Що таке постійний та змінний електричний струм. Постійний та змінний струм. Отримання електричного струму

Змінний електричний струм (AC, абревіатрура від англ. alternating current) - це змінний за своєю величиною та напрямком з певною періодичністю електричний струм. В електротехніці як буквеного позначенняелектричного струму прийнято використовувати знак тильда (~).

Джерелами змінного електричного струму служать генератори змінного струму, що створюють змінну електрорушійну силу, зміна величини та напрямки якої відбувається через певні проміжки часу.

Основні параметри змінного струму

Для його опису використовують наступні параметри(Див. графік):

• Період (T) - тривалість часу, протягом якого електричний струм здійснює один повний цикл змін, повертаючись до своєї початкової величини;
• Частота (f) - Параметр, що визначає кількість повних коливань електричного струму за одну секунду, одиниця виміру - 1 Герц (Гц). Так, наприклад. Стандарт частоти струму, прийнятий у вітчизняних енергосистемах, становить 50 Гц або 50 коливань в секунду.
• Амплітуда струму (Im) - максимальне досягнене миттєве значеннявеличини струму за період, як видно з представленого графіка – висота синусоїди;
• Фаза - Стан змінного синусоїдального електричного струму: миттєве значення, зміна напрямку, зростання (зменшення) в ланцюзі. Змінний струм може бути однофазним, так і багатофазним.

Найбільшого поширення набули трифазні системи, що являють собою три окремі ел. ланцюгів з однаковою частотою та ЕРС, з кутом зсуву φ=120°. Більш докладно з поняттям можна ознайомитись у статті Принцип створення трифазного ланцюга змінного струму.

Застосування змінного струму

Змінний синусоїдальний електричний струм використовується практично у всіх галузях господарства. Широке застосуваннязмінного струму обумовлено багато в чому економічною ефективністюйого використання в системах електропостачання, простотою в перетворенні з енергії низької напруги в енергію вищої напруги та навпаки.

Ця можливість дозволяє зменшити втрати електроенергії при її передачі на великі відстані по проводах, істотно знизивши площу їх поперечного перерізу.

Електроенергія в сучасному світііснує у двох видах. Одна її іпостась – постійний струм, а друга – змінний. Різниця між ними важлива і те, що доступно одному виду електрики, недоступне іншому. Так, постійний струм відомий людям дуже давно, а змінний був поставлений людиною на службу цивілізації буквально сьогодні за історичними мірками. Ця стаття присвячена розгляду відмінностей та місць застосування електроенергії з постійною та змінною складовою.

Постійний струм, його походження та застосування

З джерелами постійного струмуми стикаємося щомиті. Коли ви читаєте цю статтю з екрана монітора, в тому, що ви розрізняєте літери, є заслуга постійного струму. Саме від джерел постійного струму вбудований комп'ютер і всі його мікросхеми. Саме перепадами між рівнями сигналу, що відповідають нулю та одиниці, ми зобов'язані існуванню цифрового всесвіту. Постійний струм протікає у ліхтарику та мобільному телефоні, в автомобілі та безлічі інших пристроїв побутового та спеціального призначенняде є хоч один транзистор або діод.

Разом з тим, способи отримання та застосування постійного струму були відомі ще за часів Стародавнього Світу. Археологами, які виробляють розкопки в долині Євфрату, було знайдено дивні керамічні судини у житлі деяких ювелірів. Судини мали пристрій, схожий з гальванічною батареєю і з'єднувалися між собою мідним дротом. Яке ж було здивування археологів, коли вони заради експерименту заповнили один із судин кислотою і отримали на його полюсах потенціал, рівний півтора вольтам! Виявилося, що блоки батарей стародавні ювеліри застосовували для гальванічного покриття ювелірні виробирізними металами, що й підтвердили готові зразкивиробів, які часто траплялися вченим раніше.

