Постійний та змінний струми

Ми завершуємо вивчення теми “Постійний електричний струм”. Тим не менш, у цьому параграфі ми розглянемо змінний струм. З чим це пов’язано? Причина в самих термінах «постійний струм» і «змінний струм», назви яких не цілком вдалі, оскільки можуть трактуватись по-різному у фізиці та електротехніці: так склалося історично. Звернемося до ухвал.

У фізиці постійним струмом називають електричний струм, що не змінюється за силою та напрямом з плином часу. Графіком такого «істинно постійного» струму має бути пряма, паралельна до осі часу (див. рис. «а»).

Тим не менш, в електротехніці постійним струмом вважають струм, який постійний тільки за напрямом, але може змінюватись за силою. Такий струм можна отримати «випрямлення» синусоїдального змінного струму, наприклад, того, що існує в домашній освітлювальній мережі (див. рис. «б»). В результаті виходить пульсуючий односпрямований струм (див. рис. “в”).

У фізиці змінним струмом називають електричний струм, що змінюється з часом: за силою та/або напрямом. З погляду фізики, «пульсуючий» струм малюнку «в» є змінним, оскільки змінюється за силою (залишаючись постійним за напрямом).

Такий односпрямований струм в електротехніці вважають “постійним”, оскільки за своїми діями він схожий на справжній постійний струм. Наприклад, він буде придатний для заряджання акумуляторів, роботи електродвигунів, проведення електролізу. Змінний за напрямом струм цих цілей непридатний.

Примітка. Чому струм в електричних мережах є саме синусоїдальним і змінює свій напрямок 100 разів на секунду, ми розповімо пізніше. А поки що розглянемо, як з нього можна отримати односпрямований пульсуючий струм – «постійний» з погляду електротехніки.

Іншими словами, як «перекинути» нижні частини синусоїди нагору, тобто перетворити форму струму без втрати потужності цього струму? Для цього служать різні прилади, один з яких напівпровідниковий діод, що пропускає через себе струм лише в одному напрямку.

Нижче на лівій схемі показано включення двох діодів у ланцюг змінного струму. При цьому верхні частини синусоїди проходять через верхній діод (у напрямку його стрілочки), а нижні частини синусоїди не проходять через нижній діод (проти його стрілочки).

Таким чином виходить пульсуючий односпрямований струм, і рівно половина вихідної потужності не потрапляє до споживача, тому що утворюються рівнини з нульовим значенням сили струму. Для тих, хто особливо цікавиться фізикою, зауважимо, що такий самий результат буде, якщо залишити тільки один діод, причому будь-який.

На правій схемі показано включення чотирьох діодів за так званою бруківкою. Вона більш виграшна проти попередньої: діоди попарно пропускають як верхні, і нижні частини синусоїди відповідно до клем «+» і «–».

В результаті з вихідного змінного струму, на графіку якого можна умовно виділити «пагорби і яри», на графіку однонаправленого струму, що виходить, утворюються «не пагорби і рівнини», а «подвоєні пагорби». Це означає, що тепер споживачу потрапляє вся потужність вихідного струму.

І насамкінець розглянемо, як до непостійного струму можна застосувати закон Джоуля-Ленца Q=I²Rt, що описує теплову дію струму.

Як бути, якщо сила струму постійно змінюється? Потрібно її замінити на умовно-постійну силу струму, яка справляє таку ж теплову дію. Таке умовно-постійне значення сили струму у фізиці називають еквівалентним (ефективним, чинним) значенням сили непостійного струму.

Визначення: еквівалентне значення непостійного струму дорівнює значенню такого постійного струму, який, проходячи через той самий опір, виділяє в ньому ту саму кількість теплоти за той же час.

Саме еквівалентне значення струму показують нам усі амперметри. Аналогічно і по відношенню до напруги та вольтметрів. Отже, визначити еквівалентні значення непостійних струмів дозволяють калориметричні виміри.

✅Чим відрізняється постійний струм від змінного

Більшість з нас ще зі шкільного курсу фізики пам’ятають, що електричним струмом називається спрямований рух частинок, які володіють зарядом. Деякі навіть знають, що струм буває постійним і змінним.

Але ось в чому різниця між постійним струмом і змінним?

Відмітна риса постійного струму закладена в його назві. Напруга є постійною по знаку і величині, тобто постійний струм «тече» в одну сторону.

Змінний струм змінює напрямок руху і величину.

Якщо розглядати дану відмінність на прикладі звичайної розетки, то зміна руху електронів буде залежати від частоти генератора. У наших будинках проведений електричних струм з коливаннями частотою в 50 герців (тобто 50 коливань в секунду). Отже, зміна напрямку руху електронів відбувається 100 разів за секунду.

У перших електричних мережах використовувався тільки постійний струм. Його виявили в результаті гальванічної реакції. Томас Едісон активно просував використання постійного струму в електромережах, що сильно збільшувало витрати на виготовлення генераторів.

Конструкція пристрою була настільки складна, що вимагала чималих фінансових витрат і спеціальних умінь. Противником такого розвитку виступив Нікола Тесла, який довів, що експлуатація генератора змінного струму більш проста і дешева.

Сьогодні постійний струм можна зустріти в звичайних:

• батарейках;
• акумуляторах;
• аварійних джерелах енергії;
• випрямлячах;
• перетворювачах;
• інших спеціальних пристроях.

Крім того, міський електротранспорт (трамваї і троллебуси) функціонує завдяки напрузі в 600 Вольт.

Постійний струм задіяний і в метрополітені, але вже величиною 750-825 Вольт. У промислових масштабах його використовують в акумуляторах і двигунах.

А в деяких країнах постійний струм застосовується в високовольтних лініях електропередач. У медицині, за допомогою постійного електричного струму, здійснюють деякі оздоровчі процедури.

Джерелами змінного струму є:

Також його застосовують в будівництві і промисловості для роботи електричних машин, обладнання та освітлення. Змінний струм використовують в телефонії, радіо, телебаченні та багатьох інших системах.

До постійного і змінного струму пред’являються різні вимоги. У кожній державі розробляються і строго виконуються відповідні стандарти.

Найважливішим параметром змінного струму є значення напруги.

Вимоги, встановлені для України, складають 220-230 В, допустимі коливання – 10% від цього номіналу. Межа відхилень від частоти 50 Гц складає десяту частку відсотка.

Вимоги до постійного струму виражаються у вигляді напруги, присутньої в його джерелах. Так, наприклад, акумулятори повинні мати позначення 12В. В іншому випадку виробник не гарантує тривалу і коректну роботу приладу.

Висновки:

• Напрямок руху електронів постійного струму залишається незмінним. У змінному струмі напрямок змінюється в залежності від частоти генератора;
• Величина напруги постійного струму постійна. У змінному струмі вона змінюється з 0% до 100% і назад;
• Генератори постійного струму складні і дороги в експлуатації;
• Постійний струм найчастіше можна зустріти в батарейках і акумуляторах. Його використовують для міського та залізничного транспорту. Змінний струм застосовується в побутових електромережах, будівництві та промисловості, телефонії і радіо;
• До постійного і змінного струму пред’являються різні вимоги.