КАК: Переменный ток (AC) против постоянного тока (DC): что нужно знать

Что такое электричество

Появление электричества – это определенная совокупность явлений, которые обусловлены существованием электрических зарядов со знаком «+» и «-», их взаимодействием между собой и возможностью движения. За счет того, что совокупность зарядов может перемещаться по проводнику, обладать притягивающими и отталкивающими свойствами, было открыто явление магнетизма и электричества. Одним из первых это описал Фалес, а позже в 1600 году английский физик Уильям Гилберт. С течением времени знания об этом явлении только увеличивались и прогрессировали.

С точки зрения физики, электричество – это упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных частиц по материалу проводникового типа под действием электрического поля. В качестве частиц выступают ионы, протоны, нейтроны и электроны.

Что такое переменный (AC) и постоянный (DC) ток?

AC от англ. «alternating current» обозначает переменный ток, а DC «direct current» – постоянный ток.

АС чередует направление тока, а DС течет только в одном направлении.

Сварочные машины и электроды с маркировкой DC имеют постоянную полярность, тогда как маркированные AC изменяют полярность 120 раз в секунду с частотой тока 60 герц.

Происхождение переменного и постоянного тока

Магнитное поле около провода заставляет электроны течь в одном направлении вдоль провода, потому что они отталкиваются отрицательной стороной магнита и притягиваются к положительной стороне. Так родился источник постоянного тока от батареи, в первую очередь благодаря работе Томаса Эдисона.

Генераторы переменного тока постепенно заменили аккумуляторную систему постоянного тока Edison, потому что переменный ток безопаснее переносить на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность. Вместо постоянного применения магнетизма вдоль проволоки ученый Никола Тесла использовал вращающийся магнит. Когда магнит был ориентирован в одном направлении, электроны текли к положительному, но когда ориентация магнита была перевернута, электроны также поворачивались.

Сравнительная таблица

Сравнительный график переменного тока и постоянного тока

	Переменный ток	Постоянный ток
Количество энергии, которое можно нести	Безопасно переносить на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность.	Напряжение постоянного тока не может перемещаться очень далеко, пока оно не начнет терять энергию.
Причина направления потока электронов	Вращающийся магнит вдоль провода.	Устойчивый магнетизм вдоль провода.
частота	Частота переменного тока составляет 50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны.	Частота постоянного тока равна нулю.
направление	Он меняет свое направление, пока течет по кругу.	Он течет в одном направлении в цепи.
ток	Это величина, изменяющаяся во времени	Это ток постоянной величины.
Поток электронов	Электроны продолжают переключать направления – вперед и назад.	Электроны неуклонно движутся в одном направлении или «вперед».
Получен из	Генератор переменного тока и сеть.	Ячейка или батарея.
Пассивные параметры	Сопротивление.	Только сопротивление
Фактор силы	Лежит между 0 и 1.	это всегда 1.
Типы	Синусоидальный, Трапециевидный, Треугольный, Квадратный.	Чистый и пульсирующий.

Переменный и постоянный ток. Горизонтальная ось – это время, а вертикальная ось представляет напряжение.

Постоянный ток

Международный символ этого напряжения DC — Direct Current (постоянный ток), а условное обозначение на электросхемах «—» или «=». Величина и полярность этого вида напряжения являются неизменными, а сила тока изменяется только при изменениях нагрузки. Этот вид электрического тока производится аккумуляторами, батарейками и элементами солнечных электростанций.

От сети постоянного тока работают двигатели трамваев, троллейбусов и другого электротранспорта. Эти электродвигатели имеют лучшие тяговые характеристики, чем двигатели переменного тока.

Информация! От постоянного напряжения работает бОльшая часть электронных схем, но они получают питание от сети переменного тока через встроенный или внешний блок питания с выпрямителем.

Переменный ток

Международное обозначение этого напряжения AC — Alternating Current (переменный ток), а условное обозначение на электросхемах «~» или «≈».

Величина и полярность переменного тока в сети всё время меняется. Частота этих изменений составляет 50Гц в Европе и некоторых других странах и 60Гц в США. Большинство бытовых и промышленных электроприборов изготавливаются для питания переменным напряжением.

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и промышленности, является переменной. Для передачи на большие расстояния его повышают при помощи трансформаторов, а в конечной точке линии понижают до необходимой величины. Это позволяет уменьшить стоимость ЛЭП и потери. Для того, чтобы исключить колебания напряжения, для особоважных приборов устанавливаются стабилизаторы.

При увеличении напряжения и неизменной передаваемой мощности сила тока и сечение проводов пропорционально уменьшается. Если напряжение не повышать, то для подачи электроэнергии к потребителю необходимо использовать кабеля большого сечения, а передача на большие расстояния окажется невозможной. Вот почему в розетке переменный ток.

В домашней розетке два контакта — фазный и нулевой. В некоторых случаях к ним добавляется заземляющий. Это однофазное напряжение является частью трёхфазной системы. Она включает в себя три одинаковых сети. Напряжение в этих сетях сдвинуто по фазе на 120° друг относительно друга.

Вначале эта система была шестипроводной. В таком виде её изобрёл Никола Тесла. Позже М. О. Доливо-Добровольский усовершенствовал эту схему и предложил передавать трёхфазное напряжение по трём или чётырём проводам (L1, L2, L3, N). Он также показал преимущества трёхфазной системы электроснабжения перед схемами с другим числом фаз.

Электрическое напряжение делят на два вида:

1. постоянное (dc)
2. переменное (ас)

Обозначение постоянного тока (—), у переменного тока обозначение (~). Аббревиатуры ac и dc устоявшиеся, и употребляются наравне с названиями «постоянный» и «переменный». Теперь рассмотрим в чём их отличие. Дело в том, что постоянное напряжение течёт только в одном направлении, из чего и вытекает его название. А переменное, как вы уже поняли, может менять своё направление. В частных случаях направление переменного может оставаться одним и тем же. Но, кроме направления, у него также может меняться и величина. В постоянном ни величина, ни направление, не изменяется. Мгновенным значением переменного тока называют его величину, которая берётся в данный момент времени.

В Европе и России принята частота в 50 Гц, то есть изменяет своё направление 50 раз в секунду, в то время, как в США, частота равна 60 Гц. Поэтому техника, приобретённая в Соединённых штатах и в других государствах, с отличающейся частотой может сгореть. Поэтому при выборе техники и электроприборов следует внимательно смотреть на то, чтобы частота была 50 Гц. Чем больше частота у тока, тем больше его сопротивление. Также можно заметить, что в розетках у нас дома течёт именно переменный.

Помимо этого, у переменного электрического тока существует деление ещё на два вида:

• однофазный
• трёхфазный

Для однофазного необходим проводник, который будет проводить напряжение, и обратный проводник. А если рассматривать генератор трёхфазного тока, у него, на всех трёх намотках вырабатывается переменное напряжение частотой в 50 Гц. Трёхфазная система — это не что иное, как три однофазных электрических цепи, сдвинутых по фазе относительно друг друга под углом в 120 градусов. Посредством его использования, можно одновременно обеспечивать энергией три независимые сети, пользуясь при этом только шестью проводами, которые нужны для всех проводников: прямых и обратных, чтобы проводить напряжение.

А если у вас, например, имеется только 4 провода, то и тут проблем не возникнет. Вам нужно будет только соединить обратные проводники. Объединив их, вы получите проводник, который называют нейтральным. Обычно его заземляют. А оставшиеся внешние проводники кратко обозначают как L1, L2 и L3.

Но существует и двухфазный, он представляет из себя комплекс двух однофазных токов, в которых также присутствуют прямой проводник для проведения напряжения и обратный, они сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90 градусов.

Как обозначается постоянное и переменное напряжение

Постоянное напряжение или ток обозначаются аббревиатурой DC, что означает Direct current. На схемах и электроприборах принято также указывать постоянное напряжение простой ровной линией (—).

Значок переменного напряжения записывается в виде несколько иной аббревиатуры ( – AC. Если расшифровать, то получится «Alternating current». На клеммах электроприборов и распределительных щитков, а также на схемах она может изображаться как волнистая линия (

Важно! Если в сеть рассчитана для пропуска и того, и другого видов электроэнергии, она маркируется как «AC/DC» и обозначается на схеме двойной линией (верхняя линия прямая и сплошная, а нижняя прямая и пунктирная).

Источники электрической энергии

Мировое производство электроэнергии базируется на работе электростанций. Основной принцип работы станций заключается в том, что турбины установленных в них электрогенераторов вращаются с помощью других видов энергии. Они получили своё название соответственно типу используемой энергии:

• тепловые (ТЭС) – в качестве сырья используются органические виды топлива: уголь, газ, мазут и другие;
• гидроэлектростанции (ГЭС) – лопасти турбины вращает падающая вода, она же используется для охлаждения рабочих поверхностей генераторов;
• атомные станции (АЭС) – один из видов ТЭС, где для получения пара, вращающего турбину, используют тепло, выделяемое в результате ядерной реакции.

Размещение тех или иных видов электростанций зависит от распределения по регионам сырьевых ресурсов, географического расположения рек и выбора подходящих мест для возведения АЭС.

Внимание! Основную долю производства мировой электроэнергии до сих пор берут на себя ТЭС. Опасность при эксплуатации АЭС пока является сдерживающим фактором для полного перехода на этот мощный вид производства электричества.

Неравномерная плотность проживания населения на планете не позволяет максимально приблизить такие источники энергии к местам потребления. Поэтому приходится передавать производимое электричество на дальние расстояния. Так как и потребление, и получение энергии происходит в реальном режиме, созданы энергосистемы, объединяющие электростанции между собой. Кроме того, сами системы организованы в более мощные энергосистемы. Это сделано для создания резерва рабочей мощности и возможности регулировать подачу электроэнергии к потребителям в бесперебойном режиме.

Разница в часовых поясах, сезонные колебания потребления – всё это нагружает одни станции и недогружает другие. Энергосистемы позволяют станциям подпитывать друг друга в случае перегрузок.

Кроме традиционных электростанций, хорошо зарекомендовали себя альтернативные источники: ветряные генераторы и солнечные батареи. С их помощью решают задачи по обеспечению электропитанием потребителей в отдельных случаях.

Что касается источников постоянного тока, то их можно разделить на два типа:

• химические – гальванические элементы, использующие реакции окисления, и электролитические, генерирующие энергию посредством электролиза;
• электромеханические – генераторы постоянного тока, превращающие энергию вращения в её электрический вид.

Гальванические элементы (батарейки) имеют конечный срок службы. Они конструктивно изготовлены так, что после окончания реакции окисления вырабатывание электричества прекращается. Электролитические элементы (аккумуляторы) имеют периодический режим работы. После разряда их можно заряжать, подавая на их полюса ток заряда, и использовать снова.

Электродвижущая сила и электрическое напряжение

Разность потенциалов между точками, между которыми протекает постоянный ток, могут охарактеризовать электродвижущая сила и электрическое напряжение .

Электродвижущая сила

Каждый первичный источник электрической энергии создаёт стороннее электрическое поле. В электрических машинах (генераторах постоянного тока) стороннее электрическое поле создаётся в металлических проводниках якоря, вращающегося в магнитном поле, а в гальванических элементах и аккумуляторах — в месте соприкосновения электродов с электролитом (растворами солей или кислот) при их химическом взаимодействии.

