Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Хоча електричні прилади ми кожен день використовуємо в повсякденному житті, не кожен може відповісти, чим відрізняється змінний струм від постійного, незважаючи на те, що про це розповідається в рамках шкільної програми. Тому має сенс нагадати основні догмати.

узагальнені визначення

Фізичний процес, при якому заряджені частинки рухаються впорядковано (направлено), називається електрострумом. Його прийнято розділяти на змінний і постійний. У першого напрямок і величина залишаються незмінними, а у другого ці характеристики змінюються по певній закономірності.

Наведені визначення сильно спрощені, хоча і пояснюють різницю між постійним і змінним електрострумом. Для кращого розуміння, в чому полягає ця різниця, необхідно привести графічне зображення кожного з них, а також пояснити, як утворюється змінна електрорушійна сила в джерелі. Для цього звернемося до електротехніки, точніше її теоретичним основам.

джерела ЕРС

Джерела електроструму будь-якого роду бувають двох видів:

  • первинні, з їх допомогою відбувається генерація електроенергії шляхом перетворення механічної, сонячної, теплової, хімічної або іншої енергії в електричну;
  • вторинні, вони не генерують електроенергію, а перетворять її, наприклад, з змінної в постійну або навпаки.

Єдиним первинним джерелом змінного електроструму є генератор, спрощена схема такого пристрою показана на малюнку.

Спрощене зображення конструкції генератора

позначення:

  • 1 - напрямок обертання;
  • 2 - магніт з полюсами S і N;
  • 3 - магнітне поле;
  • 4 - дротова рамка;
  • 5 - ЕРС;
  • 6 - кільцеві контакти;
  • 7 - струмозйомники.

Принцип роботи

Механічна енергія перетворюється зображеним на малюнку генератором в електричну наступним чином:

за рахунок такого явища, як електромагнітна індукція, при обертанні рамки «4», вміщеній в магнітне поле «3» (виникає між різними полюсами магніту «2»), в ній утворюється ЕРС «5». Напруга в мережу подається через струмозйомники «7» з кільцевих контактів «6», до яких підключена рамка «4».

Відео: постійний і змінний струм - відмінності

Що стосується величини ЕРС, то вона залежить від швидкості перетину силових ліній «3» рамкою «4». Через особливості електромагнітного поля мінімальна швидкість перетину, а значить і найнижче значення електрорушійної сили буде в момент, коли рамка знаходиться у вертикальному положенні, відповідно, максимальне - в горизонтальному.

З огляду на викладене вище, в процесі рівномірного обертання индуктируется ЕРС, характеристики величини і напрямки якого змінюються з певним періодом.

графічні зображення

Завдяки застосуванню графічного методу, можна отримати наочне уявлення динамічних змін різних величин. Нижче наведено графік зміни напруги з плином часу для гальванічного елемента 3336Л (4, 5 В).

Горизонтальна вісь відображає час, вертикальна - напруга

Як бачимо, графік являє собою пряму лінію, тобто напруга джерела залишається незмінним.

Тепер наведемо графік динаміки зміни напруги протягом одного циклу (повного обороту рамки) роботи генератора, .

Горизонтальна вісь відображає кут повороту в градусах, вертикальна - величину ЕРС (напруга)

Для наочності покажемо початкове положення рамки в генераторі, відповідне початкової точки звіту на графіку (0 °)

Початкове положення рамки

позначення:

  • 1 - полюси магніту S і N;
  • 2 - рамка;
  • 3 - напрямок обертання рамки;
  • 4 - магнітне поле.

Тепер подивимося, як буде змінюватися ЕРС в процесі одного циклу обертання рамки. У початковому положенні ЕРС буде нульовим. У процесі обертання ця величина почне плавно зростати, досягнувши максимуму в момент, коли рамка буде під кутом 90 °. Подальше обертання рамки призведе до зниження ЕРС, досягнувши мінімуму в момент повороту на 180 °.

Продовжуючи процес, можна побачити, як електрорушійна сила змінює напрямок. Характер змін поміняла напрям ЕРС буде таким же. Тобто вона почне плавно зростати, досягнувши піку в точці, що відповідає повороту на 270 °, після чого буде знижуватися, поки рамка завершить повний цикл обертання (360 °).

Якщо графік продовжити на кілька циклів обертання, ми побачимо характерну для змінного електроструму синусоїду. Її період буде відповідати одному обороту рамки, а амплітуда - максимальну величину ЕРС (прямий і зворотній).

Тепер перейдемо до ще одну важливу характеристику змінного електроструму - частоті. Для її позначення прийнята латинська буква «f», а одиниця її виміру - герц (Гц). Цей параметр відображає кількість повних циклів (періодів) зміни ЕРС протягом однієї секунди.

Визначається частота за формулою:. Параметр «Т» відображає час одного повного циклу (періоду), вимірюється в секундах. Відповідно, знаючи частоту, нескладно визначити час періоду. Наприклад, в побуті використовується електрострум з частотою 50 Гц, отже, час його періоду буде дві сотих секунди (1/50 = 0, 02).

Генератори трифазні

Зауважимо, що найбільш економічно вигідним способом отримання змінного електроструму буде використання трифазного генератора. Спрощена схема його конструкції показана на малюнку.

Пристрій трифазного генератора

Як бачимо, в генераторі використовуються три котушки, розміщені зі зміщенням 120 °, з'єднані між собою трикутником (на практиці таке з'єднання обмоток генератора не застосовується на увазі низького ККД). При проходженні одного з полюсів магніту повз котушки, в ній індукується ЕРС.

Графічне зображення згенерованого трифазного електроструму

Чим обумовлено різноманітність електрострумів

У багатьох може виникнути цілком слушне запитання - навіщо використовувати таке розмаїття електрострумів, якщо можна вибрати один і зробити його стандартним? Вся справа в тому, що не кожен вид електроструму підходить для вирішення того чи іншого завдання.

Як приклад наведемо умови, при яких використовувати постійна напруга буде не тільки не вигідно, ні і іноді неможливо:

  • задача передачі напруги на відстані простіше реалізовується для змінної напруги;
  • перетворити постійний електрострум для різнорідних електроланок, у яких невизначений рівень споживання, практично неможливо;
  • підтримувати необхідний рівень напруги в ланцюгах постійного електроструму значно складніше і дорожче, ніж змінного;
  • двигуни для змінної напруги конструктивно простіше і дешевше, ніж для постійного. В даному пункті необхідно зауважити, що у таких двигунів (асинхронних) високий рівень пускового струму, що не дозволяє їх використовувати для вирішення певних завдань.

Тепер наведемо приклади завдань, де доцільніше використовувати постійна напруга:

  • щоб змінити швидкість обертання асинхронних двигунів потрібно, змінити частоту електромережі, що вимагає складного обладнання. Для двигунів, що працюють від постійного електроструму, досить змінити напруга живлення. Саме тому в електротранспорті встановлюють саме їх;
  • харчування електронних схем, гальванічного обладнання та багатьох інших пристроїв також здійснюється постійним електрострумом;
  • постійна напруга значно безпечніше для людини, ніж змінне.

Виходячи з перерахованих вище прикладів, виникає необхідність у використанні різних видів напруги.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Електрик