Є гіпотези, які говорять на користь того, що при будівництві пірамід у Єгипті використовували електрику для освітлення залів та коридорів у тих місцях, де завдавали розписи барельєфи. Вчені сперечаються досі з цього приводу, оскільки є припущення, що світло подавали за допомогою дзеркал з поверхні. Як би там не було, але слідів кіптяви на стінах стародавніх залів з розписами не виявлено і це факт, що залишається незрозумілим досі. Ясно одне, що шумери вміли користуватися електрикою, а жили вони раніше за єгипетську цивілізацію.

У сучасному розумінні постійний струм виникає в замкнутому ланцюзі, що складається з джерела постійного струму, наприклад, акумуляторної або хімічної батареї, провідників та навантаження. Як навантаження може виступати матеріал з електричним опором, набагато більшим, ніж опір провідників, що замикають електричний ланцюг. Це може бути лампочка з вольфрамовою спіраллю або реостат з ніхромового дроту або будь-яке інше навантаження, опір якого має значення, відмінне від нуля.

Отримують постійний струм у різний спосіб. Найдавніший з них – хімічний, заснований на виникненні різниці потенціалів між провідниками різних матеріалів, поміщених у кислотне або лужне середовище. Хімічні батареї та акумулятори використовуються людьми не одне тисячоліття і сьогодні вони в ходу, тільки в дуже вдосконаленому вигляді, порівняно зі своїми древніми предками. Більш сучасні джерела постійного струму – фотоелементи, що дозволяють отримувати різницю потенціалів при опроміненні їх Сонцем та генератори постійного струму, які приводять у дію за допомогою механічної енергії, що додається зовні. Сьогодні генератори постійного струму найбільш поширені у вітроустановках із перетворювачем напруги.

Постійний струм рухає поїзди на залізниці. Електрифіковані ділянки сьогодні становлять значну величину за довжиною нашій країні. Постійний струм застосовують і передачі на великі відстані значних потужностей електричної енергіїпри надвисоких потенціалах.

При всій широті застосування постійного струму є значні обмеження, які перешкоджають використанню його у повсякденній діяльності для живлення побутових приладів та промислових установок. Пов'язано це з великими втратами на омічний опір у провідниках, що позначається негативно на роботі освітлювального та іншого обладнання. Для того, щоб знизити втрати, необхідно застосовувати провідники більшого перерізу, причому альтернативи міді тут практично немає. А мідні дротидуже дорогі.

Ця перешкода змусила вчених шукати інші способи одержання та передачі електроенергії на будь-які відстані практично без втрат. Нині у цій галузі людської діяльності головну рольграє змінний струм.

Змінний струм - походження та застосування

Поява генераторів і систем передачі енергії змінного струму стало одним із найважливіших досягненьдев'ятнадцятого століття. При цьому наукові дослідження у цій сфері велися від початку століття. В основу досліджень були покладені теоретичні розрахунки, які показували, що змінне магнітне поле має викликати змінне електричне поле, яке у свою чергу викликає знову змінне магнітне поле і цей процес може протікати до нескінченності. При значній частоті коливань утворюються електромагнітні хвилі, здатні вільно поширюватися у просторі, а при незначній частоті майже вся енергія залишається у провіднику, яким відбувається її передача.

Найпростіший спосіб порушити електричні коливання зі змінною амплітудою напруги – переміщати постійний магніт усередині рамки із ізольованим проводом. При цьому чим більше кількість витків у рамці і чим потужніший магніт, тим вище максимальне значення амплітуди напруги, яке може зареєструвати вольтметр на затискачах обмотки рамки.

Важливою особливістю змінної напруги є зміна полярності при проходженні магніту зворотний бік. А також проходження нульової позначки значення амплітуди напруги при зміні полярності. Така поведінка напруги, а значить і струму при підключенні навантаження, дозволяє легко перетворювати змінна напругаінші величини за допомогою трансформаторів, що відкриває чудові перспективидля передачі практично без втрат значних потужностей на будь-які відстані, що недосяжно для установок постійного струму, крім працюючих на понад високих напругах.