Стороннее электрическое поле, имеющееся в источнике электрической энергии постоянного тока, непрерывно взаимодействует на электрические заряды проводников, образующих вместе с ним замкнутую цепь, и создаёт в ней постоянный электрический ток.

Перемещая электрические заряды по замкнутой цепи, силы стороннего электрического поля преодолевают сопротивление противодействующих сил, например вещественных частиц проводников. Это приводит к тому, что силы стороннего электрического поля совершают работу за счёт энергии этого поля. По мере расхода энергии стороннее электрическое поле пополняет её за счёт механической или химической энергии.

В результате работы сил стороннего электрического поля энергия этого поля переходит в электрической цепи в какие-либо иные виды энергии, например в тепловую энергию в металлических проводниках, тепловую и химическую в электролитах, тепловую и световую энергию в электрических лампах и так далее.

Выражение «работа сил стороннего электрического поля» источника электрической энергии ради краткости обычно заменяют выражением «работа источника электрической энергии».

Если известна работа, совершаемая источником электрической энергии при перемещении единичного электрического заряда по всей замкнутой электрической цепи, то легко определить работу, совершаемую им при переносе некого электрического заряда {\displaystyle Q} по этой цепи, так как величина работы пропорциональна величине заряда.

Величина, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой {\displaystyle E}.

Следовательно, если источник электрической энергии при переносе заряда {\displaystyle Q} по всей замкнутой цепи совершил работу {\displaystyle A}, то его электродвижущая сила {\displaystyle E} равна {\displaystyle E={\frac {A}{Q}}}.

В Международной системе единиц (СИ) за единицу измерения электродвижущей силы принимается один вольт {\displaystyle (~v,~V~)}. Единица названа в честь итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта.

Электродвижущая сила источника электрической энергии равна одному вольту, если при перемещении одного кулона электричества по всей замкнутой цепи им была совершена работа, равная одному джоулю : {\displaystyle 1~volt={\frac {1~joule}{1~coulomb}}}.

Например, если электродвижущая сила какого-либо источника электрической энергии {\displaystyle E=220~volt}, то это надо понимать так, что источник электрической энергии, перемещая один кулон электричества по всей замкнутой цепи, совершит работу {\displaystyle A=220~joule}, так как {\displaystyle E={\frac {A}{Q}}={\frac {220~joule}{1~coulomb}}}.

Из формулы {\displaystyle E={\frac {A}{Q}}} следует, что {\displaystyle A=EQ}, то есть работа источника электрической энергии при переносе его электрического заряда по всей замкнутой цепи равна произведению величины электродвижущей силы {\displaystyle E} его на величину переносимого электрического заряда {\displaystyle Q}.

Электрическое напряжение

Если источник электрической энергии переносит электрический заряд {\displaystyle Q} по всей замкнутой цепи, то он совершает некоторую работу {\displaystyle A}. Часть этой работы {\displaystyle A_{0}} он совершает при переносе заряда {\displaystyle Q} по внутреннему участку цепи (участок внутри самого источника электрической энергии), а другую часть {\displaystyle A_{1}} — при переносе заряда {\displaystyle Q} по внешнему участку цепи (вне источника).

Следовательно, {\displaystyle A=A_{0}+A_{1}}, то есть работа {\displaystyle A}, совершаемая источником электрической энергии при переносе электрического заряда {\displaystyle Q} по всей замкнутой цепи, равна сумме работ, совершаемых им при переносе этого заряда по внутреннему и внешнему участкам этой цепи.

Если разделить левую и правую часть равенства {\displaystyle A=A_{0}+A_{1}} на величину единичного заряда {\displaystyle Q}, получим работу, отнесённую к единичному заряду: {\displaystyle {\frac {A}{Q}}={\frac {A_{0}}{Q}}+{\frac {A_{1}}{Q}}}.

Работа источника электрической энергии, совершаемая им при переносе единичного заряда по всей замкнутой цепи, численно равна его электродвижущей силе, то есть {\displaystyle E={\frac {A}{Q}}}, где {\displaystyle E} — электродвижущая сила источника электрической энергии.

