Переменный и постоянный ток¶
Переменный ток — электрический ток, направление и величина которого меняются во времени; постоянный ток — ток, направление которого не меняется, а величина остаётся постоянной или изменяется незначительно. Оба вида тока относятся к классу электрических токов и различаются формой сигнала, способом генерации, передачи и применения.
¶Определения и основные характеристики
Постоянный ток (DC, от англ. direct current) — ток, который всегда течёт в одном направлении. Его величина может быть строго постоянной (идеальный случай) или изменяться во времени, но без смены знака. Пример — ток в гальваническом элементе, аккумуляторе или солнечной батарее.
Переменный ток (AC, от англ. alternating current) — ток, который периодически меняет направление и, как правило, величину. Наиболее распространённой формой является синусоидальный переменный ток, при котором мгновенное значение описывается формулой:
i(t) = Iₘ · sin(ωt + φ),
где Iₘ — амплитудное значение, ω — угловая частота, φ — начальная фаза.
Ключевые параметры переменного тока:
- Частота (f) — число изменений направления за единицу времени, измеряется в герцах (Гц). В России и большинстве стран Евразии стандартная частота сети — 50 Гц, в Северной Америке и Японии — 60 Гц.
- Действующее (эффективное) значение — величина переменного тока, равная по нагревающему действию постоянному току. Для синусоиды действующее значение равно амплитудному, делённому на √2: I = Iₘ / √2. Именно действующее значение указывается в паспортах приборов и в номиналах сети (например, 220 В).
- Период (T) — время одного полного цикла изменения, T = 1/f. При 50 Гц период составляет 0,02 с.
¶Сравнение
| Признак | Постоянный ток | Переменный ток |
|---|---|---|
| Направление | Постоянное | Периодически меняется |
| Величина | Постоянная или слабо меняющаяся | Периодически меняется (обычно синусоида) |
| Обозначение | DC | AC |
| Источники | Гальванические элементы, аккумуляторы, выпрямители | Генераторы, трансформаторы |
| Преобразование напряжения | Трудно (нужны преобразователи) | Легко — трансформатором |
| Передача на большие расстояния | Малоэффективна | Эффективна (повышение напряжения) |
| Хранение | Возможна | Невозможна напрямую |
¶Способы получения
Постоянный ток получают из химических источников (гальванические элементы, аккумуляторы), из фотоэлектрических преобразователей, а также выпрямлением переменного тока — с помощью выпрямительных диодных мостов, преобразующих переменный ток в пульсирующий, а затем сглаживающих его конденсатором.
Переменный ток вырабатывают генераторы — устройства, в которых проводник движется в магнитном поле (или наоборот). В электростанциях вращаются турбины, приводимые в движение водой, паром, ветром или газом. Синусоидальная форма обеспечивается вращением катушки в однородном магнитном поле.
¶Передача и преобразование
Главное преимущество переменного тока — возможность легко повышать и понижать напряжение с помощью трансформатора. При передаче электроэнергии на большие расстояния напряжение повышают до сотен киловольт: при той же мощности ток уменьшается, а потери энергии в проводах (пропорциональные квадрату тока, P = I²R) снижаются многократно. У постоянного тока трансформатор не работает, поэтому для его повышения напряжения требуются сложные преобразователи.
Этот фактор определил исторический выбор: в конце XIX века в ходе «войны токов» между системами Томаса Эдисона (постоянный) и Николы Теслы/Джорджа Вестингауза (переменный) победила система переменного тока. К началу XX века переменный ток стал стандартом распределительных сетей.
¶Применение
Переменный ток применяется в распределительных сетях, электродвигателях (асинхронные двигатели проще и надёжнее), трансформаторах, большинстве бытовых приборов.
Постоянный ток используется в электронике (питание микросхем, компьютеров, смартфонов), транспорте (электровозы постоянного тока, троллейбусы, метро), электролизе, сварке, а также в передаче постоянного тока на большие расстояния (ВЛПТ — высоковольтные линии постоянного тока), где для межконтинентальных подводных кабелей он предпочтительнее.
¶Интересные факты
- Напряжение в розетке 220 В — это действующее значение; амплитудное составляет около 311 В.
- Светодиоды и лампы накаливания работают на постоянном токе, поэтому в светодиодных лампах для сети 220 В 50 Гц встроен выпрямитель.
- В России частота 50 Гц была утверждена в 1930-х годах как единый стандарт.
Источники:
- Демирчян К. С. «Курс общей физики», т. 2
- Физика. 8 класс. Учебник под ред. Пёрышкина А. В.
- ГОСТ 19431-84 «Электротехника. Основные понятия. Термины и определения»
- Русский перевод учебника «Электричество и магнетизм» Г. П. Хрестоматия по физике