Перші генератори змінного струму були розроблені Теслою та Едісоном. Тесла розробив трифазну схему виробництва та передачі електроенергії на великі відстані. Він запропонував принцип трансформації напруги залежно від розв'язуваних завдань. Так, для споживання електроенергії кінцевими установками він запропонував ввести змінну напругу частотою 50 або 60 Гц з амплітудою 110, 127 або 220 вольт, а передачі на великі відстані рекомендував підвищувати напругу до 10 тисяч вольт і вище. При високих напругах для передачі по провіднику однакової потужності потрібно менший струм, а чим він менший, тим менші втрати у провіднику. Тому сьогодні в лінії електропередач подають змінну напругу з амплітудою до 330 кВ.

Просте перетворення напруги відкриває дуже широкі можливості для прямого використання змінного струму. Так, існуючі асинхронні трифазні та однофазні двигуни, освітлювальні прилади, обігрівачі та багато інших побутові приладиможуть працювати безпосередньо від мережі, а більш складна радіотехніка та пристрої з автоматикою, що вимагають для роботи наявність постійної напруги, пристосовані для отримання його прямо на місці зі змінної напруги. Так зводять до мінімуму втрати постійного струму у провідниках.

Перспективи спільного існування змінного та постійного струму

Вчених та практиків від електротехніки давно займає питання з'єднання воєдино позитивних якостейзмінного та постійного струму. Подібні рішення стали можливі завдяки появі потужних імпульсних напівпровідникових вентилів. Сьогодні ні в кого не дивують інверторні пристрої, що перетворюють постійну напругу в змінну, промислової частоти, і навпаки. Імпульсні джерела живлення в радіоелектронній апаратурі та комп'ютерній техніці стали компактними та потужними, в десятки разів більш ефективними порівняно із джерелами живлення на звичайних трансформаторах.

Сьогодні можна стверджувати про справжню революцію у зварювальній справі, яка сталася завдяки появі інверторів, які значно полегшили у прямому та переносному сенсах. зварювальні апаратита процеси. Тепер навіть ті види зварювання, які вважалися прерогативою закритих оборонних підприємств, стали доступними будь-якому зварювальникові, а вартість виконання таких робіт, як аргонно-дугове зварювання та напівавтоматичне зварювання значно знизилася. Доступні за ціною легкі переносні зварювальні апарати, які можна запитувати від звичайної розетки в будь-якій квартирі, дали можливість проявити свій творчий потенціал багатьом любителям та професіоналам роботи з металом.

Не менш вражаючими досягненнями імпульсної техніки можуть похвалитися виробники джерел безперебійного живлення, мережевих імпульсних стабілізаторів напруги, систем отримання електроенергії від альтернативних джерелз можливістю акумулювання та подальшого перетворення запасеної енергії при виникненні потреби. Можливості імпульсної техніки вивчені та використані далеко не повністю. Ми на початку цього шляху єднання постійного і змінного струму. Зовсім не за горами автомобілі на електриці та інші дива, які стануть дійсністю з впровадженням нових відкриттів та розробок у галузі імпульсних джерел електроенергії.

Натиснути Клас

Розповісти ВК

Шановні відвідувачі сайту!

Все викладене в рубриці «Електротехніка», — дається для Вас у простішій, доступнішій формі навчання. Якщо вникати в теоретичні основиелектротехнікиТо переходити на таке навчання потрібно не спонтанно, а поступово.

Припустимо, читаємо формулювання правила: "Магнітний потік крізь поверхню S дорівнює лінійному інтегралу векторного потенціалу по замкнутому контуру, що обмежує цю поверхню". Це правило дає поняття про поглиблене пізнання магнітного поляпостійних струмів, такий курс навчання проходять у вищих технічних навчальних закладах. Звичайно ж, потрібно прагнути до вищого пізнання таких речей, але для людини, якій допустимо потрібно полагодити електроплиту або який-небудь електроприлад, такі знання взагалі просто ні до чого.

Вважаю, що якщо людина зайшла на сайт, їй потрібно отримати кінцевий результат такого продукту. корисної інформації. Зокрема, для даної теми йтиметься про способи отримання електричного струму.

