МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА No42 имени Х. Мамсурова

I ОТКРЫТАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«ОТ ПРОЕКТА К ВЫБОРУ ПРОФЕССИИ»

Секция: «Физика»

Название темы: «Вечная борьба постоянного и переменного токов»

Автор работы: Денисова Марина 

Место выполнения работы:
МБОУ СОШ N42
Научный руководитель:

Васильева Татьяна Петровна
учитель физики

г. Владикавказ, 2024

Паспорт проектной работы

                                         СОДЕРЖАНИЕ

Паспорт проектной работы_____________________________________ 2

Введение____________________________________________________ 4

1. Постоянный ток - происхождение и применение____________5

1. Из истории постоянного тока______________________________5
2. Применение постоянного тока в промышленности и быту_____ 7
3. Различия постоянного и переменного тока__________________ 9

                       2. Переменный ток – происхождение и применение___________11

                       2.1. Из истории переменного тока___________________________14

      2.2. «Война токов»________________________________________ 17

2.3. Получение переменного тока____________________________18

  2.4. Достоинства и недостатки переменного тока_______________21

3. Применение постоянного и переменного токов_____________22

3.1. Перспективы совместного существования_________________23

4. Практическая часть_____________________________________24

Заключение_______________________________________________25

Список используемой литературы____________________________26

Введение

Электроэнергия — это вид энергии, который передаётся через проводник благодаря движению электронов. Металлы, например, являются материалами с высокой электропроводностью, что позволяет электронам свободно перемещаться. В металлах электроны могут двигаться в различных направлениях.

В современном мире существует два типа электроэнергии: постоянный ток и переменный ток. Они имеют свои особенности и отличаются друг от друга. Постоянный ток был известен людям с давних времён, а переменный ток стал использоваться относительно недавно.

Актуальность выбранной темы 

В настоящее время невозможно прожить без электричества. Современная жизнь настолько электрифицирована, что ни дома, ни в школе, ни на даче мы не обходимся без электрических приборов. Электричество окружает и сопровождает нас абсолютно в любом месте на планете Земля.

Сложно представить нашу жизнь без электричества. Именно оно позволяет нам пользоваться интернетом и телевидением, готовить пищу, освещать наше жилище, то есть использовать все то, что облегчает нашу жизнь. Электрический ток стал неотъемлемой частью нашей жизни и поэтому я считаю, что крайне необходимо разобраться в том, как эта незаменимая вещь устроена и как люди смогли научиться использовать ее в своих нуждах.

Постоянный ток - происхождение и применение

Постоя́нный ток - электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

 График 1.

Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока.             Однонаправленный ток (DC, англ. direct current) -  это электрический ток, не изменяющий своего направления.  

 - Условное обозначение однонаправленного тока на электроприборах.

1. Из истории постоянного тока

Способы получения и применение постоянного тока были известны еще во времена Древнего Мира. Археологами, производящими раскопки в долине Евфрата, были найдены странные керамические сосуды в жилище некоторых ювелиров. Сосуды имели устройство, схожее с гальванической батареей и соединялись между собой медной проволокой. Каково же было удивление археологов, когда они ради эксперимента заполнили один из сосудов кислотой и получили на его полюсах потенциал, равный полутора вольтам! Оказалось, что блоки батарей древние ювелиры применяли для гальванического покрытия ювелирных изделий различными металлами, что и подтвердили готовые образцы изделий, которые часто попадались ученым ранее.

В современном мире постоянный ток возникает в замкнутой цепи, которая состоит из источника постоянного тока, такого как аккумулятор или химическая батарея, проводников и нагрузки.

Нагрузка может представлять собой материал с электрическим сопротивлением, которое значительно больше, чем сопротивление проводников, замыкающих электрическую цепь. Это может быть лампочка с вольфрамовой спиралью или реостат из нихромовой проволоки, или любая другая нагрузка, сопротивление которой не равно нулю.

Постоянный ток можно получить различными способами. Один из самых древних — химический. Он основан на возникновении разницы потенциалов между проводниками из разных материалов, помещённых в кислотную или щелочную среду. Химические батареи и аккумуляторы используются людьми уже много веков и до сих пор остаются в ходу, но в значительно улучшенном виде по сравнению с их древними предшественниками.

