Переменный ток: получение и применение
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:
- 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.
- 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:
- Постоянный ток применяется в аккумуляторах. Переменный порождает движение – не может храниться современными устройствами. Потом в приборе электричество преобразуется в нужную форму.
- КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине выгодно применять указанные разновидности.
- При помощи постоянного тока действуют магниты. К примеру, домофонов.
- Постоянное напряжение применяется электроникой. Потребляемый ток варьируется в некоторых пределах. В промышленности носит название постоянного.
- 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.
преимущества и недостатки ⋆ diodov.net
Какой электрический ток лучше: постоянный или переменный ток? Чтобы дать ответ на данный вопрос нужно оценить их преимущества и недостатки по следующим основным направлениям: выработка, передача, распределение и потребление электроэнергии. Проще говоря, нужно ответить на следующие вопросы. Какой род тока проще и дешевле получить, затем передать его на большое расстояние, после чего распределить электроэнергию между потребителями. Потребители какого рода энергии более эффективны?
Сегодня преимущественное большинство электрической энергии, добываемой или генерируемой в мире, выпадет на переменный ток. И в первую очередь это связано с тем, что переменный ток проще преобразовывать из более низкого напряжения в более высокое и наоборот, то есть он проще в трансформации.
Место производство электрической энергии большой мощности, к сожалению пока что невозможно базировать в тех местах, где хотелось бы, то есть непосредственно рядом с потребителями.
Для сравнения электрическую энергию будем передавать напряжением 10 кВ и 100 кВ. При заданных мощности и напряжениях определим величины токов, протекающих в проводах.
I1 = P/U1 = 1000 кВт/10 кВ = 100 А.
I2 = P/U2 = 1000 кВт/100 кВ = 10 А.
Как мы видим, при увеличении напряжения в 10 раз, ток снижается тоже в 10 раз.
Потери электроэнергии в проводах ЛЭП и не только в них определяются квадратом тока, протекающего в них и сопротивлением самого провода. Для простоты расчет примем сопротивление проводов, равным 10 Ом. Подсчитаем потери мощности для обоих случаев.
Pпот1 = I12∙R = 1002∙10 = 100000 Вт = 100 кВт.
Pпот2 = I22∙R = 102∙10 = 1000 Вт = 1 кВт.
Теперь, как мы видим, с ростом напряжения в 10 раз потери электроэнергии снижаются в 100 раз! При более низком напряжении доля потерь в проводах составляет 10 % от мощности, выдаваемой генератором. А при более высоком напряжении эта доля составляет всего 0,1 %. Поэтому очень важным параметров сравнения родов тока является возможность повышать напряжение, а затем его снижать в конечных пунктах.
Можно было бы и не повышать напряжение, а для снижения потерь применять более толстые провода, но такой подход экономически не оправдан, поскольку медные провода стоят денег.
Также можно было бы и не повышать напряжение генератора, а создать такой генератор, который сразу бы выдавал высокое напряжения. Но здесь возникают сложности при изготовлении таких генераторов. Сложности связаны в основном с изоляцией высоковольтных элементов генератора. Короче говоря, изготовить трансформатор на высокое напряжение гораздо проще и дешевле, нежели генератор.
Преимущества переменного токаВопрос повышения и снижения переменного напряжения при нынешнем уровне технического развития решается гораздо проще, чем постоянного электрического тока.
Такие преобразования довольно просто выполняются с помощью относительно простого устройства – трансформатора. Трансформатор обладает высоким коэффициентом полезного действия, который достигает 99 %. Это значит, что не более одного процента мощности теряется при повышении или снижении напряжения. К тому же трансформатор позволяет развязать высокое напряжение с более низким, что для большинства электроустановок является очень весомым аргументом.
Применение трехфазной системы переменного тока позволяет еще больше повысить эффективность системы электроснабжения. Для передачи электричества аналогичной мощности потребуется меньше проводов, чем при однофазном переменном токе. К тому же трехфазный трансформатор меньше габаритов однофазного трансформатора равной мощности.
Электрические машины переменного тока, в частности асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют гораздо проще конструкцию, чем двигатели постоянного тока. Главным преимуществом трехфазных асинхронных двигателей является отсутствие коллекторно-щеточного узла. Благодаря чему снижаются расходы на изготовление и эксплуатацию таких электрических машин. Кроме того за счет отсутствия коллекторно-щеточного узла асинхронные двигатели имеют в разы большую мощность по сравнению с двигателями постоянного тока.
Из выше изложенного следуют такие недостатки.
- Сложность повышения и снижения напряжения, то есть преобразования электроэнергии постоянного тока. В первую очередь это вызвано сложность конструкций преобразователей. Поскольку необходимы мощные полупроводниковые ключи, рассчитанные на высокое напряжение. Отсутствие которых приводит к большому числу последовательно и параллельно соединенных полупроводниковых приборов. В результате снижается надежность всего преобразователя, увеличивается стоимость и возрастают потери мощности.
- Электрические машины имеют более сложную конструкцию, поэтому менее надежны и более затратные, как в производстве, так и в эксплуатации.
- Сложности в развязке высокого и низкого напряжений.
- Важнейшим недостатком переменного тока является наличие реактивной мощности. Как известно, конденсатор и катушка индуктивности проявляют свои реактивные свойства только в цепях переменного тока. Проще говоря, катушка и конденсатор создают реактивное сопротивление переменному току, но не потребляю его. В результате этого из полной мощности, отдаваемой генератором переменного тока, часть мощности не затрачивается на выполнение полезной работы, а лишь бесполезно циркулирует межу генератором и нагрузкой.
Однако большинство нагрузок – двигатели, трансформаторы и сами провода являются индуктивными элементами. А чем больше индуктивность, тем большую долю составляет реактивная мощность от полной и с этим нужно бороться.
- Второй главный недостаток переменного тока заключается в том, что он протекает не по всему сечению проводника, а вытесняется ближе к его поверхности. В результате снижается площадь, по которой протекает электрический ток, что в свою очередь приводит к увеличению сопротивления проводника и к росту потерь мощности в нем.
Чем выше частота, тем сильнее вытесняется ток к поверхности проводника и в конечном счете, тем выше потери мощности.
Преимущества постоянного тока- Главное преимущество электрической энергии постоянного тока – это отсутствие реактивной мощности. А это значит, что вся мощность, выработанная генератором, потребляется нагрузкой за вычетом потерь в проводах.
- Постоянный ток в отличие от переменного протекает по всему сечению проводника.
Указанные два пункта приводят к тому, что если передавать одну и ту же мощность при равных напряжениях постоянным и переменным токами, то потери мощности электроэнергии постоянным током были бы почти в два раза меньше, чем при переменном токе.
К тому же, если рассматривать такие бытовые электронные устройства как ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. п., то все они имеют блоки питания, преобразующие переменное напряжение 220 В (230 В) в постоянное напряжение более низкой величины. А такие преобразования связаны с частичной потерей мощности.
Кроме того, как было сказано ранее, трехфазный асинхронный двигатель (АД) можно подключить напрямую к сети 380 В, что вполне оправдано в том случае, когда не требуется изменять режим работы двигателя. Но если необходимо изменять частоту вращения его вала, то нужно на обмотки статора подавать напряжение, частота и амплитуда которого должны изменяться пропорционально, согласно закону Костенка.
Также следует заметить, что последним временем начали очень широко применяться солнечные батареи, которые вырабатывают постоянный ток. К тому же, значительно возросла мощность аккумуляторных батарей и повысилась емкость суперконденсаторов, которые также относятся к источникам постоянного тока и с каждым днем находят все большее практическое применение.
Несмотря на все преимущества постоянного тока, значительная сложность, вызванная преобразованием больших мощностей, главным образом сказывается сложность повышения и понижения постоянного напряжения, сводит на нет указанные выше преимущества. Поэтому, до тех пор, пока не будут разработаны полупроводниковые ключи огромной мощности и соответствующие преобразователи на их основе, переменный ток остается вне конкуренции. К тому же сейчас уже применяются четырехквадрантные преобразователи или активные выпрямители, позволяющие скомпенсировать реактивную составляющую нагрузки, что позволяет получить коэффициент мощности, равный почти единице. Благодаря чему исключается потребление реактивной мощности.
Как вы видите, однозначного ответа на вопрос, какой ток лучше: постоянный или переменный, не существует. Следует сравнивать все преимущества и недостатки для конкретного случая.
Еще статьи по данной теме
переменный ток
читать далее…
Поэтому, наша обыкновенная лампочка(или, например, обогревательный прибор)будет одинаково работать как при переменном напряжении, изменяющегося от нуля до 310В, так и при постоянном напряжении 220В. А 12-вольтовая лампочка будет одинаково светить как от источника переменного напряжения величиной 12В(изменяющегося от нуля до 16,8В), так и от любой батарейки или аккумулятора(а они являются, как известно, источниками постоянного напряжения). Итак, запомните!!!
1)электрический ток(напряжение), который периодически изменяет свое направление и величину, называется переменным током. Любой переменный ток характеризуется в основном своей частотой, амплитудой и действующим значением;
2)приборы, предназначенные для измерения переменного тока, показывают его действующее значение;
3)напряжение измеряют вольтметром(или комбинированным прибором — авометром), ток — амперметром(или комбинированным прибором — авометром). Также ток можно измерять так называемыми токовыми клещами. Служат они для бесконтактного измерения тока — рабочая часть прибора образует кольцо вокруг измеряемого провода и по величине электромагнитного поля, действующего на рабочую часть прибора, выводится информация на его небольшой дисплей о величине протекающего тока. Авометр — это комбинированный прибор(его в простонародье еще называют просто тестером), который полностью в своем техпаспорте называется ампервольтомметром и служит для измерения и тока, и напряжения, и сопротивлений. А цифровые модели могут измерять и частоту напряжения(тока), и емкости конденсаторов и другие вещи — это уж как задумает разработчик;
4)зная значение(действующее) переменного напряжения, всегда можно узнать его максимальное значение(не забудьте — оно меняется по синусоидальному закону). А связь здесь такая —
Umax = 1,4U, где U — действующее значение, а Umax — максимальное значение(амплитуда)… На этом пока всё!
Почему для передачи и распределения электрической энергии используют преимущественно переменный ток, а не постоянный?
Почему для передачи и распределения электрической энергии используют преимущественно переменный ток, а не постоянный?. Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное]ВикиЧтение
Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное]Кондрашов Анатолий Павлович
Почему для передачи и распределения электрической энергии используют преимущественно переменный ток, а не постоянный?
На заре электроэнергетики, когда маломощные генераторы электрического тока располагались на небольших расстояниях от потребителей (нередко в пределах одного населенного пункта), для передачи электрической энергии успешно использовали постоянный электрический ток. Сторонником использования в этих целях постоянного электрического тока был, например, Томас Алва Эдисон. Со временем потребность в электроэнергии возрастала, ее стали вырабатывать на крупных электростанциях с мощными агрегатами (с ростом мощности снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии). В связи с этим возникла также необходимость передавать электроэнергию на большие расстояния. Однако потери электроэнергии при ее передаче тем ниже, чем выше напряжение электрического тока. Это и обусловило целесообразность применения в линиях электропередачи переменного тока, напряжение которого (в отличие от постоянного тока) легко можно трансформировать почти без потерь мощности.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРесЧитайте также
Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой?
Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой? У молодой пары долго не было детей. Им посоветовали съездить в Рим и в соборе святого Петра зажечь свечу. Через несколько лет человек, который дал совет супругам, случайно попал в городок, где они жили, и решил
Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой?
Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой? У молодой пары долго не было детей. Им посоветовали съездить в Рим и в соборе святого Петра зажечь свечу. Через несколько лет человек, который дал совет супругам, случайно попал в городок, где они жили, и решил
Почему в США (в отличие от России) не используют название «никотиновая кислота»?
Почему в США (в отличие от России) не используют название «никотиновая кислота»? Ассоциацию американских врачей обеспокоил тот факт, что из-за схожести названий никотиновой кислоты и никотина общественность может решить, что табак является источником витаминов. Поэтому
7.2. Экосистема (биогеоценоз), ее компоненты: продуценты, консументы, редуценты, их роль. Видовая и пространственная структура экосистемы. Цепи и сети питания, их звенья. Типы пищевых цепей. Составление схем передачи веществ и энергии (цепей питания). Правило экологической пирамиды. Структура и дина
7.2. Экосистема (биогеоценоз), ее компоненты: продуценты, консументы, редуценты, их роль. Видовая и пространственная структура экосистемы. Цепи и сети питания, их звенья. Типы пищевых цепей. Составление схем передачи веществ и энергии (цепей питания). Правило экологической
Авиационные преобразователи электрической энергии
Авиационные преобразователи электрической энергии Авиационные преобразователи электрической энергии являются вторичными источниками электрического тока. Они преобразуют электрическую энергию с данными параметрами в электрическую же энергию, но с другими
Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой?
Является ли бесплодие преимущественно женской проблемой? У молодой пары долго не было детей. Им посоветовали съездить в Рим и в соборе святого Петра зажечь свечу. Через несколько лет человек, который дал совет супругам, случайно попал в городок, где они жили, и решил
2.8. Определение потребности в электрической энергии и мощности районных и объединенных энергосистем
2.8. Определение потребности в электрической энергии и мощности районных и объединенных энергосистем Расчет потребности в электрической энергии и мощности выполняется для определения объема вводов и структуры генерирующих мощностей, выявления степени
определение, чем он лучше постоянного, зачем его используют в электрических сетях
Большинство современных бытовых и промышленных устройств работают от сети переменного тока. К ним можно отнести также все приборы на основе постоянного тока или питающиеся от аккумуляторов, поскольку они используют ту или иную форму DC, полученную из AC как с помощью преобразования сетевого напряжения, так и путём зарядки батарей. Но так было не всегда. Потребовалось немало времени, чтобы подобная система энергоснабжения зарекомендовала себя с лучшей стороны.
Эдисон и Тесла
Ипполит Пикси сумел создать первый генератор переменного тока в 1835 году. Это было устройство на постоянных магнитах, работающее при вращении рукоятки. Предприниматели того времени были заинтересованы в генерации DC и не совсем понимали, где может применяться изобретение и зачем нужно получать AC.
Настоящая конкуренция за стандарты электричества в линиях передач развернулась к концу 1880-х. годов, когда началась борьба между основными энергетическими компаниями за доминирование на рынке собственных запатентованных энергетических систем. Это было соперничество концепций электрификации двух великих изобретателей: Николы Теслы и Томаса Эдисона.
Эдисон изобрёл и усовершенствовал немало устройств, необходимых для первых систем генерации и транспортировки постоянного тока. В течение короткого времени его компания смогла открыть более 200 станций в Северной Америке. Предприятие росло, и изобретатель для выполнения работ по усовершенствованию оборудования нанял Николу Теслу — молодого инженера из Европы. Новый сотрудник предложил вниманию Эдисона революционные для того времени работы, основанные на технологиях переменного значения. Идеи Тесла были отвергнуты и пути изобретателей разошлись.
Джордж Вестингауз, наоборот, отнёсся к открытиям сербского инженера с большим интересом и выкупил все патенты Тесла. После предприятия Вестингауза пережило немало потрясений, в том числе и связанных с мощными пропагандистскими компаниями Эдисона. Финалом борьбы стал момент, когда система Теслы была выбрана для освещения выставки в Чикаго. Это событие познакомило мир с преимуществами многофазной генерации AC и его транспортировки. С тех пор большинство электрических устройств и сетей заказывались уже под новый стандарт. Основными датами войны токов были:
- 1870 г. — создание Эдисоном первого генератора DC;
- 1878 г. — основание Edison Electric Light Co в Нью-Йорке;
- 1882 г. — открытие Эдисоном генерирующей станции Pearl Street на 5 тыс. огней;
- 1883 г. — изобретение Теслой трансформатора;
- 1884 г. — изобретение Теслой генератора AC;
- 1888 г. — демонстрация Теслой многофазной электрической системы, Вестингауз выкупает его патенты;
- 1888 г. — казнь с помощью электрического стула, изобретённого Эдисоном как средство для пропагандистской компании, демонстрирующей опасность технологий Теслы.
- 1893 г. — триумф Westinghouse Electric Company на Чикагской ярмарке.
Определение и свойства
Гальваническая батарея выдаёт стабильную разницу потенциалов на полюсах в течение длительного времени до момента завершения в ней химической реакции. Ток от подобного источника называют постоянным. Простое определение переменного тока, понятное для чайников и приемлемое для специалистов, можно построить от обратного: AC есть поток зарядов в проводнике, периодически меняющий свою величину и направление. В сетях энергоснабжения он регулярно изменяет амплитуду и полярность.
Эти изменения представляют собой бесконечные повторения последовательности идентичных циклов, формирующих на экране осциллографа синусоиду, в отличие от DC, который визуализируется как прямая.
Графическая иллюстрация важна для понимания того, какой ток называют переменным синусоидальным.
Поскольку из определения переменного тока следует, что изменения параметров являются регулярными, переменное электричество обладает рядом свойств, связанных с качеством и формой его отражения на графике. Эти основные свойства можно представить следующим списком:
- Частота. Одно из наиболее важных свойств любого регулярного сигнала. Определяет количество полных циклов за конкретный период. Измеряется в герцах (циклах в секунду). В Европе для сетей электроснабжения составляет 50 Гц, в США и Канаде — 60 Гц.
- Период. Иногда важно знать количество времени, необходимое для завершения одного цикла электрического сигнала, а не числа циклов в секунду времени. Период — понятие логически обратное частоте, означающее длительность одного цикла в секунду.
- Длина волны. Характеристика, похожая на период, но может быть измерена из любой части одного цикла к эквивалентной точке в следующем.
- Амплитуда. В контексте электрического тока — это наибольшее значения АС относительно нейтрального. Математически амплитуда синусоиды есть значение этой синусоиды на пике. Однако если речь идёт о системах питания, то лучше обращаться к понятию эффективного тока. В качестве эквивалента используется количество работы, которую способен сделать постоянный ток при напряжении, равном амплитуде исследуемого переменного тока. Для синусоидальной волны эффективное напряжение составляет 0,707 от амплитуды.
В случае с АС наиболее важные свойства — частота и амплитуда, так как все виды оборудования разрабатываются с учётом соответствия этим параметрам в линии электропередачи. Период требует внимания при проектировании электронных источников питания.
А длина волны, как параметр, становится важен, когда речь идёт о токах со значительно более высокой частотой, чем в сетях энергоснабжения.
Сравнение AC и DC
Направление потока электрической энергии определяет постоянный и переменный ток. Разница в том, что в первом случае заряды перемещаются в одном направлении и непрерывно, а во втором — направление потока меняется через равные интервалы. Последнее сопровождается чередованием уровня напряжения и сменой полюсов на источнике с положительного на отрицательный и наоборот, что делает процессы в нагрузках более сложными, чем в случае с постоянным напряжением.
Ключевым преимуществом DC состоят в том, что его можно легко аккумулировать или создавать в портативных химических источниках. Но использование AC позволяет осуществлять передачу электрической энергии на большие расстояния намного экономичнее. Дело в том, что мощность W=I*V, передаваемая от станции, не в полном объёме доставляется до точки назначения. Часть её расходуется на нагрев линий электропередачи в размере W= I2*R.
Очевидный способ сокращения потерь — уменьшение сопротивления за счёт наращивания толщины проводов. Но для его реализации существует экономический предел: толстые проводники стоят дороже. Кроме того, массивные провода требуют дорогих несущих конструкций.
Задача имеет блестящее решение, если изменить напряжение и силу тока при сохранении мощности. Например, при увеличении V в тысячу раз и соответствующем уменьшении I, значение мощности сохраняется прежним, но потери уменьшаются в миллионы раз, поскольку они находятся в квадратичной зависимости от силы тока. Остаётся проблема преобразования напряжения до безопасных значений при распределении его к потребителям.
Это невозможно в случае с DC, но переменный ток позволяет изменять значения I и V при сохранении мощности с помощью трансформаторов. Энергетические компании используют это свойство для транспортировки электричества. Способность к трансформации и определяет главное, практически применимое отличие переменного тока от постоянного.
Другим важным преимуществом является необычайная простота его производства и возможность реализации в несложных конструкциях электродвигателей. Электрические приводы — наиболее значимый способом применения AC.
Генерация и трансформация
Принцип генерации электричества прост. Если магнитное поле вращается вдоль стационарного набора катушек из витков проводника или, наоборот, катушка вращается вокруг стационарного магнитного поля, то благодаря явлению электромагнитной индукции на концах обмоток возникает разность потенциалов. С каждым изменением угла поворота в результате описанного кругового движения выходное напряжение также будет меняться как по величине, так и по направлению.
Описанный условный генератор при постоянной угловой скорости вращения вала производит синусоидальный AC с формой волны, ничем не отличающейся от поставляемого в бытовой сети. Реальные генераторы устроены значительно сложнее, но работают на том же принципах электромагнитной индукции.
Эти же законы помогают не только в производстве AC, но и в его передаче и распределении. Преобразования напряжения энергетическим компаниями невозможно осуществить без электрических машин, называемых трансформаторами. Вот почему это изобретение Теслы было так важно для революции в транспортировке электричества.
Любой трансформатор состоит из следующих элементов:
- первичной и вторичных обмоток;
- сердечника.
Слово «первичная» применяется для обмотки, на которую подаётся электрическое напряжение, нуждающееся в трансформации. Индуцированное напряжение на вторичной катушке всегда равно приложенному на первичной, умноженному на соотношение витков вторичной к первичной. Трансформатор позволяет пошагово изменять напряжение.
Разность потенциалов, которая получается на выходе, есть расчётная величина, зависящая от соотношения витков обмоток.
Используемые виды
В большинстве случаев под тем, какой ток называется переменным, подразумевают электричество из бытовой сети. Для многих далёких от электрики и электроники людей было бы неожиданностью узнать, что под АС подразумевается значительно более широкое понятие, чем электричество из розетки.
Краткий перечень переменных токов, используемых в сетях питания:
- Однофазный. Простой вид, переменный по направлению. Коммерческий его тип имеет синусоидальный вид на графике и передаётся по двум проводникам.
- Трёхфазный. Электричество для промышленных нужд обычно поставляется в виде трёх отдельных синусоид с пиками амплитуды в трети цикла друг от друга. Для передачи энергии таким способом требуется три (иногда четыре) проводника.
- Двухполупериодный выпрямленный однофазный. Полученный из переменного с помощью выпрямителя таким образом, чтобы обратная половина цикла сменила полярность. Его можно рассматривать как пульсирующий постоянный ток без интервала между импульсами.
- Полностью выпрямленное трёхфазное напряжение. Однополярный ток с небольшой пульсацией. Это свойство выгодно отличает его от DC.
- Полуволновой выпрямленный. Получается после выпрямления AC простейшим образом с обрезанием части с обратной полярностью. В результате получается пульсирующее напряжение с интервалами без разности потенциалов на клеммах.
- Импульсное напряжение. Широко применяется в современной цифровой технике и электронике. Во многих случаях волна не синусоидальной, а прямоугольной формы.
В современных приборах используются самые разнообразные формы тока и нередко одновременно. Даже освещение в XXI веке изменилось неузнаваемо со времён Эдисона. Традиционная лампа накаливания работала непосредственно от сети AC, а её светодиодный аналог предварительно выпрямляет синусоидальное напряжение, преобразуя затем его до нужных параметров без помощи дополнительных устройств.
Однако война токов может иметь своё продолжение в совсем недалёком будущем. Растущее количество источников DC, таких как солнечные батареи и ветряки, стало стимулом для разработки технологий транспортировки постоянного тока на большие расстояния при потерях, сопоставимыми с передачей AC. В мире уже построено несколько таких действующих объектов и, вполне возможно, через некоторое время они продемонстрируют на практике свои преимущества перед классическими энергосистемами.
youtube.com/embed/tl8o5uU5V3c»/>
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 токЭлектрическим 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.
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
Отличие переменного тока от постоянного: преобразование, разница, принцип действия
Детей учат, что пальцы в розетку совать нельзя! А почему? Потому что будет плохо. С более подробным объяснением часто бывают проблемы: какое-то там напряжение, ток, что-то куда-то течет. Чтобы вы в будущем могли сами объяснить своим детям, что к чему, мы сейчас объясним вам. Эта статья про переменный и постоянный токи, их отличия, применение и историю электричества вообще. Науку нужно делать интересной, и мы скромно пытаемся этим заниматься по мере сил.
Например: какой ток у нас в розетках? Переменный, конечно! Напряжением 220 Вольт и частотой 50 Герц. А сеть, по которой передается ток — трехфазная. Кстати, если при словах «фаза» и «ноль» вы впадаете в ступор, почитайте что это такое, и день будет прожит вдвойне не зря! Но не будем забегать вперед. Обо всем по порядку.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Краткая история электричества
Кто изобрел электричество? А никто! Люди постепенно понимали, что это такое и как им пользоваться.
Все началось в 7 веке до нашей эры, в один солнечный (а может и дождливый, кто знает) день. Тогда греческий философ Фалес заметил, что, если потереть янтарь о шерсть, он будет притягивать легкие предметы.
Потом были Александр Македонский, войны, христианство, падение Римской империи, войны, падение Византии, войны, средневековье, крестовые походы, эпидемии, инквизиция и снова войны. Как вы поняли, людям было не до какого-то там электричества и натертых шерстью эбонитовых палочек.
В каком году изобрели слово «электричество»? 1600 году английский естествоиспытатель Уильям Гилберт решил написать труд «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Именно тогда и появился термин «электричество».
Через сто пятьдесят лет, в 1747 году Бенджамин Франклин, которого мы все очень любим, создал первую теорию электричества. Он рассматривал это явление как флюид или нематериальную жидкость.
Именно Франклин ввел понятие положительного и отрицательного зарядов (до этого разделяли стеклянное и смоляное электричество), изобрел молниеотвод и доказал, что молния имеет электрическую природу.
Бенджамина любят все, ведь его портрет есть на каждой стодолларовой купюре. Помимо работы в точных науках, он был видным политическим деятелем. Но вопреки распространенному заблуждению, Франклин не был президентом США.Дальше пойдет перечисление важных для истории электричества открытий.
1785 год – Кулон выясняет, с какой силой противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.
1791 год – Луиджи Гальвани случайно заметил, что лапки мертвой лягушки сокращаются под действием электричества.
Принцип работы батарейки основан на гальванических элементах. Но кто создал первый гальванический элемент? Основываясь на открытии Гальвани, другой итальянский физик Алессандро Вольта в 1800 году создает столб Вольта – прототип современной батарейки.
