Что такое источник постоянного тока
Постоянный ток — электрический ток, не изменяющийся по времени и по направлению. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. В том случае, если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, направление его считают противоположным направлению движения частиц.
Строго говоря, под «постоянным электрическим током» следовало бы понимать «электрический ток постоянный по величине», соответственно математическому понятию «постоянная величина». Но в электротехнику этот термин был введен в значении «электрического тока, постоянного по направлению и практически постоянного по величине».
Под «практически постоянным по величине электрическим током» понимают ток, изменения которого во времени столь незначительны по величине, что при рассмотрении явлений в электрической цепи, по которой проходит такой электрический ток, этими изменениями вполне можно пренебречь, а следовательно, можно не учитывать ни индуктивности, ни емкости электрической цепи.
Наиболее распространенные источники постоянного тока — гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока и выпрямительные установки.
В электротехнике для получения постоянного тока используют контактные явления, химические процессы (первичные элементы и аккумуляторы), электромагнитное наведение (электромашинные генераторы). Широко применяется также выпрямление переменного тока или напряжения.
Из всех источников э. д. с. химические и термоэлектрические источники, а также так называемые униполярные машины являются идеальными источниками постоянного тока. Остальные устройства дают пульсирующий ток, который при помощи специальных устройств в большей или меньшей мере сглаживается, лишь приближаясь к идеальному постоянному току.
Для количественной оценки тока в электрической цепи служит понятие силы тока.
Сила тока — это количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Если за время I через поперечное сечение проводника переместилось количество электричества Q, то сила тока I=Q/ t
Единица измерения силы тока — ампер (А).
Единица измерения плотности тока — ампер на квадратный миллиметр (А/мм 2 ).
В замкнутой электрической цепи постоянный ток возникает под действием источника электрической энергии, который создает и поддерживает на своих зажимах разность потенциалов, измеряемую в вольтах (В).
где I — сила тока. A, U— напряжение на зажимах цепи В, R — сопротивление, Ом
Это самый важный электротехнический закон. Подробнее о нем смотрите здесь: Закон Ома для участка цепи
Работу, совершаемую электрическим током в единицу времени (секунду), называют мощностью и обозначают буквой Р. Эта величина характеризует интенсивность совершаемой током работы.
Выражение мощности электрического тока можно преобразовать, заменив на основании закона Ома напряжение U произведением IR. В результате получим три выражения мощности электрического тока P = UI= I 2 R= U 2 /R
Большое практическое значение имеет то, что одну и ту же мощность электрического тока можно получить при низком напряжении и большой силе тока или при высоком напряжении и малой силе тока. Этот принцип используют при передаче электрической энергии на расстояния.
Ток, протекая по проводнику, выделяет теплоту и нагревает его. Количество теплоты Q, выделяющейся в проводнике определяют формулой Q = I 2 Rt.
На рисунке приведена схема включения лампы накаливания E L в электрическую сеть. Если сопротивление лампы R — 500 Ом, а напряжение сети U = 220 В, то ток в цепи лампы будет I = 220/500 = 0,44 А.
Схема, поясняющая возникновение короткого замыкания
Определим ток, протекающий по металлическому стержню: I = 220/0,01 =22 000 А.
При коротком замыкании (к.з) напряжение сети будет меньше 220 В, так как большой ток в цепи вызовет большую потерю напряжения, и ток, протекающий по металлическому стержню, будет несколько меньше, но тем не менее во мною раз превышать ток, потреблявшийся ранее лампой накаливания.
Как известно, в соответствии с законом Джоуля-Ленца ток, проходя по проводам, выделяет теплоту, и провода нагреваются. В нашем примере площадь поперечного сечения проводов рассчитана на небольшой ток 0,44 А.
Источник электрической энергии, питающий такую цепь, может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар. Вследствие этого при монтаже и эксплуатации электрических установок, чтобы предупредить непоправимые последствия короткого замыкания, необходимо соблюдать следующие условии: изоляция проводов должна соответствовать напряжению сети и условиям работы.
Площадь поперечною сечения проводов должна быть такой, чтобы нагревание их при нормальной нагрузке не достигало опасного значения. Места соединений и ответвлений проводов должны быть качественно выполнены и хорошо изолированы. В помещении провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от механических и химических повреждений и от сырости.
Чтобы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электрической цепи при коротком замыкании, ее защищают с помощью предохранителей или автоматических выключателей.
Существенный недостаток постоянного тока состоит в том, что его напряжение сложно повысить. Это затрудняет передачу электрической энергии на постоянном токе на большие расстояния.
Что такое источник постоянного тока
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток, необходимы два условия: 1) наличие свободных заряженных частиц, 2) электрическое поле, которое создаёт их направленное движение. Проходя по цепи, происходит действие электрического тока (тепловое, магнитное, химическое).
При существовании тока в разных средах: в металлах, жидкостях, газах — электрический заряд переносится разными частицами. В металлах этими частицами являются электроны, в жидкостях заряд переносится ионами, в газах — электронами, положительными и отрицательными ионами.
Дистиллированная вода не проводит электрический ток, поскольку она не содержит свободных зарядов. Если в воду добавить поваренную соль или медный купорос, то в ней появятся свободные заряды, и она станет проводником электрического тока.
Газы в обычных условиях тоже не проводят электрический ток, так как в них нет свободных зарядов. Однако если в воздушный промежуток между двумя металлическими пластинами, соединёнными с источником тока, внести зажжённую спичку или спиртовку, то газ станет проводником и гальванометр зафиксирует протекание тока по цепи.
Постоянный электрический ток
Постоянный электрический ток — это электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока (англ. direct current), т.е. тока, не изменяющий своего направления. Часто можно встретить сокращения DC от первых букв англ. слов, или символом по ГОСТ 2.721-74.
На рисунке красным цветом изображён график постоянного тока. По горизонтальной оси отложен масштаб времени t, а по вертикальной — масштаб тока I или электрического напряжения U. Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси времени).
При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов). Постоянный электрический ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.
Источник тока
Направленное движение зарядов обеспечивается электрическим полем. Электрическое поле в проводниках создаётся и поддерживается источником тока. В источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника образуется электрическое поле, под действием которого заряженные частицы начинают двигаться упорядоченно.
В источнике тока совершается работа при разделении заряженных частиц. При этом различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. В электрофорной машине в электрическую энергию превращается механическая энергия, в гальваническом элементе — химическая.
Действие электрического тока
Электрический ток, проходя по цепи, производит различные действия. Тепловое действие электрического тока заключается в том, что при его прохождении по проводнику в нём выделяется некоторое количество теплоты. Пример применения теплового действия тока — электронагревательные элементы чайников, электроплит, утюгов и пр. В ряде случаев температура проводника нагревается настолько сильно, что можно наблюдать его свечение. Это происходит в электрических лампочках накаливания.
Магнитное действие электрического тока проявляется в том, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое, действуя на магнитную стрелку, расположенную рядом с проводником, заставляет её поворачиваться. Благодаря магнитному действию тока можно превратить железный гвоздь в электромагнит, намотав на него провод, соединённый с источником тока. При пропускании по проводу электрического тока гвоздь будет притягивать железные предметы.
Химическое действие электрического тока проявляется в том, что при его прохождении в жидкости на электроде выделяется вещество. Если в стакан с раствором медного купороса поместить угольные электроды и присоединить их к источнику тока, то, вынув через некоторое время эти электроды из раствора, можно обнаружить на электроде, присоединённом к отрицательному полюсу источника (на катоде), слой чистой меди.
Некоторые источники утверждают, что существует также механическое действие (например, рамка, по которой течет ток, поворачивается, если её поместить между полюсами магнитов) и световое (светодиоды).
Конспект по по физике в 8 классе: «Постоянный электрический ток. Действие электрического тока».
Понятие постоянного тока и характеристика его параметров
Представить существование современного общества без электричества практически невозможно. Оно окружает нас повсюду. По утверждениям специалистов, даже процессы, проходящие внутри живых организмов, напрямую связаны с электричеством. В основе любого электромагнитного явления почти всегда лежит протекание переменного или постоянного электрического тока. Несмотря на то что в большинстве случаев при упоминании электричества подразумеваются физические процессы переменного характера, постоянный ток также играет важную роль и находит достаточно широкое практическое применение.
Определение
Ответ на вопрос, что представляет собой постоянный электрический ток, лежит в слове «постоянный» – неизменный в плане величины и направления. Физически под этим подразумевается однонаправленное движение неменяющегося во времени потока заряженных частиц. Направление постоянного тока совпадает с вектором движения положительно заряженных частиц, а при перемещении отрицательных зарядов направление тока будет противоположно направлению движения.
Итак, постоянный ток – это электрический ток, сохраняющий неизменность величины и направления движения в течение всего времени прохождения физического процесса. Это в теории.
А на практике обычно в качестве постоянного тока подразумевают электрический ток, имеющий столь незначительные изменения своей величины, что ими вполне можно пренебречь. Так как это не оказывает существенного влияния на ёмкостной и индуктивный характер эксплуатируемой электрической цепи.
Источники постоянного тока
В качестве источников постоянного тока нашли и продолжают находить применение:
Также в качестве накопителей электрической энергии, при определённых условиях вырабатывающих постоянный электрический ток, могут рассматриваться электрические конденсаторы (устройства, обладающие способностью накапливать электрический заряд и при необходимости – отдавать его) и ионисторы (электрохимические конденсаторы).
Направление постоянного тока и обозначение на электроприборах и схемах
Электрический ток всегда течёт от мест большего потенциала к местам меньшего потенциала. Во всяком случае, так принято считать. То есть условным направлением движения постоянного тока служит направление перемещения положительно заряженных частиц. Если в качестве движущей силы выступают отрицательно заряженные частицы (скажем, электроны в металлах), то направление электрического тока будет прямо противоположным направлению потока движущихся частиц.
В качестве условного обозначения в схемах или на электрических приборах выступают значки: – или =. В описаниях или технической литературе достаточно часто можно встретить сокращение DC, взятое из английского языка и обозначающее однонаправленный (не подверженный переменам направления) электрический ток.
Кроме того, очень часто можно видеть, как зажимы аккумуляторов и батареек маркируются знаками: + («плюс» или «положительный полюс», что обозначает место большего потенциала); – («минус» или отрицательный полюс, представляющий собой место сосредоточения меньшего потенциала). Также электрод подключаемого к положительному зажиму устройства, то есть положительный электрод, называется «анодом», подключаемый к отрицательному зажиму – «катодом».
Параметры постоянного тока
Как и всякая физическая величина, постоянный электрический ток характеризуется целым рядом параметров, имеющих непосредственное к нему отношение и отношение к взаимосвязанным с ним величинам.
Величина постоянного тока (сила тока)
Прежде чем говорить о силе тока, определимся с таким понятием, как электрический заряд, выражающий способность тел участвовать в электромагнитных явлениях типа создания электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия.
Впервые это понятие было введено в конце XVIII века французским учёным Шарлем Кулоном, сформулировавшим тогда же свой знаменитый закон о силе взаимодействия между точечными зарядами в зависимости от разделяющего их расстояния. В честь него единица измерения электрического заряда (количества электричества) стала называться «Кулон» (Кл).
Только опираясь на понятие электрического заряда, можно говорить о величине (силе) тока, формула расчёта которого (для равномерного движения зарядов) выглядит следующим образом:
Что можно выразить следующими словами: сила тока прямо пропорциональна количеству зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника за единицу времени. Здесь:
Для измерения силы тока используются амперметры, включаемые последовательно с источником электрического тока.
Плотность тока
Ещё одно важное понятие, необходимое в целях правильного выбора токопроводящего сечения линий электропередачи. Плотность тока это:
Электродвижущая сила (ЭДС)
Электродвижущая сила (ЭДС) – это величина, характеризующая работу первичного источника электрической энергии по созданию постоянного электрического тока.
E – электродвижущая сила (ЭДС), измеряемая в вольтах (Алессандро Вольта – известнейший итальянский физик). A – работа, измеряемая в джоулях (Джеймс Прескотт Джоуль – английский физик, внёсший значительный вклад в развитие термодинамики).
Электрическое напряжение
Электрическое напряжение – это величина, показывающая работу эффективного электрического поля, затраченную на перенос единичного пробного заряда из точки A в точку B.
φA – φB – разница потенциалов между точками A и B. EAB – электродвижущая сила, возникающая на искомом участке цепи постоянного тока. Здесь все величины измеряются в вольтах. Для определения величины напряжения применяются вольтметры, подключаемые параллельно участку измерения напряжения.
Применение постоянного тока
Оказывается, постоянный ток окружает нас со всех сторон, хотя мы этого подчас не замечаем. Стоит только взглянуть на электронные часы, фонари, персональные компьютеры, средства связи, разнообразные игрушки, электроинструмент с аккумуляторами, всевозможные медицинские приборы, как сразу станет видно, насколько наша жизнь наполнена химическими источниками электрического тока.
Но это далеко не всё. Постоянный электрический ток находит достаточно широкое применение:
Постоянный ток на транспорте
Благодаря удачной вариабельности электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, заключающейся в получении повышенного момента вращения при малых оборотах или, наоборот, стабильной скорости при малых оборотах электродвигателя, системы постоянного тока нашли широкое применение на транспорте. С помощью изменения питающего напряжения или последовательного включения реостата можно регулировать число оборотов электродвигателя, задавая тем самым темп и скорость перемещения транспортного средства.
Вот почему двигатели такого типа используются в силовых установках тепловозов, трамваев, троллейбусов, электровозов, электропоездов и на грузоподъёмных машинах. При этом питающее напряжение трамвайных и троллейбусных линий составляет 550-600 В, а линий метрополитена – 750-900 В.
Линии передачи постоянного тока
Использование высоковольтных линий передач постоянного тока (HVDC) с каждым днём становится всё более и более актуальным. Объясняется это возможностью транспортировки на значительные расстояния огромных объёмов электрической энергии. И это при значительно меньших сетевых потерях, чем в процессе использования ЛЭП переменного тока.
Кроме того, такой способ электроснабжения позволяет избежать процесса синхронизации, доставляющего энергетикам множество проблем и хлопот. Существуют и достаточно интересные варианты передач электроэнергии на короткие расстояния с помощью постоянного тока.
Основным сдерживающим фактором здесь выступает необходимость двойного преобразования тока, что значительно усложняет и резко повышает стоимость изготавливаемых конструкций. При удачном решении данной проблемы всё может кардинальным образом измениться. В настоящее время в эксплуатации находятся ЛЭП постоянного тока: Волгоград-Донбасс, Экибастуз-Центр, вставка Выборг-Финляндия.
Небольшое заключение
Со времён открытия Томасом Эдисоном постоянного электрического тока прошло немало лет. За этот промежуток времени постоянный ток стал незаменимым спутником человека в широчайшем диапазоне сфер деятельности. Кроме того, сейчас у него есть очень заманчивые перспективы применения (при замене электроустановок, работающих на переменном токе, на электроустановки, функционирующие на постоянном токе) в плане:
Безусловно, всё это требует дополнительных исследований, но зато достигнутые цели открывают новые возможности, которые вполне оправдывают необходимость вложения средств, получив со временем весьма существенную экономию.
Источники постоянного тока
Постоянный ток — это такой ток, который почти (поскольку ничего идеального в мире нет) не изменяется во времени, ни по величине, ни по направлению. Исторически первые источники постоянного тока были исключительно химическими. Сначала они были представлены только гальваническими элементами, а позже появились и аккумуляторы.
Гальванические элементы и аккумуляторы имеют строго определенную полярность, и направление тока в них самопроизвольно не изменяется, поэтому химические источники тока — это принципиально источники постоянного тока.
Гальванический элемент
Пальчиковая батарейка АА — яркий пример современного гальванического элемента. Цилиндрическая щелочная батарейка ( которую любят называть алкалиновой, тогда как слово «alkaline» переводится как «щелочная») содержит внутри раствор гидроксида калия в качестве электролита. На положительном полюсе батарейки находится диоксид марганца, а на отрицательном — цинк в виде порошка.
Когда внешняя цепь батарейки замыкается на нагрузку, на аноде (отрицательном полюсе) происходит химическая реакция окисления цинка, одновременно с этим на катоде (положительном полюсе) идет реакция восстановления оксида марганца четырехвалентного до оксида марганца трехвалентного.
В результате с отрицательного полюса электроны бегут в сторону положительного полюса через внешнюю цепь нагрузки. Так работает источник постоянного тока — гальванический элемент.
Химический процесс в гальваническом элементе не обратим, то есть пытаться заряжать его бесполезно. Напряжение между полюсами новой пальчиковой батарейки 1,5 вольта, что обусловлено потенциалами веществ, участвующих в химической реакции внутри нее.
Аккумулятор
Литий-ионный аккумулятор, в отличие от батарейки, можно после разрядки снова заряжать, поскольку химический процесс в нем обратим. С виду аккумулятор работает как батарейка, то есть тоже дает в цепь нагрузки принципиально только постоянный ток, но емкость у аккумулятора обычно больше чем у батарейки примерно такого же размера.