Более современные источники постоянного тока — фотоэлементы, которые позволяют получать разницу потенциалов при облучении их солнечным светом, и генераторы постоянного тока, которые приводятся в действие с помощью механической энергии извне.

Постоянный ток используется для движения поездов на железной дороге. Электрифицированные участки занимают значительную часть территории нашей страны. Также постоянный ток применяется для передачи больших мощностей электрической энергии на большие расстояния при высоких потенциалах.

Хотя постоянный ток широко используется, есть значительные ограничения, которые мешают его использованию в повседневной жизни для питания бытовых приборов и промышленных установок. Это связано с большими потерями на омическое сопротивление в проводниках, что негативно влияет на работу осветительного и другого оборудования. Чтобы уменьшить потери, необходимо использовать проводники большего сечения, и альтернативы меди в этом случае практически нет. А медные провода стоят дорого.

Эти ограничения заставили учёных искать другие способы получения и передачи электроэнергии на любые расстояния с минимальными потерями. В настоящее время в этой области человеческой деятельности главную роль играет переменный ток.

2. Применение постоянного тока в промышленности и быту

В технике широко используется постоянный ток. Большинство электронных схем работают именно на постоянном токе.

Переменный ток используется для передачи энергии от генератора к потребителю. Иногда для преобразования постоянного тока в переменный используются специальные устройства — инверторы.

Постоянный ток применяется в электрических двигателях общественного транспорта, таких как троллейбусы, метро и т.д. Простые и удобные двигатели переменного тока не позволяют плавно регулировать скорость вращения. С этой задачей успешно справляются только двигатели постоянного тока. Питание этих двигателей осуществляется от тяговых выпрямительных подстанций. Переменный ток, поступающий на подстанции, преобразуется в постоянный с помощью ртутных выпрямителей и затем подаётся в контактную сеть — провода и рельсы.

Применение двигателей постоянного тока на транспортных средствах оказалось настолько эффективным, что их можно встретить и на тепловозах, и на теплоходах. В качестве основного источника энергии используются дизели, которые приводят в действие генераторы, вырабатывающие постоянный ток. А он, в свою очередь, запускает электрические двигатели, которые приводят в движение колёса или гребные винты.

Благодаря способности двигателей постоянного тока плавно регулировать скорость, их успешно применяют на подъёмно-транспортных механизмах. На обычных кранах, используемых в строительстве, работают двигатели переменного тока. Но на мощных подъёмных кранах крупных металлургических заводов устанавливают двигатели постоянного тока. Ведь здесь необходимо плавно поднимать и перемещать огромные ковши с расплавленным металлом, разливать его или подавать раскалённые заготовки на прокатные станы.

Эти двигатели также приводят в движение механизмы гигантских шагающих экскаваторов.

Двигатели постоянного тока способны развивать высокие скорости — до 25 тысяч оборотов в минуту. Это позволяет получать большую мощность при небольших размерах двигателя. Поэтому они незаменимы в качестве моторов управления на самолётах, где используются для поворота рулей, закрылков, подъёма и опускания шасси и других механизмов.

Постоянное направление движения электронов в цепи постоянного тока определяет важную область его применения, где переменный ток не может конкурировать с ним — это электролиз, процесс, связанный с прохождением тока через жидкие растворы — электролиты. Под воздействием постоянного тока, проходящего через электролит, он разлагается на отдельные элементы, которые оседают на определённых электродах — аноде или катоде. Это свойство широко используется в цветной металлургии для получения алюминия, магния, цинка, меди и марганца. В химической промышленности с помощью электролиза получают фтор, хлор, водород и другие вещества.

В гальванотехнике электролиз применяется для нанесения металла на поверхность различных изделий. Гальванизация используется в медицине для лечения некоторых заболеваний.

Постоянное направление движения электронов также помогает постоянному току конкурировать с переменным в сварочном деле и некоторых видах освещения. При сварке постоянным током частицы металла переносятся с электрода на изделие более равномерно, что обеспечивает более качественный шов по сравнению со сваркой переменным током.