На раскопках рядом с Багдадом нашли батарейку возрастом больше двух тысяч лет. Какой древний айфон с ее помощью подзаряжали — остается загадкой. Зато известно точно, что батарейка уже «села». Этот случай как бы говорит: может быть, люди знали об электричестве намного раньше, но потом что-то пошло не так.Уже в 19 веке Эрстед, Ампер, Ом, Томсон и Максвелл совершили настоящую революцию. Был открыт электромагнетизм, ЭДС индукции, электрические и магнитные явления связали в единую систему и описали фундаментальными уравнениями.
Кстати! Если у вас нет времени, чтобы самостоятельно разбираться со всем этим, для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
20 век принес квантовую электродинамику и теорию слабых взаимодействий, а также электромобили и повсеместные линии электропередач. Кстати, знаменитый электромобиль Тесла работает на постоянном токе.
Конечно, это очень краткая история электричества, и мы не упомянули очень много имен, которые повлияли на прогресс в этой области. Иначе пришлось бы написать целый многотомный справочник.
Постоянный ток
Сначала напомним, что ток – это движение заряженных частиц.
Постоянный ток – это ток, который течет в одном направлении.
Типичный источник постоянного тока – гальванический элемент. Проще говоря, батарейка или аккумулятор. Один из древнейших артефактов, связанных с электричеством – багдадская батарейка, которой 2000 лет. Предполагают, что она давала ток напряжением 2-4 Вольта.
Где используется постоянный ток:
- в питании большинства бытовых приборов;
- в батарейках и аккумуляторах для автономного питания приборов;
- для питания электроники автомобилей;
- на кораблях и подводных лодках;
- в общественном транспорте (троллейбусах, трамваях).
Проще всего представить постоянный ток наглядно, на графике. Вот как он выглядит:
Постоянный токБытовые приборы работают на постоянном токе, но в розетки сети в квартире приходит переменный ток. Практически везде постоянный ток получается путем выпрямления переменного.
Переменный ток
Переменный ток – это ток, который меняет величину и направление. Причем меняет в равные промежутки времени.
Переменный ток используется в промышленности и электроснабжении. Именно его получают на станциях и отправляют к потребителям. Уже на месте преобразование переменного электрического тока в постоянный происходит с помощью инверторов.
Переменный ток — alternating current (AC). Постоянный ток — direct current (DC). Аббревиатуру AC/DC можно увидеть на трансформаторных будках, где происходит преобразование. А еще это название одной отличной австралийской рок-группы.А вот и наглядное изображение переменного тока.
Переменный токПеременный ток течет в цепи в двух направлениях: туда и обратно. Одно из них считается положительным, а второе — отрицательным.
Так как величина тока меняется не только по направлению, но и по величине, не думайте, что в вашей розетке постоянно 220 Вольт. 220 — это действующее значение напряжения, которое бывает 50 раз в секунду. Кстати, в Америке используется другой стандарт переменного тока в сети: 110 Вольт и 60 Герц.
Война токов
Активное использование постоянного тока началось в конце 19 века. Тогда Эдисон довел до ума лампочку (1890) и основал первые в Нью-Йорке электростанции, которые производили постоянный ток напряжением 110 Вольт.
Использование постоянного тока было связано с существенными потерями при его передаче на большие расстояния. Переменный ток нельзя было использовать из-за того, что не было соответствующих счетчиков и моторов, работавших на переменном токе. Так же был затруднен процесс преобразования постоянного тока в переменный. При этом переменный ток можно было без потерь передавать на большие расстояния.
В то время в Америку из Сербии приехал Никола Тесла, который устроился на работу в компанию к Эдисону. Тесла изобрел электродвигатель переменного тока, понял все выгоды и предложил Эдисону его использование.
Тесла и ЭдисонЭдисон не послушал Теслу и к тому же не выплатил ему зарплату. Так и началось знаменитое противостояние изобретателей — война токов.
Она длилась более ста лет и закончилась в 2007 году. Тогда Нью-Йорк полностью перешел на электроснабжение переменным током.
Почему переменный ток опаснее постоянного
В войне токов, чтобы не потерпеть убытки и финансовый крах от внедрения и использования идей Теслы, Эдисон публично демонстрировал, как переменный ток убивает животных. Случай, когда какой-то американский гражданин погиб от удара переменным током, был очень подробно и широко освещен в прессе.
Для человека переменный ток в общем случае действительно опаснее постоянного. Хотя всегда нужно учитывать величину тока, его частоту, напряжение, сопротивление человека, которого бьет током. Рассмотрим эти нюансы:
- Переменный ток частотой 50 Герц в три-четыре раза опаснее для жизни, чем постоянный ток. Если частота тока более 1000 Герц, то он считается менее опасным.
- При напряжениях около 400-600 Вольт переменный и постоянный токи считаются одинаково опасными. При напряжении более 600 Вольт более опасен постоянный ток.
- Переменный ток в силу своей природы и частоты сильнее возбуждает нервы, стимулируя мышцы и сердце. Именно поэтому он несет большую опасность для жизни.
С каким бы током вы не работали, соблюдайте осторожность и будьте бдительны! Берегите себя и свои нервы, а также помните: сделать это эффективно поможет профессиональный студенческий сервис с лучшими экспертами.
Переменный ток — Energy Education
Переменный ток (AC) — это тип электрического тока, вырабатываемого подавляющим большинством электростанций и используемого в большинстве систем распределения электроэнергии. Переменный ток дешевле генерировать и имеет меньше потерь энергии, чем постоянный ток при передаче электроэнергии на большие расстояния. [1] Хотя для очень больших расстояний (более 1000 км) постоянный ток часто может быть лучше. В отличие от постоянного тока направление и сила переменного тока меняются много раз в секунду.
Недвижимость
Рис. 1. Анимация из симуляции PhET [2] переменного тока, которая была значительно замедлена. См. Постоянный ток для сравнения.Переменный ток меняет направление потока заряда (60 раз в секунду в Северной Америке (60 Гц) и 50 раз в секунду в Европе (50 Гц)). Обычно это вызвано синусоидально изменяющимися током и напряжением, которые меняют направление, создавая периодическое движение назад и вперед для тока (см. {2} R [/ math]
Мощность, передаваемая по линии, однако, имеет другое выражение:
- [математика] P_ {передано} = IV [/ математика]
Как видно из первого уравнения, потери мощности при передаче пропорциональны квадрату тока через провод.Следовательно, предпочтительно минимизировать ток через провод, чтобы уменьшить потери энергии. Конечно, минимизация сопротивления также уменьшит потери энергии, но ток оказывает гораздо большее влияние на количество потерянной энергии из-за того, что его значение возводится в квадрат. Второе уравнение показывает, что если напряжение увеличивается, ток уменьшается эквивалентно для передачи той же мощности. Следовательно, напряжение в линиях передачи очень высокое, что снижает ток, что, в свою очередь, сводит к минимуму потери энергии при передаче.Вот почему переменный ток предпочтительнее постоянного тока для передачи электричества, поскольку намного дешевле изменить напряжение переменного тока. Однако существует предел, при котором более нецелесообразно использовать переменный ток по сравнению с постоянным током (см. Передача HVDC).
Использование и преимущества
Большинство устройств (например, большие заводские динамо-машины), которые напрямую подключены к электросети, работают на переменном токе, а электрические розетки в домах и коммерческих помещениях также подают переменный ток.Устройства, которым требуется постоянный ток, например ноутбуки, обычно имеют адаптер переменного тока, который преобразует переменный ток в постоянный. [5]
Переменный ток является предпочтительным во всем мире, поскольку он имеет много явных преимуществ по сравнению с постоянным током. Для полной разбивки различий между ними см. AC vs DC. Некоторые преимущества включают: [6]
- Дешевое и эффективное повышение напряжения с помощью трансформаторов. Как объяснялось выше, это позволяет осуществлять энергоэффективную передачу электроэнергии по линиям электропередач. Эта эффективная передача энергии экономит энергетическим компаниям и потребителям много денег и помогает уменьшить загрязнение, поскольку электростанциям не нужно компенсировать потерю электроэнергии за счет использования большего количества топлива.
- Низкие затраты на техническое обслуживание высокоскоростных двигателей переменного тока.
- Легко отключить ток (например, с помощью автоматического выключателя), поскольку ток естественным образом стремится к нулю каждые 1/2 цикла. Например, автоматический выключатель может отключать примерно 1/20 постоянного тока от переменного тока.
Phet Simulation
Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета, которая исследует, как работает переменный ток.
Для дальнейшего чтения
Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:
Список литературы
Почему мы используем электричество переменного тока?
Опубликовано 30 марта 2018 г. автором Oozle Media
Когда вы думаете об электричестве, которое вы используете в своем доме, вы, вероятно, не задумываетесь о том, какого оно типа, откуда оно берется и даже как работает. Мы это понимаем. Электричество — не самая захватывающая из тем, как бы мы лично ни говорили об этом…
При этом существует разница в типах существующего электричества, и если вы когда-нибудь слышали, чтобы кто-нибудь говорил, что ваш дом использует электричество переменного тока (AC), для этого есть довольно веская причина.Так что, если вы здесь, потому что вам интересно, в чем разница между электричеством переменного и постоянного тока (DC), или вы просто хотите узнать, какой вообще ток переменного тока, мы можем вам помочь.
