Постійний струм: історія відкриття та вивчення явища, застосування в сучасному світі
Електрика в стародавньому світі
Ще давньогрецький філософ Фалес писав про властивості бурштину, потертого шерстю, притягувати дрібні предмети. Але досить довгий час всі знання про електрику обмежувалися цим цікавим досвідом. Ніхто не пов'язував з цим явищем природні блискавки, спостережувані під час гроз. Подальше вивчення електричного струму, поки без поділу на постійний і змінний, продовжилося лише в XVII столітті. І за пару сотень років учені просунулися дуже далеко.
Відкриття явища
У 1600 році був введений термін "електрику", а більш ніж півстоліття почалося його активне вивчення. Спочатку поділу на постійний і змінний струм не існувало, так що дослідження були несистематично. Перша теорія, що стосується природи електрики, була сформульована в XVIII столітті Бенджамін Франклін, який, втім, залишився в історії в першу чергу як політичний діяч. Трохи пізніше був сконструйований перший конденсатор - так звана Лейденська банку. Тим не менше, вважається, що всерйоз історія дослідження постійного струму почалася з дослідів Гальвані, що стосуються, як не дивно, в першу чергу біології, а не фізики. Знаменитий італієць буквально перевернув науку.
Вивчення постійного струму
Досліди Гальвані стосувалися в першу чергу фізіології. Пропускаючи електричний струм через тіло жаби, він помітив, як її м'язи скорочувалися. Опис цих дослідів зацікавило не лише біологів, але й фізиків. Сам же Гальвані, провівши ще серію досліджень, визнав, що м'язи є чимось на зразок Лейденської банки, або, якщо бути точніше, її батарей. Ці досліди лягли в основу сучасної електрофізіології. Послідовник італійця, його співвітчизник Алессандро Вольта, в 1800 році створив перший джерело живлення постійного струму - гальванічний елемент. Англійці Карлейл і Ніколсон повторили досліди свого колеги, прийшовши до висновку, що в певних умовах електрику, пропущене через воду, змушує її розкладатися на складові елементи. Подібні експерименти в кінцевому підсумку дали стимул розвитку хімії. Російські вчені також доклали руку до досліджень - уродженець Санкт-Петербурга Василь Петров в 1803 році описав явище електричної дуги. Проте 9 років потому це відкриття відбулося знову і було представлено як трапилося вперше. Подальші дослідження вже були спрямовані на вивчення характеристик і законів, керуючих струмом. Паралельно вчені знаходили все нові і нові способи застосування електрики, винаходячи дивовижні прилади, якими людство користується до цих пір.
Характеристики і параметри
Як очевидно з назви, величина постійного струму і його напруга в будь-який момент залишаються незмінними. Незважаючи на те що рух заряджених частинок відбувається безперервно, їх загальна просторове положення залишається стаціонарним. До речі, як не дивно, але з технічної точки зору термін "постійний струм" є некоректним, адже незмінним є не він, а напруга джерела живлення, його електрорушійна сила (ЕРС). Але поняття настільки міцно увійшло у вжиток, що його зміна просто неможливо уявити. Отже, головною ознакою цього різновиду залишається відсутність зміни полярності напруги на джерелі живлення. Постійний струм володіє рядом параметрів, які, зрозуміло, властиві й іншим типам:
- Сила або величина (I). Показує кількість струму, що протікає через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Вимірюється в амперах.
- Щільність (F). Ставлення сили струму до площі поперечного перерізу провідника. Одиниці виміру - А / мм2.
- Напруга (V). Ця фізична величина показує роботу джерела електроенергії при перенесенні заряду по відношенню до її величині. Вимірюється в вольтах.
- Електрична потужність (P). Позначає швидкість передачі або перетворення електроенергії. Одиниця - ват.
- Опір (R). Ця величина характеризує властивість провідника перешкоджати проходженню струму. Вимірюється в Омасі.
Закони і формули
Всі вищеназвані величини безпосередньо пов'язані один з одним, і практично будь-яка з них може бути виражена через інші. У шкільному курсі фізики це докладно вивчається, але незайвим буде повторити все знову. Найпростішими прикладами формул можуть бути такі:
- V = I x R = P: I;
- I = V: R = P: V;
- R = V2 : P = V: I = P: I2;
- P = V x I = I2 x R = V2 : R.
Зрозуміло, багато хто пам'ятає і про закон Ома, хоча не всі зможуть його сформулювати. Він застосовний і до постійного струму і описує залежність ЕРС джерела або напруги і сили від опору. Мовою формул це виглядає так:
- U = IR. Тобто різниця потенціалів між початком і кінцем провідника дорівнює добутку сили струму і опору.
У тому числі і з цим законом пов'язана ще одна важлива залежність. Вона описує перехід електричної енергії в теплову при передачі. Іншими словами, мова йде про втрати потужності у вигляді нагріву проводів. Ця залежність називається законом Джоуля-Ленца і описується так:
- Q = I2Rt,
де Q - виділяється теплота, I - сила струму, R - опір, а t - проміжок часу.
Ця формула працює тільки для постійної різновиди. Тобто вона застосовується тільки для окремого випадку, в той час як для змінного вона буде виглядати дещо складніше.
Відмінності від інших видів
Якщо розглянути графіки основних типів електроструму, то ніяких питань не виникне. Лінія постійного буде прямою, що залишається на одному рівні з плином часу, змінного - пилкоподібної. На відміну від останнього, перший не володіє таким параметром, як частота, вірніше, в цьому випадку вона є нульовою. Крім того, напрямок постійного струму не змінюється з часом. Різниться і позначення - DC (direct current) і AC (alternating current). Як неважко здогадатися, перший - це постійний, а другий - змінний. До того ж останній різновид може бути як одно-, так і трифазної. У цьому й полягають основні відмінності.
Джерела і підсилювачі
Зрозуміло, постійний струм не береться з нізвідки. Існують спеіцальние прилади, які його генерують. Це звичайні батарейки, акумулятори та інші сучасні джерела. Першим з них був той самий гальванічний елемент Вольта. Але іноді ток потрібно не тільки генерувати, але і підсилювати. Для цього теж є спеціальні пристрої - підсилювачі постійного струму (ППС). Ці прилади необхідні для того, щоб підвищувати напругу. Підсилювач в повному розумінні можна назвати УПТ, якщо його робочий діапазон включає всі частоти, аж до найнижчих, і нульову. Ці пристрої дуже затребувані і широко використовуються в багатьох областях електроніки, так що їх розвиток і вдосконалення відбувається безперервно.
Застосування в сучасному світі
Він повсюдно. Будь-які сучасні прилади, що працюють як від мережі, так і від акумуляторів, використовують постійний струм. У першому випадку пристрій передбачає спеціальний елемент, що перетворює електрику з одного різновиду в іншу. У другому ж в джерелі живлення відбувається хімічна реакція, яка підтримує напругу незмінним. Здавалося б, що в цьому випадку простіше було б, якби в мережі був постійний, а не змінний струм, але це не так. Другу різновид простіше виробляти, а також його не доводиться перетворювати для роботи трансформаторів. А пристрої, що дозволяють із змінного отримувати постійний називаються випрямлячами, хоча прилади, які проводять зворотну дію, - инверторами. Знайшов своє застосування цей вид струму і в електрохімії, деяких видах зварювання, обробці металів, медицині і багатьох інших областях. Він дійсно скрізь, і іноді це здається справжнім дивом, адже все починалося зі звичайного бурштину.
