 1,73 раза, что составляет 58 % от его величины. Такое напряжение используется в европейских странах, Росиии, на него рассчитано большинство бытовых приборов.

Преимущества переменного тока

Основные преимущества перед постоянным определили его как основу энергетики:

  • генератор переменного напряжения проще и дешевле генератора постоянного;
  • способность к трансформации в любые уровни напряжения;
  • простое преобразование в механическую энергию;
  • легко преобразуется в постоянный.

Генератор переменного напряжения конструктивно проще, он более компактный, имеет меньшую массу медных деталей, а потому дешевле.

За счёт явления электромагнитной индукции появляется возможность повышать и понижать напряжение до любого уровня с помощью трансформаторов.

Трехфазная сеть очень эффективно используется при работе электродвигателей. Благодаря сдвигу фаз, в машине образуется вращающееся магнитное поле, увлекающее за собой статор. Современные электромоторы имеют КПД на уровне 90%.

Где используется

Переменный ток частотой 50 Гц является промышленным стандартом в энергетике, применяется во всех отраслях промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, жилом секторе. На переменном токе работает электрооборудование рудников заводов, фабрик. Он вращает двигатели станков, насосов, конвейеров, подъёмных механизмов. Им снабжается вся инфраструктура метрополитенов от освещения, эскалаторов до электропоездов. Тоже самое относится к электрифицированным железным дорогам. В наши дома и квартиры так же подаётся переменное напряжение.

Как поставляется электроэнергия

Цепь поставки состоит из нескольких звеньев и упрощённо выглядит так:

  1. Генератор электростанции вырабатывает переменный электрический ток с частотой 50 Гц.
  2. Трансформаторы на электростанции повышают напряжение до десятков или сотен тысяч вольт. Энергия поступает на магистральные линии электропередач, ЛЭП.
  3. Трансформаторы на распределительных подстанциях понижают напряжение, энергия передаётся потребителям.

Повышение с последующим понижением напряжения имеет огромный смысл. Нужно это для того, чтобы передать энергию на большие расстояния с наименьшими затратами. Крупные электростанции могут находятся в сотнях, а то и тысячах километров от потребителей. Высокое напряжение позволяет уменьшить сечение проводников, снизить потери при передаче энергии на большие расстояния. Из формулы мощности P = U*I очевидно, при неизменной мощности повышение напряжение приводит к снижению тока, а следовательно, потребуется меньшее сечение проводов.

Например, станция генерирует 100 МВт мощности, которую нужно передать в соседний город при напряжении ЛЭП 1000 В, ток в линии I = P/U= 100*10 6 /1000 = 100 000 кА. Для таких токов потребуется проводник сечением 10 000 мм 2 . При повышении U до 100 кВ, сечение проводника уменьшится в 100 раз. По этой причине магистральные ЛЭП способны работать под напряжением 220-750 кВ.

На стороне потребителя напряжение снижается с помощью трансформаторов до необходимой величины. В ряде случаев используются промежуточные уровни: 10, 6, 0.6, 0.4 кВ для локальных ЛЭП или отдельных потребителей.