Зміст:
- Історія змінного і постійного електричного струму
- Як з’являється електричний струм
- Як справа йде насправді з електричним струмом
- Приклади використання змінного і постійного струму
Спочатку люди взагалі не знали, що таке струм. Був просто статичний заряд, але ніхто не розумів і не усвідомлював самої природи електрики. Знадобилися довгі століття, поки Кулон розробив свою теорію, а німецький священик фон Клейн виявив, що банку може запасати енергію. До того часу, як Ван де Грааф створив свій перший генератор, кожний вже знав, у чому відмінність постійного струму від змінного. А тепер прийшла пора і наших читачів знайти для особистого користування ці відомості.
Історія змінного і постійного електричного струму
Коли Господь переконався, що даремно лякати стадо баранів блискавками і громом, він вирішив просувати історію дещо іншим шляхом. В результаті людське суспільство намагалося зробити людей шляхом:
Так поступово, крок за кроком, із звірів вийшло щось більш розумне. Сьогодні, наприклад, багатьох шокує, що в США поліцейський може грубо обійтися з негритянкою при арешті, а якихось 100-200 років тому африканців вішали штабелями і вважали це прикладом для наслідування. Потрібно сказати, що моральний розвиток суспільства почалося саме в останні десятиліття, коли суспільство відкрито визнало фашистів злочинцями і почав проповідувати і впроваджувати так звані права людини. Наука ж розвинулася набагато раніше. (Див. також: Пристрій і принцип роботи електродвигуна постійного струму)
Порівняння типів струму
З давніх-давен, наприклад, люди бачили, що кристал турмаліну притягує попіл. Чому так відбувається? Слід сказати, що властивості п’єзоелектрики були вперше описані саме на прикладі турмаліну. В початку 19-го століття було показано, що кристал, будучи нагрітий, набуває електричний заряд. За рахунок того, що відбулася деформація, утворилися два полюси:
- Південний (аналогічний).
- Північний (антилогический).
Причому, якщо температура після нагрівання залишається постійною, то електрика зникає. Потім поява полюсів спостерігається вже при охолодженні. Інакше кажучи, кристал турмаліну при зміні температури виробляє електрику. Подальші дослідження показали, що розмір потенціалу залежить від:
Інші ж фактори ніякого впливу на величину заряду не надають. Завдяки чому це відбувається? Дане явище отримало назву піроелектрики. Будучи діелектриком, турмалін потихеньку заряджався від струму, поточного всередині. А заряд залишався на місці (певні ділянки поверхні) з-за ізолюючих властивостей. Таким чином, поки не замкнути полюса турмаліну провідником, кристал буде накопичувати заряд міру зміни температури. Лінію, що поєднує полюса назвали пироэлектрической віссю.
Пьезоэлектричество було відкрито відомою парою Кюрі на основі того ж турмаліну в 1880 році. Було зрозуміло, що при зміні розмірів кристала будуть вироблятися заряди, залишилося тільки придумати методику для проведення досвіду. Кюрі використовував для цього статичний тиск звичайної маси. Зрозуміло, що весь експеримент проводиться на ізолюючої поверхні. Так наприклад, маса в 1 кг викликає появу в кристалі турмаліну електричного заряду близько п’яти сотих статичних одиниць.
Електричний струм
Як з’являється електричний струм
Цікаво, що струнка теорія з даного питання ще не створена. Для нас же важливо те, що в природі існують заряди, і різними методами можна їх отримувати. Під час грози це виходить за рахунок сил тертя повітряних мас, молекул вологи і деяких інших явищ. Земля заряджена негативно, і вгору постійно тече струм через атмосферу. Тобто струмом називається рух носіїв заряду в силу яких-небудь причин. І однією з них є різниця потенціалів – перепад у рівні носіїв між двома точками простору.
Можна порівняти це з напором води. І як тільки перешкода усувається, потік рине в тому напрямку, де менше тиск. Тепер візьмемо аналогію з кристалом турмаліну. Припустимо, що з’явилися на його кінцях заряди, що робити далі? Потрібно викликати рух, наприклад, мідною жилкою дроти. Об’єднаємо полюса, і потече електричний струм. Рух носіїв буде тривати до тих пір, поки потенціал не зрівняється. При цьому кристал розряджається. (Див. також: Пристрій і принцип роботи генератора змінного струму)
Але постійний у нас в цьому випадку струм або змінний? В даному випадку не можна нічого подібного сказати про хід процесу. Змінний і постійний струм є фізичними ідеалами, а використовуються у силу відносної простоти отримання математичних моделей і управління за допомогою них технологічним обладнанням. Що являють собою означені вище поняття?
