Постоянный и переменный ток

 

 

 

 

 

 

 

 

Электропитание систем автоматизации

 

 

 

Реферат

на тему:

 

"Постоянный и переменный  ток"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Одесса 2013

Содержание

 

1. Введение…………………………………………………………………..….…3
2. Основные определения…………………………………………………….....4
3. Постоянный ток………………………………………………….……….……4
4. Переменный ток…………………………………………………………….....5
5. Получение переменного тока…………………………………………….…...5
6. Действующее значение силы тока и напряжения……………………….….6
7. Достоинства и недостатки……………………………………………….……6
8. Список литературы…………………………………………………….……...8

 

 

Введение

постоянный переменный ток

Что же такое электрический ток  и что необходимо для его возникновения  и существования в течение  нужного нам времени?

Слово «ток» означает движение или  течение чего-то. Электрическим током  называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы  получить электрический ток в  проводнике, надо создать в нем  электрическое поле. Чтобы электрический  ток в проводнике существовал  длительное время, необходимо все это  время поддерживать в нем электрическое  поле. Электрическое поле в проводниках  создается и может длительное время поддерживаться источниками  электрического тока. В настоящее  время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводниковый (солнечные батареи), но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются  на полюсах источника тока, - так  называют места, к которым с помощью  клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника  тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы соединить  проводником, то под действием поля свободные заряженные частицы в  проводнике будут двигаться, возникнет  электрический ток.

 

Основные определения

 

Электрический ток широко используется в энергетике для передачи энергии  на расстоянии.

Электрический ток — упорядоченное  нескомпенсированное движение свободных  электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в  электролитах — ионы (катионы и  анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках —  электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Различают переменный и постоянный токи.

Постоянный ток — ток, направление  и величина которого слабо меняется во времени.

Переменный ток — это ток, направление и величина которого меняется во времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному  закону. В этом случае потенциал  каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого  конца проводника попеременно с  положительного на отрицательный и  наоборот, проходя при этом через  все промежуточные потенциалы. В  результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным  значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом  вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает  максимального значения, спадает, чтобы  затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Время, за которое происходит один такой цикл (время, включающее изменение  тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током за единицу  времени, носит название частота. Частота  измеряется в герцах, один герц соответствует  одному периоду в секунду.

 

 

Постоянный ток

 

Постоянный ток, электрический  ток, не изменяющийся с течением времени  ни по силе, ни по направлению. Постоянный ток возникает под действием  постоянного напряжения и может  существовать лишь в замкнутой цепи; во всех сечениях неразветвлённой цепи сила постоянный тока одинакова.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные законы постоянный ток: закон  Ома, устанавливающий зависимость  силы тока от напряжения, закон Джоуля — Ленца, определяющий количество тепла, выделяемого током в проводнике. Расчёт разветвленных цепей производится с помощью правил Кирхгофа.

Источниками постоянного тока большой  мощности являются электромашинные  генераторы. Так же его получают выпрямлением переменного. Источниками  тока небольшой мощности служат гальванические элементы, термоэлементы, фотоэлементы, которые могут быть сгруппированы  в батареи (в т. ч. солнечные батареи), и электромашины малой мощности. Новыми источниками с высоким  кпд являются магнитогидродинамические генераторы. Вторичными, предварительно заряжаемыми источниками постоянного  тока служат  аккумуляторы.

Постоянный ток низкого напряжения используется в различных отраслях промышленности, например в электрометаллургии для расплава и электролиза руд, в первую очередь алюминиевых, и  т.п. Он применяется в тяговых  электродвигателях на транспорте, а  также в электроприводах, когда  необходимы двигатели, обладающие большой  перегрузочной способностью, скорость которых можно плавно и экономично менять в широких пределах. Питание  устройств связи, автоматики, сигнализации и телемеханики производится постоянным током. Разрабатывается проблема передачи энергии такого тока практически  без потерь по сверхпроводящим линиям.

 

 

Переменный ток

 

Как мы уже знаем, электрический  ток бывает постоянным и переменным. Но широко применяется только переменный ток. Это обусловлено тем, что  напряжение и силу переменного тока можно преобразовывать практически  без потерь энергии.

Переменный ток, в отличие от тока постоянного, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются  через равные промежутки времени. характеризуется  двумя параметрами — периодом и амплитудой, зная которые мы можем  судить, какой это переменный ток, и построить график тока.

 

 

 

Получение переменного тока

 

Переменный ток получают при  помощи генераторов переменного  тока с использованием явлений электромагнитной индукции. На рисунке изображена примитивная  установка для выработки переменного  тока.

Принцип действия установки прост. Проволочная рамка вращается  в однородном магнитном поле с  постоянной скоростью. Своими концами  рамка закреплена на кольцах, вращающихся  вместе с ней. К кольцам плотно прилегают пружины, выполняющие  роль контактов. Через поверхность рамки непрерывно будет протекать изменяющийся магнитный поток, но поток, создаваемый электромагнитом, останется постоянным. В связи с этим в рамке возникнет ЭДС индукции. Для того чтобы определить, изменяется ли магнитный поток, проходящий по поверхности рамки, нужно всего лишь сравнить положение рамки в определенные периоды времени. Для этого нужно внимательно посмотреть на рисунке.

 

 

Действующие значения силы тока и  напряжения

 

Как известно, переменная ЭДС индукции вызывает в цепи переменный ток. При  наибольшем значении ЭДС сила тока будет иметь максимальное значение и наоборот. Это явление называется совпадением по фазе. Несмотря на то что значения силы тока могут колебаться от нуля и до определенного максимального  значения, имеются приборы, с помощью  которых можно замерить силу переменного  тока.