Начало электроэнергетикиПрежде чем мы сможем что-либо сделать, мы должны предоставить вам краткую историю электричества. Мы знаем, что урок истории никому не нравится, но чтобы понять, где мы находимся сегодня, нужно знать, с чего мы начали. Итак, давайте начнем с краткого обзора:
Вы все слышали об открытии электричества Томасом Эдисоном через весь эксперимент с молниями и воздушным змеем, верно? Вот быстрое напоминание на случай, если вы забыли подробности.
После этого Эдисон изобрел множество различных электрических машин, таких как фонограф и лампочка. После открытия Эдисона и продолжающегося изучения электричества ситуация довольно быстро ускорилась. Люди начали использовать электричество по-разному, но основным из них было освещение домов в конце 1800-х — начале 1900-х годов.
Использование электроэнергии постоянного токаПосле открытия Эдисоном и изобретения электричества в целом вскоре стало очевидно, что компании, производящие электроэнергию, могут получать прибыль от домовладельцев, использующих ее.Cue постоянного тока электричество. Постоянный ток использовался около 20 лет, прежде чем Никола Тесла, большой сторонник электричества переменного тока, изобрел машину, которая могла преобразовывать постоянный ток в переменный. Он боролся несколько лет, прежде чем люди поняли, что кондиционер более эффективен. В 1896 году переменный ток был официально назван типом электричества, который будет использоваться в домах и на предприятиях.
Но почему?
Разница между переменным и постоянным токомКак уже говорилось, переменный ток означает переменный ток, что означает, что электричество движется вперед и назад, а не только в одном направлении, как постоянный ток.Основным фактором, который повлиял на выбор переменного вместо постоянного тока, было то, что переменный ток более эффективен. Его способность путешествовать вперед и назад дала ему возможность путешествовать на большие расстояния. Таким образом, он может питать больше домов. Кроме того, с ним было намного проще и менее опасно работать, что было огромным преимуществом, когда его собирались использовать в домах населения.
«генерировать и транспортировать переменный ток на большие расстояния относительно просто. При высоких напряжениях (более 110 кВ) при передаче электроэнергии теряется меньше энергии.Более высокие напряжения означают более низкие токи, а более низкие токи означают меньшее тепловыделение в линии электропередачи из-за сопротивления. Переменный ток можно легко преобразовывать в высокое напряжение и обратно с помощью трансформаторов ». — Sparkfun
Сегодня, в 2018 году, мы все еще используем электричество переменного тока для большинства наших домов и предприятий.
Q: Используем ли мы когда-нибудь электричество постоянного тока?
A: Да, но редко. Электроэнергия постоянного тока вырабатывается всеми современными солнечными панелями, хотя затем эта мощность меняется на переменный ток с помощью трансформатора, чтобы дома и предприятия могли ее использовать.Электропитание постоянного тока используется в автомобильных аккумуляторах, портативных солнечных системах и любых слаботочных устройствах.
Надеюсь, это ответило на все ваши вопросы об электричестве переменного и постоянного тока. Нам повезло, что у нас есть такой управляемый способ питания наших домов и устройств. Однако это не означает, что это безопасно или что каждый может выполнять электромонтажные работы! Вот почему так важно, чтобы профессионал делал какие-либо изменения или обслуживал ваши электрические системы в вашем доме или на работе.
Вот где пригодятся профессиональные электрики JP Electrical.Мы справимся с любой вашей работой и всегда гарантируем, что проделали ее на высоком уровне. Вы можете узнать больше о наших услугах здесь, и вы всегда можете позвонить нам по телефону 801-294-4340 .
Категории: Энергоэффективность • Советы
Почему AC выиграл войну за электричество
Недавно я закончил книгу Джилл Джоннес Empires of Light о «Войне электрических токов» — переменного тока и постоянного тока, которая произошла в период становления электроэнергетики в конце 1800-х годов.Это обычная история в сфере технологий: два конкурирующих стандарта, каждый из которых яростно сторонник. Но DC был обречен с самого начала — не из-за отсутствия покровителей, поскольку его поддерживал всемирно известный Томас Эдисон, а из-за физики и экономики.
Давайте вернемся. Электричество как наука и технология развивались в течение конца 1700-х и 1800-х годов. Сначала единственным известным способом создания электрического тока был химический процесс с использованием батарей (изобретенных в 1799 году итальянским физиком Алессандро Вольта; батареи названы в его честь в «вольтах»).Однако ранние батареи были относительно слабыми, выдавая всего пару вольт; это могло питать новые электрические коммуникации, такие как телеграф, но не было практическим источником энергии для света или двигателей.
Однако электричество тесно связано с силой магнетизма. Каждый может индуцировать другой: электрический ток создает магнитное поле, а магнитное поле может создавать электрический ток. Последнее открытие (Майклом Фарадеем в 1831 году) привело к изобретению электрического генератора , который вырабатывает энергию путем вращения магнита рядом с катушкой с проволокой.Генератор может быть подключен к источнику механической энергии, например паровому двигателю, для преобразования кинетической энергии в электрическую.
К концу 1800-х годов электричество стало одним из видов энергии, конкурирующих с углем и нефтью. Применениями, как и в случае с любой другой формой энергии, были механическая энергия (в виде электродвигателя), тепло и особенно свет. Освещение было «приложением-убийцей» ранней электротехнической промышленности — единственным приложением, которое было настолько ценным, что могло стимулировать развитие технологий и инвестиции в инфраструктуру.
Однако первые электрические фонари оставляли желать лучшего. Первоначальной технологией была дуговая лампа, в которой электрическая дуга проходила по воздуху между двумя угольными стержнями. Это произвело очень яркий белый свет, резкий и ослепляющий. Он подходил для стадионов, театров и крупных торговых улиц, но не для домов или офисов.
Патент Эдисона на лампочку, 1880 г. Лампочка Эдисона Филип Мишевски / FlickrТомас Эдисон увидел дуговую лампу и сразу понял, что электрическое освещение может произвести революцию в повседневной жизни.Но у него было видение, чтобы понять, что огромные рыночные возможности заключаются не в дуговом освещении, а в создании менее интенсивного источника света, который можно было бы использовать в любой комнате. Уже известный и достаточно богатый, чтобы проводить множество экспериментов в своей лаборатории в Менло-Парке, Эдисон начал огромную научно-исследовательскую работу по созданию практичной электрической лампочки, которая стала его самым легендарным и определяющим карьеру изобретением.
Лампы накаливания демонстрировались еще до Эдисона, но они еще не были практичными: они перегорели слишком быстро.Вклад Эдисона заключался в создании долговечной лампы со здоровым свечением. Одним из ключевых открытий была важность создания вакуума в колбе. Еще одним важным элементом была нить накала; Лаборатория Эдисона провела известное испытание тысяч материалов, чтобы найти нить, которая будет гореть в течение многих часов. Практичная лампочка позволила электрическому свету заменить домашнее освещение керосином или природным газом.
Электрическое освещение было чище, чем газовые или керосиновые лампы, а электродвигатели были намного, чище, чем любой двигатель внутреннего сгорания (только представьте себе бытовую посудомоечную машину, холодильник или пылесос, сжигающий масло или уголь).Но чтобы получить эти преимущества, изобретателям пришлось решить проблему распространения. Первая домашняя система освещения была установлена в особняке банкира Дж. П. Моргана и полагалась на парогенератор, построенный в небольшом здании на его территории, за пределами дома, вместе с обслуживающим персоналом, работающим на полную ставку. (Дежурный уходил с дежурства в 11 часов вечера, и, если семья Моргана опаздывала, свет выключался без предупреждения, заставляя их искать свечи в темноте.) Эдисон планировал поставить свою лампочку в дома менее богатые, чем у Моргана. целая система центральных генераторов и распределительная сеть.
Но возникла проблема. Энергия терялась в самих линиях электропередачи. Это неизбежно происходит всякий раз, когда ток течет через сопротивление (и даже самые лучшие линии электропередач имеют некоторое сопротивление). Из-за этого система Эдисона по-прежнему была ограничена радиусом около полумили, что делало ее пригодной только для очень плотных городских районов, где в пределах этого небольшого круга было бы много потребителей освещения. В других местах экономически не выгодно.
Строгое ограничение расстояния также сделало невозможным использование природных источников энергии, таких как водопады.Тысячи лет фабрики использовали энергию воды через мельницы. Но поскольку у нас нет возможности эффективно передавать механическую энергию на большие расстояния, эти заводы всегда были сильно ограничены географически: они должны были находиться на на реке . Электричество обещало наконец преодолеть эти географические ограничения и обеспечить настоящую передачу электроэнергии на большие расстояния — если бы только мы могли решить проблему потери мощности.
К счастью, решение обрело форму — буквально потому, что корень решения находится в форме тока.
Давайте еще раз посмотрим, как работает электрогенератор. Основной метод — вращать магнит возле катушки с проволокой. Магнит вращается механической силой, такой как водопад или паровая турбина (в последнем случае сам пар может поступать из любого источника топлива, от угля до газа и ядерной энергии). Вращение магнита создает изменяющееся магнитное поле, которое по фундаментальным законам физики создает электрическое поле, которое, в свою очередь, заставляет электричество перемещаться по проводу.
Поскольку магнит вращается по кругу, его магнитное поле тоже вращается, и это создает не постоянное электрическое поле, а переменное, которое, в свою очередь, создает переменный ток (AC).Вместо того, чтобы течь в постоянном направлении, как вода по трубе, электроны покачиваются взад и вперед по проводу. (Вы можете быть удивлены, что это короткое покачивание обеспечивает передачу энергии на большие расстояния, но это так, потому что покачивание распространяется по проводу, как волна. Точно так же, как звуковые волны могут достигать ваших ушей за много миль, даже если нет молекул Воздуха действительно попали к вам из источника, поэтому электрическая энергия может быть получена из движения электронов в пункте назначения, даже если отдельные электроны не прошли весь путь от генератора.)
Однако во времена появления первых генераторов единственные существующие электродвигатели требовали постоянного тока (DC), который двигался в постоянном направлении. Таким образом, эти генераторы преобразовывали переменный ток в постоянный (используя более сложную конструкцию генератора, включающую щеточные контакты).
И постоянный, и переменный ток могут нормально зажечь лампочку. И то и другое можно было сгенерировать достаточно легко (хотя генератор переменного тока был более элегантным, без щеточных контактов).Преимущество постоянного тока в электродвигателях было нивелировано, когда гениальный инженер Никола Тесла изобрел электродвигатель переменного тока (он зависел от «многофазного» переменного тока, то есть от нескольких переменных токов, где чередования были в противофазе друг с другом). Реальная, непреодолимая разница была в передаче , потому что здесь переменный ток мог делать то, чего не мог сделать постоянный ток, что-то, что решало бы проблему линий электропередач на большие расстояния и установило бы его в качестве электрического стандарта.
Чтобы понять этот волшебный трюк, нам нужно немного подробнее рассмотреть физику электромагнетизма.Любая линия электропередачи имеет несколько основных физических характеристик. Ток — это скорость, с которой электрический заряд протекает через провод: буквально, сколько электронов в секунду проходит мимо определенной точки. Напряжение — это своего рода электрическое «давление», прикладываемое к проводу: большее напряжение производит больший ток. Сопротивление аналогично трению, действующему против тока. Когда ток проходит через сопротивление, энергия теряется, так же как энергия теряется на трение в механической системе.Количество энергии, теряемой в секунду, пропорционально сопротивлению и квадрату силы тока. Таким образом, чтобы минимизировать потери энергии, мы должны минимизировать как сопротивление, так и ток.
Для минимизации сопротивления можно использовать материал с низким сопротивлением, например серебро или медь. Серебро немного менее резистентно, но намного дороже, поэтому на практике используется медь. Вы можете сделать провода толще, потому что сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения, но при этом используется больше материала, что опять же дороже.Таким образом, сопротивление может быть уменьшено только настолько, что с каждой милей оно ухудшается, поскольку оно пропорционально длине провода.
Другой способ минимизировать потери энергии — уменьшить ток. Но провода по-прежнему должны обеспечивать питание, а мощность пропорциональна величине тока, умноженной на напряжение. Следовательно, чтобы передать заданное количество мощности при низком токе, вам потребуется высокое напряжение.
Но здесь мы сталкиваемся с другой проблемой. Очень высокое напряжение не подходит для домашнего использования.Для типичного повседневного использования вам нужна доступная электрическая мощность около ста вольт (сегодня в США стандартное напряжение составляет 120 В; в Европе используется 220 В). Для передачи электроэнергии на большие расстояния вам нужны тысячи вольт или более (современные линии используют до 765000 В!). Если вы подадите в дом такое количество энергии, это будет слишком много для лампочки или электродвигателя, и это будет слишком сложно. может представлять опасность поражения электрическим током или возгорания. Но если вы попытаетесь подключить линии электропередач только к сотням вольт, вы потеряете слишком много энергии из-за сопротивления.
Как решить эту головоломку? С помощью почти волшебного устройства, называемого трансформатором, который может преобразовывать низковольтную энергию в высоковольтную и обратно. И работает только с переменным током.
Схема электрического трансформатора BillC / Викимедиа Электрический трансформатор dimitrisvetsikas1969 / PixabayКажущееся волшебство трансформатора в том, что провода низкого и высокого напряжения даже не соприкасаются.Вместо этого энергия передается посредством электромагнитной индукции, явления, открытого Фарадеем в 1830-х годах. В трансформаторе две катушки проволоки намотаны на железный сердечник. Поскольку ток меняется в одной катушке, утюг становится переменным электромагнитом. Затем переменное магнитное поле создает переменный электрический ток в другом витке провода. Но если количество витков в двух катушках разное, то напряжение во второй катушке также будет различным — выше или ниже в зависимости от того, больше или меньше витков у второй катушки, чем у первой.
Это работает с переменным током, потому что изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле, но стационарное магнитное поле создает , а не , поэтому оно не работает с постоянным током. Это главный козырь AC, его решающее отличие.
С помощью переменного тока вы можете «поднять» ток до более высокого напряжения для передачи на большие расстояния, а затем понизить его в пункте назначения, например, дома, в офисе или на заводе. Электроэнергия распространяется на большие расстояния при высоком напряжении и только на короткие расстояния при низком напряжении, поэтому теряется очень мало энергии, но желаемое напряжение по-прежнему доступно для работы фонарей и двигателей.
Преимущество аналогично переключению на идеальную передачу при езде на велосипеде. Если вы едете на велосипеде на низкой передаче на высокой скорости по ровной поверхности, большая часть вашей энергии просто уходит на очень быстрые движения ног, что неэффективно. Переключившись на более высокую передачу, вы можете двигать ногами в удобном темпе, в то время как колеса движутся намного быстрее, благодаря механическому преимуществу, создаваемому передачами. Трансформатор подобен коробке передач для электричества.
Джордж Вестингауз увидел ценность системы кондиционирования воздуха и отстаивал ее.Эдисон, создавший систему на основе постоянного тока, считал, что высокое напряжение опасно, и возражал против его использования. Аргумент безопасности был убедительным для многих, но, в конце концов, электросеть постоянного тока была просто непрактичной, и данные Westinghouse доказали это.
Это было окончательно продемонстрировано в 1895 году, когда была построена первая гидроэлектростанция, использовавшая энергию могущественного Ниагарского водопада. Ранний план Ниагары предполагал, что на этом месте будет построен целый заводской город, работающий от водяных мельниц.Но с помощью электричества водопад мог бы доставить электроэнергию в Буффало, штат Нью-Йорк, расположенный в 26 милях от берега озера Эри.
Электростанция Роберта Мозеса Ниагара, Льюистон, Нью-Йорк Busfahrer / ВикимедиаСегодня есть популярное повествование, в котором Эдисон — неуклюжий дурак, который скучал по переменному току и который на самом деле не изобретал лампочку, а Никола Тесла — гениальный гений, который изобрел переменный ток и двигатели, предсказал сотовый телефон и т. Д. несправедливо по двум причинам.
Томас Эдисон Никола ТеслаВо-первых, Эдисон был гением изобретательства. Он ошибался насчет AC, и, по словам Йоннеса, он, кажется, был против этого просто потому, что это не было его изобретением или его системой. (Он также участвовал в некоторых грязных боях против AC, таких как кампания по приобретению AC, в том числе генераторов марки Westinghouse, которые были введены в качестве новой формы казни для заключенных, чтобы навредить Westinghouse в связи с смертной казнью.) Но Эдисон был одним из немногих, кто рано увидел потенциал ламп накаливания и ценность электросети, и он вложил огромные средства в эти технологии. И его лаборатория для всех практических целей изобрела электрическую лампочку — конечно, никакая лампочка, которая существовала до их экспериментов, не могла бы служить.
Джордж ВестингаузНо что еще более важно, популярное повествование не принимает во внимание Джорджа Вестингауза. В книге Джоннеса Вестингауз предстает настоящим героем истории.Тесла был блестящим изобретателем, внесшим ряд важных нововведений в энергоснабжение переменного тока. Но Вестингауз был промышленным провидцем, который сделал электросеть реальностью. Он получил финансирование, возглавил работу, осуществил продажи и развернул систему.
Более того, он производит впечатление человека чести и порядочности. Вот его подход к рекламе:
По мере того, как Война электрических токов становилась все более уродливой и ожесточенной, Джордж Вестингауз осенью 1889 года решил нанять репортера Питтсбургской газеты по имени Эрнест Х.Генрихса продвигать свои компании и их достижения. В первый день работы Генрихса зашел Вестингауз, чтобы пожелать ему успеха и объяснить его цель. «Все, что я хочу видеть, это то, что газеты печатают [вещи] точно. Правда никому не вредит. …
«Что касается нападений на меня лично, конечно, они причиняют боль, но мое самоуважение и совесть не позволяют мне сражаться с таким оружием. Кроме того, я считаю, что моя моральная репутация и моя деловая репутация слишком прочны, чтобы пострадать от таких нападок.Тем не менее, я готовлю статью для «North American Review» в ответ на обвинения г-на Эдисона против системы переменного тока, но кроме этого мне нечего будет дать вам для публикации … Позволив другим говорить все, мы заведем больше друзей, чем если бы мы опустились до уровня наших противников ».
