Період зміни змінного струму. Що таке змінний струм та змінна напруга

Постійний електричний струм – це рух частинок із зарядом у певному напрямку. Тобто його напруга або сила (характеризують величини) мають одне й те саме значення та напрямок. Це те, чим постійний струм відрізняється від змінного. Але розглянемо все по черзі.

Історія появи та «війни струмів»

Постійний струм раніше називали гальванічним через те, що його відкрили внаслідок гальванічної реакції. намагався передавати його лініями електричних передач. На той час точилися неабиякі суперечки між вченими з цього питання. Вони навіть отримали назву "війни струмів". Вирішувалося питання про вибір як основний, змінний або постійний. «Боротьба» була виграна змінним виглядом, оскільки постійний зазнає суттєвих втрат, передаючись на відстані. Зате трансформувати змінний вигляд не складає ніяких труднощів, це те, чим постійний струм відрізняється від змінного. Тому останній легко передавати навіть на великі відстані.

Джерела постійного електричного струму

Як джерела можуть служити акумулятори або інші прилади, де він виникає за допомогою хімічної реакції.

Це і генератори, де він виходить в результаті, а після цього випрямляється за рахунок колектора.

Застосування

В різних пристрояхпостійний струм застосовується досить часто. З ним працюють, наприклад, багато хто побутові прилади, зарядні пристроїта генератори автомобіля. Будь-який портативний апарат запитується від джерела, що виробляє постійний вигляд.

У промислових масштабах його застосовують у двигунах та акумуляторах. А у деяких країнах їм оснащують високовольтні лінії електропередач.

У медицині за допомогою постійного електричного струмупроводять оздоровчі процедури.

На залізниці(Для транспорту) використовують і змінний, і постійний види.

Змінний струм

Найчастіше, проте, застосовують саме його. Тут середнє значення сили та напруги за певний період дорівнюють нулю. За величиною та напрямом він постійно змінюється, причому з рівними проміжками часу.

Щоб визвати змінний струм, використовують генератори, в яких під час електромагнітної індукції виникає Це здійснюється за допомогою магніту, що обертається в циліндрі (роторі), і статора, виконаного у вигляді нерухомого осердя з обмоткою.

Змінний струм використовують у радіо, телебаченні, телефонії та багатьох інших системах через те, що його напруга і силу можна перетворювати, майже не втрачаючи енергію.

Широко застосовують його і в промисловості, а також з метою висвітлення.

Він може бути однофазним та багатофазним.

Який змінюється згідно із синусоїдальним законом, є однофазним. Він змінюється протягом певного проміжку часу (періоду) за величиною та напрямком. Частота змінного струму є кількістю періодів за секунду.

У другому випадку найбільшого поширення набув трифазний варіант. Це система з трьох електроланцюгів, які мають однакову частоту та ЕРС, зсунуті по фазі на 120 градусів. Її використовують для живлення електричних двигунів, печей, освітлювальних приладів.

Багатьма розробками у сфері електрики та практичним їх застосуванням, а також впливом на змінний струм високої частоти людство зобов'язане великому вченому Ніколі Тесла. Досі всі його праці, залишилися нащадкам, є пізнаними.

Чим постійний струм відрізняється від змінного та який його шлях від джерела до споживача?

Отже, змінним називають струм, здатний змінюватися за напрямом та величиною протягом певного часу. Параметри, на які при цьому звертають увагу, це частота та напруга. У Росії в побутових електричних мережахподають змінний струм, що має напругу 220 і частоту 50 Гц. Частота змінного струму – це кількість змін надсилання частинок певного заряду за секунду. Виходить, що при 50 Гц він змінює свій напрямок п'ятдесят разів, у чому постійний струм відрізняється від змінного.

Його джерелом є розетки, яких підключають побутові прилади під різним напругою.

Змінний струм починає свій рух від електричних станцій, де є потужні генератори, звідки він виходить із напругою від 220 до 330 кВ. Далі переходить в які знаходяться поблизу будинків, підприємств та інших конструкцій.

У підстанції струм потрапляє під напругою 10 кВ. Там він перетворюється на трифазна напруга 380 В. Іноді з таким показником струм переходить безпосередньо на об'єкти (де організовано потужне виробництво). Але здебільшого його знижують до звичних у всіх будинках 220 Ст.

Перетворення

Зрозуміло, що у розетках ми отримуємо змінний струм. Але часто для електричних приладів потрібен постійний вигляд. З цією метою служать спеціальні випрямлячі. Процес складається з наступних дій:

• підключення моста з чотирма діодами, які мають необхідну потужність;
• підключення фільтру або конденсатора на вихід з моста;
• підключення стабілізаторів напруги зменшення пульсацій.

Перетворення може відбуватися як із змінного в постійний струм, і навпаки. Але останній випадок реалізуватиме значно важче. Потрібні інвертори, які, крім іншого, коштують дуже дорого.

Говорячи про постійний струм (див. розділ «Про струм»), ми з'ясували, що він протікає в одному напрямку - від плюса джерела до мінусу (так було прийнято, хоча насправді навпаки). Однак у більшості випадків доводиться мати справу зі змінним струмом. При змінному струмі електрони рухаються над одному напрямі, а поперемінно то одному, то іншому, змінюючи свій напрям. Тому, коли освітлювальна лампа включена, електрони в її розжареній нитці (та й у проводах теж) рухаються то в один, то в інший бік. Цей рух умовно показано на рис.1 та рис.2. Спробуйте пробігтися то в один, то в інший бік. Неважко здогадатися, що при такому русі, перш ніж змінити напрямок руху, потрібно спочатку його сповільнити, потім застигнути на місці, а потім кинутися в інший бік. Який взаємозв'язок із струмом? Перед тим, як змінити рух, електрони повинні пригальмувати (все це ми розглядаємо у повільному часі). Значить струм зменшиться, а лампа має зменшити яскравість. А коли вони зупиняться перед зміною руху - і зовсім повинна згаснути. Але ми цього не бачимо. Чому? Тому що розжарена нитка має теплову інертність і за частку секунди не може охолонути. Тому миготіння ми не бачимо. Однак, кожен з нас чув дзижчання працюючого трансформатора, що пов'язане з поперемінним напрямком руху струму.

А тепер варто замислитись. Чи означає це, що за частку секунди електрони від електростанції сягають будинку, а за наступну частку секунди - назад? Раніше, в розділі "Про струм" ми з'ясували, що електричне полеу провідниках поширюється із швидкістю 300000км/с., а самі електрони рухаються у провідниках зі швидкістю приблизно 0,1мм/с. Але за 1/100 частина секунди (саме стільки триває один напівперіод, протягом якого електрони рухаються в один бік) електрони лише встигають переміститися в одному напрямку, як електричне поле почне діяти у протилежному напрямку. Ось чому електрони відхиляються то в один, то в інший бік і не покидають межі наших жител. Тобто, у вас в будинку є свої «домашні» електрони. Якщо ми могли б уповільнити час і включили в розетку вольтметр паралельно навантаженню, тобто. лампи (рис.3) або амперметр послідовно через навантаження (рис.4), то побачили б як стрілка приладу плавно змінює своє показання від нуля до максимального значення при вимірюванні напруги (рис.3) або струму (рис.4). На малюнку поруч це продемонстровано. Насправді ми, звичайно, цього не побачимо. Причина в інертності стрілки, через яку вона не може зробити сотню за секунду. До речі, до рис.3 і рис.4 наведено пояснювальний рис.5, де точно без особливих зусиль можна побачити, як підключаються вольтметр і амперметр при вимірюванні напруги і струму в електричного ланцюга. Де вольтметр, а де амперметр, я думаю, можна легко здогадатися. На схемах вони позначаються як V та А відповідно.

Отже, перше, що необхідно знати - це те, що зміни струму та напруги в електричному ланцюзі відбуваються за так званим синусоїдальним законом. Друге - будь-яке синусоїдальне коливання (струм або напруга) характеризуються такими важливими величинами:

Період Т- час здійснення одного повного коливання. Половина цього часу називається напівперіод. Очевидно, що в один півперіод струм тече (ну або як ми обговорювали - електрони рухаються) в одному напрямку, яке умовно можемо прийняти за позитивне, а в інший півперіод він тече в іншому напрямку, який може прийняти за негативний. На графіках позитивний напівперіод буде представлений верхньою напівхвильовою над віссю Х, а негативний - нижньою. Говорячи про мережу, можна зазначити, що період змінного струму Т = 1/50сек - 0,02сек.

Частота f- Це число коливань за секунду. Тепер давайте підрахуємо. Якщо одне коливання у нас відбувається за період Т, яке дорівнює 0,02сек, то тоді за одну секунду у нас відбудеться 50 коливань (1/0,02=50). А одне коливання є рух електронів спочатку в один бік, потім в інший (два напівперіоди). Тобто. за 1сек електрони будуть рухатися по черзі то в один або в інший бік 50раз. Ось вам і наша частота струму в мережі, що дорівнює 50Гц (Герц).

Амплітуда- найбільша величина струму (Imах) або напруги (Umах = 310В) за період Т. Очевидно, що за один період синусоїдальний струмі напруга досягає двічі своєї максимальної величини.

Миттєве значення - ми вже знаємо, що змінний струм безперервно змінює свій напрямок та величину. Величина напруги зараз називається миттєвим значеннямнапруги.Це саме стосується і величини струму.

Як ілюстрації на рис.6 вказано кілька миттєвих значень (200В, 300В, 310В, - 150В, - 310В, - 100В) величини напруги в електричному ланцюзі протягом одного періоду. Видно, що в початковий момент напруга дорівнює нулю, після чого поступово наростає до 100В, 200В і т.д. Досягши максимального значення 310В, напруга починає поступово зменшуватися до нуля, після чого змінює свій напрямок і знову зростає, досягаючи величини мінус 310В (- 310В) і т.д. Якщо хтось важко уявити, що таке зміна напряму, може уявити, що плюс і мінус у розетці змінюються місцями - тобто. якщо ми умовно приймемо нуль за мінус, а фазу за плюс. І відбувається це 50 разів на секунду. Ну, ось десь приблизно так...

Чинне значення

Отже, поставимо запитання - а якій постійній напрузі одно за своєю дією наше змінна напругау мережі, показане на рис.6? Теорія та практика показують, що воно дорівнює постійній напрузі величиною 220В - рис.7. Взяти це на віру не так вже й складно, оскільки нескладно побачити, що напруга, що розглядається протягом одного періоду, має значення 310В тільки в два моменти, а в інший час воно менше. Бо наше синусоїдальна напругазмінюється безперервно, то доцільно було запровадити таке поняття як -діюча напруга . Адже саме з якого-небудь конкретного значення напруги (або струму), а не його значення, що змінюється, ми можемо «прикинути» його силу. Так ось,під чинним значенням змінного струму (ну або напруги) ми розуміємо такий постійний струм, який за той самий час здійснює ту ж роботу (або виділяє таку ж кількість тепла), що і цей змінний струм.

Тому, наша звичайна лампочка (або, наприклад, обігрівальний прилад) буде однаково працювати як при змінному напрузі, що змінюється від нуля до 310В, так і при постійній напрузі 220В. А 12-вольтова лампочка однаково світитиме як від джерела змінної напруги величиною 12В(змінюється від нуля до 16,8В), так і від будь-якої батареї або акумулятора(а вони є, як відомо, джерелами постійної напруги).

Отже, запам'ятайте!