Характеристикой переменного тока могут быть действия, которые не зависят от направления тока и  могут быть такими же, как и при  постоянном токе. К таким действиям  можно отнести тепловое. К примеру, переменный ток протекает через  проводник с заданным сопротивлением. Через определенный промежуток времени  в этом проводнике выделится какое-то количество тепла. Можно подобрать  такое значение силы постоянного  тока, чтобы на этом же проводнике за то же время выделялось этим током  такое же количество тепла, что и  при переменном токе. Такое значение постоянного тока называется действующим  значением силы переменного тока.

Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы не позволяют производить  замеры в цепях переменного тока. Это происходит потому, что при  каждом изменении тока в катушке  меняется направление вращающего момента, которое воздействует на стрелку  прибора. Из-за того что катушка и  стрелка обладают большой инерцией, прибор не реагирует на переменный ток. Для этих целей применяются  приборы, не зависящие от направления  тока. Например, это могут быть приборы, основанные на тепловом действии тока. В таких приборах стрелка поворачивается за счет удлинения нити, нагреваемой  током.

Можно также применять приборы  с электромагнитной системой действия. Подвижной частью в данных приспособлениях  является железный диск небольшого диаметра.

Он перемагничивается и втягивается  внутрь катушки, через которую пропущен переменный ток. Такие приборы измеряют действующие значения силы тока и  напряжения.

 

 

Достоинства и недостатки

 

Электрические станции вырабатывают электрическую энергию трехфазного  переменного тока, который передается на большие расстояния по трем проводам. Частота переменного тока, питающего  промышленные установки, в разных странах  различна. Она колеблется от 25 до 60 периодов в секунду (герц). В России, как  и в большинстве стран, промышленная частота принята равной 50 Гц.

Одно из отрицательных свойств  переменного тока в том, что провода, по которым протекает ток, необходимо рассчитывать на максимальное значение силы тока, а практически используется немногим более 2/3 этого значения. Есть и другие отрицательные следствия. Явление электромагнитной индукции приводит, например, к тому, что переменный ток в проводах распределяется не равномерно по всему сечению, а главным образом вблизи поверхности. Благодаря тому, что используется не все сечения проводов, их сопротивление реально возрастает. Далее, переменный ток, как и ток постоянный, окружен магнитным полем, но полем переменным. А такое поле, согласно закону электромагнитной индукции, вызывает в соседних проводах и в других проводящих материалах электрические токи, что приводит к бесполезной потере энергии.

Все эти недостатки полностью отсутствуют  у постоянного тока. Почему же все-таки переменный ток практически безраздельно господствует в технике и в  быту?

Прежде всего, сам принцип действия электрических генераторов таков, что в них возникает именно переменная ЭДС. Но не в этом главное. С помощью нехитрого устройства можно тот же генератор сделать  источником и постоянного тока. Главная  причина «популярности» переменного  тока связана с тем, что электрическую  энергию приходится передавать из мест, где она производится (электростанции), к местам ее потребления и часто  на большие расстояния. При этом часть передаваемой энергии неизбежно  теряется в виде тепла в проводах, по которым она передается в линиях электропередачи (ЛЭП). Чтобы эти  потери были не слишком высокими, нужно, оказывается, использовать для передачи высокое напряжение.

Необходимость высокого напряжения видна  из следующего простого расчета. Допустим, что электрическая мощность Р = 66 кВт передается от электростанции в  город под напряжением 220 В (именно такое напряжение обычно используется потребителями). Пусть сопротивление  ЛЭП равно 0,4 Ом. Тогда сила тока в  ЛЭП составит I = 66 000 Вт / 220 В = 300 А, а  выделившееся в линии количество теплоты — Q = I2R =(300 A)2·0,4 Ом = 36 000 Вт. Больше половины передаваемой мощности (54,5 %) будет потеряно в виде тепла в  ЛЭП! А теперь представим себе, что  та же мощность по той же ЛЭП передается при напряжении 22 000 В. Теперь ток  в цепи будет равен I = 66 000 Вт / 22 000 В = 3 А, а выделившееся количество теплоты  — Q = (3 A)2·0,4 Ом = 3,6 Вт. Потеряно будет  всего около 0,005 %! Вот почему электрическая  энергия по ЛЭП всегда передается при очень высоком напряжении — 110, 220, 330, 400, 500 и даже 750 киловольт.

Однако те недостатки переменного  тока, которые были изложены выше, заставляют думать о том, нельзя ли все-таки для  передачи электрической энергии  использовать постоянный ток, конечно, тоже высокого напряжения? Это сделать  непросто. Действительно, сначала нужно  переменное напряжение, после его  повышения, преобразовать в постоянное (для этого служат выпрямители), а  затем на другом конце ЛЭП —  превратить переданное постоянное напряжение в переменное (это можно сделать  с помощью устройств, называемых инверторами), чтобы напряжение можно  было понизить до значения, нужного  потребителю.

Для техники в равной мере нужны  и полезны оба тока. В некоторых  случаях незаменим постоянный ток, например там, где используется электролиз. Но без переменных токов не было бы радиосвязи, телевидения и т. д.

 

Список литературы

 

1. http://www.mukhin.ru
2. http://dic.academic.ru
3. http://bse.sci-lib.com/article091915.html
4. Слободянюк А.И. Физика 10