Постоянный ток широко применяется в повседневной жизни. Например, большинство устройств, которые человек использует каждый день, такие как модемы или зарядные устройства для мобильных телефонов, работают на постоянном токе. Генератор автомобиля также вырабатывает и преобразует постоянный ток для зарядки аккумулятора. Любое портативное устройство питается от источника постоянного тока.

3. Различия постоянного и переменного тока

Переменный ток (Alternative Current – AC) отличается от постоянного (Direct Current – DC) тем, что у последнего электроны (носители заряда) всегда движутся в одном направлении. Соответственно отличием переменного тока является то, что направление движения и его сила зависят от времени. Например, в розетке направление и величина напряжения, соответственно и сила тока, изменяется по синусоидальному закону с частотой в 50 Гц (50 раз за секунду изменяется полярность между проводами).

Изобразим это на графике, где по вертикальной оси изображена полярность и напряжение, а по горизонтальной время:                                                          

Красной

линией изображено постоянное напряжение, оно остаётся неизменным с течением времени, разве что изменяется при коммутации мощной нагрузки или КЗ. Зелеными волнами показан синусоидальный ток.

Считается, что переменный ток более опасен, чем постоянный.

Во-первых, для того чтобы оба тока оказывали одинаковое воздействие на организм человека, сила постоянного тока должна быть в 2–4 раза больше силы переменного тока. То есть, чтобы нанести такой же вред организму, как и при воздействии переменного тока, необходимо приложить больший постоянный ток. Это объясняется тем, что воздействие токов на организм напрямую связано с их раздражающим эффектом. Переменный ток из-за своей природы и частоты сильнее воздействует на нервы, стимулируя мышцы и сердце.

Во-вторых, когда происходит смерть от поражения электрическим током, это обычно происходит из-за фибрилляции желудочков. Риск такого повреждения, как следует из предыдущего абзаца, значительно выше при воздействии переменного тока.

В-третьих, сопротивление человеческого тела выше для постоянного тока, и оно уменьшается с увеличением частоты. Таким образом, сетевой переменный ток с частотой 50 Гц более опасен, чем постоянный ток, поскольку частота постоянного тока без учёта помех равна нулю.

В-четвёртых, легче освободиться от контакта с постоянным током, чем с переменным. Это противоречит распространённому мнению, что поскольку чередующиеся циклы переменного тока проходят через нуль, у человека есть моменты, когда он может отпустить проводник с переменным током. Однако частота переменного тока слишком высока даже для сетевого тока 50 Гц, и эксперименты показали, что это мнение ошибочно. В ходе экспериментов было установлено, что испытуемым было легче освободить электрод, когда по нему проходил постоянный ток, а не переменный.

1. Переменный ток — происхождение и применение

 Переменный электрический ток (AC,  от англ. alternating current) - это меняющийся по своей величине и направлению с определенной периодичностью электрический ток. В электротехнике в качестве буквенного обозначения электрического тока принято использовать знак тильда (~).

Источниками переменного электрического тока служат генераторы переменного тока, создающие переменную электродвижущую силу, изменение величины и направления которой происходит через определенные промежутки времени.

Основные параметры переменного тока

Для его описания используют следующие параметры (см. график): 

 График 2

- Период (T) - длительность времени в течение которого электрический ток совершает один полный цикл изменений, возвращаясь к своей начальной величине.

- Частота (f) - параметр, определяющий количество полных колебаний электрического тока за одну секунду, единица измерения - 1 Герц (Гц). Так, напр. стандарт частоты тока, принятый в отечественных энергосистемах составляет 50 Гц или 50 колебаний в секунду.

- Амплитуда тока (Im) - максимальное достигаемое мгновенное значение величины тока за период, как видно из представленного графика - высота синусоиды.

            - Фаза - состояние переменного синусоидального электрического тока: мгновенное значение, изменение направления, возрастание (убывание) в цепи. Переменный ток может быть, как однофазным, так и многофазным.