Електричний струм (напруга), який періодично змінює свій напрямок і величину, називається змінним струмом. Будь-який змінний струм характеризується в основному своєю частотою, амплітудою та чинним значенням;

Прилади, призначені вимірювання змінного струму, показують його чинне значення;

Напруга вимірюють вольтметром (або комбінованим приладом – авометром), струм – амперметром (або комбінованим приладом – авометром). Також струм можна вимірювати так званими струмовими кліщами. Служать вони для безконтактного вимірювання струму - робоча частина приладу утворює кільце навколо вимірюваного дроту та за величиною електромагнітного поля, що діє на робочу частину приладу, виводиться інформація на його невеликий дисплей про величину струму, що протікає. Авометр - це комбінований прилад (його в народі ще називають просто тестером), який повністю у своєму техпаспорті називається ампервольтомметром і служить для вимірювання і струму, і напруги, і опорів. А цифрові моделі можуть вимірювати і частоту напруги (струму), і ємності конденсаторів та інші речі – це вже як задумає розробник;

Знаючи значення (діє) змінної напруги, завжди можна дізнатися про його максимальне значення (не забудьте - воно змінюється за синусоїдальним законом). А зв'язок тут такий -Umax = 1,4U, де U - чинне значення, а Umax - максимальне значення (амплітуда).

Струм буває двох основних видів - постійний та змінний. Щоб розібратися з цими термінами, необхідно згадати, що струм - це впорядкований рух електронів. І ось коли ці електрони весь час рухаються в тому самому напрямку, то такий струм називається постійним. Але під поняттям упорядкований рух слід розуміти те що в один момент електрони рухаються в одному напрямку, а в другий момент - у зворотному і так без зупинки. Ось такий струм уже називається змінним. Якщо говорять про постійну і змінну напругу, то мається на увазі, що у постійної напруги + і завжди «знаходяться на одному місці».

Прикладом постійної напругиможе послужити звичайна батарейка, її корпусі ви завжди знайдете позначення + і -. А у змінного + і змінюються через деякий відрізок часу. Отже постійна напругастворює постійний струм, і відповідно змінна напруга - змінний струм.Прикладом змінної напруги може бути звичайна електромережа. Постійний струм позначається однією прямою лінією, а змінний однією хвилястою лінією.

Я думаю, вам не раз доводилося бачити написи 220В, перед якою стоїть горизонтальна хвиляста лінія. Це і є позначення змінного струму.

Зверніть увагу на те, що пристрої, в який використовується постійний струм, у переважній кількості, не допускають, щоб при підключенні до них живлення контакти + і — переплуталися між собою, оскільки якщо їх переплутати, то прилад може просто «згоріти». А ось для змінної напруги це вже не актуально, припустимо, ви включаєте в розетку ... та що завгодно, і не важливо який саме стороною вставити вилку в розетку, прилад все одно працюватиме. Напевно, вам також доводилося біля написів 220В помічати і напис типу 50Гц. Це частота змінного струму. І означає вона, скільки разів на секунду змінюється «плюс із мінусом» місцями. Напис 50Гц (Герц) означає, що за секунду полярність напруги змінюється 50 раз.

Графіки

Для того щоб уявити, як саме відбувається зміна полярності змінної напруги, необхідно розбиратися в графіках, які показують напругу в різні моменти часу. Давайте подивимося на графік, що демонструє постійне напруження (він ліворуч). Припустимо, що цей графік показує напругу на контактах лампочки ліхтарика.

Починаючи з точки 0 до точки «а» графік показує, що напруга дорівнює нулю. Або кажучи його там взагалі немає (ліхтарик вимкнений). У момент часу «а» (у нашому варіанті на контактах лампочки) з'являється напруга, що дорівнює U1, яка залишається без змін протягом часу від «а» до «б» (ліхтарик включений) . У момент часу "б" Напруга знову зникає (стає рівним нулю). Якщо подивитися на другий графік, який відображає змінну напругу, то думаю, неважко розібратися, що саме відбувається зі змінною напругою в різні моменти часу. У нульовій точці воно дорівнює нулю. Протягом часу від "0" до "а" напруга плавно зростає до значення U1 і в цей момент починає спадати. Внаслідок чого в момент часу "б" досягає нульової позначки. Але як видно на графіку, напруга продовжує падати і стає негативною. У точці "г" досягає мінімуму, і знову починає зростати. Це явище повторюється протягом існування напруги (поки світло не відключать. Слід зазначити, що змінна напруга може бути не тільки такої форми. Воно може бути, наприклад, прямокутної або практично будь-якої іншої форми. Тепер ще раз погляньте на ці два графіки, і згадайте , як позначається постійний та змінний струм (напруга).