Переменный электрический ток

Какими должны быть розетки

Размеры розеток, их тип, материал, из которого они изготовлены, зависят в первую очередь от назначения розеток, токов и напряжений, на которые они рассчитаны. Устройства, работающие при постоянном напряжении, имеют полярные вилки. Поэтому и розетки для них должны быть полярными. Тогда даже неопытный пользователь не сможет перепутать, где «+» и «–».

Переменный ток в цепи представляет собой электрический поток заряженных частиц, направление и скорость которых периодически изменяется во времени по определенному закону.

Инструкция

Обратитесь к общему понятию переменного тока в электрической цепи, описанному в школьном учебнике. Там вы увидите, что переменный ток – это электрический ток, значение которого меняется по синусоидальному или косинусоидальному закону. Это означает, что величина силы тока в сети переменного тока изменяется по закону синуса или косинуса. Собственно говоря, это отвечает тому току, что течет в бытовой электрической сети. Однако синусоидальность тока не является общим определением переменного тока и не до конца объясняет природу его протекания.

Нарисуйте на листе бумаги график синусоиды. По данному графику видно, что значение самой функции, выражаемой силой тока в данном контексте, изменяется от положительного значения к отрицательному. Причем время, через которое происходит смена знака, всегда одно и то же. Это время называется периодом колебаний тока, а обратная ко времени величина – частотой переменного тока. Например, частота переменного тока бытовой сети составляет 50 Гц.

Обратите внимание на то, что обозначает смена знака функции физически. На самом деле, это означает лишь то, что в какой-то момент времени ток начинает течь в противоположную сторону

Причем, если закон изменения синусоидальный, то смена направления движения происходит не скачком, а с постепенным торможением. Отсюда и понятие переменного тока, и главное отличие его от постоянного, который всегда течет в одном и том же направлении и имеет постоянную величину. Как известно, направление тока задается направлением положительно заряженных частиц в цепи. Таким образом, в цепи переменного тока заряженные частицы через определенное время изменяют направление своего движения на противоположное.

Сам по себе электрический ток представляет собой ничто иное, как происходящее в упорядоченном виде движение всех заряженных частиц в газах, электролитах и металлических объектах. К данным элементам, несущим определенный заряд, относятся ионы и электроны. Сегодня мы постараемся прояснить, чем отличается переменный ток от постоянного
, ведь на практике приходится часто сталкиваться с обоими видами.

Коэффициент амплитуды и коэффициент формы

Для удобства расчётов, связанных с измерением действующих значений при искажённых формах тока, используются коэффициенты, которыми связаны между собой амплитудное, среднеквадратичное и средневыпрямленное значения.

Коэффициент амплитуды — отношение амплитудного значения к среднеквадратичному.

Для синусоидального тока и напряжения коэффициент амплитуды K_A = √2 ≈ 1.414 Для тока и напряжения треугольной или пилообразной формы коэффициент амплитуды K_A = √3 ≈ 1.732 Для переменного тока и напряжения прямоугольной формы коэффициент амплитуды K_A = 1

Коэффициент формы — отношение среднеквадратичного значения к средневыпрямленному. Для переменного синусоидального тока или напряжения коэффициент формы K_Ф ≈ 1.111 Для тока и напряжения треугольной или пилообразной формы K_Ф ≈ 1.155 Для переменного тока и напряжения прямоугольной формы K_Ф = 1

Сопротивление в цепи при переменном напряжении

Цепи переменного напряжения с сопротивлением является самыми простыми и наиболее часто встречающимися, поэтому начнём с них.

Допустим, что на сопротивление R подали переменное напряжение u, тогда, согласно с законом Ома, через данное сопротивление потечёт электрический ток i

где U_m – амплитудное значение переменного напряжения,

I_m – амплитудное значение переменного тока,

ω – угловая частота,

t – время,

φ – начальная фаза

Таким образом, действующее I и среднее значение I_cp переменного тока будут определяться следующими выражениями

Так как, напряжение и ток, в цепи с сопротивлением имеют одинаковую начальную фазу, то есть, происходит совпадение фаз и достижение амплитудных значений напряжения U_m и тока I_m происходит одновременно.

Выражение «совпадение фаз» связанно с понятием фазового сдвига ψ, которое определяет разность начальных фаз двух синусоид одинаковой частоты. Следовательно, фазовый сдвиг между напряжением и током при активном сопротивлении будет равен нулю

где φ_u – начальная фаза напряжения,

φ_i – начальная фаза тока.

Для оценки энергетических характеристик ввели понятие мощности, в цепях переменного напряжения существует несколько мощностных характеристик. Одной из них является мгновенная мощность Р_m, определяемая, как произведение мгновенных значений напряжения и тока

где U_m – амплитудное значение переменного напряжения,

I_m – амплитудное значение переменного тока,

U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока.

Таким образом, мгновенная мощность Р_m изменяется с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения и тока и колеблется в пределах от 0 до 2UI.

Еще одной энергетической характеристикой является среднее значение мощности за период Р или активная мощность, которая определяется следующим выражением

где Р_m – мгновенная мощность,

U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока.

Какие токи бывают

Для питания электрических устройств и электротехники необходима энергия. Постоянный и переменный токи являются способом передачи энергии из одной точки в другую с использованием проводников.

Важно! Основное различие между ними заключается в характере движения заряженных частиц. Постоянный ток течет равномерно в одном направлении, в то время, как переменный постоянно изменяет направление с заданной скоростью или частотой

Основным следствием этого является полярность напряжения.

Постоянный

Постоянный ток характеризуется неизменным показателем полярности заряженных частиц

Поскольку постоянный ток сохраняет постоянную полярность, важно обращать внимание на то, как подключается устройством – неверное подключение устройства к сети с большой долей вероятности выедет его из строя. Хорошим примером являются устройства с автономным питанием от аккумуляторов – на них всегда наносятся обозначения для их корректного подключения. В противном случае, техника просто не заработает, так как не получит электропитания

В противном случае, техника просто не заработает, так как не получит электропитания.

Важно! При использовании постоянного тока, показатель напряжения может сильно разниться, в зависимости от используемого устройства. Типовые значения номинального напряжения автономных источников питания составляют 1.5V, 3.7V, 6V, 9V,12V, 24V и т.д

Изменение направления тока

Переменный

С переменным током полярность постоянно переключается между положительным и отрицательным значениями. При подобной характеристике силового поля напряжение будет постоянно меняться, а полярность в таком случае не оказывает никакого влияния на работоспособность сети. Именно поэтому, любое бытовое электрическое устройство можно включать в сеть, не задумываясь о положении вилки в розетке, то есть, о соблюдении корректной полярности.

Основной причиной широкого распространения переменного тока является относительная легкость и эффективность в увеличении, либо уменьшении напряжения. Это достигается с помощью трансформаторов, а количество изменений количественных показателей определяется числом обмоток.

Важно! Такая же трансформация допускается и для постоянной величины, но это явление не является эффективным для его применения на практике. Также, это является еще одной, дополнительной причиной, по которой в бытовой сети используется именно переменный ток

Фазы в батарейке

Несмотря на то, что более низкие напряжения легче генерировать, высокие показатели несут меньшие потери при их передаче на расстояния. Поэтому перед подачей потребителям переменное напряжение повышается до нескольких сотен киловольт. Но, как только электричество достигает своего пункта назначения, оно снижается до 110 или 220 вольт. Дело в том, что переменный показатель имеет два установленных стандартных напряжения, которые используются во всем мире: 220В и 110В. Частота в электротехнике играет определяющее значение, и устройства, рассчитанные под напряжение в 110В, не станут работать от сети в 220В.

РОЗЕТКИ И ШТЕПСЕЛИ

В мире существует не менее 13 различных штепсельных вилок и розеток.

Тип А

для Северной и Центральной Америки и Японии

Этот тип обозначается как Class II. Штепсельная вилка состоит из двух параллельных контактов. В японском варианте контакты одинакового размера. В американском — один конец чуть шире другого. Устройства с японской штепсельной вилкой можно использовать в американских розетках, но наоборот — не получится.

Тип B

для Северной и Центральной Америки и Японии

Этот тип обозначается как Class I. Международное обозначение американского типа B — NEMA 5-15, канадского типа В — CS22.2, n°42 (CS = Canadian Standard). Максимальный ток — 15 А. В Америке тип В пользуется большой популярностью, в Японии он распространен значительно меньше. Нередко жители старых домов с розетками типа А, приобретая новые современные электроприборы с вилками типа В просто «откусывают» третий контакт-заземлитель.

Тип C

используется во всех европейских странах, за исключением Великобритании, Ирландии, Кипра и Мальты

Международное обозначение — CEE 7/16. Вилка представляет собой два контакта диаметром 4,0-4,8 мм на расстоянии 19 мм от центра. Максимальный ток — 3,5 А. Тип C — это устаревший вариант более новых типов E, F, J, K и L, которые сейчас используются в Европе. Все вилки типа С идеально подходят к новым розеткам.