Появление генераторов и систем передачи энергии переменного тока стало одним из важнейших достижений девятнадцатого века. При этом научные изыскания в этой сфере велись с самого начала столетия. В основу исследований были положены теоретические расчеты, которые показывали, что переменное магнитное поле должно вызывать переменное электрическое поле, которое в свою очередь вызывает снова переменное магнитное поле, и процесс этот может протекать до бесконечности. При значительной частоте колебаний образуются электромагнитные волны, способные свободно распространяться в пространстве, а при незначительной частоте почти вся энергия остается в проводнике, по которому происходит её передача.        

Происхождение переменного тока можно проследить до 1832 года, когда Ипполит Пиксий, французский инженер, разработал первый в мире динамоэлектрический генератор, основанный на принципах Фарадея. Тогда это был Гийом Дюшенн, который успешно продемонстрировал практическое использование переменного тока в электротерапии в 1855 году. Работы Себастьяна Ферранти, Галилея Феррари и Люсьена Голлара способствовали дальнейшему развитию этой технологии.

В конце XIX века русский учёный Павел Яблочков изобрёл «электрическую свечу», которая стабильно работала при подключении к сети переменного тока. Он же предложил идею создания электростанции, которая могла бы распределять электроэнергию по потребителям, подобно тому, как это происходит с газом и водой.

Вклад Николы Теслы в развитие переменного тока пришёлся на конец 1880-х годов. Он разработал асинхронный двигатель, который был интегрирован в системы переменного тока, созданные компанией Джорджа Вестингауза. Это позволило конкурировать с низковольтным постоянным током, который был изобретён Томасом Эдисоном. В отличие от постоянного тока, переменный ток позволял эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния.

Некоторые учёные того времени скептически относились к переменному току и считали его непригодным для использования и опасным для человека. Это было связано с рыночной конъюнктурой в США и позицией известного учёного того времени Томаса Эдисона, который зарабатывал на постоянном токе и стремился сохранить его господство.

Негативное отношение к переменному току привело к ужасным последствиям — появлению казни на электрическом стуле. Именно Томас Эдисон первым использовал ток для убийства животных, демонстрируя его опасность. Однако при небольших значениях напряжения постоянный ток действительно безопаснее. Например, собака оставалась живой при напряжении 1000 вольт постоянного тока и умирала при 380 вольтах переменного.

4. Из истории переменного тока

В наше время преимущества переменного тока кажутся более чем очевидными, но в 80-х годах XIX века из-за вопроса, какой ток лучше и как выгоднее передавать электрическую энергию, разразилось острое противостояние. Главными фигурантами этой нешуточной битвы стали две конкурирующие фирмы — Edison Electric Light и Westinghouse Electric Corporation. В 1878 году гениальный американский изобретатель Томас Алва Эдисон основал свою собственную компанию, которая должна была решить проблему электрического освещения в быту. Задача стояла простая: вытеснить газовый рожок, но для этого электрический свет должен был стать более дешевым, ярким и доступным для всех.

Предвосхищая свои будущие открытия, Эдисон написал: «Мы сделаем электрическое освещение настолько дешевым, что только богачи будут жечь свечи». Вначале ученый разработал план центральной электростанции, начертил схемы подводки линий электропередач к домам и фабрикам. В то время электричество получали с помощью динамо-машин, приводящихся в движение паром. Затем Эдисон приступил к усовершенствованию электрических лампочек, стремясь продлить их действие с имевшихся тогда 12 часов.

Перебрав более 6 тысяч различных образцов для нити накаливания, Эдисон наконец остановился на бамбуке. Его будущий коллега Никола Тесла иронично отметил: «Если бы Эдисону пришлось найти иголку в стоге сена, он не стал бы терять время на то, чтобы определить ее более вероятное местонахождение.

Напротив, он немедленно, с лихорадочным прилежанием пчелы начал бы осматривать соломинку за соломинкой, пока не отыскал бы искомое». 27 января 1880 года Эдисон получил патент на свою лампу, срок жизни которой был поистине фантастическим — 1200 часов. Чуть позже ученый запатентовал всю систему производства и распространения электроэнергии в Нью-Йорке.

В тот год, когда Эдисон занялся освещением американского мегаполиса, Никола Тесла поступил на философский факультет Пражского университета, но проучился там всего один семестр — на дальнейшее обучение не хватило денег. Затем он поступил в Высшее техническое училище в Граце, где стал изучать электротехнику и начал задумываться о несовершенстве электродвигателей постоянного тока.

В 1882 году Эдисон запустил две электростанции постоянного тока — в Лондоне и Нью-Йорке, наладив производство динамо-машин, кабелей, лампочек и осветительных приборов. Спустя два года американский изобретатель создает новую корпорацию — Edison General Electric Company, куда вошли десятки компаний Эдисона, разбросанные по всей Америке и Европе.

В том же году Тесла придумал, как использовать явление вращающегося электромагнитного поля, а значит он мог попытаться сконструировать электродвигатель переменного тока. С этой идеей ученый отправился в парижское представительство Continental Edison Company, но в тот момент компания была занята выполнением крупного заказа — сооружения электростанции для железнодорожного вокзала Страсбурга, в ходе выполнения которого возникли многочисленные ошибки. Теслу отправили спасать ситуацию, и в требуемые сроки электростанция была достроена. Сербский ученый отправился в Париж, чтобы получить обещанную премию в 25 000 долларов, однако компания отказалась выплачивать деньги.

Оскорбленный Тесла решил больше не иметь ничего общего с предприятиями Эдисона. Он поначалу хотел даже отправиться в Петербург, ведь Россия славилась в то время своими научными открытиями в области электротехники, в частности изобретениями Павла Николаевича Яблочкова и Дмитрия Александровича Лачинова. Однако, один из работников Континентальной компании уговорил Теслу отправиться в США и дал ему рекомендательное письмо к Эдисону: «Было бы непростительной ошибкой дать возможность уехать в Россию подобному таланту. Я знаю двух великих людей: один из них Вы, второй — этот молодой человек».

Прибыв в Нью-Йорк в 1884 году, Тесла приступает к работе в компании Edison Machine Works в качестве инженера по ремонту двигателей — генераторов постоянного тока. Тесла сразу же поделился с Эдисоном своими мыслями насчет переменного тока, но американского ученого идеи сербского коллеги не вдохновили — он очень неодобрительно отозвался и посоветовал Тесле заниматься на работе сугубо профессиональными делами, а не личными изысканиями.

Год спустя Эдисон предлагает Тесле конструктивно улучшить машины постоянного тока и за это обещает премию в 50 тысяч долларов. Тесла тут же принялся за работу и очень скоро предоставил 24 варианта новых машин Эдисона, а также новый коммутатор и регулятор. Эдисон работу одобрил, но деньги платить отказался, пошутив при этом, что эмигрант плохо понимает американский юмор. С этого момента Эдисон и Тесла стали непримиримыми врагами.

В том же году Тесла придумал, как использовать явление вращающегося электромагнитного поля, а значит он мог попытаться сконструировать электродвигатель переменного тока. Эдисон был к тому же весьма умелым предпринимателем: все его компании приносили прибыль, правда богатство как таковое его мало интересовало.

Деньги были нужны для работы: «Мне не нужны успехи богачей. Мне не нужно ни лошадей, ни яхт, на все это у меня нет времени. Мне нужна мастерская!» Однако, в 1886 году у корпорации Эдисона появился очень мощный конкурент — компания Westinghouse Electric Corporation. Первую 500-вольтную электростанцию переменного тока Джордж Вестингауз запустил в 1886 году в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс.

Так, монополии Эдисона пришел конец, ведь преимущества новых электростанций были очевидны. В отличие от американского изобретателя-любителя, Вестингауз основательно знал физику, поэтому прекрасно понимал слабое звено электростанций постоянного тока. Все изменилось, когда он познакомился с Теслой и его изобретениями, выдав сербу патент на счетчик переменного тока и многофазный электромотор. Это были те самые изобретения, с которыми в свое время Тесла обращался в парижскую компанию Эдисона. Теперь Вестингауз выкупил у сербского ученого в общей сложности 40 патентов и заплатил 32-летнему изобретателю 1 миллион долларов.

В 1893 году Вестингауз и Тесла выиграли заказ на освещение Чикагской ярмарки — 200 тысяч электрических лампочек работали от переменного тока, а спустя три года тандем ученых смонтировал на Ниагарском водопаде первую гидросистему для непрерывного питания переменным током города Баффало.

5. «Война токов»

С этого момента начинается борьба между двумя идеями: постоянным и переменным током.

Чтобы создать колебания электрического напряжения, нужно двигать постоянный магнит внутри рамки с проводом. Чем больше витков в рамке и чем сильнее магнит, тем больше будет напряжение. Его можно измерить с помощью вольтметра на зажимах рамки.

Особенность переменного напряжения — изменение полярности при движении магнита в другую сторону. При этом напряжение пересекает нулевую отметку.

Благодаря такому поведению напряжения и тока, переменное напряжение легко превратить в другое с помощью трансформаторов. Это позволяет передавать большие мощности на большие расстояния без потерь, как это невозможно для постоянного тока.

Первые генераторы переменного тока создали Тесла и Эдисон. Тесла придумал трёхфазную систему производства и передачи электроэнергии. Он предложил менять напряжение в зависимости от задачи. Например, для приборов использовать напряжение 50 или 60 Гц и амплитудой 110, 127 или 220 вольт. Для передачи на большие расстояния — повышать напряжение до 10 тысяч вольт.

При высоких напряжениях для передачи по одному и тому же проводнику нужно меньше тока. А чем меньше ток, тем меньше потери. Поэтому в линиях электропередач используют напряжение до 330 тысяч вольт.

Возможность менять напряжение позволяет использовать переменный ток напрямую. Асинхронные двигатели, обогреватели и другие приборы могут работать от сети. Более сложные приборы, которым нужно постоянное напряжение, получают его из переменного. Это уменьшает потери постоянного тока в проводниках.

В мире нет единого стандарта сетевого напряжения.

В Европе и России — 220 вольт при 50 Гц.

В Северной Америке — 127 вольт при 60 Гц.

В Японии — оба стандарта.

А в некоторых странах — 100 вольт при 50 Гц.

Поэтому, путешествуя, нужно знать напряжение и частоту в сети. В наше время важно иметь возможность заряжать ноутбук, телефон и фотоаппарат, чтобы делиться моментами своего путешествия.

6. Получение переменного тока

Переменный ток вырабатывают генераторы, электрические машины, -  как их принято называть в электротехнике.   В зависимости от применения генераторы бывают как переменного, так и постоянного тока.   В зависимости от их устройства, генераторы вырабатывают:

- трехфазный ток с выходным напряжением 380 Вольт;

- однофазный ток с выходным напряжением 220 Вольт.

Трехфазные генераторы, например, применяются для питания трехфазной тепловой пушки на 6 кВт 380В для обогрева складских помещений.

Однофазные генераторы применяются в больницах - при аварийном отключении электроэнергии.

Генератору необходимо придать механическое вращение якоря. Источниками для этого служат двигатели внутреннего сгорания:

- газовые;

- бензиновые;

- дизельные и другие. К другим источникам получения электрической энергии относятся: ветряные электростанции; водяные электростанции; турбинные электростанции.

Рис. 3

На рисунке показано схематическое изображение устройства генератора переменного тока (рис.3).   Рамку здесь можно представить, как якорь, состоящий из одного витка провода.   Рамка обозначена сторонами А, Б, В, Г.   Два проводника (А и Б) при вращении рамки, пересекают магнитные силовые линии постоянного магнита С, Ю.   При пересечении проводниками силовых линий, в проводниках наводится электродвижущая сила - ЭДС.   ЭДС двух проводников по своему значению противоположны друг другу в тот момент, когда они пересекают эти силовые линии. 

 Рис. 4

Величина ЭДС (рис.4), протекающего тока в рамке, будет зависеть:

- от величины магнитной индукции постоянного магнита (N, S);

- длины проводника;

- скорости пересечения проводником магнитных силовых линий и угла наклона проводника (рис.5) по отношению к силовым линиям постоянного магнита sin угла альфа между направлением движения проводника и направлением магнитных силовых линий поля. 

Рис. 5

При вращении рамки в магнитном поле, в ней наводится ЭДС двух противоположных значений и ток на графике (рис.6) получается пульсирующим. 

 Рис. 6

  Один период Т состоит из двух противоположных пульсаций тока, верхний полупериод -  положительный и нижний полупериод - отрицательный.    Полупериод обозначен на графике как 1/2 Т.

Поэтому, ток в этом примере рассматривается как:

- пульсирующий;

- синусоидальный.

2.4. Достоинства и недостатки переменного тока

При начале строительства передающих электросетей использование трансформаторов было единственной возможностью получать высокие напряжения и затем снижать их до нужного уровня при распределении к потребителям. Такая технология называлась трансформаторной, и до сих пор структура транспортировки электроэнергии не изменилась. Почти повсеместно используется переменный ток, который представляет собой трехфазные системы.

Позже стали конструироваться линии постоянного тока, которые последние годы используются все шире. Возросший интерес к их применению объясняется существенными недостатками систем переменного тока: в длинных линиях потери электроэнергии значительны. Причинами их являются наличие емкостного и индуктивного сопротивлений. При быстрой смене направления потока электронов наблюдается похожий на перезарядку конденсаторов эффект. Возникают дополнительные емкостные токи. Особенно это сказывается на наземных и подводных кабелях, изолирующий слой которых обладает высоким конденсаторным эффектом.  Индуктивное сопротивление линий появляется потому, что электрические токи генерируют магнитные поля, меняющиеся с частотой тока. Появляются индуктивные токи.

Важно! Оба вида реактивных сопротивлений возрастают с увеличением протяженности линий.

Достоинства переменного тока:

-легкая трансформация напряжения;

-возможность комбинирования различных систем передачи; возможность использования общесистемной частоты.

Недостатки переменного тока:

- необходимость компенсации реактивной мощности при транспортировке на значительные расстояния; сравнительно высокие потери.

Источники переменного тока более распространены, чем источники постоянного тока, так как обладают рядом технико-экономических преимуществ.

Источники переменного тока применяются для питания измерительных схем и аппаратуры, для создания специальных испытательных сигналов, используемых при снятии характеристик, регулировке и настройке различных радиоустройств. Они отличаются от обычных тем, что обеспечивают возможность более точной установки, регулировки и контроля параметров (частоты, формы и значения напряжения, мощности) выходных сигналов в широком диапазоне частот.  

Источники переменного тока получают первичное напряжение от промышленной сети переменного трехфазного тока напряжением 380/220В и частотой 50Гц. Для обеспечения ЭВМ бесперебойным энергоснабжением в аварийных ситуациях или в нестационарных условиях эксплуатации предусматривается также дополнительный агрегат гарантированного электропитания (АГП), в качестве которого могут быть использованы небольшие электростанции, аккумуляторы и другие первичные источники.

Источником переменного тока обычно служит ламповый генератор. Это связано с тем, что прохождение постоянного тока вызывало бы электролиз и в результате - изменение концентраций вблизи электродов.  В качестве детектора обычно применяют катодный осциллограф.  

Источником переменного тока может служить любой генератор звуковых частот с диапазоном   50 - 2 000 Гц.  

2. Применение постоянного и переменного тока

Переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Переменный ток частотой 50 Гц является промышленным стандартом в энергетике, применяется во всех отраслях промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, жилом секторе. На переменном токе работает электрооборудование рудников заводов, фабрик.

Он вращает двигатели станков, насосов, конвейеров, подъёмных механизмов. Им снабжается вся инфраструктура метрополитенов от освещения, эскалаторов до электропоездов. Тоже самое относится к электрифицированным железным дорогам. В наши дома и квартиры так же подаётся переменное напряжение.

• Постоянный ток применяется в аккумуляторах. Переменный порождает движение – не может храниться современными устройствами. Потом в приборе электричество преобразуется в нужную форму.
• КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине выгодно применять указанные разновидности.
• При помощи постоянного тока действуют магниты. К примеру, домофонов.
• Постоянное напряжение применяется электроникой. Потребляемый ток варьируется в некоторых пределах. В промышленности носит название постоянного.
• Постоянное напряжение применяется кинескопами для создания потенциала, увеличения эмиссии катода. Случаи назовем аналогами блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие значительно.