Принцип змінного струму
Як справа йде насправді з електричним струмом
На практиці форма струму (залежність густини зарядів від часу) не є синусоїдальної. З різних причин вид графіка спотворюється. Це, наприклад, відбувається при запуску і зупинці обладнання, із-за наведених перешкод різної природи. Таким чином, форма змінного і постійного струму спотворюється. Причому давно встановлено, що це шкодить апаратурі. Оскільки для боротьби з подібною напастю були потрібні якісь методи, математики придумали так званий спектральний аналіз. Багато чули про щось подібне на фондовому ринку, але в даному випадку йдеться швидше про інше: вчені шукають математичну модель, яка відносно легко б піддавалася розрахунку і прогнозу результатів.
Такий спосіб дійсно був знайдений, і ім’я йому – спектральний аналіз. У цьому випадку коливання будь-якої форми можна представити у вигляді суми з різною питомою вагою найпростіших синусоїд різної частоти. Виходить, що по ланцюгу рухається одночасно багато-багато складових. І в цілому вони дають струм. Причому не обов’язково всі складові рухаються туди ж, куди і основна маса. Можна це уявити, як групу мурах, кожен з яких тягне в свою сторону, а результуючий ефект змушує вантаж переміщатися лише в одну. Ми гадаємо, нашим читачам це тільки заб’є голову, а тому згадаємо, що крім коефіцієнта (амплітуди) кожна складова має і фазою (напрямом), а іменується гармонікою.
Схема постійного струму
Так от, каскади техніки влаштовані так, щоб корисні частоти (насамперед 50 Гц) проходили всередину приладу, а все інше йшло на землю. Це і є той ознака для вирішення проблеми, про яку ми говорили на початку. Будь-яке коливання можна представити у вигляді набору корисних і шкідливих сигналів і, виходячи з цього, апаратуру конструювати належним чином. Наприклад, на цьому принципі працюють всі приймачі: вони вибірково пропускають тільки струм потрібної частоти. За рахунок цього вдається відрізати перешкоди, а хвиля передається з мінімальними спотвореннями на великі відстані.
Ми могли б довго говорити на цю тему, але прийшла пора навести приклади того, де використовується постійний струм, і де використовується змінний струм.
Приклади використання змінного і постійного струму
Приблизно постійним можна вважати струм розряду автомобільного акумулятора. Строго кажучи, напруга тут з часом падає, а тому навіть при одній і тій же навантаженні ефект різниться хронометрически. Але, загалом і в цілому, це відбувається досить плавно. А струм тече в одному напрямку і має приблизно постійну щільність. Аналогічно працюють:
Але це все ємності, а як же генератори? В природі джерел постійного струму за винятком матінки-Землі не є. Людині набагато зручніше створювати ротори, які обертаючись з деякою частотою, створюють умови для освіти в котушках статора змінного електричного струму. Потім промислова частота 50 Гц проходить по проводах і через підстанцію подається на споживача.
Як би те ні було, джерелом постійного струму можна вважати адаптери. Це пристрої, які виконують перетворення змінного струму в постійний. Припустимо, у стільникових телефонів це зазвичай близько +5 В, тоді як для мобільних рацій існує великий розкид. У загальному і цілому треба розуміти, що пристрій постійного струму може функціонувати тільки від того номіналу, для якого сконструйоване. В іншому випадку, або порушується працездатність, або при великих відхиленнях – можливий повний вихід з ладу.
Це стосується і змінного і постійного струму. Тепер прийшла пора сказати, що в промисловості перетворення постійного струму в змінний і назад не практикується. З міркувань економії всі двигуни працюють від трьох фаз. Кожна з них є змінним струмом частоти 50 Гц. Але вище ми говорили, що у кожної гармоніки є фаза. В нашому випадку вона дорівнює 120 градусів. А коло утворюється за рахунок 360 градусів. Виходить, що всі три фази одно відстоять один від одного. Саме при такому розкладі генераторів ГЕС легше всього виробляти енергію, точно в тому ж вигляді вона надходить і нам в будинку. Але в кожну квартиру заходить тільки одна фаза змінного струму.
Тому побутові прилади за своїм внутрішнім устроєм сильно відрізняються від промислових. Дуже важливими є параметри змінного струму. У кожній державі вони стандартизовані і повинні строго дотримуватися. Перш за все, до параметрів змінного струму відносять:
Такі вимоги пред’являються і параметри постійного струму. Наприклад, всім відомі автомобільні акумулятори насправді мають у своєму арсеналі не 12, а 14 Ст. А по мірі розряду вольтаж падає. Більш того, якщо на акумуляторі зареєстровано напруга 11,9, то він вважається чи не вийшов з ладу. Тому ще треба уважно читати інструкції. Але і це ще не все: в деяких ноутбуках, наприклад, існує заряд дбайливого витрати енергії акумулятора. У цьому випадку рівень підтримується в рамках двох третин від повного. Вважається, що саме в цьому випадку батарея буде служити довше.
Ви бачите, що вимог досить багато. І всі вони спрямовані на підтримання довгої і правильного функціонування обладнання. Таким чином, параметри постійного та змінного струму є одними з факторів, що визначають надійність і працездатність системи.