Отримання змінного струму

Змінний струм виробляють генератори, електричні машини, - Як їх прийнято називати в електротехніці. Слід пам'ятати і про те, що в залежності від їх застосування генератори бувають як змінного, так і постійного струму. Залежно від їхнього пристрою, генератори виробляють:

• трифазний струм із вихідною напругою 380 Вольт;
• однофазний струм із вихідною напругою 220 Вольт.

Де можуть застосовуватися трифазні генератори? Так допустимо для живлення трифазної теплової гармати на 6 кВт 380 для обігріву складського приміщення.

Тоді де можуть застосовуватися однофазні генератори? Однофазні генератори, як і трифазні, застосовуються допустимо в лікарні — при аварійному відключенні електроенергії.

Генератору, як відомо, необхідно надати механічне обертання якоря. Як можна надати якорю генератора механічне обертання? Такими джерелами є двигуни внутрішнього згоряння:

• газові;
• бензинові;
• дизельні

та інші джерела, щоб привести якір генератора у рух. Іншими джерелами отримання електричної енергії є:

• вітряні електростанції;
• водяні електростанції;
• турбінні електростанції.

На малюнку показано схематичне зображенняпристрої генератора змінного струму рис.1. Рамку в цьому прикладі можна подати як якір, що складається з одного витка дроту. Рамка позначена сторонами А, Б, В, Г. Два провідники А і Б при обертанні рамки перетинають магнітні силові лінії постійного магнітуЗ, Ю. При перетині провідниками силових ліній, у провідниках наводиться електрорушійна сила- ЕРС. ЕРС двох провідників за своїм значенням протилежні один одному в той момент, коли вони перетинають ці силові лінії.

Величина ЕРС \ри.3\, що протікає струму в рамці, буде залежати:

від віклічини магнітної індукції постійного магніту \N, S\;

довжини провідника;

швидкості перетину провідником магнітних силових ліній

і кута нахилу провідника \рис.4\ по відношенню до силових ліній постійного магніту \sin кута альфа між напрямком руху провідника та напрямом магнітних силових ліній поля\.

При обертанні рамки в магнітному полі, в ній наводиться ЕРС двох протилежних значень і струмів, як ми можемо помітити на графіку рис.5 виходить пульсуючим. Один період Т складається з двох протилежних пульсацій струму, верхній напівперіод – позитивний та нижній напівперіод – негативний. Напівперіод позначений на графіку як 1/2 Т.

Тому струм у цьому прикладі розглядається як:

пульсуючий;

синусоїдальний

або як ще його називають - змінний струм.

Отримання постійного струму

Постійний струм ми одержуємо від таких джерел, це:

• первинні джерела \ звичайні, прості батарейки \;
• електрохімічні акумулятори;
• генератори постійного струму

Принцип устрою електрохімічних акумуляторів зображено малюнку 6. Електрохімічні акумулятори може бути повернуто в початкове своє стан під впливом електричного струму — у процесі їх зарядки чи підзарядки.

Первинні джерела \елементи\, різноманітні типи батарей \рис.7\, - не можуть бути повернені в свій початковий стан у процесі їх зарядки електричним струмом, тобто такі джерела після закінчення свого терміну експлуатації підлягають тільки утилізації.

Відмінність між генератором змінного струму і генератором постійного струму полягає в тому, що в генераторі постійного струму розміщено більшу кількість витків в пазах якоря "порівняно з генератором змінного струму", а також, зміцнена парна кількість головних і додаткових полюсів на внутрішній станині генератора .

Наступний малюнок являє собою схему підключення навантаження до генератора постійного струму \рис.8\, струм в даному ланцюгу замикається через навантаження.

На графіку показано пульсації струму, що видаються генератором постійного струму. У порівнянні з генератором змінного струму дані пульсації виглядають більш згладжено.

Застосування постійного струму

автомобільний генератор

пристрій автомобільного генератора

електростанція для зварювання постійним струмом