Электрический ток — это
Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение носителей электрического заряда. Такими носителями могут являться:
- В металлах — электроны.
- В электролитах — ионы (катионы и анионы).
- В газах — ионы и электроны.
- В вакууме при определенных условиях — электроны.
- В полупроводниках — электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость).
Самые распространенные проводники в электротехнике — это металлы, поэтому в дальнейшем изучении постоянного тока будем рассматривать движение отрицательно заряженных свободных электронов.
Направленное движение электронов в замкнутой электрической цепи без источника тока невозможно. К источникам тока относятся гальванические элементы (батарейка), аккумуляторы, генераторы постоянного тока и выпрямительные установки.
Возьмем для примера батарейку и упрощенно выделим основные особенности выработки ею постоянного тока. Батарейка — это химический источник ЭДС (электродвижущей силы), в котором энергия протекающих химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.
Если рассматривать батарейку упрощенно, то можно выделить следующее:
- На отрицательном электроде (анод) батарейки происходит химическая реакция, производящая свободные электроны. На положительном электроде (катод) происходит химическая реакция, поглощающая свободные электроны.
- У каждой из двух химических реакций есть свой электрический потенциал. Эти потенциалы противоположны по знаку. Разница между ними определяет напряжение батарейки.
- Когда цепь между полюсами батарейки разомкнута, реакции на электродах не протекают. Свободные электроны остаются на электроде — им некуда идти, так как внутри батарейки образуется барьер, предотвращающий прямой контакт анодного и катодного материалов друг с другом.
- При замыкании цепи образовавшийся излишек электронов начинает движение от отрицательного электрода к положительному. Одновременно электродвижущая сила переносит ровно тот же заряд в обратном направлении внутри батарейки к аноду. Химическая реакция повторяется снова и снова до тех пор, пока не иссякнет ресурс батарейки.
Переменный ток: что это такое, чем отличается от постоянного, где используется
- Провод 1 Ом от +115 до +92 Вольт — разность потенциалов +23 Вольта.
- Лампочка 8 Ом от +92 до -92 Вольт (в середине спирали 0 Вольт) — разность потенциалов +184 Вольта.
- Провод 1 Ом от -92 до -115 Вольт — разность потенциалов +23 Вольта.
Упорядоченное движение электронов — постоянный и переменный ток
Разобравшись с электрическим током, перейдем к особенностям упорядоченно движения носителей электрического заряда. Ранее уже приводилось определение постоянного тока, в котором отмечалось постоянство величины и направления. Что же это значит?
Объясним простыми словами, что такое ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Начнем с величины и для примера возьмем батарейку 1,5 Вольт.
Величина — это сила тока. То есть другими словами это отношение электрического заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения (t). Естественно, считать количество электронов, прошедших за единицу времени через сечение проводника, мы не будем, но можем разобраться, от чего эта величина зависит:
- От напряжения источника питания (батарейки). Напряжение — это разность потенциалов. На примере батарейки мы уже отмечали, что на отрицательном электроде происходит химическая реакция, производящая свободные электроны, а на положительном электроде — поглощающая свободные электроны. То есть, если батарейка напряжением 1,5 Вольт, то можно условно сказать, что отрицательный полюс имеет потенциал -1,5 Вольт, а положительный 0 Вольт. Соответственно разность потенциалов 0-(-1,5) = 1,5 Вольт. Какой точно потенциал на том или ином выводе батарейки сказать трудно. Важно лишь то, что разность потенциалов должна давать напряжение батарейки.
- От сопротивления цепи (проводника и подключенных нагрузок). Чем больше сопротивление, тем меньше сила тока.
Возвращаясь к постоянному току, который не изменяется по величине, следует отметить, что пример с батарейкой не совсем корректен. Батарейка со временем исчерпывает свой ресурс. Соответственно падает напряжение и сила (величина) тока. Поэтому лучше рассматривать иные источники постоянного тока, либо при рассмотрении батарейки не учитывать ее ресурс.
Резюмируем. Ток не изменяющийся по величине в первую очередь является следствием наличия не изменяющегося по величине напряжения источника питания. Не изменяющееся направление постоянного тока — это движение электронов от минуса к плюсу. Только нужно помнить, что направление тока берется обратным — от плюса к минусу.
Для наглядности обратимся к программе Multisim, смоделируем пример с источником постоянного тока и посмотрим на осциллографе график напряжения. При этом вместо батарейки возьмем генератор постоянного тока с напряжением 230 Вольт. Затем сравним графики постоянного и переменного напряжения:
Различия токов
Намного экономичнее преобразование электричества в механическую энергию именно при помощи двигателей, работающих от АС, хотя и имеются области, в которых возможно применение механизмов только прямого тока.
Ну и последнее по очереди, но не по смыслу — все-таки переменный ток безопаснее для людей. Именно по этой причине все приборы, используемые в быту и работающие от DC, являются слаботочными. А вот совсем отказаться от применения более опасного в пользу другого никак не получится именно по указанным выше причинам.
Все изложенное приводит к обобщенному ответу на вопрос, чем отличается переменный ток от постоянного — это характеристики, которые и влияют на выбор того или иного источника питания в определенной сфере.
Передача тока на большие расстояния
Дело в том, что сечение проводника, по которому протекает электричество, зависит только от силы тока и от его потребляемой мощности и совершенно в стороне от этого остается напряжение. А это значит, что при силе тока в 2 А и напряжении в 25 000 В можно использовать тот же провод, как и для 220 В с теми же 2 А. Так что же из этого следует?
Здесь необходимо вернуться к закону обратной пропорциональности — при трансформации тока, т.е. увеличении напряжения, уменьшается сила тока и наоборот. Таким образом, высоковольтный ток отправляется к трансформаторной подстанции по более тонким проводам, что обеспечивает и меньшие потери при передаче.
Особенности передачи
Как раз в потерях и состоит ответ на вопрос, почему невозможно передать постоянный ток на большие расстояния. Если рассмотреть DC под этим углом, то именно по этой причине через небольшой отрезок расстояния электроэнергии в проводнике не останется. Но главное здесь не энергопотери, а их непосредственная причина, которая заключается, опять же, в одной из характеристик AC и DC.
Генерирование
Очень интересен вопрос и о том, как же генерируется постоянный и переменный ток. Конечно, вырабатывать можно как один, так и другой, но здесь встает проблема размеров и затрат. Дело в том, что если для примера взять обычный автомобиль, ведь куда проще было бы поставить на него генератор постоянного тока, исключив из схемы диодный мост. Но тут появляется загвоздка.
Если убрать из автомобильного генератора выпрямитель, вроде бы должен уменьшиться и объем, но этого не произойдет. А причина тому — габариты генератора постоянного тока. К тому же и стоимость при этом существенно увеличится, потому и применяются переменные генераторы.
Вот и получается, что генерировать DC намного менее выгодно, чем АС, и тому есть конкретное доказательство.
Чем отличается переменный ток от постоянного — различия и пояснения
История
Именно тогда и родилась фраза Томаса Эдисона, которая впоследствии стала известна всему миру, — «Мы сделаем электрическое освещение настолько дешевым, что только богачи будут жечь свечи».
Ну а уже к 1887-му в Соединенных Штатах успешно функционирует больше 100 электростанций, которые вырабатывают постоянный ток и где используется для передачи именно трехпроводная система, которая применяется в целях хотя бы небольшого снижения потерь электроэнергии.
Именно с этого момента и начинается та самая «война токов».