Величина {\displaystyle {\frac {A_{0}}{Q}}}, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного заряда по внутреннему участку цепи, называется падением напряжения (напряжением) на внутреннем участке цепи, то есть {\displaystyle U_{0}={\frac {A_{0}}{Q}}}, где {\displaystyle U_{0}} — падение напряжения на внутреннем участке цепи.

Величина {\displaystyle {\frac {A_{1}}{Q}}}, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного заряда {\displaystyle Q} по внешнему участку цепи, называется падением напряжения (напряжением) на внешнем участке цепи, то есть {\displaystyle U_{1}={\frac {A_{1}}{Q}}}, где {\displaystyle U_{1}} — падение напряжения на внешнем участке цепи.

Следовательно, равенству {\displaystyle {\frac {A}{Q}}={\frac {A_{0}}{Q}}+{\frac {A_{1}}{Q}}} можно придать такой вид: {\displaystyle E=U_{0}+U_{1}}, то есть

Электродвижущая сила источника электрической энергии, создающего ток в электрической цепи, равняется сумме падений напряжения на внутреннем и внешнем участке цепи.

Из равенства {\displaystyle E=U_{0}+U_{1}} следует, что {\displaystyle U_{1}=E-U_{0}}, то есть падение напряжения на внешнем участке цепи меньше электродвижущей силы источника электрической энергии на величину падения напряжения на внутреннем участке цепи.

Следовательно, чем больше падение напряжения внутри источника электрической энергии, тем меньше при всех прочих равных условиях падение напряжения на зажимах источника электрической энергии.

Так как падение напряжения имеет одинаковую размерность с электродвижущей силой, то есть выражается в джоулях на кулон, или, иначе, в вольтах, то за единицу измерения падения напряжения (электрического напряжения) принят один вольт.

Электрическое напряжение на зажимах источника электрической энергии (падение напряжения на внешнем участке цепи) равно одному вольту, если источник электрической энергии совершает работу, равную одному джоулю, при переносе электрического заряда в один кулон по внешнему участку цепи.

Напряжение на участках цепи измеряется вольтметром, он всегда присоединяется к тем точкам цепи, между которыми он должен измерить падение напряжения, то есть параллельно.

Как преобразовать переменный ток в постоянный?

Процесс получения из переменного тока постоянного называется выпрямлением, а устройства – выпрямителями. Основная деталь выпрямителя – полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. В результате выпрямления получается пульсирующий ток, меняющий со временем свою величину, но не изменяющий знак.

Почему переменный ток лучше чем постоянный?

Постоянный ток как раз имеет меньшие потери, чем переменный, потому что при его использовании потери мощности обуславливаются падением напряжения только на активном сопротивлении, а при переменном токе на активном и реактивном.

Измерительные приборы и электрооборудование

На электроизмерительных приборах можно видеть те же условные знаки, что и на электросхемах. В данном случае они говорят, с каким родом напряжения или тока может работать измерительный прибор. Для тех приборов, которые предназначены для работы в узкой области, символы рода тока или напряжения могут располагаться непосредственно на указателе (стрелочном индикаторе). Универсальные измерительные устройства снабжены переключателем рода и пределов измерений, поэтому все обозначения находятся возле соответствующих позиций.

Распространенные цифровые тестеры имеют следующие обозначения:

• ACA или ≈A – режим измерения переменного тока;
• DCA или =А – режим измерения постоянного тока;
• ACV или ≈V – режим измерения переменного напряжения;
• DCV или =V – режим измерения постоянного напряжения.

Для электрического оборудования род питания указывается на шильдике или бирке. Устройства, где комбинированное питание, имеют на бирке знак переменного тока в виде отрезка синусоиды и одну горизонтальную черту.

 

Англоязычные производители для обозначения смешанного или комбинированного питания используют аббревиатуру AC/DC.