Тип D

используется в Индии, Непале, Намибии и на Шри-Ланке

Международное обозначение — BS 546 (BS = British Standard). Представляет собой устаревшую штепсельную вилку британского образца, которая использовалась в метрополии до 1962 года. Максимальный ток — 5 А. Некоторые розетки типа D совместимы с вилками типов D и M. До сих пор розетки типа D можно встретить в старых домах Великобритании и Ирландии.

Тип E

используется в основном во Франции, Бельгии, Польше, Словакии, Чехии, Тунисе и Марокко

Международное обозначение — CEE 7/7. Максимальный ток — 16 А. Тип Е немного отличается от CEE 7/4 (тип F), который распространен в Германии и других странах центральной Европы. Все вилки типа С идеально подходят к розеткам типа E.

Тип F

используется в Германии, Австрии, Нидерландах, Швеции, Норвегии, Финляндии, Португалии, Испании и странах Восточной Европы.

Международное обозначение CEE 7/4. Этот тип также известен под именем «Schuko». Максимальный ток — 16 А. Все вилки типа С идеально подходят к розеткам типа F. Этот же тип используется в России (в СССР он обозначался как ГОСТ 7396), разница лишь в том, что диаметр контактов, принятых в России, 4 мм, в то время как в Европе чаще всего используются контакты диаметром 4,8 мм. Таким образом, российские вилки легко входят в более широкие европейские розетки. А вот штепсельные вилки электронных приборов, сделанных для Европы, в российские розетки не влезают.

Тип G

используется в Великобритании, Ирландии, Малайзии, Сингапуре, Гонконге, на Кипре и Мальте.

Международное обозначение — BS 1363 (BS = British Standard). Максимальный ток — 32 А. Туристы из Европы, посещая Великобританию, пользуются обычными адаптерами.

Тип H

используется в Израиле 

Этот разъем обозначается символами SI 32. Штепсельная вилка типа С легко совместима с розеткой типа H.

Тип I

используется в Австралии, Китае, Новой Зеландии, Папуа-Новой Гвинее и Аргентине.

Международное обозначение — AS 3112. Максимальный ток — 10 А. Розетки и вилки типов H и I не подходят друг к другу. Розетки и штепсели, которыми пользуются жители Австралии и Китая, хорошо подходят друг к другу.

Тип J

используется только в Швейцарии и Лихтенштейне.

Международное обозначение — SEC 1011. Максимальный ток — 10 А. Относительно типа С, у вилки типа J есть еще один контакт, а в розетке есть еще одно отверстие. Однако штепсельные вилки типа C подходят к розеткам типа J.

Тип K

используется только в Дании и Гренландии.

Международное обозначение — 107-2-D1. К датской розетке подходят вилки CEE 7/4 и CEE 7/7, а также розетки типа С.

Тип L

используется только в Италии и очень редко в странах Северной Африки.

Международное обозначение — CEI 23-16/ВII. Максимальный ток — 10 А или 16 А. Все вилки типа С подходят к розеткам типа L.

Тип M

используется в Южной Африке, Свазиленде и Лесото.

Тип М очень похож на тип D. Большинство розеток типа М совместимы со штепсельными вилками типа D.

Электрическое напряжение делят на два вида:

1. постоянное (dc)
2. переменное (ас)

Обозначение постоянного тока (—), у переменного тока обозначение (~). Аббревиатуры ac и dc устоявшиеся, и употребляются наравне с названиями «постоянный» и «переменный». Теперь рассмотрим в чём их отличие. Дело в том, что постоянное напряжение течёт только в одном направлении, из чего и вытекает его название. А переменное, как вы уже поняли, может менять своё направление. В частных случаях направление переменного может оставаться одним и тем же. Но, кроме направления, у него также может меняться и величина. В постоянном ни величина, ни направление, не изменяется. Мгновенным значением переменного тока называют его величину, которая берётся в данный момент времени.

В Европе и России принята частота в 50 Гц, то есть изменяет своё направление 50 раз в секунду, в то время, как в США, частота равна 60 Гц. Поэтому техника, приобретённая в Соединённых штатах и в других государствах, с отличающейся частотой может сгореть. Поэтому при выборе техники и электроприборов следует внимательно смотреть на то, чтобы частота была 50 Гц. Чем больше частота у тока, тем больше его сопротивление. Также можно заметить, что в розетках у нас дома течёт именно переменный.