1. Перспективы совместного существования переменного и постоянного тока

Ученых и практиков по электротехники давно занимает вопрос объединения положительных качеств переменного и постоянного тока. Подобные решения стали возможны, благодаря появлению мощных импульсных полупроводниковых вентилей. Сегодня существуют инверторные устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное, промышленной частоты, и наоборот. Импульсные источники питания в радиоэлектронной аппаратуре и компьютерной технике стали компактными и мощными, в десятки раз более эффективными по сравнению с источниками питания на обычных трансформаторах.

Технологические возможности источников питания определяются внешними вольтамперными характеристиками.

Статическая характеристика источника питания представляет собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки при постоянном значении напряжения питающей сети в установившемся режиме.

По виду статических вольтамперных характеристик источники питания можно подразделить на источники с падающими (ПВХ) «крутыми» и «пологими», или жёсткими (ЖВХ) внешними характеристиками. Источники с внешними характеристиками двух видов называются универсальными.

3. Практическая часть

Одной из задач, выполняемых при помощи фотодатчиков, является управление освещением. Такие схемы называются фотореле, чаще всего это простое включение освещения в темное время суток.

Рассмотрим, как работает схема фотореле.

Автоматический выключатель питает понижающий трансформатор 220 В / 12 В а также лампу, через блок контакт реле К1, далее через диодный мост мы получаем постоянное напряжение 12 В для питания схемы фотореле.  Сопротивление фоторезистора PR1 при изменении освещенности меняет свое сопротивление, что приводит к открыванию транзистора VT1. Его коллекторный ток откроет транзистор VT2, который включит реле K1, которое своим контактом включит нагрузку (лампу).

Диод VD1 защищает схему от ЭДС самоиндукции, возникающей в момент выключения реле K1. Таким образом, очень маломощный сигнал фоторезистора преобразуется в сигнал достаточный для включения обмотки реле.

Чувствительность этой схемы достаточно высока, иногда просто избыточна. Чтобы ее уменьшить, и регулировать в необходимых пределах в схему включен переменный резистор R1.

Заключение

 На сегодняшний день невозможно представить пользование (как в быту, так и на производствах) каким-то одним из видов электричества — практически везде присутствует и постоянный, и переменный ток. Ведь где-то необходим постоянный, но его передача на дальние расстояния невозможна, а где-то переменный.

Конечно, доказано, что АС намного безопаснее, но как быть с приборами, помогающими экономить электроэнергию во много раз, в то время как они могут работать только на DC?

Именно по этим причинам сейчас токи «мирно сосуществуют» в нашей жизни, закончив «войну», которая продлилась более 100 лет. Единственное, что не стоит забывать — насколько бы одно ни было безопаснее другого (постоянное, переменное напряжение — не важно), оно может нанести огромный вред организму, вплоть до летального исхода.

И именно поэтому при работе с напряжением необходимо тщательно соблюдать все нормы и правила безопасности и не забывать про внимательность и аккуратность. Ведь, как говорил Никола Тесла, электричества не стоит бояться, его стоит уважать.

Используемая литература и источники:

1.Новейший полный справочник школьника: 5-11 кл. Физика, авт.-сост. О.П.Бальва.- М, Эксмо, 2009, стр.199-263.

2.Ю.В. Виноградов. Электронные приборы. М., Связь, 1977 год.

3.И.П. Жеребцов. Основы электроники. Л. Энергоатомиздат,1985 год.

4.В.Ю. Ломоносов, К.М. Поливанов, О.П. Михайлов. Электротехника. М. Энергоатомиздат, 1990 год.

5.А.С. Касаткин, М.В. Немцов. Электротехника. М., Энергоатомиздат, 1983 год.

6.В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. Полупроводниковые приборы. М., Высшая школа, 1987 год.

7. Справочное пособие по электротехнике и основам электроники. М., Высшая школа, 1986 год.

8.Электротехника. Учебник для ПТУ, под ред. А.Я.Шихина. М., Высшая школа, 1991.