Що таке змінний струм?
Зараз неможливо уявити собі людську цивілізацію без електрики. Телевізори, комп'ютери, холодильники, фени, пральні машини - вся побутова техніка працює на ньому. Не кажучи вже про промисловість і великих корпораціях. Основним джерелом енергії для електроприймачів є змінний струм. А що це таке? Які його параметри і характеристики? Чим відрізняються постійний і змінний струм? Мало хто з людей знає відповіді на ці питання.
Змінний проти постійного
В кінці дев'ятнадцятого століття, завдяки відкриттям в області електромагнетизму, виникла суперечка з приводу того, який же струм краще застосовувати, щоб задовольнити людські потреби. Як же все починалося? Томас Едісон в 1878 році заснував свою компанію, яка в майбутньому стала знаменитою General Electric. Компанія швидко розбагатіла і завоювала довіру інвесторів і простих громадян Сполучених Штатів Америки, так як було побудовано по всій країні кілька сотень електростанцій, що працюють на постійному струмі. Заслуга Едісона - у винаході трехпроводной системи. Постійний струм чудово працював з першими електричними двигунами і лампами розжарювання. Це були фактично єдині приймачі енергії на той час. Лічильник, який також був винайдений Едісоном, працював виключно на постійному струмі. Проте на противагу розвивається компанії Едісона виступили конкурентні корпорації і винахідники, які хотіли протиставити постійному струму змінний.
Недоліки винаходи Едісона
Джордж Вестінгауз, інженер і бізнесмен, зауважив в патенті Едісона слабка ланка - величезні втрати в провідниках. Однак йому не вдалося розробити конструкцію, яка могла б конкурувати з цим винаходом. У чому ж недолік едісоновськой постійного струму? Основна проблема - передача електроенергії на відстані. А так як при його збільшенні зростає і опір провідників, то це означає, що будуть збільшуватися і втрати потужності. Для зниження цього рівня необхідно або підвищувати напругу, а це призведе до зниження сили самого струму, або потовщувати провід (тобто знижувати опір провідника). Способів ефективного підвищення напруги постійного струму в той час не було, тому електростанції Едісона тримали напруга, близьке до двох сотень вольт. На жаль, передані таким чином потоки потужності не могли забезпечити потреби промислових підприємств. Постійний струм не міг гарантувати генерацію електроенергії потужним споживачам, які перебували на значній відстані від електростанції. А підвищувати товщину проводів або будувати більше станцій було занадто дорого.
Змінний струм проти постійного
Завдяки розробленому в 1876 році інженером Павлом Яблочковим трансформатору, змінювати напругу у змінного струму було дуже просто, що давало приголомшливу можливість передавати його на сотні і тисячі кілометрів. Однак на той момент не існувало двигунів, які працювали б на змінному струмі. Відповідно, не було і генеруючих станцій, і мереж для передачі.
Винаходи Ніколи Тесли
Безсумнівна перевага постійного тривало недовго. Нікола Тесла, працюючи інженером у фірмі Едісона, зрозумів, що постійний струм не може забезпечити людство електроенергією. Уже в 1887 році Тесла отримав одразу кілька патентів на апарати змінного струму. Почалася ціла боротьба за більш ефективні системи. Основними конкурентами Тесли були Томсон і Стенлі. А 1888 однозначну перемогу отримав сербський інженер, який надав систему, здатну транспортувати електричну енергію на відстані в сотні миль. Молодого винахідника швидко взяв до себе Вестінгауз. Однак відразу ж почалося протистояння між компаніями Едісона і Вестінгауз. Уже в 1891 році була розроблена Теслою система трифазного змінного струму, що дозволило виграти тендер з будівництва величезної електричної станції. З тих пір однозначно позицію лідера зайняв змінний струм. Постійний же здавав свої позиції по всіх фронтах. Особливо коли з'явилися випрямлячі, здатні перетворювати змінний струм в постійний, що стало зручно для всіх приймачів.
Визначення змінного струму
На відміну від постійного струму, змінний безперервно змінюється по напрямку і за величиною, причому ці коливання відбуваються відповідно з періодичними законами, тобто повторюються через абсолютно рівні інтервали часу. Щоб створити такий струм в ланцюзі, використовують джерела генерації змінного струму, які створює ЕРС. Такого роду джерело називають генератором змінного струму.
Приклад найпростішого генератора
В якості самого простого джерела використовують прямокутну рамку, виготовлену з міді, яка закріплена на осі і обертається в магнітному полі за допомогою пасової передачі. Кінці цієї рамки припаяні контактними кільцями до мідних, які ковзають по щіток. Магніт створює рівномірно розподілене в просторі магнітне поле. Щільність силових магнітних ліній тут однакова в будь-якій частині. Обертається рамка перетинає ці лінії, і на її сторонах індукується змінна електрорушійна сила (ЕРС). З кожним поворотом напрямок сумарної ЕРС змінюється на протилежне, так як робітники боку рамки за оборот проходять через різні полюси магніту. Так як змінюється швидкість перетину силових ліній, то стає іншою і величина електрорушійної сили. Тому якщо рівномірно обертати рамку, то индуктированная електрорушійна сила періодично буде змінюватися як за напрямком, так і за величиною, її можна виміряти за допомогою зовнішніх приладів і, як наслідок, використовувати для того, щоб створювати змінний струм у зовнішніх колах.
Синусоидальность
Що це таке? Змінний струм графічно характеризується хвилеподібною кривою - синусоїдою. Відповідно, ЕРС, струм і напруга, які змінюються за цим законом, називаються параметрами синусоїдальними. Крива так названа тому, що є зображенням тригонометричної змінної величини - синуса. Саме синусоїдальний характер змінного струму - найбільш поширений у всій електротехніці.
Параметри і характеристики
Змінний струм - це явище, яке характеризується певними параметрами. До них відносять амплітуду, частоту і період. Останній (позначається літерою Т) - це проміжок часу, протягом якого напруга, струм або ЕРС здійснює цикл повної зміни. Чим швидше буде обертання ротора у генератора, тим період буде менше. Частотою (f) називають кількість повних періодів струму, напруги або ЕРС. Вона вимірюється в Гц (герцах) і позначає кількість періодів за одну секунду. Відповідно, чим більше період, тим менше частоти. Амплітудою такого явища, як змінний струм, називають найбільшу його значення. Записується амплітуда напруги, струму або електрорушійної сили буквами з індексом «т» - Uт Iт, Ет відповідно. Часто до параметрів і характеристик змінного струму відносять діюче значення. Напруга, струм або ЕРС, яка діє в ланцюзі в кожен момент часу - миттєве значення (позначають малими літерами - и, u, e). Однак оцінювати змінний струм, досконалу їм роботу, створюване тепло складно по миттєвому значенню, оскільки воно постійно змінюється. Тому застосовують чинне, яке характеризує силу постійного струму, що виділяє за час проходження по провіднику стільки ж тепла, скільки це робить змінний.
