Какой ток в источнике питания постоянного или переменного тока

Обновлено: 21.11.2024

Батарейки, топливные элементы и солнечные элементы производят так называемый постоянный ток. Положительные и отрицательные клеммы батареи всегда соответственно положительные и отрицательные. Между этими двумя клеммами ток всегда течет в одном направлении.

С другой стороны, электроэнергия, поступающая от электростанции, называется переменным током (AC). Направление течения меняется или меняется 60 раз в секунду (в США) или 50 раз в секунду (например, в Европе). Электропитание, доступное в настенной розетке в США, составляет 120 В переменного тока с частотой 60 циклов.

Большим преимуществом переменного тока для энергосистемы является тот факт, что относительно легко изменить напряжение питания с помощью устройства, называемого трансформатором. Энергетические компании экономят таким образом большие деньги, используя очень высокое напряжение для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Как это работает? Ну, допустим, у вас есть электростанция, которая может производить 1 миллион ватт мощности. Один из способов передать эту мощность — послать 1 миллион ампер при 1 вольте. Другой способ передать это - послать 1 ампер на 1 миллион вольт. Для передачи 1 ампера требуется только тонкий провод, и не так много энергии теряется на нагрев во время передачи. Для передачи 1 миллиона ампер потребуется огромный провод.

Поэтому энергетические компании преобразуют переменный ток в очень высокое напряжение для передачи (например, 1 миллион вольт), затем понижают его до более низкого напряжения для распределения (например, 1000 вольт) и, наконец, до 120 вольт внутри дома для безопасность. Как вы можете себе представить, намного сложнее убить кого-то с помощью 120 вольт, чем с 1 миллионом вольт (и сегодня большинство смертей от электричества полностью предотвращается с помощью розеток GFCI). Чтобы узнать больше, прочтите статью «Как работают электрические сети».

Осталось одно важное электрическое понятие, которое мы не обсудили: заземление.

Ожесточенное соперничество между изобретателями, разбирающимися в электричестве, может показаться вымыслом, но напряженность между Томасом Эдисоном и Николой Теслой была реальной. Тесла выступал за переменный ток, а Эдисон настаивал на том, что он слишком опасен. Единственными жертвами в этой «войне токов» были животные, которых Эдисон публично казнил электрическим током с помощью высоковольтной системы Теслы, чтобы доказать свою точку зрения. Первыми жертвами были собаки и кошки, но Эдисон в конце концов убил током слона по имени Топси [источник: Раддик].

Откуда произошло название австралийской рок-группы AC/DC? Да ведь переменный ток и постоянный ток, конечно же! И AC, и DC описывают типы тока, протекающего в цепи. В постоянном токе (DC) электрический заряд (ток) течет только в одном направлении. С другой стороны, электрический заряд в переменном токе (AC) периодически меняет направление. Напряжение в цепях переменного тока также периодически меняется на противоположное, поскольку ток меняет направление.

Большая часть создаваемой вами цифровой электроники будет использовать постоянный ток. Однако важно понимать некоторые концепции переменного тока. Большинство домов подключены к сети переменного тока, поэтому, если вы планируете подключить свою музыкальную шкатулку Tardis к розетке, вам нужно будет преобразовать переменный ток в постоянный. Переменный ток также обладает некоторыми полезными свойствами, такими как способность преобразовывать уровни напряжения с помощью одного компонента (трансформатора), поэтому переменный ток был выбран в качестве основного средства передачи электроэнергии на большие расстояния.

Чему вы научитесь

• История AC и DC
• Различные способы получения переменного и постоянного тока.
• Некоторые примеры приложений переменного и постоянного тока

Рекомендуемое чтение

Переменный ток (AC)

Переменный ток описывает поток заряда, который периодически меняет направление. В результате уровень напряжения также меняется на противоположный вместе с током. Переменный ток используется для подачи электроэнергии в дома, офисные здания и т. д.

Генерация переменного тока

Переменный ток можно производить с помощью устройства, называемого генератором переменного тока. Это устройство представляет собой электрический генератор особого типа, предназначенный для выработки переменного тока.

Петля из проволоки вращается внутри магнитного поля, которое индуцирует ток вдоль проволоки. Вращение проволоки может осуществляться любыми способами: ветряной турбиной, паровой турбиной, проточной водой и так далее. Поскольку провод вращается и периодически переходит в другую магнитную полярность, напряжение и ток на проводе чередуются. Вот короткая анимация, демонстрирующая этот принцип:

Генерацию переменного тока можно сравнить с нашей предыдущей аналогией с водой:

Чтобы генерировать переменный ток в водопроводных трубах, мы соединяем механическую рукоятку с поршнем, который перемещает воду в трубах вперед и назад (наш «переменный» ток). Обратите внимание, что сжатый участок трубы по-прежнему оказывает сопротивление потоку воды независимо от направления потока.

Осциллограммы

Переменный ток может принимать различные формы, если напряжение и ток являются переменными. Если мы подключим осциллограф к цепи с переменным током и построим график зависимости напряжения от времени, то сможем увидеть ряд различных сигналов. Наиболее распространенным типом переменного тока является синусоида. Переменный ток в большинстве домов и офисов имеет колебательное напряжение, которое создает синусоидальную волну.

Другие распространенные формы переменного тока включают прямоугольную волну и треугольную волну:

Прямоугольные волны часто используются в цифровой и коммутационной электронике для проверки их работы.

Треугольные волны используются при синтезе звука и полезны для тестирования линейной электроники, такой как усилители.

Описание синусоиды

Мы часто хотим описать форму сигнала переменного тока математическими терминами. В этом примере мы будем использовать обычную синусоиду. Синусоида состоит из трех частей: амплитуда, частота и фаза.

Глядя только на напряжение, мы можем описать синусоиду как математическую функцию:

V(t) — это наше напряжение как функция времени, что означает, что наше напряжение меняется с течением времени. Уравнение справа от знака равенства описывает изменение напряжения во времени.

V_P – это амплитуда. Это описывает максимальное напряжение, которого может достичь наша синусоида в любом направлении, а это означает, что наше напряжение может быть +V_P вольт, -V_P вольт или где-то посередине.

Функция sin() указывает, что наше напряжение будет иметь форму периодической синусоиды, которая представляет собой плавное колебание около 0 В.

2π — это константа, которая преобразует частоту из циклов (в герцах) в угловую частоту (в радианах в секунду).

f описывает частоту синусоиды. Это указывается в виде герц или единиц в секунду. Частота показывает, сколько раз конкретная форма волны (в данном случае один цикл нашей синусоиды - подъем и спад) повторяется в течение одной секунды.

t — наша независимая переменная: время (измеряется в секундах). С течением времени меняется и форма нашей волны.

φ описывает фазу синусоиды. Фаза — это мера того, насколько форма сигнала сдвинута во времени. Его часто задают в виде числа от 0 до 360 и измеряют в градусах. Из-за периодического характера синусоидальной волны, если форма волны смещается на 360°, она снова становится той же формой волны, как если бы она была сдвинута на 0°. Для простоты мы по-прежнему будем считать, что фаза равна 0° в оставшейся части этого руководства.

Мы можем обратиться к нашему надежному поставщику за хорошим примером того, как работает сигнал переменного тока. В Соединенных Штатах электроэнергия, подаваемая в наши дома, представляет собой переменный ток с напряжением около 170 В от нуля до пика (амплитуда) и частотой 60 Гц (частота). Мы можем подставить эти числа в нашу формулу, чтобы получить уравнение (помните, что мы предполагаем, что наша фаза равна 0):

Мы можем использовать наш удобный графический калькулятор, чтобы построить график этого уравнения. Если графический калькулятор недоступен, мы можем использовать бесплатную онлайн-программу для построения графиков, такую ​​как Desmos (обратите внимание, что вам может потребоваться использовать «y» вместо «v» в уравнении, чтобы увидеть график).

Обратите внимание, что, как мы и предсказывали, напряжение периодически поднимается до 170 В и падает до -170 В. Кроме того, каждую секунду происходит 60 циклов синусоиды. Если бы мы измеряли напряжение в наших розетках с помощью осциллографа, мы бы увидели это (ВНИМАНИЕ: не пытайтесь измерять напряжение в розетке с помощью осциллографа! Это может привести к повреждению оборудования).

ПРИМЕЧАНИЕ. Возможно, вы слышали, что напряжение переменного тока в США составляет 120 В. Это также правильно. Как? Говоря о переменном токе (поскольку напряжение постоянно меняется), часто проще использовать среднее или среднее значение. Для этого мы используем метод под названием «Среднеквадратичное значение». (RMS). Часто полезно использовать среднеквадратичное значение для переменного тока, когда вы хотите рассчитать электрическую мощность. Несмотря на то, что в нашем примере напряжение варьировалось от -170 В до 170 В, среднеквадратичное значение составляет 120 В (среднеквадратичное значение).

Приложения

Домашние и офисные розетки почти всегда подключены к сети переменного тока.Это связано с тем, что генерировать и транспортировать переменный ток на большие расстояния относительно легко. При высоких напряжениях (свыше 110 кВ) меньше потерь энергии при передаче электроэнергии. Более высокие напряжения означают более низкие токи, а более низкие токи означают меньшее выделение тепла в линии электропередачи из-за сопротивления. Переменный ток можно легко преобразовать в высокое напряжение и обратно с помощью трансформаторов.

Переменный ток также может питать электродвигатели. Двигатели и генераторы — это одно и то же устройство, но двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую (если вал двигателя вращается, на клеммах возникает напряжение!). Это полезно для многих крупных бытовых приборов, таких как посудомоечные машины, холодильники и т. д., которые работают от сети переменного тока.

Постоянный ток (DC)

Постоянный ток понять немного проще, чем переменный. Вместо того, чтобы колебаться туда-сюда, постоянный ток обеспечивает постоянное напряжение или ток.

Создание постоянного тока

DC можно создать несколькими способами:

• Генератор переменного тока, оснащенный устройством, называемым «коммутатором», может вырабатывать постоянный ток.
• Использование устройства под названием «выпрямитель», которое преобразует переменный ток в постоянный, обеспечивает постоянный ток, который генерируется в результате химической реакции внутри батареи.

Вновь используя нашу аналогию с водой, DC подобен резервуару с водой со шлангом на конце.

Бак может выталкивать воду только в одном направлении: из шланга. Подобно нашей батарее постоянного тока, когда резервуар опустеет, вода больше не будет течь по трубам.

Описание DC

Постоянный ток определяется как «однонаправленный» поток тока; ток течет только в одном направлении. Напряжение и ток могут меняться с течением времени, пока не меняется направление потока. Для упрощения предположим, что напряжение является константой. Например, мы предполагаем, что батарея AA обеспечивает напряжение 1,5 В, что математически можно описать следующим образом:

Если мы построим это во времени, мы увидим постоянное напряжение:

Что это значит? Это означает, что мы можем рассчитывать на то, что большинство источников постоянного тока будут обеспечивать постоянное напряжение во времени. В действительности батарея будет медленно разряжаться, а это означает, что напряжение будет падать по мере использования батареи. Для большинства целей мы можем предположить, что напряжение постоянно.

Приложения

Почти все электронные проекты и детали, которые продаются на SparkFun, работают на DC. Все, что работает от батареи, подключается к розетке с помощью адаптера переменного тока или использует кабель USB для питания, зависит от постоянного тока. Примеры электроники постоянного тока включают:

• Мобильные телефоны
• D&D Dice Gauntlet на основе LilyPad
• Телевизоры с плоским экраном (переменный ток поступает в телевизор, который преобразуется в постоянный ток)
• Фонарики
• Гибридные и электрические автомобили

Битва течений

Почти каждый дом и офис подключен к сети переменного тока. Однако это решение было принято не в одночасье. В конце 1880-х годов множество изобретений в Соединенных Штатах и ​​Европе привели к полномасштабной битве между распределением переменного и постоянного тока.

В 1886 году электрическая компания Ganz Works, расположенная в Будапеште, электрифицировала весь Рим с помощью переменного тока. Томас Эдисон, с другой стороны, построил 121 электростанцию ​​постоянного тока в Соединенных Штатах к 1887 году. Поворотный момент в битве наступил, когда Джордж Вестингауз, известный промышленник из Питтсбурга, купил патенты Николы Теслы на двигатели переменного тока и трансмиссию в следующем году. .

Переменный ток и постоянный ток

В конце 1800-х годов было сложно преобразовать постоянный ток в высокое напряжение. В результате Эдисон предложил систему небольших местных электростанций, которые могли бы снабжать энергией отдельные районы или районы города. Питание распределялось по трем проводам от силовой установки: +110 вольт, 0 вольт и -110 вольт. Свет и двигатели можно было подключить между розеткой +110 В или 110 В и 0 В (нейтраль). 110 В допустили некоторое падение напряжения между установкой и нагрузкой (дом, офис и т. д.).

Несмотря на то, что падение напряжения на линиях электропередач было учтено, электростанции должны были располагаться в пределах 1 мили от конечного пользователя. Это ограничение сделало распределение электроэнергии в сельской местности чрезвычайно трудным, если не невозможным.

С помощью патентов Tesla компания Westinghouse усовершенствовала систему распределения переменного тока. Трансформаторы предоставили недорогой метод повышения напряжения переменного тока до нескольких тысяч вольт и снижения его до приемлемого уровня. При более высоких напряжениях та же мощность могла передаваться при гораздо более низком токе, что означало меньшие потери мощности из-за сопротивления в проводах.В результате крупные электростанции могут быть расположены за много миль и обслуживать большее количество людей и зданий.

Кампания Эдисона по дискредитации

В течение следующих нескольких лет Эдисон провел кампанию, направленную на то, чтобы не поощрять использование переменного тока в Соединенных Штатах, включая лоббирование законодательных собраний штатов и распространение дезинформации об переменного тока. Эдисон также приказал нескольким техникам публично казнить животных электрическим током, пытаясь показать, что переменный ток более опасен, чем постоянный. Пытаясь показать эти опасности, Гарольд П. Браун и Артур Кеннелли, сотрудники Edison, разработали первый электрический стул для штата Нью-Йорк, использующий переменный ток.

Расцвет AC

В 1891 году во Франкфурте (Германия) проходила Международная электротехническая выставка, на которой была представлена ​​первая на выставке передача трехфазного переменного тока на большие расстояния, от которого питались лампы и двигатели. Присутствовали несколько представителей того, что впоследствии станет General Electric, и впоследствии они были впечатлены выставкой. В следующем году была создана компания General Electric, которая начала инвестировать в технологии переменного тока.

В 1893 году компания Westinghouse выиграла контракт на строительство плотины гидроэлектростанции, чтобы использовать энергию Ниагарского водопада и передавать переменный ток в Буффало, штат Нью-Йорк. Проект был завершен 16 ноября 1896 года, и промышленность Буффало начала получать электроэнергию переменного тока. Эта веха ознаменовала упадок постоянного тока в Соединенных Штатах. В то время как в Европе будет принят стандарт переменного тока 220–240 В при 50 Гц, в Северной Америке стандартом станет 120 В при 60 Гц.

Высоковольтный постоянный ток (HVDC)

В 1880-х годах швейцарский инженер Рене Тюри использовал серию двигателей-генераторов для создания высоковольтной системы постоянного тока, которую можно было использовать для передачи энергии постоянного тока на большие расстояния. Однако из-за высокой стоимости и обслуживания систем Thury HVDC не применялись почти столетие.

С изобретением полупроводниковой электроники в 1970-х годах стало возможным экономичное преобразование переменного тока в постоянный. Для выработки электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (некоторые из них достигают 800 кВ) можно использовать специальное оборудование. В некоторых частях Европы начали использовать линии постоянного тока высокого напряжения для электрического соединения различных стран.

В линиях постоянного тока на очень больших расстояниях потери меньше, чем в эквивалентных линиях переменного тока. Кроме того, HVDC позволяет подключать различные системы переменного тока (например, 50 Гц и 60 Гц). Несмотря на свои преимущества, системы HVDC более дороги и менее надежны, чем обычные системы переменного тока.

В конце концов Эдисон, Тесла и Вестингауз могут осуществить свои желания. AC и DC могут сосуществовать, и каждый служит определенной цели.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь вы должны хорошо понимать разницу между переменным и постоянным током. Переменный ток легче преобразовать между уровнями напряжения, что делает передачу высокого напряжения более осуществимой. Постоянный ток, с другой стороны, встречается почти во всей электронике. Вы должны знать, что они не очень хорошо сочетаются, и вам нужно будет преобразовать переменный ток в постоянный, если вы хотите подключить большую часть электроники к сетевой розетке. С этим пониманием вы должны быть готовы к более сложным схемам и концепциям, даже если они содержат переменный ток.

Посмотрите следующие руководства, когда будете готовы глубже погрузиться в мир электроники:

Хотите узнать больше об основных темах?

Полный список краеугольных тем, связанных с электротехникой, см. на нашей странице «Основы инженерного дела».

Откройте для себя PCIM Europe

Последние статьи в разделе "Продукты и приложения"

Последние статьи в разделе "Новости отрасли"

НОВОСТИ О НЕДОСТАТОКЕ ЧИПОВ

Последние статьи в разделе "Исследования и разработки"

Последние статьи в разделе "Инструменты и программное обеспечение"

ТЕХНОЛОГИИ ПРИВОДА ВОРОТ

Электричество В чем разница между питанием переменного и постоянного тока?

Электричество бывает двух видов: переменного тока (AC) и постоянного тока (DC). Оба необходимы для обеспечения функционирования нашей электроники, но знаете ли вы разницу между ними и то, к чему они относятся?

И переменный, и постоянный ток описывают типы тока, протекающего в цепи. В постоянном токе (DC) электрический заряд (ток) течет только в одном направлении. С другой стороны, электрический заряд переменного тока (AC) периодически меняет направление.

Что такое мощность переменного тока?

Электроэнергия переменного тока (AC) — это стандартное электричество, которое выходит из розеток и определяется как поток заряда, который периодически меняет направление.

Ток переменного тока изменяется между положительным и отрицательным из-за электронов — электрические токи исходят из потока этих электронов, которые могут двигаться либо в положительном (вверх), либо в отрицательном (вниз) направлении. Это известно как синусоидальная волна переменного тока, и эта волна возникает, когда генераторы переменного тока на электростанциях создают мощность переменного тока.

Генератор переменного тока создает переменный ток, вращая проволочную петлю внутри магнитного поля. Волны переменного тока возникают, когда провод перемещается в области с различной магнитной полярностью, например, ток меняет направление, когда провод вращается от одного полюса магнитного поля к другому. Это волнообразное движение означает, что мощность переменного тока может передаваться дальше, чем мощность постоянного тока, что является огромным преимуществом, когда речь идет о подаче электроэнергии потребителям через электрические розетки.

ИЗ ВОДОРОДА В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Что такое мощность постоянного тока?

Постоянный ток (DC), как вы можете догадаться из названия, представляет собой линейный электрический ток — он движется по прямой линии.

Постоянный ток может поступать из нескольких источников, включая батареи, солнечные элементы, топливные элементы и некоторые модифицированные генераторы переменного тока. Питание постоянного тока также можно «сделать» из питания переменного тока с помощью выпрямителя, который преобразует переменный ток в постоянный.

Питание постоянного тока гораздо более стабильно с точки зрения подачи напряжения, а это означает, что большинство электроники полагаются на него и используют источники питания постоянного тока, такие как батареи. Электронные устройства также могут преобразовывать мощность переменного тока из розеток в мощность постоянного тока с помощью выпрямителя, часто встроенного в блок питания устройства. Трансформатор также будет использоваться для повышения или понижения напряжения до уровня, соответствующего рассматриваемому устройству.

Однако не все электрические устройства используют питание постоянного тока. Многие устройства, особенно бытовая техника, такие как лампы, стиральные машины и холодильники, используют переменный ток, который подается непосредственно из электросети через электрические розетки.

СРАВНЕНИЕ ТРАНШЕЕВЫХ И ПЛАНАРНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ШОТТКИ

Какой выпрямитель лучше всего подходит для приложений с быстрым переключением?

Зачем нужны два разных типа питания?

Хотя многие из современных электронных и электрических устройств предпочитают питание от постоянного тока из-за плавного потока и равномерного напряжения, мы не можем обойтись без переменного тока. Оба типа власти необходимы; одно не "лучше" другого.

Фактически на рынке электроэнергии доминирует переменный ток; все электрические розетки подают в здания электроэнергию в виде переменного тока, даже если ток необходимо немедленно преобразовать в постоянный ток. Это связано с тем, что постоянный ток не может преодолевать такие же большие расстояния от электростанций до зданий, как переменный ток. Кроме того, гораздо проще генерировать переменный ток, чем постоянный, из-за того, как вращаются генераторы, и система в целом дешевле в эксплуатации — с переменным током можно легко передавать энергию по национальным сетям через мили и мили по проводам и опорам. /p>

РУКОВОДСТВО ПО ИЗМЕРЕНИЮ ЦЕЛОСТНОСТИ ПИТАНИЯ

5 методов быстрого и точного измерения целостности питания

Постоянный ток в первую очередь используется, когда устройству необходимо накапливать энергию в батареях для будущего использования. Смартфоны, ноутбуки, портативные генераторы, фонари, наружные системы видеонаблюдения… все, что работает от аккумуляторов, зависит от постоянного тока. Когда аккумуляторы заряжаются от сети, переменный ток преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя и накапливается в аккумуляторе.

Однако это не единственный используемый метод зарядки. Например, если вы когда-либо заряжали свой телефон с помощью блока питания, вы используете блок питания постоянного тока, а не переменного тока. В таких ситуациях источникам питания постоянного тока может потребоваться изменить напряжение на выходе (в данном случае на блоке питания) для использования устройства (в данном случае телефона).

Подпишитесь на нас в LinkedIn

Понравилось ли вам читать эту статью? Подпишитесь на нас в LinkedIn и будьте в курсе последних новостей отрасли, продуктов и приложений, инструментов и программного обеспечения, а также исследований и разработок.

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните различия и сходства между переменным и постоянным током.
• Рассчитать среднеквадратичное значение напряжения, тока и средней мощности.
• Объясните, почему переменный ток используется для передачи энергии.

Переменный ток

Большинство примеров, рассмотренных до сих пор, особенно те, в которых используются батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он, таким образом, также является постоянным. Постоянный ток (DC) — это поток электрического заряда только в одном направлении. Это устойчивое состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник переменного напряжения. Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь известна как цепь переменного тока. Примеры включают коммерческую и жилую энергию, которая удовлетворяет многие из наших потребностей. На рис. 1 показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичной мощности постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.

Рисунок 1. (a) Напряжение постоянного тока и ток постоянны во времени после установления тока. (b) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока с частотой 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и находятся в фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковые напряжения источников переменного тока сильно различаются.

Рисунок 2. Разность потенциалов V между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для V задается как [latex]V=_\sin\text< 2>\pi \\[/latex].

На рис. 2 показана схема простой цепи с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано, при этом напряжение переменного тока определяется как

где V — напряжение в момент времени t, V₀ — пиковое напряжение, а f — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления I=V/R, поэтому переменный ток равен

где I — текущий момент времени t, а I₀ = V₀/ R — пиковый ток. В этом примере говорят, что напряжение и ток совпадают по фазе, как показано на рис. 1(b).

Ток в резисторе меняется туда-сюда, как и управляющее напряжение, поскольку I = V/R. Например, если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, поскольку ток многократно проходит через ноль. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстрое для ваших глаз, но если вы помахаете рукой между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе. Тот факт, что светоотдача колеблется, означает, что мощность колеблется. Подаваемая мощность равна P = IV. Используя приведенные выше выражения для I и V, мы видим, что зависимость мощности от времени имеет вид [latex]P=__>^\text\pi \\[/latex] , как показано на рис. 3.

Налаживание связей: домашний эксперимент — AC/DC Lights

Проведите рукой вперед-назад между лицом и флуоресцентной лампочкой. Наблюдаете ли вы то же самое с фарами на вашем автомобиле? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение. Не смотрите прямо на очень яркий свет.

Рис. 3. Мощность переменного тока как функция времени. Поскольку напряжение и ток здесь совпадают по фазе, их произведение неотрицательно и колеблется между нулем и I₀В_{0< /под>. Средняя мощность составляет (1/2)I0В0.}

Нас чаще всего интересует средняя мощность, а не ее колебания. Например, 60-ваттная лампочка в вашей настольной лампе потребляет в среднем 60 Вт. Как показано на рисунке 3, средняя мощность P_ave равна

Это видно из графика, поскольку области выше и ниже (1/2)I₀V₀ равны, но это также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств. Точно так же мы определяем среднее или действующее значение тока I_{действующее значение} и среднее или действующее значение напряжения V_rms будет, соответственно,

где rms означает среднеквадратичное значение, особый вид среднего значения. В общем, для получения среднеквадратичного корня конкретную величину возводят в квадрат, находят ее среднее (или среднее) и извлекают квадратный корень. Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Теперь

как указано выше. Стандартной практикой является цитирование I_rms, V_rms и P< sub>ave, а не пиковые значения. Например, напряжение в большинстве бытовых электросетей составляет 120 В переменного тока, что означает, что В_{среднеквадратичное значение} составляет 120 В. Обычный автоматический выключатель на 10 А отключит устойчивую I< /em>_rms больше 10 А. Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет P_ave = 1,0 кВт и т. д. Вы можете думать об этих среднеквадратичных и средних значениях как об эквивалентных значениях постоянного тока для простой резистивной цепи. Подводя итог, при работе с переменным током закон Ома и уравнения для мощности полностью аналогичны уравнениям для постоянного тока, но для переменного тока используются среднеквадратические и средние значения. Таким образом, для переменного тока записывается закон Ома

Различные выражения для мощности переменного тока P_ave:

Пример 1. Пиковое напряжение и мощность переменного тока

(a) Каково значение пикового напряжения для сети переменного тока 120 В? (b) Какова пиковая потребляемая мощность лампочки переменного тока мощностью 60,0 Вт?

Стратегия

Нам говорят, что V_rms равно 120 В, а P_ave равно 60,0 Вт. Мы можем использовать [latex]_>=\frac<_>>\\[/latex], чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданной средней мощности.

Решение для (а)

Решая уравнение [latex]_>=\frac<_>>\\[/latex] для пикового напряжения V₀ и подставляя известное значение для V_rms дает

Обсуждение (а)

Это означает, что переменное напряжение колеблется от 170 В до –170 В и обратно 60 раз в секунду. Эквивалентное постоянное напряжение равно постоянным 120 В.

Решение для (б)

Пиковая мощность — это пиковое значение тока, умноженное на пиковое напряжение. Таким образом,

Мы знаем, что средняя мощность составляет 60 Вт, поэтому

Обсуждение

Таким образом, мощность колеблется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за каждый цикл), а средняя мощность составляет 60 Вт.

Зачем использовать переменный ток для распределения электроэнергии?

Большинство крупных систем распределения электроэнергии работают на переменном токе. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоких напряжениях, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве стран мира), которые мы используем дома и на работе. Экономия за счет масштаба делает строительство нескольких очень крупных электростанций дешевле, чем строительство множества мелких. Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно, чтобы потери энергии в пути были сведены к минимуму. Как мы увидим, высокое напряжение может передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкое напряжение. (См. рис. 4.) Из соображений безопасности напряжение у пользователя снижено до привычных значений. Решающим фактором является то, что переменное напряжение намного проще увеличивать и уменьшать, чем постоянное, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Рисунок 4. Энергия распределяется на большие расстояния при высоком напряжении для снижения потерь мощности в линиях передачи. Напряжения, генерируемые на электростанции, повышаются пассивными устройствами, называемыми трансформаторами (см. Трансформаторы), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру). В месте использования трансформаторы снижают передаваемое напряжение для безопасного бытового и коммерческого использования. (Источник: GeorgHH, Wikimedia Commons)

Пример 2. Меньшие потери мощности при высоковольтной передаче

(a) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 200 кВ? (b) Какова мощность, рассеиваемая линиями передачи, если они имеют сопротивление 1,00 Ом (c) Какой процент мощности теряется в линиях передачи?

Стратегия

Нам дано P_ave = 100 МВт, V_rms = 200 кВ, а сопротивление линии R = 1,00 Ом.Используя эти данные, мы можем найти текущий ток (от P = IV), а затем мощность, рассеиваемую в линиях (P = I 2 R), и мы берем отношение к общей передаваемой мощности.

Решение

Чтобы найти ток, меняем соотношение P_ave = I_rmsV< /em>_rms и замените известные значения. Это дает

Решение

Зная ток и учитывая сопротивление линий, мощность, рассеиваемая в них, находится из [латекс]_>=_>>^R\\[/латекс] Подстановка известных значений дает

Решение

Потеря в процентах – это отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100:

Обсуждение

Одна четвертая процента — допустимая потеря. Заметим, что если бы передавалось 100 МВт мощности при напряжении 25 кВ, то понадобился бы ток 4000 А. Это приведет к потере мощности в линиях 16,0 МВт, или 16,0%, а не 0,250%. Чем ниже напряжение, тем больше требуется тока и тем больше потери мощности в линиях передачи с фиксированным сопротивлением. Конечно, можно построить линии с меньшим сопротивлением, но для этого нужны более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было производить экономично, то в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в одной из последующих глав, в сверхпроводниках также существует предел тока. Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи энергии, а напряжение переменного тока гораздо легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупномасштабных систем распределения электроэнергии.

Широко признано, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредными. Так что не только напряжение определяет опасность. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока. Томас Эдисон считал, что удары переменного тока более вредны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные споры, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой, которые выступали за использование переменного тока в первых системах распределения электроэнергии. Переменный ток преобладает во многом благодаря трансформаторам и меньшим потерям мощности при передаче высокого напряжения.

Исследования PhET: Генератор

Генерируйте электричество с помощью стержневого магнита! Узнайте физику этого явления, изучая магниты и то, как с их помощью можно зажечь лампочку.

Нажмите, чтобы загрузить симуляцию. Запуск с использованием Java.

Сводка раздела

• Постоянный ток (DC) — это поток электрического тока только в одном направлении. Это относится к системам, в которых напряжение источника постоянно.
• Источник напряжения системы переменного тока (AC) выдает [latex]V=_\text\pi \\[/latex], где V — напряжение в момент времени t, V₀ – пиковое напряжение, а f – частота в герцах.
• В простой цепи I = V/R, а переменный ток равен [latex]I=_\text\pi \\[/latex], где I — ток в момент времени t, а [latex]_=_\text\\[/latex] — пиковый ток.
• Средняя мощность переменного тока составляет [латекс]_>=\frac__\\[/латекс].
• Средний (среднеквадратический) ток I_rms и среднее (среднеквадратичное) напряжение V_rms составляют [латекс] _>=\frac<_><\sqrt>\\[/latex] и [latex]_>=\frac<_><\sqrt>\\[/latex], где rms означает среднеквадратичное значение.< /li>
• Таким образом, P_ave = I_rmsV_rms .
• Закон Ома для переменного тока: [latex]_>=\frac<_>>\\[/latex] .
• Выражения для средней мощности цепи переменного тока: [латекс]_>=_>_>\\[/латекс], [латекс]_>=\frac<_>^>\\[/ латекс] и [латекс]_>=<_>>^R\\[/латекс], аналогичные выражениям для цепей постоянного тока.