Практически всегда возле символа напряжения или тока указывается его величина: отдельно для переменного и отдельно для постоянного тока.

Особую символику можно увидеть на шильдике двигателей переменного напряжения. Там, кроме его рода, указывается еще и схема включения (звезда или треугольник) и величина питающего напряжения для каждого из вариантов.

Кроме этого двигатели характеризуются мощностью (током потребления) и величиной COSϕ, которая характеризует реактивную мощность потребителя. Эти данные также присутствуют на бирке изделия.

Информация по значению и роду питания важна для безопасности и правильного функционирования устройств. Для устранения ошибочного и непреднамеренного включения устройств к несоответствующим источникам питания, кроме условных обозначений, добавляется механическая защита. Так, вилки шнуров питания аппаратуры, использующей переменный ток, имеют иную форму штырей, чем для постоянного, что не допускает возможность неправильного подключения.

Применение

Из-за того что постоянный течёт лишь в одну сторону, его использование обычно ограничивается носителями с небольшой энергоёмкостью, например, его можно встретить в обычных батарейках, аккумуляторах для электроприборов с маленьким энергопотреблением, такие как фонарики или телефоны и батареях, использующих солнечную энергию. Но постоянный источник необходим не только для зарядки небольших аккумуляторов, так постоянный ток большой мощности используется для работы электрифицированных железнодорожных путей, при электролизе алюминия или при дуговой электросварке, а также других промышленных процессов.

Для выработки постоянного тока такой силы используют специальные генераторы. Также его можно получить посредству преобразования переменного, для этого используется прибор, в котором применяют электронную лампу, его называют кенотронный выпрямитель, а сам процесс обозначается как выпрямление. Ещё для этого используется двухполупериодный выпрямитель. В нём, в отличие от простого лампового выпрямителя, находятся электронные лампы, которые имеют два анода — двуханодные кенотроны.

Если вы не знаете как определять то, с какого полюса течёт постоянный ток, запоминайте: он всегда течёт от знака «+» к знаку «-«. Первыми источниками постоянного тока были особые химические элементы, их называют гальванические. Уже позже люди изобрели аккумуляторы.

Переменный применяют почти везде, в быту, для работы домашних электроприборов подпитывающихся из домашней розетки, на заводах и фабриках, на стройплощадках и многих других местах. Электрификация железнодорожных путей также может быть и на dc напряжении. Так, напряжение идёт по контактному проводу, а рельсы являются обратным электрическим проводником. По такому принципу работает около половины всех железных дорог в нашей стране и странах СНГ. Но, помимо электровозов, работающих лишь на постоянном и только на переменном, существуют также электровозы, совмещающие в себе способность работы как на одном виде электричества, так и на другом.

Переменный ток используется и в медицине

Так, например,дарсонвализация — это метод воздействия электричеством при большом напряжении, на наружные покровы и слизистые оболочки организма. Посредством этого метода у пациентов улучшается кровоснабжение, улучшается тонус венозных сосудов и обменных процессов организма. Дарсонвализация может быть как местная, на определённом участке, так и общая. Но чаще используют местную терапию.

Таким образом, мы узнали, что есть два вида электрического тока: постоянный и переменный, по-другому их называют ac и dc, поэтому, если вы скажете одну из этих аббревиатур, вас точно поймут. Кроме того, обозначение постоянного и переменного тока в схемах выглядит как (—) и (~), что упрощает их узнавание. Теперь, при починке электроприборов, вы, без сомнений, скажете, что в них используется переменное напряжение, а если вас спросят какой ток находится в батарейках, вы ответите, что постоянный.

Заключение

Резюмировать содержимое статьи можно так: переменный ток (АС) – это ток, который используется в домашних розетках. Постоянный (DC) – в высоковольтных линиях электропередач, приходящих на трансформаторные будки, где он и преобразовывается в привычные 220В переменного.