Зміст:
- Як утворюється змінний струм
- Історія відкриття змінного струму
- Чому змінний струм використовується частіше постійного
- Нікола Тесла і питання безпеки та ефективності
- Через ефір
- Вібратор Герца, ефір і електромагнітна хвиля
- Де використовується змінний струм
Змінний струм – це рід струму, напрямок протікання якого безперервно змінюється. Що стає можливим завдяки наявності різниці потенціалів, що підкоряється певним законом. У повсякденному розумінні форма змінного струму нагадує синусоїду. Постійний може змінюватися по амплітуді, але тільки не за направленням. В іншому випадку це вже змінний струм.
Створення змінного струму
Як утворюється змінний струм
Можна сказати, що початок змінному струму, як явищу, поклав Майкл Фарадей, про що наші читачі більш детально дізнаються нижче по тексту. Було показано, що електричне і магнітне поля пов’язані. А струм є наслідком їх взаємодії. Сучасні генератори працюють за рахунок зміни величини магнітного потоку через площу, охватываемую контуром з мідного дроту. Строго кажучи, провідник може бути будь-яким. Мідь обрана з критеріїв максимальної придатності при мінімальній вартості.
Якщо статичний заряд переважно утворюється тертям, хоча це не єдиний шлях, то змінний струм виникає в результаті непомітних оку процесів. Величина пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через площу, охоплену контуром. (Див. також: Сила струму)
Історія відкриття змінного струму
Вперше змінних струмів стали приділяти увагу зважаючи комерційної цінності після появи на світ винаходів, створених Ніколою Тесла. Потрібно сказати, що матеріальний конфлікт з Едісоном наклала сильний відбиток на долі обох. В той момент, коли підприємець відмовився від своїх обіцянок перед Ніколою Тесла, тоді ж втратив чималу вигоду. Напевно видатному вченому не сподобалося таке вільне поводження, і він вигадав двигун змінного струму. Потрібно сказати, що до того часу всі користувалися постійним. Ось і Едісон просував цей вид.
Тесла вперше показав, що змінною напругою можна досягти набагато більших результатів. Особливо, коли енергію доводиться передавати на великі відстані. Використання трансформаторів без праці дозволяє підвищити напругу, що різко знижує втрати на активному опорі. А на приймальній стороні параметри знову повертаються до вихідних. Що дуже зручно. В результаті можна непогано заощадити на товщині проводів.
Отже, початок активного використання змінного струму поклав Нікола Тесла, створивши двофазний двигун. А досліди з передачі енергії на значні відстані все розставили по своїх місцях: не дуже зручно переносити виробництво в район Ніагарського водоспаду, набагато простіше прокласти лінію до місця призначення.
Відмінність змінного струму від постійного
Змінний струм володіє цілим рядом властивостей, які відрізняють його від постійного. Але ми спочатку звернемося до історії відкриття даного явища. Родоначальником явища змінного струму в побуті людства можна вважати Отто фон Геріке. Саме він першим помітив, що заряди бувають двох знаків. Отже, і струм може протікати в різному напрямку. Що стосується Тесла, то він більше орієнтувався на практичну частину, і в своїх лекціях згадує двох експериментаторів британського походження:
Вважається, що перші генератори змінного струму були створені в 30-е роки XIX століття. Тоді Майкл Фарадей експериментував з магнітними полями. Мало хто знає, що це викликало ревнощі у сера Гемфрі Деві, який критикував учня за плагіат. Тепер вже складно сказати, хто саме був прав, але факт залишається фактом: змінний струм без малого півстоліття не був ніким затребуваний. В першій половині ХІХ-го століття вже існував електричний двигун. Але працював він від постійного струму.
Саме Нікола Тесла вперше здогадався, як реалізувати теорію Араго про обертовому магнітному полі. Для цього знадобилися цілих дві фази змінного струму (зі зрушенням 90 градусів). Попутно Тесла зазначив, що можливі й більш складні системи (у своєму патенті). Ось чому багато пізніше винахідник трифазного двигуна, Доліво-Добровольський, не зміг запатентувати своє дітище. (Див. також: Діодний міст)
Таким чином, тривалий час змінний струм нікому не був потрібен. А Едісон навіть всіляко противився впровадження цього явища в ужиток.
Н. Тесла вивчав змінний струм
Чому змінний струм використовується частіше постійного
Нікола Тесла і питання безпеки та ефективності
Нікола Тесла вступив в конкуруючу з едісонівської компанію і всіляко просував нове явище. Він настільки захопився, що часто ставив експерименти на собі. Але на відміну від сера Гемфрі Деві, який вкоротив своє життя, вдихаючи різні гази, Тесла явно досяг чималого успіху: прожив до 86-ти років. Сам учений виявив, що при зміні напрямку течії струму зі швидкістю вище 700 разів в секунду сам процес стає порівняно безпечним для людини.
Під час своїх лекцій Тесла брав у руки лампочку з платиновою ниткою розжарення і демонстрував світіння приладу, пропускаючи через своє власне тіло струми високої частоти. Він стверджував, що це не тільки нешкідливо, але навіть приносить деяку користь для здоров’я. Струм, протікаючи лише по поверхні шкіри, одночасно очищає її. Як говорив сам Тесла, експериментатори колишніх днів (див. вище) не помічали таких дивовижних явищ з наступних причин:
- Недосконалі генератори механічного типу. Обертове поле використовувалося в буквальному сенсі: за допомогою будь-якого двигуна розкручувався ротор. Такий принцип не міг дати струмів високої частоти. Це і сьогодні ще проблематично при нинішньому рівні розвитку технології.
- У найпростішому випадку застосовувалися ручні розмикачі. В цьому випадку зовсім нічого говорити про високих частотах.
Сам Тесла використовував явище заряду і розряду конденсатора. Зараз мова йде про так звану RC-ланцюжком. Будучи заряджений до деякого рівня, конденсатор починає розряджатися через опір. Від параметрів цих елементів залежить і швидкість процесу, який протікає по експоненціальному закону. Зрозуміло, що в той час Тесла не міг використовувати для управління напівпровідникові ключі. Але термионные діоди вже були відомі. Ризикнемо припустити, що Тесла міг використовувати їх в якості стабілітронів, оперуючи з оборотним пробоєм.
Проте питання безпеки і донині не фігурують на першому місці. Слід сказати, що частоту 60 Гц (загальноприйнята в США) запропонував сам Нікола Тесла, як оптимальну для функціонування двигунів власної конструкції. Це сильно відрізняється від безпечного діапазону. У той же час, простіше сконструювати і генератор. І в будь-якому випадку змінний струм в обох сенсах виграє в постійного.
Через ефір
До цих пір ведуться суперечки про те, хто першим винайшов радіо. Потрібно сказати, що проходження хвилі через ефір Герц виявив, описавши закони руху їх і показавши, що вони схожі з оптичними. В даний час нам відомо, що тільки змінне поле може подорожувати в просторі. І це явище Попов у 1895 році використовував для передачі першого на Землі повідомлення «Генріх Герц».
Ми бачимо, що вчені мужі дуже дружні між собою. Скільки поваги в цьому першому повідомленні. А дата так і залишається спірною, тому що кожна держава першість хотів би залишити за собою. Отже, лише змінний струм може створювати поле, що розповсюджується через ефір.
Сьогодні добре відомі діапазони мовлення, вікна і стіни, якщо так можна висловитися, атмосфери та різних середовищ (вода, гази і ін). Причому важливе місце в цьому плані відводиться частоті. Встановлено, що кожен сигнал можна представити у вигляді суми елементарних коливань-синусоїд (згідно теоремам Фур’є). Спектральний аналіз оперує цими найпростішими гармоніками. А сумарний ефект розглядається як рівнодіюча від елементарних складових.
Вікна в атмосфері визначаються абсолютно аналогічним чином. Є частоти, які проходять крізь її товщу добре і погано. Не завжди останнє виявляється негативним ефектом. Так наприклад, в мікрохвильових печах використовуються частоти 2,4 ГГц, ударно поглинаються парами води. Для зв’язку ці хвилі марні, зате як гарні в кулінарії!
Але у багатьох, напевно, виникає питання про те, як саме хвиля може поширюватися через ефір. Давайте обговоримо це більш детально.
Диполь Герца антена
Вібратор Герца, ефір і електромагнітна хвиля
Взаємозв’язок електричного і магнітного полів вперше продемонстрував у 1821 році Майкл Фарадей. Трохи пізніше було показано, що конденсатор придатний для створення коливань. Не можна сказати, щоб зв’язок цих двох подій була негайно усвідомлена. Фелікс Саварен розряджав лейденську банку через дросель, серцевиною якого служила сталева голка.
Невідомо достеменно, чого домагався астроном, але результат виявився дуже цікавим. Іноді голка виявлялася намагніченої в одному напрямку, а іноді в іншому. При цьому струм генератора був одного знака. Вчений цілком правильно зробив висновок про загасаючому коливальному процесі. Хоча толком нічого не знав про індуктивних і ємнісних реактивних опорів.
Теорія під сам процес була підведена пізніше. Досліди були повторені Джозефом Генрі і Вільямом Томпсоном з визначенням резонансної частоти: тієї, де процес тривав максимальний період часу. Це дозволило кількісно описати залежності характеристик ланцюга від елементів її складових (індуктивність та ємність). А в 1861 році Максвелл вивів свої знамениті рівняння, одним із наслідків яких нам особливо важливо: «Змінне електричне поле породжує магнітне і навпаки».
Виникає хвиля, в якій вектори індукції перпендикулярні один одному. У просторі вони повторюють форму породив процесу. І така хвиля може подорожувати в ефірі. Саме це і використав Генріх Герц, коли розгорнув обкладки конденсатора в просторі, і вони стали випромінювачами. Фактично Попов лише здогадався закладати інформацію в електромагнітну хвилю, що і використовується сьогодні повсюдно. Причому не лише в ефірі, але і всередині напівпровідникової техніки.
Де використовується змінний струм
Можна сказати, таким чином, що змінний струм лежить в основі принципу дії більшості відомих сьогодні приладів. Простіше сказати, де застосовується постійний, а читачі самі зроблять висновки:
У всіх інших випадках змінний струм має вагому перевагу. Перш за все, завдяки можливості застосування трансформаторів. Навіть у зварюванні тепер уже далеко не завжди панує постійний струм, але в будь-якому сучасному обладнанні цього типу є інвертор. Так набагато простіше і зручніше отримати гідні технічні характеристики.
Хоча історично першими були отримані статичні заряди. Взяти хоча б шерсть і бурштин, з якими працював Фалес Мілетський.