В ходе разрядки литиевого аккумулятора, химическая реакция на аноде (отрицательном электроде) состоит в отделении лития от углерода и его переходе в состав соли на катоде (положительном электроде). А при зарядке ионы лития вновь переходят к углероду на аноде.
Разность потенциалов между полюсами литий-ионного аккумулятора может доходить до 4,2 вольт. Максимальный ток зависит от площади взаимодействия электродов внутри аккумулятора с электролитом и соответственно друг с другом.
Генератор
В промышленных масштабах постоянный ток получают при помощи генераторов постоянного тока. Как правило, на статоре такой машины расположены неподвижные магниты либо электромагниты, наводящие во вращающихся контурах ЭДС по закону электромагнитной индукции.
Вращающиеся контуры соединены каждый с контактными пластинами щеточно-коллекторного узла, через которые посредством неподвижных щеток и снимается в цепь нагрузки генерируемый ток. Поскольку контуры контактируют с положительной и отрицательной щетками только при прохождении мимо определенных магнитных полюсов статора, ток во внешней цепи получается выпрямленным переменным, то есть пульсирующим постоянным.
Величина тока зависит от сечения проводов, индукции магнитного поля статора и площади статора. Величина напряжения — от скорости вращения ротора генератора и от индукции магнитного поля статора.
Солнечный элемент
Солнечные батареи также дают постоянный ток. Фотоны солнечного света попадая на фотоэлемент вызывают движение положительно заряженных дырок и отрицательно заряженных электронов через p-n-переход, и во внешней цепи получается таким образом постоянный ток.
Чем больше совокупная площадь фотоэлементов — тем больше электронов и дырок участвуют в образовании тока, тем больший ток можно получить от солнечной батареи. Генерируемое напряжение солнечной батареи зависит от интенсивности солнечного света и от количества соединенных последовательно фотоэлементов, входящих в конструкцию солнечной батареи.
Трансформатор с выпрямителем
Раньше в электронной аппаратуре для получения постоянного тока, при питании от бытовой сети переменного тока, сплошь и рядом использовались блоки питания с трансформаторами на железе. Переменное сетевое напряжение понижалось при помощи трансформатора, а затем выпрямлялось при помощи лампового или диодного выпрямителя.
После выпрямителя в такой схеме всегда стоит фильтр, состоящий как минимум из конденсатора, а в лучшем случае — из конденсатора и дросселя, да еще и транзисторного стабилизатора напряжения, особенно если источник тока должен быть регулируемым.
Напряжение на выходе такого блока питания зависит от количества витков вторичной обмотки трансформатора, а максимальная величина тока — от номинальной мощности трансформатора.
Импульсный блок питания
Сегодня в радиоэлектронной аппаратуре для получения постоянного тока почти не используют блоки питания с низкочастотными трансформаторами на железе, на замену им пришли импульсные блоки питания. В них выпрямленное сетевое напряжение сначала понижается при помощи высокочастотного трансформатора и транзисторных ключей, а затем выпрямляется. Ток направляется через фильтр в конденсатор фильтра.
Конструкция импульсного блока питания получается гораздо меньше размером, чем с трансформатором на железе. Но шумов в выходном токе больше. Поэтому особое внимание при конструировании импульсных блоков питания уделяют фильтрации тока на выходе к нагрузке.
Напряжение на выходе импульсного блока питания зависит от устройства электронной схемы, а максимальный ток — от размера высокочастотного трансформатора и качества находящихся на схеме радиоэлектронных компонентов.
Конденсатор и ионистор
Источником постоянного электрического тока можно назвать в определенном смысле электрический конденсатор. Конденсатор накапливает электрическую энергию в форме постоянного электрического поля между своими обкладками, а затем может отдавать эту энергию в форме постоянного тока или импульсного разряда. И то и другое по сути — постоянный ток, отличающийся лишь длительностью проявления.
Но электролитические конденсаторы сегодня выпускаются на огромные емкости в тысячи и более микрофарад. Особая разновидность конденсатора — ионистор (суперконденсатор) — он занимает промежуточное место между аккумулятором и конденсатором.
Химические процессы в ионисторе протекают практически с такой же скоростью как в конденсаторе, но в отличие от аккумулятора, ионистор обладает меньшим внутренним сопротивлением, что позволяет получать от ионисторов большие постоянные токи на протяжении более длительного времени. Чем больше емкость конденсатора — тем больший по величине и более продолжительный ток можно получить с его помощью.