Помимо этого, у переменного электрического тока существует деление ещё на два вида:

• однофазный
• трёхфазный

Для однофазного необходим проводник, который будет проводить напряжение, и обратный проводник. А если рассматривать генератор трёхфазного тока, у него, на всех трёх намотках вырабатывается переменное напряжение частотой в 50 Гц. Трёхфазная система — это не что иное, как три однофазных электрических цепи, сдвинутых по фазе относительно друг друга под углом в 120 градусов. Посредством его использования, можно одновременно обеспечивать энергией три независимые сети, пользуясь при этом только шестью проводами, которые нужны для всех проводников: прямых и обратных, чтобы проводить напряжение.

А если у вас, например, имеется только 4 провода, то и тут проблем не возникнет. Вам нужно будет только соединить обратные проводники. Объединив их, вы получите проводник, который называют нейтральным. Обычно его заземляют. А оставшиеся внешние проводники кратко обозначают как L1, L2 и L3.

Но существует и двухфазный, он представляет из себя комплекс двух однофазных токов, в которых также присутствуют прямой проводник для проведения напряжения и обратный, они сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90 градусов.

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.

Характеристики постоянного тока

Direct Current или DC так по-английски обозначают подобную разновидность, для которой присуще свойство на протяжении любого отрезка времени не менять свои параметры. Маленькая горизонтальная черточка или две параллельные со штриховым исполнением одной из них – графическое изображение постоянного тока.

Область применения – большинство моделей бытовых электроприборов и электронных устройств, включая компьютерную технику, телевизоры и гаджеты, использование в домашних сетях и автомобилях. Для преобразования переменного тока в постоянный в зоне розетки применяются трансформаторы напряжения с наличием выпрямителей или специализированные блоки питания.

В качестве широко распространенного примера потребления постоянного тока можно привести практически все электроинструменты, которые эксплуатируются с батареями. Аккумуляторное устройство остается в любом случае источником питания постоянного типа. Преобразование в переменный достигается в случае необходимости при помощи инверторов – специальных элементов.

Сфера применения DC тока

Постоянный ток имеет широкое техническое применение в электронике, получении солнечной энергии и частично в железнодорожном энергоснабжении. Практически все электронные схемы (например, в компьютерах) работают с ними. Если на электронные устройства подается питание не от батарей или аккумуляторов, а от источников питания, выпрямитель в блоке питания обеспечивает постоянное значение. Так что среди самых популярных устройств выделяют сотовые телефоны, ноутбуки и компьютеры.

Платы в ноутбуке

Солнечные элементы также могут генерировать только постоянный DC. Если фотоэлектрические системы должны подавать электрическую энергию, которую они производят, в электросеть общего пользования, между ними должен быть подключен инвертор.

Солнечные батареи

Получившие в последнее время широкое распространение электромобили используют для своей работы DC. Он также применяется на наземном и подземном общественном транспорте, например, в трамваях, троллейбусах и электропоездах метро.

Таким образом, АС и ДС токи имеют существенные отличия

Это важно учесть при подключении того или иного оборудования, а также чтобы не перепутать сферы применения

Чем отличается DC ток от AC тока

Изначально постоянный ток должен был генерироваться на электростанциях с относительно низким напряжением розетки для потребителя, 110 или 220 В. Однако если при таком варианте подключено сразу несколько потребителей, суммарные значения очень высоки. В таком случае требуются толстые и дорогие кабели для преодоления больших расстояний, чтобы удерживать потери при передаче в определенных пределах. При использовании переменного напряжения генерируемая электроэнергия может транспортироваться на относительно большие расстояния с небольшими потерями. С 1980 г. стало возможным выпрямить трехфазный ток высокого напряжения, а затем преобразовать его обратно.

Главное отличие AC и DC, постоянного и переменного токов состоит в том, что первый изменяется через определенные промежутки времени (с определенной частотой), в частности, он меняет направление по мере своего протекания. В мире самой распространенной является частота 50 Гц.

Обратите внимание! Когда электричество достигает потребителя, тогда в ход идут трансформаторы. Они преобразуют высокое напряжение в более низкое, которое и поступает в дома

Трансформатор напряжения

Как уже было сказано, DC электричество не меняется с течением времени. И так как электроны движутся лишь в одном направлении, источники характеризуются наличием положительного и отрицательного полюсов. AC более эффективно при использовании многокилометровых линий электропередач. А постоянный ток предпочтителен для небольшой электроники или накопительных элементов, например, солнечных батарей.