Постоянный и переменный ток

Как мы уже знаем из статьи ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА: получить электрический ток можно, в основном, двумя способами- или химическим или механическим.
В первом случае все как-бы предельно понятно: за счет химической реакции, на электродах источника накапливается электрический заряд (потенциал), и этот заряд имеет определенную полярность (либо «плюс», либо «минус»). Такой вид электрического тока называют постоянный ток и подчиняется он Закону Ома

Во втором-же случае все не так просто- электроэнергия получается за счет преобразования механической энергии в электрическую: катушка, вращаясь в магнитном поле, за счет эффекта индукции, вырабатывает электроэнергию (как это происходит читаем в статье Электромагнитное поле ). На первый взгляд, казалось-бы тоже ничего сложного, однако здесь электрический заряд постоянно изменяется- ведь при вращении катушка то постоянно меняет свое местоположение относительно магнитов, и поэтому и электрический ток будет постоянно изменяться.
Давайте рассмотрим более подробно почему так происходит…

Вернемся чуть назад и вспомним про принцип работы генератора электроэнергии: катушка, вращаясь в магнитном поле, начинает образовывать внутри себя электромагнитное поле, которое, в последствие и превращается в электрический заряд. Причем в данном случае- вращение катушки является обязательным условием так как магнитное поле внутри нее должно постоянно изменяться.

При вращении катушка будет постоянно менять свое местоположение внутри магнита- то есть образующийся внутри нее электрический заряд будет менять свою полярность (смотрим рисунок)

При получении электроэнергии в промышленных масштабах- принцип работы примерно такой-же, с той лишь разницей, что для увеличения КПД генератора, применяются несколько катушек одновременно. Каждая из катушек имеет свой выход. То есть у одного генератора получается сразу несколько выходов (обычно три), и ток, получаемый на выходах этих катушек будет смещен относительно друг друга (принято говорить «сдвинут по фазе«)

Как видим- электрический ток в данном случае постоянно изменяется, и поэтому его принято называть переменный ток. Именно такую форму электроэнергии мы и имеем в промышленной сети (то есть в домашней розетке).

Почему именно переменный ток используется в промышленных масштабах? Это тоже легко объяснимо- его относительно легко получить в больших количествах, а также легко преобразовывать: промышленные генераторы могут выдавать переменный ток размером в несколько десятков тысяч Вольт.
Это позволяет передавать его на большие расстояния с минимальными потерями. Для создания электросети в небольшом населенном пункте, напряжение понижается до нескольких килоВольт, а для подачи непосредственно потребителю его вновь понижают уже до привычных нам 220 Вольт.

Каким законам подчиняется переменный ток

Сейчас немного формул…
Конечно все это предельно скучно и не интересно- мы ведь тут с Вами не физику в школе изучаем, но мы сильно и не будем углубляться во все тонкости, а поговорим о них только лишь в для общего понимания…

Вернемся вновь к постоянному току… Разницу потенциалов принято называть напряжением, и основной закон, которому подчиняются цепи с постоянным током, — это закон Ома (читаем статью Закон Ома простыми словами ), то есть там все предельно ясно- увеличиваем нагрузку- ток в цепи снижается, уменьшаем нагрузку- ток в цепи увеличивается, замкнули нагрузку- ток устремился к бесконечности.

Что-же касается переменного тока, то тут напряжение постоянно изменяет свою полярность и поэтому за основу принято считать так называемое действующее напряжение.
Иногда в некоторых источниках можно встретить название Эффективное значение.
Что здесь имеется ввиду: любой ток, будь то хоть переменный или постоянный, проходя через электрическую цепь, производит какую-то работу.
Так вот- Действующее (эффективное) значение переменного тока равно величине такого постоянного тока, который за время, равное одному периоду переменного тока, произведёт такую же работу (тепловой или электродинамический эффект), что и рассматриваемый переменный ток.
Так написано в учебниках и википедии… Звучит запутано, так что постараемся пояснить по-простому: у нас есть источник постоянного тока. Проходя через нагреватель, он за 1 секунду времени образует какое-то количество тепла. Так вот- переменное напряжение, образующее такое-же количество тепла за ту-же самую секунду, и будет называться эффективным значением переменного тока.

Есть так-же и формула, предназначенная для определения величины действующего значения переменного тока, вот она:

Примечание: следует учесть, что данная формула подходит лишь для переменного тока синусоидальной формы.

У переменного тока есть так-же еще пара особенностей:
1. помимо того что у него постоянно меняется полярность, у него есть еще такой параметр как частота и она также вносит свои коррективы в расчетные формулы.
2. Некоторые радиоэлементы, под воздействием электрический колебаний, могут менять параметры электрической цепи переменного тока, следовательно их так-же необходимо учитывать: в частности Конденсатор и катушка индуктивности сдвигают фазу переменного тока.

Для цепей переменного тока закон Ома будет выглядеть иначе. Если взять за основу формулу I = U/R, то кроме активного сопротивления R, в нее добавляются индуктивное XL и емкостное ХС сопротивления, относящиеся к реактивным. Подобные электрические схемы применяются значительно чаще, чем подключения с одним лишь активным сопротивлением и позволяют рассчитать любые варианты.

Сюда же включается параметр ω, представляющий собой циклическую частоту сети. Ее значение определяется формулой ω = 2πf, в которой f является частотой этой сети (Гц). При постоянном токе эта частота будет равной нулю, а емкость примет бесконечное значение. В данном случае электрическая цепь постоянного тока окажется разорванной, то есть реактивного сопротивления нет.

Итого: формула закона Ома для цепи переменного тока будет выглядеть вот таким образом:

От слов- к практике!!!

Что нам дает наличие переменного тока и как его можно использовать?

Самое полезное свойство переменного тока заключается в том, что его очень легко преобразовывать: его можно понизить или повысить, а также мы можем превратить переменный ток в постоянный.
Вот простой пример: нам необходимо запитать какое-то устройство, рассчитанное на рабочее напряжение 12 Вольт постоянного тока (например автомобильная магнитола). Подключаемся в промышленную сеть в 220 Вольт, понижаем напряжение при помощи трансформатора до 12 Вольт, преобразовываем переменный ток в постоянный и вопрос с подключением решен!!!

Вот сейчас, наверное, у многих возник вопрос как превратить переменное напряжение в постоянное? А об этом читаем отдельную статью Выпрямители напряжения