Он проявил огромное мужество своих убеждений:
Как объяснил его старый друг и биограф Генри Праут, Вестингауз был отличным консультантом для других, «затем он принял собственное решение, и ничто мягче землетрясения не могло его сдвинуть с места.Мы видели, как он сидел, как скала, безмятежный, мягкий и невозмутимый, когда все члены совета директоров были против него. Был ли он решительным или просто упрямым, зависит от вашей точки зрения ». Вестингауз слишком часто был прав, когда ошибались те, кого он считал малодушными. Почему он должен перестать доверять своим грозным инстинктам?
Однажды, во время финансового кризиса, Вестингауз реорганизовал свою компанию, сохранив при этом контроль:
Адвокат Вестингауза, Пол Д.Крават, годы спустя все еще восхищался этим триумфом реорганизации. По его словам, Westinghouse «было трудно работать с так называемыми финансистами. То, что ему казалось их недостатком видения и веры, всегда раздражало его…. По крайней мере, в двух крупных финансовых кризисах, когда финансисты отказались от этой задачи как безнадежной, мистер Вестингауз своей верой, своей неутомимой энергией и применением силы влияния на людей, равных которых я никогда не видел, был способен выдержать финансовый шторм, собрать огромные суммы денег и восстановить устойчивое финансовое положение своих предприятий, когда его критики и большинство его друзей были уверены, что ему грозит сокрушительное поражение.”
Годы спустя, во время очередного спада, Вестингаузу пришлось реорганизовать свою компанию в условиях банкротства (известной в те времена как «конкурсное управление»). Он был удивительно оптимистичен, сказав своему публицисту:
«Не забудьте дать им понять [газетам], что это решение не является концом компании…. [Эта] компания в своей основе такая же здоровая и солидная, как и прежде, и из этой неудачной ситуации она выйдет на большую и более процветающую заботу, чем когда-либо.«Банкротство стало большим потрясением как для инсайдеров, так и для аутсайдеров, но с такими ограниченными деньгами Westinghouse не видел альтернативы. Он относился к этому как к серьезному. «Я согласен, это неприятно», — сказал он одному другу. «Но это не самая большая вещь в мире. У любого крупного бизнеса есть взлеты и падения. Кризис, который мы переживаем, — это только часть нашей повседневной работы ».
Он действительно спас компанию, и хотя, к сожалению, ему пришлось отказаться от контроля, и в конечном итоге он был вытеснен, Westinghouse Electric Corporation существует по сей день.
Паровая машина открыла век промышленной энергетики, предоставив средства преобразования тепловой энергии в механическую. Но электричество завершило энергетическую революцию, отделив производство электроэнергии от приложения. Это позволяло генерировать энергию за много миль от водопада или на большом централизованном заводе по сжиганию ископаемого топлива, а затем использовать ее в домах и офисах с помощью чистого электрического освещения и двигателей. Это необходимо для сегодняшнего уровня жизни.И мы в долгу перед Westinghouse и AC.
Империи света: Эдисон, Тесла, Вестингауз и гонка за электричество мира
Напишите мне письмо
Что такое переменный ток?
ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК Что такое переменный ток?
Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath
Переменный ток (AC) — это электрический ток, который периодически меняет свое направление, в отличие от постоянного (DC), который течет только в одном направлении, которое не может меняться спорадически.
Связанные компании
Переменный ток (AC) — это электрический ток, который периодически меняет направление, в отличие от постоянного тока (DC), который течет только в одном направлении.Большинство студентов, изучающих электротехнику и смежные предметы, начинают свое обучение с изучения постоянного тока (DC). Это потому, что большая часть цифровой электроники, которую построят эти студенты, будет использовать постоянный ток. Тем не менее, важно понимать переменные токи (AC) и их концепции, потому что он имеет множество полезных свойств и вариантов использования.
Как вырабатывается переменный ток
Переменный ток (зеленая кривая). Горизонтальная ось измеряет время; по вертикали, току или напряжению.
(Источник: Public Domain)
Хотя постоянный ток, однонаправленный поток электрического заряда, возможно, является одной из простейших концепций электротехники, это не единственный «тип» используемого электричества. И переменный, и постоянный ток описывают типы тока, протекающего в цепи.Многие источники электричества, в первую очередь электромеханические генераторы, вырабатывают переменный ток с напряжениями, которые меняют полярность, меняя полярность с положительной на отрицательную с течением времени. Генератор также может использоваться для преднамеренной генерации переменного тока.
В генераторе переменного тока проволочная петля быстро раскручивается внутри магнитного поля. Это создает электрический ток по проводу. Поскольку провод вращается и периодически меняет магнитную полярность, напряжение и ток на проводе чередуются.Этот ток может периодически менять направление, и напряжение в цепи переменного тока также периодически меняется на противоположное, потому что ток меняет направление.
Переменный ток бывает нескольких форм, если напряжение и ток переменные. Если цепь переменного тока подключена к осциллографу и ее напряжение отображается в зависимости от времени, вы, вероятно, увидите несколько различных форм сигналов, таких как синусоидальный, квадратный и треугольный — синусоидальный сигнал является наиболее распространенной формой сигнала, а переменный ток в большинстве зданий, подключенных к электросети. имеют колебательное напряжение в форме синусоиды.
Основной доклад на PCIM Digital Days 2021
Не пропустите ключевой доклад «HVDC Grid Challenges Locks and Opportunities» от Седдика Бача, научного директора программы, SuperGrid Institute, на PCIM Digital Days с 3 по 7 мая 2021 года.
Откройте для себя вся программа!Применение переменного тока
Переменный ток чаще всего используется в зданиях, подключенных к электросети, таких как дома и офисы. Это связано с тем, что генерировать и транспортировать переменный ток на большие расстояния относительно легко.При высоком напряжении более 110 кВ при передаче энергии теряется меньше энергии. При более высоких напряжениях генерируются более низкие токи, а более низкие токи выделяют меньше тепла в линии электропередачи из-за более низкого уровня сопротивления. Это означает меньшие потери энергии в виде тепла. Переменный ток можно легко преобразовывать в высокое напряжение и обратно с помощью трансформаторов.
Переменный ток можно легко преобразовать в высокое напряжение и из него с помощью трансформаторов.
(Источник: Science ABC)
Переменный ток также отлично подходит для использования в электродвигателях, потому что двигатели и генераторы — это одно и то же устройство.Единственная разница между генератором и двигателем заключается в том, что двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Эти двигатели используются во всех видах бытовой техники, например, в холодильниках, стиральных и посудомоечных машинах. Хотя генераторы и двигатели великолепны, наиболее полезное применение переменного тока — это, пожалуй, трансформаторы.
Эффект электромагнетизма (известный как «взаимная индукция»), когда две или более катушки провода размещаются так, что изменяющееся магнитное поле в одной катушке индуцирует напряжение в другой, можно использовать для создания устройства, называемого трансформатором. .Если есть две взаимно индуктивные катушки и одна питается переменным током, переменное напряжение будет создано в другой катушке.
Вот где переменный ток становится очень полезным.
Основное применение трансформатора — это повышение или понижение напряжения с катушки с питанием на катушку без питания. Это обеспечивает переменному току преимущество перед постоянным током в области распределения мощности, потому что, как упоминалось выше, передача электроэнергии на большие расстояния намного эффективнее при более высоких повышенных напряжениях и меньших пониженных токах.Прежде чем попасть в розетки, напряжение снова понижается, а ток снова повышается.
Этот тип трансформаторной техники сделал распределение электроэнергии на большие расстояния эффективным и практичным. Без трансформаторов было бы слишком дорого строить энергосистемы в их нынешнем виде на большие расстояния. А поскольку взаимная индуктивность зависит от изменения магнитных полей, трансформаторы работают только с переменным током.
Следуйте за нами в LinkedIn
Вам понравилось читать эту статью? Тогда подпишитесь на нас в LinkedIn и будьте в курсе последних событий в отрасли, продуктов и приложений, инструментов и программного обеспечения, а также исследований и разработок.
Следуйте за нами здесь!(ID: 46380228)
Война токов: мощность переменного тока и постоянного тока
Это #GridWeek на Energy.gov. Мы подчеркиваем наши усилия по поддержанию надежной, отказоустойчивой и безопасной электросети по всей стране и то, что это значит для вас. В четверг, 20 ноября, в 14:00 по восточноевропейскому времени мы проведем чат в Твиттере на тему «Как работает сеть». Присылайте нам свои вопросы в Twitter, Facebook и Google+, используя #GridWeek.
Начиная с конца 1880-х годов, Томас Эдисон и Никола Тесла были втянуты в битву, известную теперь как Война течений.
Эдисон разработал постоянный ток — ток, который непрерывно течет в одном направлении, например, в батарее или топливном элементе. В первые годы развития электричества постоянный ток (сокращенно DC) был стандартом в США.
Но была одна проблема. Постоянный ток нелегко преобразовать в более высокие или более низкие напряжения.
Тесла считал, что переменный ток (или переменный ток) был решением этой проблемы. Переменный ток меняет направление определенное количество раз в секунду — 60 в U.S. — и может быть сравнительно легко преобразован в различные напряжения с помощью трансформатора.
Эдисон, не желая терять гонорары, которые он получал от своих патентов на постоянный ток, начал кампанию по дискредитации переменного тока. Он распространял дезинформацию, говоря, что переменный ток более опасен, и даже зашел так далеко, что публично казнил бездомных животных электрическим током, используя переменный ток, чтобы доказать свою точку зрения.
Чикагская всемирная выставка — также известная как Всемирная колумбийская выставка — проходила в 1893 году, в разгар нынешней войны.
General Electric подала заявку на электрификацию ярмарки с использованием постоянного тока Эдисона за 554 000 долларов, но проиграла Джорджу Вестингаузу, который сказал, что может обеспечить электроэнергию ярмарку всего за 399 000 долларов, используя переменный ток Tesla.
В том же году Niagara Falls Power Company решила заключить с Westinghouse, которая лицензировала патент на многофазный асинхронный двигатель переменного тока Tesla, контракт на производство электроэнергии из Ниагарского водопада. Хотя некоторые сомневались, что этот водопад может привести в действие весь Буффало, штат Нью-Йорк, Тесла был убежден, что он может привести в действие не только Буффало, но и весь восток Соединенных Штатов.
16 ноября 1896 года Буффало был освещен переменным током от Ниагарского водопада. К этому времени General Electric тоже решила запрыгнуть на поезд переменного тока.
Похоже, что переменный ток почти уничтожил постоянный ток, но в последние годы постоянный ток пережил своего рода возрождение.
Сегодня наша электроэнергия по-прежнему питается преимущественно переменным током, но компьютеры, светодиоды, солнечные элементы и электромобили работают на постоянном токе.Теперь доступны методы преобразования постоянного тока в более высокие и более низкие напряжения. Поскольку постоянный ток более стабилен, компании находят способы использования постоянного тока высокого напряжения (HVDC) для транспортировки электроэнергии на большие расстояния с меньшими потерями электроэнергии.
Получается, что Война течений еще не окончена. Но вместо того, чтобы продолжать горячую битву переменного и постоянного тока, похоже, что два тока в конечном итоге будут работать параллельно друг другу в своего рода гибридном перемирии.
И ничего из этого было бы невозможно без гения Теслы и Эдисона.
Примечание. Этот пост был первоначально опубликован в рамках серии статей «Эдисон и Тесла» в ноябре 2013 года.
Почему в домах используется переменный ток?
Переменный ток используется в большинстве систем распределения электроэнергии по нескольким причинам, но наиболее важной из них является легкость, с которой он может быть преобразован с одного напряжения на другое.
С DC это сделать намного сложнее (и дороже).
(Для преобразования постоянного тока используются электронные схемы для генерации переменного тока, который затем преобразуется трансформатором и выпрямляется обратно в постоянный ток.2R №
Для минимизации потерь энергии важно поддерживать низкое сопротивление и ток, при этом низкий ток особенно важен, поскольку он имеет экспоненциальный эффект на потери.
Power #P = V * I # (вольты, умноженные на амперы), поэтому для заданной мощности напряжение должно быть высоким, если ток остается низким.
Большие трансформаторы используются для работы линий электропередачи с высоким напряжением, чтобы свести потери к минимуму.
Но высокое напряжение опасно, особенно для жизни, поэтому приносить его в дом было бы неприемлемым риском.
Затем мощность переменного тока легко и эффективно преобразуется в относительно безопасное напряжение на местных трансформаторах рядом с местом использования.
Это не так просто или дешево сделать с DC.
Другие причины:
- Постоянный ток более опасен, чем переменный, для того же напряжения, потому что его труднее отпустить при прикосновении, поскольку напряжение не проходит через ноль. (Мышцы сокращаются с постоянной силой с постоянным током).
- Электролитическая коррозия более проблематична при работе с постоянным током. Дуги постоянного тока
- не «гаснут» так легко (потому что напряжение не проходит через ноль). Асинхронные двигатели переменного тока
- просты в изготовлении и обслуживании. Двигатели постоянного тока требуют коммутатора и щеток или сложной электронной коммутации.
Зависимость переменного тока от постоянного
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 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.
Рис. 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 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и совпадают по фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковое напряжение источников переменного тока сильно различаются.
Рис. 2. Разность потенциалов V между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для V дается как [латекс] V = {V} _ {0} \ sin \ text {2} \ pi {ft} \\ [/ latex].
На рисунке 2 показана схема простой схемы с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано на рисунке: напряжение переменного тока определяется как
.[латекс] V = {V} _ {0} \ sin \ text {2} \ pi {ft} \\ [/ latex],
, где В — напряжение в момент времени t , В 0 — пиковое напряжение, а f — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления I = V / R , поэтому переменный ток равен
[латекс] I = {I} _ {0} \ sin 2 \ pi {ft} \\ [/ latex],
, 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 1 (b).
Ток в резисторе меняется взад и вперед, как управляющее напряжение, 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. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстро для ваших глаз, но если вы помахаете рукой вперед и назад между вашим лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе.{2} \ text {2} \ pi {ft} \\ [/ latex], как показано на рисунке 3.
Установление соединений: домашний эксперимент — лампы переменного / постоянного тока
Помашите рукой между лицом и люминесцентной лампой. Вы наблюдаете то же самое с фарами на своей машине? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение: Не смотрите прямо на очень яркий свет .
Рис. 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 (1/2) I 0 V 0 .
Чаще всего нас беспокоит средняя мощность, а не ее колебания — например, 60-ваттная лампочка в вашей настольной лампе потребляет в среднем 60 Вт. Как показано на Рисунке 3, средняя мощность P средняя составляет
[латекс] {P} _ {\ text {ave}} = \ frac {1} {2} {I} _ {0} {V} _ {0} \\ [/ latex].
Это видно из графика, поскольку области выше и ниже линии (1/2) I 0 V 0 равны, но это также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств.Точно так же мы определяем средний или действующий ток I среднеквадратичное значение и среднее или среднеквадратичное напряжение В действующее значение , соответственно, равное
[латекс] {I} _ {\ text {rms}} = \ frac {{I} _ {0}} {\ sqrt {2}} \\ [/ latex]
и
[латекс] {V} _ {\ text {rms}} = \ frac {{V} _ {0}} {\ sqrt {2}} \\ [/ latex].
, 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. Сейчас,
P среднеквадратичное значение = I среднеквадратичное значение V среднеквадратичное значение ,
, что дает
[латекс] {P} _ {\ text {ave}} = \ frac {{I} _ {0}} {\ sqrt {2}} \ cdot \ frac {{V} _ {0}} {\ sqrt {2}} = \ frac {1} {2} {I} _ {0} {V} _ {0} \\ [/ latex],
, как указано выше. Стандартной практикой является указание I rms , V rms и P среднее значение , а не пиковые значения.Например, напряжение в большинстве домашних хозяйств составляет 120 В переменного тока, что означает, что В, , , среднеквадратичное значение, , составляет 120 В. Обычный автоматический выключатель на 10 А прервет постоянное напряжение I среднеквадратичное значение более 10 А. микроволновая печь потребляет P пр. = 1,0 кВт и т. д. 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.{2} R \\ [/ латекс].
Пример 1. Пиковое напряжение и мощность для AC
(a) Каково значение пикового напряжения для сети 120 В переменного тока? (b) Какова пиковая потребляемая мощность лампочки переменного тока мощностью 60,0 Вт?
СтратегияНам говорят, что В среднеквадратичное значение составляет 120 В, а P среднеквадратичное значение составляет 60,0 Вт. Мы можем использовать [латекс] {V} _ {\ text {rms}} = \ frac {{V} _ {0}} {\ sqrt {2}} \\ [/ latex], чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданной средней мощности.
Решение для (a)Решение уравнения [латекс] {V} _ {\ text {rms}} = \ frac {{V} _ {0}} {\ sqrt {2}} \\ [/ latex] для пикового напряжения В 0 и замена известного значения на V rms дает
[латекс] {V} _ {0} = \ sqrt {2} {V} _ {\ text {rms}} = 1,414 (120 \ text {V}) = 170 \ text {V} \\ [/ latex ]
Обсуждение для (а)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.
Решение для (b)Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом,
[латекс] {P} _ {0} = {I} _ {0} {V} _ {0} = \ text {2} \ left (\ frac {1} {2} {I} _ {0} {V} _ {0} \ right) = \ text {2} {P} _ {\ text {ave}} \\ [/ latex].