Что такое переменный ток

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

Как образуется переменный ток

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

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

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

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

История открытия переменного напряжения

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

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

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

Почему переменный ток используется чаще постоянного?

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

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

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

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

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

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

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

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

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

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

Через эфир

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

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

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

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

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

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

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

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

Где используется переменное напряжение

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

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

Передача информации

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

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

Электрификация железных дорог на переменном напряжении

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

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

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

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

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 2154)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты