Переменный ток

Переменный ток – это род тока, направление протекания которого непрерывно меняется. Что становится возможным, благодаря наличию разницы потенциалов, подчиняющейся определённому закону. В повседневном понимании форма переменного тока напоминает синусоиду. Постоянный может изменяться по амплитуде, но только не по направлению. В противном случае это уже переменный ток.

Создание переменного тока

Создание переменного тока

Как образуется переменный ток

Можно сказать, что начало переменному току, как явлению, положил Майкл Фарадей, о чем наши читатели более подробно узнают ниже по тексту. Было показано, что электрическое и магнитное поля связаны. А ток является следствием их взаимодействия. Современные генераторы работают за счёт изменения величины магнитного потока через площадь, охватываемую контуром из медной проволоки. Строго говоря, проводник может быть любым. Медь выбрана из критериев максимальной пригодности при минимальной стоимости.

Если статический заряд преимущественно образуется трением, хотя это не единственный путь, то переменный ток возникает в результате незаметных глазу процессов. Величина его пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, охваченную контуром.

История открытия переменного тока

Впервые переменным токам стали уделять внимание ввиду коммерческой ценности после появления на свет изобретений, созданных Николой Тесла. Нужно сказать, что материальный конфликт с Эдисоном наложил сильный отпечаток на судьбы обоих. В тот момент, когда предприниматель отказался от своих обещаний перед Николой Тесла, тогда же и потерял немалую для себя выгоду. Наверняка выдающемуся учёному не понравилось такое вольное обращение, и он выдумал двигатель переменного тока. Нужно сказать, что до тех пор все пользовались постоянным. Вот и Эдисон продвигал этот вид.

Тесла впервые показал, что переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, что резко снижает потери на активном сопротивлении. А на приёмной стороне параметры вновь возвращаются к исходным. Что очень удобно. В результате можно неплохо сэкономить на толщине проводов.

Итак, начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. А опыты по передаче энергии на значительные расстояния все расставили по своим местам: не очень удобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.

Отличие переменного тока от постоянного

Отличие переменного тока от постоянного

Переменный ток обладает целым рядом свойств, которые отличают его от постоянного. Но мы вначале обратимся к истории открытия данного явления. Родоначальником явления переменного тока в обиходе человечества можно считать Отто фон Герике. Именно он первым заметил, что заряды бывают двух знаков. Следовательно, и ток может течь в разном направлении. Что касается Тесла, то он больше ориентировался на практическую часть, и в своих лекциях упоминает двух экспериментаторов британского происхождения:

  1. Вильям Споттисвуд не удостоился даже странички в русскоязычной Википедии, что касается национальной части, то там даже не упоминается про работы с переменным током. Как и Георг Ом, учёный был прежде всего математиком, и остаётся лишь сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался сей муж науки.
  2. Джеймс Эдвард Генри Гордон был намного более близок к практической части вопроса применения электричества. Он много экспериментировал с генераторами и даже разработал один собственной конструкции мощностью 350 кВт. Очень много внимание уделял освещению и снабжению энергией заводов и фабрик.

Считается, что первые генераторы переменного тока были созданы в 30-е годы XIX века. Тогда Майкл Фарадей экспериментировал с магнитными полями. Немногие знают, что это вызывало ревность у сэра Хемфри Дэви, который критиковал ученика за плагиат. Теперь уже сложно сказать, кто именно был прав, но факт остаётся фактом: переменный ток без малого полвека не был никем востребован. В первой половине XIX-го века уже существовал электрический двигатель. Но работал он от постоянного тока.

Читайте также:  Мощность электрического тока

Именно Никола Тесла впервые догадался, как реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Для этого понадобились целых две фазы переменного тока (со сдвигом 90 градусов). Попутно Тесла отметил, что возможны и более сложные системы (в своём патенте). Вот почему много позже изобретатель трёхфазного двигателя, Доливо-Добровольский, не смог запатентовать своё детище.

Таким образом, длительное время переменный ток никому не был нужен. А Эдисон даже всячески противился внедрению этого явления в обиход.

Н. Тесла изучал переменный ток

Н. Тесла изучал переменный ток

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Никола Тесла и вопросы безопасности и эффективности

Никола Тесла вступил в конкурирующую с эдисоновской компанию и всячески продвигал новое явление. Он настолько увлёкся, что часто ставил эксперименты и на себе. Но в отличие от сэра Хемфри Дэви, который укоротил свою жизнь, вдыхая различные газы, Тесла явно добился немалого успеха: прожил до 86-ти лет. Сам учёный обнаружил, что при изменении направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду сам процесс становится сравнительно безопасным для человека.

Во время своих лекций Тесла брал в руки лампочку с платиновой нитью накала и демонстрировал свечение прибора, пропуская через своё собственное тело токи высокой частоты. Он утверждал, что это не только безвредно, но даже приносит некоторую пользу для здоровья. Ток, протекая лишь по поверхности кожи, одновременно очищает её. Как говорил сам Тесла, экспериментаторы прежних дней (см. выше) не замечали столь удивительных явлений по следующим причинам:

  • Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в буквальном смысле: при помощи какого-либо двигателя раскручивался ротор. Такой принцип не мог дать токов высокой частоты. Это и сегодня ещё проблематично при нынешнем уровне развития технологии.
  • В простейшем случае применялись ручные размыкатели. В этом случае вовсе нечего говорить о высоких частотах.

Сам Тесла использовал явление заряда и разряда конденсатора. Сейчас речь идёт о так называемой RC-цепочке. Будучи заряжен до некоторого уровня, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление. От параметров этих элементов зависит и скорость процесса, который протекает по экспоненциальному закону. Понятно, что в то время Тесла не мог использовать для управления полупроводниковые ключи. Но термионные диоды уже были известны. Рискнём предположить, что Тесла мог использовать их в качестве стабилитронов, оперируя с обратимым пробоем.

Однако вопросы безопасности и по сей день не фигурируют на первом месте. Следует сказать, что частоту 60 Гц (общепринятая в США) предложил сам Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Это сильно отличается от безопасного диапазона. В то же время, проще сконструировать и генератор. И в любом случае переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.

Через эфир

До сих пор ведутся споры о том, кто первым изобрёл радио. Нужно сказать, что прохождение волны через эфир обнаружил Герц, описав законы движения их и показав, что они сходны с оптическими. В настоящее время нам известно, что только переменное поле может путешествовать в пространстве. И это явление Попов в 1895 году использовал для передачи первого на Земле сообщения «Генрих Герц».

Мы видим, что учёные мужи очень дружны между собой. Сколько уважения в этом первом сообщении. А дата так и остаётся спорной, потому что каждое государство первенство хотело бы оставить за собой. Итак, лишь переменный ток может создавать поле, распространяющееся через эфир.

Читайте также:  Коллекторный двигатель

Сегодня хорошо известны диапазоны вещания, окна и стены, если так можно выразиться, атмосферы и различных сред (вода, газы и др.). Причём важное место в этом плане отводится частоте. Установлено, что каждый сигнал можно представить в виде суммы элементарных колебаний-синусоид (согласно теоремам Фурье). Спектральный анализ оперирует этими простейшими гармониками. А суммарный эффект рассматривается, как равнодействующая от элементарных составляющих.

Окна в атмосфере определяются совершенно аналогичным образом. Есть частоты, которые проходят сквозь её толщу хорошо и плохо. Не всегда последнее оказывается негативным эффектом. Так например, в микроволновых печах используются частоты 2,4 ГГц, ударно поглощаемые парами воды. Для связи эти волны бесполезны, зато как хороши в кулинарии!

Но у многих, наверное, возникает вопрос о том, как именно волна может распространяться через эфир. Давайте обсудим это более подробно.

Диполь антенна Герца

Диполь антенна Герца

Вибратор Герца, эфир и электромагнитная волна

Взаимосвязь электрического и магнитного полей впервые продемонстрировал в 1821 году Майкл Фарадей. Немного позже было показано, что конденсатор пригоден для создания колебаний. Нельзя сказать, чтобы связь этих двух событий была немедленно осознана. Феликс Савари разряжал лейденскую банку через дроссель, сердечником которому служила стальная игла.

Неизвестно доподлинно, чего добивался астроном, но результат оказался весьма любопытным. Иногда игла оказывалась намагниченной в одном направлении, а иногда в другом. При этом ток генератора был одного знака. Учёный совершенно правильно сделал вывод о затухающем колебательном процессе. Хотя толком ничего не знал об индуктивных и ёмкостных реактивных сопротивлениях.

Теория под сам процесс была подведена позже. Опыты были повторены Джозефом Генри и Вильямом Томпсоном с определением резонансной частоты: той, где процесс продолжался максимальный период времени. Это позволило количественно описать зависимости характеристик цепи от элементов её составляющих (индуктивность и ёмкость). А в 1861 году Максвелл вывел свои знаменитые уравнения, одно из следствий из которых нам особенно важно: «Переменное электрическое поле порождает магнитное и наоборот».

Возникает волна, в которой векторы индукции перпендикулярны друг другу. В пространстве они повторяют форму породившего процесса. И такая волна может путешествовать в эфире. Именно это и использовал Генрих Герц, когда развернул обкладки конденсатора в пространстве, и они стали излучателями. Фактически Попов лишь догадался закладывать информацию в электромагнитную волну, что и используется сегодня повсеместно. Причём не только в эфире, но и внутри полупроводниковой техники.

Где используется переменный ток

Можно сказать, таким образом, что переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Проще сказать, где применяется постоянный, а читатели сами уже сделают выводы:

  1. Постоянный ток широко применяется в аккумуляторах. По той простой причине, что переменный существует лишь в движении – он не может храниться. Затем в приборе электричество уже преобразуется в нужную форму.
  2. КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине в некоторых случаях выгодно применять именно эти разновидности.
  3. При помощи постоянного тока могут действовать различные магниты. Например, в домофонах.
  4. Постоянное напряжение широко применяется в электронике. Потребляемый ток при этом варьируется в некоторых пределах. Но в промышленности он тоже носит название постоянного.
  5. Постоянное напряжение применяется в кинескопах для создания потенциала и увеличения эмиссии с катода. Можно считать эти случаи аналогом блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие весьма значительно.

Во всех остальных случаях переменный ток имеет весомое преимущество. Прежде всего, благодаря возможности применения трансформаторов. Даже в сварке теперь уже далеко не всегда господствует постоянный ток, но в любом современном оборудовании этого типа имеется инвертор. Так гораздо проще и удобнее получить достойные технические характеристики.

Хотя исторически первыми получены были статические заряды. Взять хотя бы шерсть и янтарь, с которыми работал Фалес Милетский.