В съвременния свят всеки човек е бил изложен на електричество от детството си. Първото споменаване на този природен феномен датира от времето на философите Аристотел и Талес, които били заинтригувани от удивителните и мистериозни свойства на електрическия ток. Но едва през 17-ти век великите научни умове започват серия от открития относно електрическата енергия, която продължава и до днес.
Откриването на електрическия ток и създаването от Майкъл Фарадей през 1831 г. на първия в света генератор коренно промени човешкия живот. Свикнали сме с факта, че животът ни се улеснява от устройства, които използват електрическа енергия, но досега повечето хора нямат разбиране за това важно явление. За да започнем с това, за да разберем основните принципи на електричеството, е необходимо да проучим две основни дефиниции: електрически ток и напрежение.
Съдържание
Какво е електрически ток и напрежение
Електричество е подреденото движение на заредени частици (носители на електрически заряд). Носителите на електрически ток са електроните (в метали и газове), катиони и аниони (в електролити), дупки при електрон-дупкова проводимост. Това явление се проявява чрез създаване на магнитно поле, промяна в химичния състав или нагряване на проводниците. Основните характеристики на тока са:
- сила на тока, определена от закона на Ом и измерена в ампери (НО), във формулите се обозначава с буквата I;
- мощност, съгласно закона на Джоул-Ленц, измерена във ватове (вт), обозначава се с буквата P;
- честота, измерена в херци (Hz).
Електрическият ток, като енергиен носител, се използва за получаване на механична енергия с помощта на електрически двигатели, за получаване на топлинна енергия в отоплителни уреди, електрическо заваряване и нагреватели, за възбуждане на електромагнитни вълни с различни честоти, за създаване на магнитно поле в електромагнитите и за получаване на светлина енергия в осветителни тела и различни видове лампи. .
Волтаж е работата, извършена от електрическото поле за преместване на заряд от 1 висулка (Cl) от една точка на проводника до друга. Въз основа на това определение все още е трудно да се разбере какво е стрес.
За да могат заредените частици да се движат от един полюс към друг, е необходимо да се създаде потенциална разлика между тези полюси (Това се нарича напрежение.). Единицата за напрежение е волт (AT).
За да разберем най-накрая определението за електрически ток и напрежение, може да се даде интересна аналогия: представете си, че електрическият заряд е вода, тогава налягането на водата в колоната е напрежението, а скоростта на потока вода в тръбата е силата на електрическия ток. Колкото по-високо е напрежението, толкова по-голям е електрическият ток.
Какво е променлив ток
Ако промените полярността на потенциалите, тогава посоката на потока на електрическия ток се променя. Именно този ток се нарича променлив. Броят на промените в посоката за определен период от време се нарича честота и се измерва, както бе споменато по-горе, в херци (Hz). Например в стандартна електрическа мрежа у нас честотата е 50 Hz, тоест посоката на движение на тока се променя 50 пъти в секунда.
Какво е постоянен ток
Когато подреденото движение на заредени частици винаги има само една посока, тогава такъв ток се нарича постоянен. Постоянният ток възниква в мрежа с постоянно напрежение, когато полярността на зарядите от едната и от другата страна е постоянна във времето. Много често се използва в различни електронни устройства и технологии, когато не се изисква предаване на енергия на голямо разстояние.
Източници на електрически ток
Източник на електрически ток обикновено се нарича устройство или устройство, с което може да се създаде електрически ток във верига. Такива устройства могат да създават както променлив, така и постоянен ток. Според метода на създаване на електрически ток те се делят на механични, светлинни, термични и химически.
Механични Източниците на електрически ток преобразуват механичната енергия в електрическа енергия.Тези съоръжения са от различни видове. генератори, които поради въртенето на електромагнита около бобината на асинхронните двигатели произвеждат променлив електрически ток.
светлина източници преобразуват фотонната енергия (светлинна енергия) в електричество. Те използват свойството на полупроводниците да произвеждат напрежение, когато са изложени на светлинен поток. Слънчевите панели са едно такова устройство.
Термичен - преобразуват топлинната енергия в електрическа поради температурната разлика между две двойки контактни полупроводници - термодвойки. Големината на тока в такива устройства е пряко свързана с температурната разлика: колкото по-голяма е разликата, толкова по-голяма е силата на тока. Такива източници се използват например в геотермални електроцентрали.
химически източник на ток произвежда електричество в резултат на химични реакции. Например, такива устройства включват различни видове галванични батерии и акумулатори. Източниците на ток на базата на галванични елементи обикновено се използват в самостоятелни устройства, автомобили, технологии и са източници на постоянен ток.
AC в DC преобразуване
Електрическите устройства в света използват постоянен и променлив ток. Следователно има нужда от преобразуване на един ток в друг или обратно.
От променлив ток може да се получи постоянен ток с помощта на диоден мост или, както се нарича още, „изправител“. Ядрото на токоизправителя е полупроводников диод, който провежда електричество само в една посока. След този диод токът не променя посоката си, но се появяват вълни, които се елиминират с помощта на кондензатори и други филтри. Изправителите се предлагат в механични, електровакуумни или полупроводникови версии.
