Постоянный и переменный ток, его источники и их применение в электротехнике

Содержание

• 1 Электрический ток
• 2 Источники и признаки постоянного тока
• 3 Источники электрического тока, изобретение электромашины
• 4 Принцип действия
• 5 Работа источника тока
• 6 Химический источник тока
  • 6.1 Некоторые виды химических источников тока
• 7 Электрические аккумуляторы
• 8 Гальванические элементы
• 9 Топливные элементы
• 10 Идеальный источник тока
• 11 Видео

Открытие электричества привело к появлению такого понятия, как источник тока. Им может быть любой двухполюсник, в котором значение напряжения на выводах не обусловлено силой тока, проходящего через него. Иными словами, это устройство, совершающее работу, в результате которой происходит разделение отрицательно и положительно заряженных частиц. Они накапливаются на клеммах двухполюсника и создают разность потенциалов между ними. Источник может преобразовать в электрическую энергию другие виды энергии. При любом сопротивлении нагрузки его ток не меняется.

Виды источников тока

Электрический ток

Направленное движение электронов называется электрическим током. Сами электроны – это отрицательно заряженные частицы. Они присутствуют в металлах и двигаются беспорядочно. Если металлический проводник присоединить к выводам двухполюсника (источника тока), то электроны начнут перемещаться в строгой направленности. Протекая от плюса к минусу, они образуют процесс, называемый электрическим током.

Источники и признаки постоянного тока

Движение зарядов в электрической цепи обеспечивают источники тока. Для постоянного тока источниками могут быть:

• батарейки или аккумуляторы;
• генераторы постоянного тока;
• преобразователи и выпрямители импульсов переменного тока.

Основные химические источники электроэнергии

Гальванические элементы выpaбатывают постоянный ток в результате электрохимической реакции.

Машины постоянного тока производят его с помощью электромагнитной индукции и выпрямляют в обмотках коллектора.

Схемы преобразователей и полупроводниковые выпрямители на транзисторах или высоковольтных диодах так же могут выдавать ток, хаpaктеристики которого не меняются во времени. Преобразователи могут регулировать частоту и напряжение, оставляя неизменным ток.

По каким признакам определяют наличие тока, если нет измерительных приборов? Это можно выяснить по его воздействию на проводник. Такие действия можно разделить на три вида:

• магнитные;
• химические;
• тепловые.

Если через проводник, из которого выполнена обмотка катушки, пропустить электроток, то катушка станет притягивать металлические элементы. На этом принципе работают большие электромагниты, задействованные при погрузке металла в морских портах.

Химическое действие, по которому можно судить о наличии тока, – это процесс электролиза. При нём на электродах, подключенных к источнику, начинает оседать вещество. Эти процессы используются в гальваностегии или гальванопластики.

При подключении к двухполюснику проводника с высоким сопротивлением электрическому току он начинает нагреваться и отдавать тепло. Например, чтобы электроны двигались через нихромовую спираль, совершается работа с выделением тепла. Это свойство проводника используется при изготовлении нагревательных приборов.

Важно! Источник тока отличается от источника напряжения тем, что первый отдаёт одинаковый ток, независимо от сопротивления нагрузки, второй –снабжает потребителя напряжением, которое не изменяется при любой нагрузке. Квартирная розетка 220 В – источник напряжения, сварочный аппарат – токовый ресурс.

Источники электрического тока, изобретение электромашины

Источники питания 24 и 12 Вольт

Выработка электричества с помощью генераторов – основное направление в производстве электроэнергии. Механические источники поделились на два вида генераторов:

• машины, выpaбатывающие постоянный ток;
• генераторы, производящие переменный ток.

Источники переменного тока и постоянного – это генераторы, которые превращают механическую энергию вращения в электрическую. Заявление Эмиля Ленца, русского учёного, в 1833 году послужило толчком для работ над созданием генераторов. Ленц объявил о возможной взаимности магнитоэлектрических явлений. Это означало, что двигатели постоянного и переменного тока могли не только вращаться при подаче напряжения соответствующей природы, но и при вращении начинать выpaбатывать это напряжение.

Принцип действия

Подключаем трaнcформатор тока

Переменный – это ток, у которого величина и направление меняются во временном диапазоне. Основным принципом действия генераторов переменного тока является закон электромагнитной индукции – возникновение движения электронов в проводнике во время прохождения магнитного потока через его замкнутый контур.

Принцип действия генератора переменного (слева) и постоянного тока (справа)

Действие генераторов постоянного тока основано на законе Фарадея и проявлении ЭДС.

Когда к проводнику, имеющему внутри вращающийся постоянный магнит, подключить нагрузку, то по ней потечёт переменный ток. Это происходит из-за смены мест полюсов магнита. Для получения постоянного тока нужно эту нагрузку подключать с такой скоростью, с какой вращается магнит. Для этого предназначен в нём коллектор, который закрепляется на роторе и вращается с той же частотой. Постоянное напряжение с коллектора снимают графитные щётки. ЭДС падает до нуля, когда пластины коллектора переключаются, но не изменяет своей полярности, так как успевает подключиться к другому проводнику.

Работа источника тока

Перемещая электрические заряды по участку цепи, электрический ток выполняет работу. Она складывается из работы кулоновских сил и работы сторонних сил:

А = Акул + Астор.

Работа источника – это работа сторонних сил по переносу электрических зарядов вдоль проводника в течение времени:

Аист = Астор = ε * I * t,

где:

• ε – ЭДС (В);
• I – ток (А);
• t – время (с).

Работа электротока определяет степень превращения электроэнергии в её другие формы.

Химический источник тока

Химические источники питания постоянного тока – это семейство устройств и аппаратов, которые выдают напряжение на своих клеммах в результате внутренних химических процессов окисления или гальванизации. Их работа основана на реакциях химических веществ, которые, вступая во взаимодействие между собой, производят постоянный электроток.

К сведению. Процессы, протекающие в химических источниках (ХИТ), идут без тепловых или механических воздействий. Это выделяет их в особый ряд среди устройств, генерирующих напряжения постоянной полярности.

Некоторые виды химических источников тока

Термины и определения подробно описаны в ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011, введённом в действие 01.07.2012 года. В нём сокращённо обозначены химические источники тока – ХИТ.

Разделение по видам ХИТ производят в следующей градации:

• первичные;
• топливные;
• аккумуляторы.

Это различие проведено по способу действия источника.

Химические источники тока

Элементы однократного применения – первичные источники. В них заложен конечный запас реагентов, которые вступят в реакцию и перестанут выpaбатывать энергию по окончании процесса. Это различные батарейки типа АА.

Топливные ХИТ способны работать постоянно, но требуют поступления новой дозы веществ и удаления отработанных продуктов. По сути, это гальваническая ячейка, куда подводятся раздельно топливо и окислитель, они вступают в реакцию на двух электродах. В электролите растворяется топливо, и происходит катодное окисление. Это пpaктически прецизионный лабораторный процесс.

Схема работы топливного элемента

Вторичные элементы, которые имеют возможность использоваться много раз, после подзаряда или перезаряда называются аккумуляторами. Если к таким устройствам подключить ток, то они снова регенерируются и аккумулируют энергию. Они нашли самое широкое применение в питании мобильных устройств и механизмов.

Аккумуляторный источник тока

Электрические аккумуляторы

Это источник постоянного тока многоразового использования, который действует не постоянно, а до следующего заряда. Они по своей химической природе подразделяются на типы:

• свинцово-кислотные;
• литий-ионные (литиевые);
• никель-кадмиевые;
• никелево-железные.

Свинцово-кислотные модели применяются в автомобилях, источниках бесперебойного питания, трaнcпорте, промышленности, в отрасли связи и телекоммуникаций.

Литий-ионные батареи нашли широкое применение в мобильной связи, электроинструментах, системах телекоммуникаций, а также автономном и аварийном электроснабжении. Вот только небольшой перечень спектра их составов:

• литий-титанатовый;
• тионилхлоридный;
• литий-кобальтовый;
• литий-марганцевый;
• литий-фосфат железный;
• литий-полимерный;
• литий-диоксид серный;
• литий-диоксид марганцевый.

Литий-ионные источники тока

Интересно. Никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы применяются в авиации, речном и морском судоходстве, в электрокарах.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Никелево-железные щелочные – очень надёжный тип источника. Пагубные для свинцово-кислотных батарей глубокие разряды, частые недозаряды не выводят их из строя. Они используются в тяговых трaнcпортных цепях, в цепях резервного питания.

Тяговый никель-железный аккумулятор

Гальванические элементы

Это ряд химических источников тока, которые называются батарейками. Напряжение батареек зависит от количества единиц, в неё входящих, и типа металлов, которые в ней применяются. Напряжение может быть в пределах от 1,5 до 4,5 вольт. В металлический цилиндр вставлены сетки из металлов, на которые с помощью напыления наносится окислитель. Электролитом выступает кислота либо соли калия или натрия. По мере прекращения реакции ток в батарее снижается. Дальнейшему восстановлению батарея не подлежит.

Гальванический элемент, схема работы

Топливные элементы

Этот класс источника тока можно отнести к разряду батарей, которые производят ток из топлива с помощью электрохимической реакции. Есть в нём электролит, анод и катод. Только такие ХИТ не накапливают энергии, им не нужен заряд. Всё, что необходимо для их работы, – воздух и топливо. Пока то и другое есть, электроэнергия выpaбатывается. Без целого блока вспомогательных систем: подачи топлива, удаления отходов и системы контроля, процесс тоже невозможен.

Идеальный источник тока

Если ток, проходящий через двухполюсник и снимаемый с его контактов, не изменяется от величины напряжения на этих контактах, то это идеальный источник тока. Закон Ома, утверждающий, что сила тока на участке цепи находится в прямой зависимости от напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению, ссылается на такой эталон. Формула:

I = U/R, где:

• I – ток, А;
• U – напряжение, В;
• R – сопротивление, Ом.

В этом случае подразумевается, что внутреннее сопротивление источника близко или равно бесконечности. Это значит, что внешние параметры цепи, изменяющие напряжение на выходе двухполюсника, не изменяют ток.

Внимание! Мощность на выводах источника будет повышаться с увеличением сопротивления нагрузки, при неизменном токе это даёт увеличение мощности P = U*I. В этом случае можно говорить об идеальном источнике мощности.

Источник любого типа далёк от идеального генератора. Правильно подобранный и неповреждённый источник тока прослужит долго. Главное, чтобы эксплуатация проходила в рекомендуемом режиме. Так как большинство изделий связано с химическими процессами, то хранение и утилизация этой продукции выполняются по экологическим нормам и правилам.

Видео