ЧЕМ ОТЛИЧАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК ОТ ПЕРЕМЕННОГО

Несмотря на то, что электричество прочно вошло в нашу жизнь, подавляющее большинство пользователей этого блага цивилизации не имеют даже поверхностного понимания, что такое ток, не говоря о том, чем отличается постоянный ток от переменного, какая между ними разница, и что такое ток вообще. Первым, кого ударило током, стал Алессандро Вольта, после чего он посвятил этой теме всю жизнь. Давайте и мы уделим внимание этой теме, чтобы иметь общее представление о природе электричества.

Откуда берётся ток и почему он разный?

Мы попробуем избежать сложной физики, и будем использовать для рассмотрения этого вопроса метод аналогий и упрощений. Но перед этим напомним старый анекдот про экзамен, когда честный студент вытащил билет «Что такое электрический ток».

— Извините профессор, я готовился, но забыл – ответил честный студент. — Как Вы могли! Упрекнул его профессор, Вы же единственный человек на Земле, который это знал! (с)

Это конечно шутка, но в ней огромное количество правды. Поэтому не станем искать Нобелевских лавров, а просто разберёмся, переменный ток и постоянный, в чём разница, и что принято считать источниками тока.

За основу мы примем допущение, что ток – это не движение частиц (хотя движение заряженных частиц тоже переносит заряд, а значит, создаёт токи), а движение (передача) избыточного заряда в проводнике от точки большого заряда (потенциала) к точке меньшего заряда. Аналогия – водохранилище, вода всегда стремится занять один уровень (уравнять потенциалы). Если открыть в плотине отверстие, вода начнёт течь под уклон, возникнет постоянный ток. Чем больше отверстие – тем больше воды будет протекать, сила тока вырастет, как и мощность, и количество работы, которую способен выполнить этот ток. Если не управлять процессом, вода разрушит плотину и немедленно создаст зону затопления с поверхностью одного уровня. Это короткое замыкание с выравниваем потенциалов, сопровождающееся большими разрушениями.

Таким образом, постоянный ток появляется в источнике(как правило, за счёт химических реакций), в котором возникает разница потенциалов в двух точках. Движение заряда от более высокого значения «+» к низкому «-» выравнивает потенциал, пока длится химическая реакция. Итог полного выравнивая потенциала, мы знаем – «батарейка села». Отсюда следует понимание, почемупостоянное и переменное напряжение значительно отличаются по стабильности характеристик. Батарейка (аккумулятор) расходуют заряд, поэтому напряжение постоянного тока снижается со временем. Для поддержания его на одном уровне используют дополнительные преобразователи. Изначально человечество долго решало, чем отличается постоянный ток от переменного для повсеместного использования, т.н. «Война токов». Она закончилась победой переменного тока не только потому, что меньше потери при передаче на расстояние, но и генерация постоянного тока из тока переменного оказалась проще. Очевидно, что постоянный ток, получаемый таким образом (без расходуемого источника) имеет куда более стабильные характеристики. Фактически в этом случае переменное и постоянное напряжение жёстко связаны, и по времени зависят только от генерации энергии и количества расхода.

Таким образом, постоянный ток по своей природе – это возникновение неравномерного заряда в объёме (химическая реакция), который можно перераспределить при помощи проводов, соединив точку высокого и низкого заряда (потенциала).

Остановимся на таком определении как общепринятом. Все остальные постоянные токи (не батарейки и аккумуляторы) являются производными от источника переменного тока. Например, на этой картинке синяя волнистая линия наш постоянный ток, как итог преобразования переменного.

Обратите внимание на комментарии к картинке, «большое количество контуров и коллекторных пластин». Если преобразователь будет другим, картинка будет другой.Та же синяя линия ток почти постоянный, но пульсирующий, запомним это слово. Здесь, кстати, чистый постоянный ток – красная линия.

Взаимосвязь магнетизма и электричества

Теперь посмотрим, чем отличается переменный ток от постоянного тока, который зависит от материала. Самое главное –возникновение переменного тока не зависит от реакций в материале. Работая с гальваническим (постоянным током), быстро было установлено, что проводники притягиваются друг к другу как магниты. Следствием стало открытие, что магнитное поле при определённых условиях генерирует электрический ток. То есть, магнетизм и электричество оказались взаимосвязанным явлением с обратным преобразованием. Магнит мог дать ток в проводник, а проводник с током мог быть магнитом. На этой картинке моделирование опытов Фарадея, который, собственно говоря, и обнаружил это явление.

Теперь аналогия для переменного тока. Магнитом у нас будет сила притяжения, а генератором тока – песочные часы с водой. На одной половине часов напишем «верх», на другой «низ». Переворачиваем наши часы и видим, как вода течёт «вниз», когда вся вода перетекла, переворачиваем ещё раз и вода у нас течёт «вверх». Притом, что ток у нас имеется в наличии, он меняет направление два раза за полный цикл. По науке это будет выглядеть так: частота тока зависит от частоты вращения генератора в магнитном поле. При определённых условиях мы получим чистую синусоиду, или просто переменный ток с разными амплитудами.

Ещё раз! Это очень важно для понимания, чем отличается постоянный ток от переменного тока. В обеих аналогиях вода течёт «под уклон». Но в случае постоянного тока водохранилище опустеет рано, или поздно, а для тока переменного часы будут переливать воду очень долго, она в замкнутом объёме. Но при этом в обоих случаях вода течёт под уклон. Правда в случае переменного тока, она половину времени течёт под уклон, но вверх. Иначе говоря, направление движения переменного тока величина алгебраическая, то есть «+» и «-» непрерывно меняются местами, при неизменности направления движения тока. Постарайтесь обдумать и понять это отличие. Как модно говорить в сети: «Ты понял это, теперь ты знаешь всё».

Чем обусловлено большое разнообразие токов

Если понимать в чем разница постоянного и переменного токов, возникает естественный вопрос – а зачем их так много, токов? Выбрали бы один ток как стандарт, и всё было бы одинаково.

Но, как говорится, «не все токи одинаково полезны», кстати, давайте подумаем, какой ток опаснее: постоянный или переменный, если мы примерно представили себе не природу тока, а скорее его особенности. Человек – это хорошо проводящий электричество коллодиум. Набор разных элементов в воде (мы на 70% из воды, если кто не в курсе). Если на такой коллодиум подать напряжение – ударить током, то частицы внутри нас начнут передавать заряд. Как и положено от точки высокого потенциала к точке с низким потенциалом. Опаснее всего стоять на земле, которая вообще является точкой с бесконечно нулевым потенциалом. Иначе говоря, мы передадим в землю весь ток, то есть разницу зарядов. Так вот при постоянном направлении движения заряда, процесс выравнивания потенциала в нашем организме происходит плавно. Мы словно песок пропускаем через себя воду. И можем безопасно «поглотить» много воды. При переменном токе картина немного другая – все наши частицы будет «дёргать» то туда то сюда. Песок не сможет спокойно пропускать воду, и весь будет взбаламучен. Поэтому ответ на вопрос, какой ток опаснее постоянный или переменный ответ однозначен – переменный. Для справки, опасная для жизни пороговая сила постоянного тока 300мА. Для переменного тока эти значения зависят от частоты и начинаются со значения 35мА. При токе в 50 герц 100мА. Согласитесь, разница в 3-10 раз сама по себе отвечает на вопрос: что опаснее? Но это не главный аргумент в выборе стандарта тока. Давайте упорядочим всё, что принимается во внимание при выборе вида тока:

• Доставка тока на большие расстояния. Постоянный ток будет потерян почти весь;
• Преобразование в разнородных электрических цепях с неопределённым уровнем потребления. Для постоянного тока практически не решаемая задача;
• Поддерживать постоянное напряжение для переменного тока на два порядка дешевле, чем для тока постоянного;
• Преобразование электрической энергии в механическую силу гораздо дешевле в двигателях и механизмах переменного тока. Такие двигатели имеют свои недостатки и в ряде областей не могут заменить двигатели постоянного тока;
• Для массового использования, таким образом, постоянный ток имеет одно преимущество – он безопаснее для человека.

Отсюда и разумный компромисс, который выбрало человечество. Не один какой-то ток, а вся совокупность доступных преобразований от генерации, доставки потребителю, распределения и использования. Перечислять все мы не будем, но считаем главным ответом на вопрос статьи, «чем отличается постоянный ток от переменного» одно слово – характеристиками. Наверное, это самый правильный ответ для любых бытовых целей. А для понимания стандартов, предлагаем рассмотреть основные характеристики этих токов.

Основные характеристики применяемых сегодня токов

Если для постоянного тока с момента открытия характеристики остались в целом без изменений, то с переменными токами всё обстоит куда сложнее. Посмотрите на эту картинку – модель движения тока в трёхфазной системе от генерации до потребления

С нашей точки зрения очень наглядная модель, на которой понятно как снять одну фазу, две или три. Заодно видно как тот попадает к потребителю.

В итоге мы имеем цепочку генерации, переменное и постоянное напряжение (токи) на этапе потребителя. Соответственно чем дальше от потребителя, тем выше токи и напряжение. Фактически в нашей розетке самый простой и слабый – переменный однофазный ток, 220В с фиксированной частотой в 50 Гц. Только повышение частоты способно при этом напряжении сделать ток высокочастотным. Простейший пример стоит у Вас на кухне. СВЧ печать преобразует простой ток в высокочастотный, который собственно и помогает готовить. Кстати ответим на вопрос о мощности СВЧ – это как раз сколько «обычного» тока она преобразует в токи высокой частоты.

Вернёмся к токам. Мы упомянули вроде бы все, и даже знаем, чем отличается постоянный ток от переменного, поэтому давайте, напомним какие токи, вообще есть.

• Постоянный ток, источником является физика химических реакций с изменением заряда, может быть получен преобразованием тока переменного. Разновидность – импульсный ток, который меняет свои параметры, в широком диапазоне, но не меняет направления движения.
• Переменный ток. Может быть однофазным, двухфазным или трёхфазным. Стандартным или высокочастотным. Такая простая классификация вполне достаточна.

Заключение или каждому току свой прибор

На фото генератор тока на Саяно-Шушенской ГЭС. А на этом фото место его установки.

А это обычная лампочка.

Не правда ли разница масштабов поражает, хотя первое создано, в том числе и для работы второго? Если обдумать эту статью, то становится понятно, что чем ближе прибор к человеку, тем чаще в нём применяется постоянный ток. За исключением двигателей постоянного тока и промышленного применения это действительно стандарт, основанный именно на том, что какой ток опаснее постоянный или переменный мы выяснили. На этом же принципе основаны характеристики бытовых токов, так как переменный ток 220В 50Гц является компромиссом между опасностью и потерями. Цена компромисса – защитная автоматика: от предохранителя до УЗО. Отойдя от человека, мы попадаем в зону переходных характеристик, где и токи и напряжения выше, и где опасность для человека не принимается во внимание, а уделяется внимание технике безопасности – зона промышленного использования тока. Дальше всего от человека, даже в промышленности находится передача энергии и генерация. Простому смертному тут делать нечего – это зона профессионалов и специалистов, которые умеют управлять этой мощью. Но даже при бытовом использовании электричества, и конечно при работах с электрикой, понимание основ природы токов никогда не будет лишним.