Концептуальные вопросы

<р>1. Приведите пример использования переменного тока не в домашнем хозяйстве. Точно так же приведите пример использования источника постоянного тока, отличного от питания от батарей.

<р>2. Почему напряжение, ток и мощность изменяются через ноль 120 раз в секунду для электричества переменного тока с частотой 60 Гц?

<р>3. Вы едете в поезде, глядя вдаль в его окно. Когда близкие объекты пролетают мимо, вы замечаете, что ближайшие флуоресцентные лампы образуют пунктирные полосы. Объясните.

Задача и упражнения

<р>1. а) Каково тепловое сопротивление лампочки мощностью 25 Вт, работающей от сети переменного тока 120 В? (b) Если рабочая температура лампочки составляет 2700ºC, каково ее сопротивление при 2600ºC?

<р>2. Некоторое тяжелое промышленное оборудование использует переменный ток с пиковым напряжением 679 В. Каково среднеквадратичное значение напряжения?

<р>3. Определенный автоматический выключатель срабатывает при среднеквадратичном токе 15,0 А.Каков соответствующий пиковый ток?

<р>4. В военных самолетах используется переменный ток с частотой 400 Гц, потому что на этой более высокой частоте можно проектировать более легкое оборудование. Каково время одного полного цикла этой силы?

<р>5. Турист из Северной Америки берет свою бритву мощностью 25 Вт и 120 В переменного тока в Европу, находит специальный адаптер и подключает ее к сети 240 В переменного тока. Предполагая постоянное сопротивление, какую мощность потребляет бритва, когда она выходит из строя?

<р>6. В этой задаче вы проверите утверждения, сделанные в конце потерь мощности для Примера 2 выше. а) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 25,0 кВ? (b) Найдите потери мощности в линии передачи с сопротивлением 1,00 Ом. (c) Какой процент потерь это означает?

<р>8. Какова пиковая потребляемая мощность микроволновой печи на 120 В переменного тока, потребляющей 10 А?

<р>9. Каков пиковый ток через комнатный обогреватель мощностью 500 Вт, работающий от сети переменного тока 120 В?

<р>10. Два разных электрических устройства имеют одинаковую потребляемую мощность, но одно предназначено для работы от сети переменного тока 120 В, а другое — от сети переменного тока 240 В. а) Каково отношение их сопротивлений? б) Каково отношение их токов? (c) Предполагая, что его сопротивление не изменяется, во сколько раз увеличится мощность, если устройство на 120 В переменного тока подключить к 240 В переменного тока?

<р>11. Нихромовая проволока используется в некоторых радиационных нагревателях. (a) Найдите необходимое сопротивление, если средняя выходная мощность должна составлять 1,00 кВт при использовании переменного тока 120 В. (б) Какая длина нихромовой проволоки с площадью поперечного сечения 500 мм 2 потребуется, если рабочая температура 500ºC (в) Какую мощность она будет потреблять при первом включении?

<р>12. Найдите время после t = 0, когда мгновенное напряжение переменного тока частотой 60 Гц впервые достигает следующих значений: (a) В₀/2 (б)V₀ (в) 0.

<р>13. (a) В какие два раза в первый период после t = 0 мгновенное напряжение переменного тока частотой 60 Гц равно В_rms? (б) – V _rms ?

Глоссарий

постоянный ток: (DC) поток электрического заряда только в одном направлении переменный ток: (AC) поток электрического заряда, который периодически меняет направление на противоположное Напряжение переменного тока: напряжение, которое синусоидально колеблется во времени, выражается как V = V₀ sin 2πft, где V — напряжение в момент времени t, В₀ – пиковое напряжение, а f – частота в герцах. Переменный ток: ток, который синусоидально колеблется во времени и выражается как I = I ₀ sin 2πft, где I — ток в момент времени t, I₀ — пиковый ток, а f — частота в герцах, среднеквадратичное значение тока: среднеквадратичное значение тока, [latex]_>=_/\sqrt\\[/latex], где I ₀ — пиковый ток при среднеквадратичном напряжении системы переменного тока: среднеквадратичное значение напряжения, [latex]_>=_/\sqrt\\[/latex], где V₀ — пиковое напряжение в системе переменного тока

.

Читайте также:

  
• Процессор Sr102 чем заменить
  
• Может ли компьютер перезагрузиться из-за жесткого диска
  
• Пищит блок питания монитора
  
• Как проверить размер жесткого диска
  
• Сколько оборотов в минуту должно быть у вентилятора процессора