В зависимост от качеството на производство на такова устройство, пулсацията на тока на изхода ще има различна стойност, като правило, колкото по-скъпо и по-добро е направено устройството, толкова по-малко пулсации и по-чист е токът. Пример за такива устройства са Захранващи устройства различни устройства и зарядни устройства, токоизправители на електроцентрали в различни видове транспорт, DC заваръчни апарати и други.
Инверторите се използват за преобразуване на постоянен ток в променлив. Такива устройства генерират променливо напрежение със синусоида. Има няколко вида такива устройства: инвертори с електрически двигатели, релейни и електронни. Всички те се различават един от друг по качеството на изходния променлив ток, цената и размера. Пример за такова устройство са непрекъсваемите захранвания, инвертори в автомобили или, например, в слънчеви електроцентрали.
Къде се използва и какви са предимствата на променливия и постоянния ток
Различни задачи може да изискват използването на AC и DC. Всеки вид ток има своите предимства и недостатъци.
Променлив ток най-често се използва, когато има нужда от предаване на ток на дълги разстояния. По-целесъобразно е да се предава такъв ток от гледна точка на възможни загуби и цената на оборудването. Ето защо повечето електрически уреди и механизми използват само този вид ток.
Жилищни къщи и предприятия, инфраструктура и транспортни съоръжения са разположени на разстояние от електроцентрали, така че всички електрически мрежи са с променлив ток. Такива мрежи захранват всички домакински уреди, промишлено оборудване, влакови локомотиви. Има невероятен брой устройства, работещи на променлив ток и е много по-лесно да се опишат тези устройства, които използват постоянен ток.
Д.К използвани в автономни системи, като бордови системи на автомобили, самолети, кораби или електрически влакове. Той се използва широко в захранването на микросхеми на различна електроника, в комуникационно и друго оборудване, където е необходимо да се сведе до минимум количеството смущения и пулсации или да се елиминират напълно. В някои случаи такъв ток се използва при електрическо заваряване с помощта на инвертори. Има дори железопътни локомотиви, които се движат по DC системи. В медицината такъв ток се използва за въвеждане на лекарства в тялото с помощта на електрофореза и за научни цели за разделяне на различни вещества (белтъчна електрофореза и др.).
Обозначения на електрически уреди и диаграми
Често има нужда да се определи при какъв ток работи устройството. В края на краищата, свързването на устройство, работещо на постоянен ток, към електрическа мрежа с променлив ток неизбежно ще доведе до неприятни последици: повреда на устройството, пожар, токов удар. За това има общоприети конвенции за такива системи и дори цветно кодиране на проводниците.
Обикновено на електрически уреди, работещи на постоянен ток, се обозначават една линия, две плътни линии или плътна линия заедно с пунктирана линия, разположени една под друга. Също така, такъв ток е маркиран с обозначение с латински букви DC. Електрическата изолация на проводниците в DC системи за положителния проводник е оцветена в червено, отрицателния проводник в синьо или черно.
На електрически апарати и машини променливият ток се обозначава с английското съкращение AC или вълнообразна линия. На диаграмите и в описанието на устройствата също е обозначено с две линии: плътни и вълнообразни, разположени една под друга. Проводниците в повечето случаи са обозначени по следния начин: фазата е кафява или черна, нулата е синя, а земята е жълто-зелена.
Защо по-често се използва променлив ток
По-горе вече говорихме защо променливият ток в момента се използва по-често от постоянния ток. И все пак, нека разгледаме този въпрос по-подробно.
Дебатът кой ток да се използва е по-добър се води от откритията в областта на електричеството. Има дори такова нещо като "война на теченията" - конфронтацията между Томас Едисън и Никола Тесла за използването на един от видовете ток. Борбата между последователите на тези велики учени продължи до 2007 г., когато град Ню Йорк беше прехвърлен на променлив ток от постоянен ток.
Най-голямата причина, поради която AC се използва по-често, е защото способността да го предава на дълги разстояния с минимални загуби. Колкото по-голямо е разстоянието между източника на ток и крайния потребител, толкова по-голямо е съпротивлението проводници и топлинни загуби за тяхното отопление.
За да получите максимална мощност, е необходимо да увеличите или дебелината на проводниците (и по този начин намалява съпротивлението), или увеличете напрежението.
В системите за променлив ток можете да увеличите напрежението с минимална дебелина на проводниците, като по този начин намалите цената на електрическите линии. За системи с постоянен ток няма достъпни и ефективни начини за увеличаване на напрежението и следователно за такива мрежи е необходимо или да се увеличи дебелината на проводниците, или да се изградят голям брой малки електроцентрали. И двата метода са скъпи и значително увеличават цената на електроенергията в сравнение с променливотоковите мрежи.
С помощта на електрически трансформатори напрежението на променлив ток е ефективно (с ефективност до 99%) може да се променя във всяка посока от минимални към максимални стойности, което също е едно от важните предимства на AC мрежите. Използването на трифазна система за променлив ток допълнително повишава ефективността, а машини като двигатели, които работят с променлив ток, са много по-малки, по-евтини и по-лесни за поддръжка от DC двигателите.
Въз основа на гореизложеното можем да заключим, че използването на променлив ток е от полза в големи мрежи и при предаване на електрическа енергия на дълги разстояния, а за точна и ефективна работа на електронни устройства и за автономни устройства е препоръчително да се използва постоянен ток.
Подобни статии:
