Каждый с детства знает о том, что пальцам в розетке точно не место, ведь там электрический ток. Или напряжение. Но не все знают о том, какое напряжение в розетках может быть: постоянное или переменное. Ниже вы узнаете какой ток в розетках переменный или постоянный.
Все современные электроприборы бытового назначения работают с переменным троком. Постоянный электрический ток розетки вырабатывается , работающими на солнечной энергии или специальными генераторами. Поэтому ответ на вопрос о том, какой ток в домашней розетке, звучит просто: исключительно переменный. В более чем 98 процентах розеток в квартирах и частных домовладениях.
Напряжение переменного типа отличается от постоянного тем, что оно постоянно меняет показатели своей величины и полярности. Измерение частоты перемен меряется в герцах (Гц). Оборудование, генерирующее переменный ток, как показала история, выгоднее и лаконичнее по конструкции, чем агрегаты с постоянным током. Видоизменять величину переменного напряжения можно посредством трансформатора.
Существует зависимость: чем выше становится напряжение, тем ниже будут потери. Следовательно, ниже сечение проводов. Перед тем как ток доберется до розеток конечного потребителя, то напряжение по пути будет снижено до показателя в 220 Вольт. На территории Соединённых Штатов действует другая норма: это 230 Вольт. При этом, большая часть приборов быту производятся под определенный диапазон показателей по напряжению. Ведь в противном случае любой, даже не самый серьезный скачок может закончиться выгоранием техники. Техника, которая нуждается в схеме питания посредством подачи постоянного тока, обычно комплектуется специальным блоком питания. Он преобразует ток переменного напряжения в постоянный, после чего питает электронное устройство, бытовую технику или агрегат.
Ниже станет понятно какой ток в розетке и почему на предприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве используется преимущественно переменный ток, а не постоянный.
Общее определение
В школьных учебниках обычно написано, что током называют определенное движение частиц, направленное в одну сторону. Частицы при этом еще несут на себе заряд. Как раз те материалы изготовления, которые применяются для создания проводки, несут в себе электроны. Это и есть те самые частицы с зарядом.
Электрические станции вырабатывают энергию посредством генератора. В генераторе электромашина, с вращающимся валом. Вал этот может вращаться по разным причинам:
- Ветряные комплексы используют силу ветра.
- ГЭС это энергия течения или падения воды.
- АЭС это нагрев воды теплоносителем, который в свою очередь превращается в пар.
- ТЭС это более упрощенная схема АЭС, где используется примерно та же самая схема, что и на АЭС, но в качестве основного источника применяется мазут, уголь и много чего еще.
Генераторы с валами имеют электромагнитный элемент. В корпусе статора находится обмотка. Когда вращается ротор, то магнит будет вращаться одновременно. Поле будет пересекать катушки и видоизменяться по вектору и величинам, как раз за счет того, что на него влияет напряжение. Это напряжение будет меняться с 0 до 100 процентов, а также от обратной полярности к прямой. Именно это и есть переменный ток.
Чем отличается переменный ток и напряжение от постоянного, использование диодного моста
Частот, с которыми может меняться напряжение в электросетях, не так уж и много. На территории ЕС, СНГ и России этот показатель составляет 50 Герц. Независимо от того, какое напряжение будет зафиксировано на клеммах выхода с генераторного механизма, потребитель получает всё те же 220 Вольт.
В отличие от переменного напряжение: постоянное не претерпевает столь серьезных изменений. Ни полярность, ни величины не меняются. Поначалу постоянный ток добывался посредством батарейных комплексов с элементами из меди и цинка. Но позже появятся точно такие же механизированные генераторы тока. Принцип работы точно такой же. Сегодня же времена генераторов постоянного тока уже давно прошли, он будет вырабатываться исключительно солнечными батареями.
Переменный ток – что это такое?
Переменный ток – упорядоченное движение заряженных частиц или, иначе говоря, электрический ток, который с течением времени меняет свое направление и величину по определенному закону с заданной частотой.
Переменный ток широко применяется в быту и в промышленности. Производится он традиционно на различного рода электростанциях — ТЭЦ, ТЭС, ГЭС, АЭС и др. И всех их объединяет одно, независимо от используемого источника энергии (энергии воды, сжигаемого топлива, ядерной энергии и т.д.) – наличие генераторов переменного тока, преобразующих механическую энергию вращения в электрическую.
Чем отличается переменный ток от постоянного?
Отличие переменного тока от постоянного заключается в том, что последний всегда неизменен по величине и направлению движения.
Однако, отделить постоянный ток и переменный друг от друга в наше время невозможно, так как чаще всего используется их сочетание, когда они преобразуются друг в друга по необходимости. Так, переменный ток сети преобразуется в блоках питания сложной электроники в постоянный. Переменный ток, вырабатываемый генератором автомобиля, «выпрямляется» диодным мостом и далее заряжает АКБ, питая бортовые устройства. Или постоянный ток, вырабатываемый, например, солнечной электростанцией, посредством инвертора преобразуется в переменный и подается в сеть.
.jpg)
Это явление нашло массовое применение во всем мире по одной простой причине — как наиболее экономически целесообразный способ производства и передачи электроэнергии до потребителя. Ведь, например, построить отдельную станцию для каждого потребителя невозможно и дорого. А передать электроэнергию оттуда, где ее можно произвести в силу подходящего географического расположения, близости к природным ресурсам — вполне даже реально. К тому же, само оборудование для генерации и преобразования переменного тока гораздо проще конструктивно, надежнее и, соответственно, дешевле, чем оборудование постоянного тока.
При этом трехфазная схема электрического тока, наиболее сбалансированная из возможных, позволяет создавать вращающееся магнитное поле, так необходимое для работы применяемых повсюду электрических двигателей. А почему именно 3 фазы? Две обмотки не обеспечат непрерывное равномерное взаимодействие магнитных полей, а четыре и более избыточны, так как приведут к удорожанию электрических сетей. И самое основное преимущество системы – возможность легко и просто изменять величину генерируемого напряжения с помощью повышающих и понижающих трансформаторов. А чем выше напряжение, тем дальше можно передать электроэнергию и тем меньше тепловые потери энергии при передаче. А уже ближе к потребителю напряжение снижается до необходимого нормируемого уровня при помощи понижающих трансформаторов, и подводится посредством ВЛЭП или КЛ к электроустановкам потребителя.
Постоянный ток также нашел обширное применение во всех областях деятельности человека, в первую очередь благодаря аккумуляторам, в которых посредством химической реакции возникает так называемый гальванический ток. Все без исключения современные автономные портативные устройства питаются от АКБ.
Если говорить об автономности, то безоговорочно область применения постоянного тока распространяется на бортовые системы любых автомобилей, летательных аппаратов, электропоездов. В последнее время с развитием высокопроизводительных источников питания свою нишу занял и колесный транспорт на электротяге – электромобили, скутеры, электробусы, электробайки. Плюс в том, что двигатели постоянного тока позволяют плавно развивать скорость и высокий крутящий момент во всех диапазонах оборотов.
Кроме того, постоянный ток безальтернативно используется в микроэлектронике, в средствах связи и прочей технике, то есть там, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций и даже вовсе их исключить.
Чтобы узнать больше, смотрите наше видео, в котором мы подробно рассказываем о явлении переменного и постоянного тока.
Постоянный ток
Сначала напомним, что ток – это движение заряженных частиц.
Постоянный ток – это ток, который течет в одном направлении.
Типичный источник постоянного тока – гальванический элемент. Проще говоря, батарейка или аккумулятор. Один из древнейших артефактов, связанных с электричеством – багдадская батарейка, которой 2000 лет. Предполагают, что она давала ток напряжением 2-4 Вольта.
Где используется постоянный ток:
- в питании большинства бытовых приборов;
- в батарейках и аккумуляторах для автономного питания приборов;
- для питания электроники автомобилей;
- на кораблях и подводных лодках;
- в общественном транспорте (троллейбусах, трамваях).
Проще всего представить постоянный ток наглядно, на графике. Вот как он выглядит:
Бытовые приборы работают на постоянном токе, но в розетки сети в квартире приходит переменный ток. Практически везде постоянный ток получается путем выпрямления переменного.
Переменный ток
Переменный ток – это ток, который меняет величину и направление. Причем меняет в равные промежутки времени.
Переменный ток используется в промышленности и электроснабжении. Именно его получают на станциях и отправляют к потребителям. Уже на месте преобразование переменного электрического тока в постоянный происходит с помощью инверторов.
Переменный ток — alternating current (AC). Постоянный ток — direct current (DC). Аббревиатуру AC/DC можно увидеть на трансформаторных будках, где происходит преобразование. А еще это название одной отличной австралийской рок-группы.
А вот и наглядное изображение переменного тока.
Переменный ток течет в цепи в двух направлениях: туда и обратно. Одно из них считается положительным, а второе — отрицательным.
Так как величина тока меняется не только по направлению, но и по величине, не думайте, что в вашей розетке постоянно 220 Вольт. 220 — это действующее значение напряжения, которое бывает 50 раз в секунду. Кстати, в Америке используется другой стандарт переменного тока в сети: 110 Вольт и 60 Герц.
Плюсы и минусы переменного тока
И переменный, и постоянный ток большой мощности невозможно получать непосредственно возле потребителей. Последние могут располагаться от устройства, вырабатывающего электроток, на расстоянии многих сотен и даже тысяч километров. Передачу электроэнергии на дальние расстояния эффективнее осуществлять при очень высоком электронапряжении. Передача с использованием низкого электронапряжения приводит к довольно внушительным потерям мощности. Это связано с тем, что при протекании электричества по проводам выделяется тепло, а тепло — это энергия, которая уходит наружу, поэтому это потеря мощности.
Например, если требуется 3000 Вт (ватт) электроэнергии, то при напряжении 100 В ток должен составлять 30 А (ампер), а при напряжении 1000 В только 3 А. Другими словами, если электронапряжение увеличивается в 10 раз, величина электротока уменьшается в 10 раз. Потери мощности можно узнать, используя простейшую формулу:
Определение потерь мощности
Как видим, потери мощности при уменьшении электронапряжения в десять раз снижаются в сто раз. Это главная причина, почему передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют высоковольтными линиями. Конечно, таким электронапряжением нельзя пользоваться в домах и офисах. Поэтому его понижают, используя трансформаторы. В отличие от постоянного, переменный электроток преобразовывается намного проще, поэтому он лучше подходит для электроснабжения инфраструктуры.
Еще одно различие между переменным током и постоянным связано с тем, что подачу питания при использовании переменного электронапряжения намного легче прервать. Разница заключается еще и в том, что при пользовании переменным напряжением не имеет значения полярность. Например, при подключении к розетке никто не задумывается, где плюс или минус у электрочайника или холодильника.
Трансформаторная подстанция
С другой стороны, переменный электроток требует более высокого электронапряжения, чем целевое электронапряжение для используемого электрооборудования, поскольку значение напряжения постоянно меняется, и бывают моменты, когда напряжение падает до нуля. Форма волны переменного напряжения синусоидальная, а максимальное напряжение в √2 раз больше текущего значения. Характеристики изоляции и технические характеристики оборудования должны быть выше эффективного значения.
Другой отличающейся особенностью переменного электротока является то, что на него сильно влияют катушки и конденсаторы. Они генерируют напряжение, которое заставляет ток течь в противоположном направлении, что вызывает опережение или задержку электротока в цепи.
Следовательно, преимуществом переменного электротока является:
- Возможность более выгодной транспортировки.
- Более простой процесс преобразования.
- Легкость отключения от сети питания.
- Нет необходимости беспокоиться о плюсах и минусах.
Основной минус переменного электротока — наличие реактивной мощности. Еще одним недостатком считается то, что при прохождении электротока задействуется не все сечение проводника, происходит вытеснение заряда к поверхности. Из-за этого уменьшается площадь протекания электротока, что способствует увеличению сопротивления самого проводника, а также возникновению потерь мощности в нем.
Вытеснение электротока к поверхности проводника
Система электроснабжения становится еще более эффективной при использовании трехфазного переменного электротока. График такого электротока представляет собой три волны, смещенные относительно друг друга на 120 градусов.
График трехфазного напряжения
Для передачи трехфазного электричества требуется меньшее количество проводов, чем для передачи однофазного аналогичной мощности. Трехфазные трансформаторы отличаются меньшими габаритами, чем однофазные. Конструкция трехфазных асинхронных электродвигателей не предусматривает коллекторно-щеточного узла. Данное обстоятельство существенно снижает расходы, связанные и изготовлением и эксплуатацией моторов. Благодаря отсутствию коллекторно-щеточного узла электродвигатели развивают мощность в разы превышающую мощность моторов постоянного электротока.
Преимущества переменного тока
Аккумуляторные батареи практичны как источник постоянного электричества. Однако бесконечно снабжать токоприёмники энергией без подзарядки они не могут. Поэтому создание изменяющегося во времени тока и его доставка потребителю – главные задачи энергосистемы страны. К преимуществам этого вида относятся:
- лёгкость преобразования из одной величины напряжения в другую;
- допустимость передачи на дальние расстояния по ЛЭП к распределительным сетям;
- возможность реализовывать трёхфазные схемы энергоснабжения;
- ориентированность на потребителей производственных предприятий, рассчитанных на питание переменным током.
Снизить или повысить величину напряжения переменного тока проще. Для этого стоит только пропустить его через трансформатор. Большой КПД этого преобразователя – 99%, потеря мощности – лишь 1%. Трансформатор, имея отдельные обмотки по напряжению, ещё разделяет высокое напряжение от низкого, что допускает возможность разделить установки до 1000 В и свыше 1000 В.
Атомные и гидроэлектростанции расположены в местах, отдалённых от центральных районов расположения потребителей. Поэтому напряжение добытой электроэнергии повышают до сотен кВт, чтобы снизить потери при транспортировке, и передают по ЛЭП в нужное место, где снова понижают.
Применяя трёхфазное переменное напряжение, повышают производительность структуры энергосистемы. Передача одинаковой мощности трёхфазной сети требует меньшего количества проводников, в отличие от однофазной линии.
Важно! Если сравнить два трансформатора одинаковой мощности, то габариты однофазного трансформатора больше, чем трёхфазного. Изготовление асинхронных двигателей обходится дешевле, чем двигателей постоянного тока. В них отсутствуют коллектор и щётки, по мощности при одинаковых размерах асинхронные двигатели обгоняют постоянные в 2-3 раза.
Недостатки постоянного тока
Кроме того, что источники этого вида тока имеют непростую конструкцию, они сложнее в эксплуатации. При КПД, равном 94%, предельная мощность этих машин не выше 20 МВт. Присущи и другие минусы:
- для повышения или понижения напряжения применяют сложные схемы;
- двигатели, рассчитанные на потребление такого электричества, также конструктивно сложны и недешевы;
- развязка низкого и высокого напряжения требует сложных решений.
Полностью отказаться от таких источников и потребителей не получается, так как они востребованы и имеют свои преимущества.
Источники тока
Под источником понимают устройство, которое создает в сети поток электричества. Источники любого тока бывают:
- Первичные: преобразовывают любую энергию в электрическую.
- Вторичные: не генерируют электроэнергию, а трансформируют ее.
Классическим примером первичного источника переменного тока является генератор.
Источники подразделяются на:
- Механические;
- Световые;
- Тепловые;
- Химические.
Механические
Механическую энергию источники превращают в электрическую. Так функционируют генераторы, которые вырабатывают переменный ток за счет вращения магнита вокруг катушки двигателя.
Световые
Энергию фотонов источники такого типа преобразуют в электроэнергию, что обеспечивается свойством полупроводников при действии света продуцировать напряжение. На данном принципе построена работа солнечных батарей.
Тепловые
Источники превращают энергию тепла в электричество за счет температурной разницы двух пар контактирующих проводников. В таких устройствах сила тока зависит от амплитуды температур. Чем она шире, тем больше сила тока. Тепловые источники используются в геотермальных станциях.
Химические
Источники производят электричество за счет химических реакций. Примером таких устройств являются гальванические батареи и аккумуляторы, которые устанавливаются в автомобилях, являющиеся источниками постоянного тока.
Трансформаторы
Генерация и транспортировка переменного тока гораздо легче и выгоднее. На пути к конечному потребителю электричество подвергается неоднократным трансформациям с повышением и понижением напряжения. Для этого существуют специальные установки.
Трансформатор накапливает переменный ток и повышает его силу в несколько раз. Старые трансформаторы были очень громоздкими, но современные компактны и способны располагаться даже на линиях электропередач.
Преимущества переменного тока
В наших розетках протекает переменный ток. Но почему именно он, чем он лучше постоянного?
Дело в том, что только величину переменного напряжения можно изменять с помощью преобразовательных устройств – трансформаторов. А делать это приходится многократно.
Теплоэлектростанции, гидроэлектростанции и атомные электростанции находятся далеко от потребителей. Возникает необходимость передачи больших мощностей на расстояния, исчисляемые сотнями и тысячами километров. Провода линий электропередач имеют малое сопротивление, но все же оно присутствует. Поэтому ток, проходя по ним, нагревает проводники. Более того, за счет разности потенциалов в начале и конце линии, к потребителю приходит меньшее напряжение, чем было на электростанции.
Бороться с этим явлением можно, либо уменьшив сопротивление проводов, либо снизив значение тока. Уменьшение сопротивления возможно только с увеличением сечением проводов, а это дорого, а порой – невозможно технически.
А вот уменьшить ток можно, увеличив значение напряжения линии. Тогда при передаче одной и той же мощности ток по проводам пойдет меньший. Уменьшаться потери на нагрев проводов.
Технически это выглядит так. От генераторов переменного тока электростанции напряжение подается на повышающий трансформатор. Например, 6/110 кВ. Далее по линии электропередач напряжением 110 кВ (сокращенно – ЛЭП-110 кВ) электрическая энергия отправляется до следующей распределительной подстанции.
Если эта подстанция предназначена для питания группы деревень в районе, то напряжение понижается до 10 кВ. Если при этом нужно отправить весомую часть принятой мощности энергоемкому потребителю (например, комбинату или заводу), могут использоваться линии напряжением 35 кВ. На узловых подстанциях для разделения напряжения между потребителями, находящихся на разном удалении и потребляющими разные мощности, используются трехобмоточные трансформаторы. В нашем примере это – 110/35/6 кВ.
Теперь напряжение, полученное на сельской подстанции, претерпевает новое преобразование. Его величина должна стать приемлемой для потребителя. Для этого мощность проходит через трансформатор 10/0,4 кВ. Напряжение между фазой и нулем линии, идущей к потребителю, становится равным 220 В. Оно и доходит до наших розеток.
Думаете, что это все? Нет. Для полупроводниковой техники, являющейся начинкой наших телевизоров, компьютеров, музыкальных центров эта величина не подойдет. Внутри них 220 В понижаются до еще меньшего значения. И преобразуется в постоянный ток.
Вот такая метаморфоза: передавать на большие расстояния лучше переменный ток, а нужен нам, в основном – постоянный.
Еще одно достоинство переменного тока: проще погасить электрическую дугу, неизбежно возникающую между размыкающимися контактами коммутационных аппаратов. Напряжение питания изменяется и периодически переходит через нулевое положение. В этот момент дуга гаснет самостоятельно при соблюдении определенных условий. Для постоянного напряжения потребуется более серьезная защита от подгорания контактов. Но при коротких замыканиях на постоянном токе повреждения электрооборудования от действия электрической дуги серьезнее и разрушительнее, чем на переменном.
Преимущества постоянного тока
Энергию от источников переменного напряжения нельзя хранить. Его можно использовать для зарядки аккумуляторной батареи, но выдавать она будет только постоянный ток. А что будет, если в силу каких-то причин остановится генератор на электростанции или оборвется линия питания села? Его жителям придется пользоваться фонариками на батарейках, чтобы не остаться в темноте.
Но и на электростанциях тоже есть источники постоянного напряжения – мощные аккумуляторные батареи. Ведь для того, чтобы запустить остановившееся из-за аварии оборудование, необходимо электричество. У механизмов, без которых запуск оборудования электростанции невозможен, электродвигатели питаются от источников постоянного напряжения. А также – все устройства защиты, автоматики и управления.
Также на постоянном напряжении работает электрифицированный транспорт: трамваи, троллейбусы, метро. Электродвигатели постоянного тока имеют больший вращающий момент на низких скоростях вращения, что необходимо электропоезду для успешного трогания с места. Да и сама регулировка оборотов двигателя, а, следовательно, и скорости движения состава, проще реализуется на постоянном токе.
