Постоянный ток представляет собой вид электричества, создаваемого батареей (с положительным и отрицательными выводами), или же вид заряда, возникающего при трении определенных материалов друг о друга.
Однако постоянный ток не единственный используемый «вид» электричества. Некоторые источники электроэнергии (особенно роторные электромеханические генераторы) производят напряжение, меняющее свою полярность.
Постоянный ток и переменный ток
Так же как знакомое нам условное обозначение батарейки на рисунке представляет собой условное обозначение любого источника постоянного напряжения, кружок с волнистой линией внутри обозначает источник напряжения переменного тока.
Можно было бы подумать, что практическое применение переменного тока ограничено. И действительно, в некоторых случаях переменный ток уступает постоянному по части практического применения. В тех системах, где электричество используется для рассеивания энергии в форме тепла, полярность или направление тока не имеет значения, — вполне достаточно, чтобы напряжения и тока хватало нагрузке для производства необходимого тепла (рассеивания энергии). Однако, используя переменный ток, можно создавать гораздо более эффективные электрогенераторы, электродвигатели, системы распределения энергии, таким образом, в высокомощных системах преобладает использование именно переменного тока. Чтобы понять, почему это так, нам нужно узнать немного о переменном токе как таковом.
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Это основополагающий принцип работы генератора переменного тока, или альтернатора.
Принцип работы альтернатора
Заметьте, как меняется полярность напряжения на катушках, когда при вращении возле них оказываются разные полюсы магнита. При соединении с нагрузкой такое напряжение будет создавать ток, который будет периодически менять направление своего движения. Чем быстрее вращается вал альтернатора, тем быстрее будет вращаться магнит, и тем чаще в результате напряжение будет менять полярность, а ток – направление за определённый промежуток времени.
Несмотря на то, что генераторы постоянного тока работают по тому же принципу электромагнитной индукции, их устройство гораздо сложнее, чем у их соперников, генераторов переменного тока. У генераторов постоянного обмотка помещается на вал в то место, где в альтернаторах находится магнит, и эта вращающаяся обмотка соприкасается с неподвижными угольными «щётками». Всё это необходимо для того, чтобы переключать изменяющуюся полярность во внешней схеме, чтобы на последней создавалась постоянная полярность:
Принцип работы генератора постоянного тока
Генератор на рисунке выше производит два импульса напряжения за одно вращение вала. Чтобы генератор постоянного тока производил постоянное напряжение, а не короткие импульсы за каждый полупериод вращения, создаётся набор обмоток, которые периодически входят в контакт с щётками. На схеме выше в упрощенной форме показано то, что вы увидите на практике.
Проблемы, связанные с возникновением и прерыванием электрического контакта при движении обмотки, очевидны (искрение и перегрев), особенно если вал генератора вращается с большой скоростью. Если в среде вокруг генератора содержатся легковоспламеняемые или взрывчатые пары, проблемы, связанные с искрообразованием усугубляются. Для работы генератор переменного тока (альтернатора) не требуются щёток и коллектор и поэтому он застрахован от проблем, обычно возникающих при использовании генераторов постоянного тока.
Генераторы переменного тока также имеют очевидные преимущества при использовании их в электродвигателях по сравнению с генераторами постоянного тока. В отличие от электродвигателей постоянного тока, в двигателях переменного тока не требуется соприкосновения щёток с движущейся обмоткой. На самом деле электродвигатели постоянного и переменного тока по своему устройству очень похожи на электрогенераторы.
Таким образом, становится понятно, что конструкция генераторов и электродвигателей переменного тока гораздо проще по сравнению с генераторами и двигателями постоянного тока. Относительная простота этих устройств на практике выглядит как много большая надежность и рентабельность. Для чего же еще используют переменный ток? Наверняка должно быть что-то кроме его использования в генераторах и двигателях! И действительно есть. Существует электромагнитный эффект, известный как взаимная индуктивность, возникающий, когда две или более обмоток размещены таким образом, что переменное магнитное поле, создаваемое одной из обмоток наводит напряжение в другой. Если на одну из таких обмоток мы подадим переменный током, то на другой мы также получим переменное напряжение. Это устройство известно как трансформатор.
Трансформатор преобразует переменное напряжение и ток
Главное значение трансформатора состоит в его способности повышать и понижать напряжение на второй обмотке. Напряжение переменного тока, возникающее во вторичной обмотке равно напряжению переменного тока на первичной обмотке, умноженному на коэффициент отношения числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной. Если же со вторичной обмотки ток подаётся в нагрузку, то изменение тока на вторичной обмотке будет прямо противоположным: ток первичной обмотки умножается на коэффициент отношения числа витков первичной к числу витков вторичной обмотки. Механическим аналогом подобных отношений может служить пример с крутящим моментом и скоростью (вместо напряжения и тока, соответственно):
Зубчатая передача, применяемая для увеличения скорости, понижает крутящий момент. Понижающий трансформатор понижает напряжение и усиливает ток
Если соотношение витков обмоток обратное, т.е. первичная обмотка имеет меньше витков, чем вторичная, то трансформатор увеличивает напряжение источника до более высокого уровня:
Зубчатая передача увеличивает крутящий момент и снижает скорость. Повышающий трансформатор повышает напряжение и уменьшает ток
Способность трансформатора увеличивать и уменьшать переменное напряжение дает переменному току несопоставимое преимущество над постоянным в области распределения энергии (см. рисунок ниже). Гораздо эффективнее передавать электроэнергию на большие расстояния при высоком напряжении и малом токе (провода меньшего диаметра с меньшими потерями на сопротивление), а затем понижать напряжение и усиливать тока при подаче энергии конечным потребителям.
Трансформаторы обеспечивают эффективную высоковольтную передачу электрической энергии на большие расстояния
Благодаря трансформаторам передачу электрической энергии на большие расстояния стала гораздо более практичной. Без возможности эффективного увеличения и уменьшения напряжения было бы непомерно дорого создавать системы энергообеспечения для больших расстояний (более нескольких десятков километров).
Трансформаторы работают только на переменном токе. Поскольку явление взаимоиндукции основано на переменных магнитных полях, а постоянный ток способен создавать только постоянные магнитные поля, трансформаторы просто не будут работать на постоянном токе. Конечно, на первичную обмотку трансформатора можно подавать постоянный прерывистый (импульсный) ток, чтобы создать переменное магнитное поле (как это делается в автомобильной системе зажигания для создания искры в свече зажигания от низковольтной батареи постоянного тока), но в таком варианте постоянный ток ничем не отличается от переменного. Возможно, именно по этой причине переменный ток находит более широкое применение в высокомощных системах.
