Как течет переменный ток по проводам
Говоря о постоянном токе (см. раздел «Про ток»), мы выяснили, что он протекает в одном направлении — от плюса источника к минусу(так было принято,хотя на самом деле наоборот). Однако в большинстве случаев приходится иметь дело с током переменным. При переменном токе электроны движутся не в одном направлении, а попеременно то в одном, то в другом, меняя свое направление. Поэтому, когда осветительная лампа включена, электроны в ее накаленной нити(да и в проводах тоже)движутся то в одну, то в другую сторону. Это движение условно показано на рис.1 и рис.2. Попробуйте пробежаться то в одну, то в другую сторону. Нетрудно догадаться, что при таком движении, прежде чем изменить направление движения, нужно сначала его замедлить, потом застыть на месте, а уж потом ринуться в другую сторону. Какая взаимосвязь с током? Перед тем как изменить движение, электроны должны притормозить(всё это мы рассматриваем в замедленном времени). Значит ток уменьшится, а лампа должна уменьшить яркость. А уж когда они остановятся перед изменением движения — и вовсе должна погаснуть. Но мы этого не видим. Почему? Потому что накаленная нить имеет тепловую инертность и за долю секунды не может остыть. Поэтому мигания мы не видим. Однако, каждый из нас слышал жужжание работающего трансформатора, что и связано с попеременным направлением движения тока.
А теперь стоит задуматься. Означает ли это, что за долю секунды электроны от электростанции доходят до дома, а за следующую долю секунды — обратно? Ранее, в разделе «Про ток» мы выяснили,что электрическое поле в проводниках распространяется со скоростью 300000км/с., а сами электроны движутся в проводниках со скоростью примерно 0,1мм/с. Но за 1/100 часть секунды (именно столько длится один полупериод, в течение которого электроны движутся в одну сторону) электроны только успевают переместиться в одном направлении, как электрическое поле начнет действовать в противоположном направлении. Вот почему электроны отклоняются то в одну, то в другую сторону и не покидают, так сказать, предела наших жилищ. То есть, у вас в доме(квартире) есть свои «домашние» электроны. Если мы могли бы замедлить время и включили бы в розетку вольтметр параллельно нагрузке, т.е. лампе (рис.3) или амперметр последовательно через нагрузку (рис.4), то увидели бы как стрелка прибора плавно изменяет свое показание от нуля до максимального значения при замере напряжения (рис.3) или тока (рис.4). На рисунке рядом это продемонстрировано. В действительности мы, конечно, этого не увидим. Причина в инертности стрелки, из-за которой она не может произвести сотню за секунду. Кстати, к рис.3 и рис.4 приведен пояснительный рис.5, где уж точно без особых усилий можно увидеть, как подключаются вольтметр и амперметр при измерении напряжения и тока в электрической цепи. Где вольтметр, а где амперметр, я думаю, можно без труда догадаться . На схемах они обозначаются как V и А соответственно.
Наш прибор показывает так называемое действующее значение напряжения ( или тока). Для простоты понимания можете считать его усредненным. А как же в действительности будет изменяться напряжение в сети? В действительности напряжение будет меняться от нуля до своего максимального значения величиной 310В. В какой-то выбранный момент времени напряжение будет иметь свое значение. Поэтому, например, если (вероятность этого, конечно, мала)вы включите свет в момент напряжения в сети 310В, будьте уверены — вам придется лампочку поменять. А в телевизоре, например, может перегореть предохранитель. Хотя к современным ТВ это мало относится.
Те, кто хочет узнать кое-что поподробнее, могут почитать дальше.
Итак, первое, что необходимо знать — это то, что изменения тока и напряжения в электрической цепи происходят по так называемому синусоидальному закону. Второе — любое синусоидальное колебание (ток или напряжение) характеризуются следующими важными величинами:
Период Т — время совершения одного полного колебания. Половина этого времени называется полупериодом . Очевидно, что в один полупериод ток течет(ну или как мы оговаривали — электроны движутся) в одном направлении, которое условно можем принять за положительное, а в другой полупериод он течет в другом направлении, которое можем принять за отрицательное. На графиках положительный полупериод будет представлен верхней полуволной над осью Х, а отрицательный — нижней. Говоря про нашу сеть, можно указать, что период переменного тока Т = 1/50сек — 0,02сек.
Частота f — это число колебаний в секунду. Теперь давайте подсчитаем. Если одно колебание у нас происходит за время периода Т, которое равно 0,02сек, то тогда за одну секунду у нас произойдет 50колебаний(1/0,02=50). А одно колебание представляет собой движение электронов сначала в одну сторону, потом в другую(два полупериода). Т.е. за 1сек электроны будут двигаться поочередно то в одну то в другую сторону 50раз. Вот вам и наша частота тока в сети, которая равна 50Гц(Герц).
Амплитуда — наибольшая величина тока(Imах) или напряжения(Umах=310В) за время периода Т. Очевидно, что за один период синусоидальный ток и напряжение достигают два раза своей максимальной величины.
Мгновенное значение — мы уже знаем, что переменный ток непрерывно изменяет свое направление и величину. Величина напряжения в данный момент называется мгновенным значением напряжения. Это же относится и к величине тока.
В качестве иллюстрации на рис.6 указаны несколько мгновенных значений(200В, 300В, 310В, — 150В, — 310В, — 100В) величины напряжения в электрической цепи в течение одного периода. Видно, что в начальный момент напряжение равно равно нулю, после чего постепенно нарастает до 100В, 200В и т.д. Достигнув максимального значения 310В, напряжение начинает постепенно уменьшаться до нуля, после чего изменяет свое направление и снова возрастает, достигая величины минус 310В(- 310В) и т.д. Если кто-то с трудом может себе представить, что такое смена направления, может представить себе, что плюс и минус в розетке меняются местами — т.е. если мы условно примем ноль(землю) за минус, а фазу за плюс. И происходит это 50раз в секунду. Ну, вот где-то примерно так.
Действующее значение. Итак, зададимся вопросом — а какому постоянному напряжению равно по своему действию наше переменное напряжение в сети, показанное на рис.6? Теория и практика показывают , что оно равняется постоянному напряжению величиной 220В — рис.7. Взять это на веру не так уж и сложно, поскольку несложно увидеть, что рассматриваемое в течение одного периода напряжение имеет значение 310В только в два момента, а в остальное время оно меньше. Так как наше синусоидальное напряжение изменяется непрерывно, то целесообразно было ввести такое понятие как — действующее напряжение. Ведь именно по какому-либо конкретному значению напряжения(или тока), а не его меняющемуся значению мы можем «прикинуть» его силу. Так вот, под действующим значением переменного тока(ну или напряжения)мы понимаем такой постоянный ток, который за то же самое время совершает ту же работу(или выделяет такое же количество тепла), что и данный переменный ток.
читать далее.
Поэтому, наша обыкновенная лампочка(или, например, обогревательный прибор)будет одинаково работать как при переменном напряжении, изменяющегося от нуля до 310В, так и при постоянном напряжении 220В. А 12-вольтовая лампочка будет одинаково светить как от источника переменного напряжения величиной 12В(изменяющегося от нуля до 16,8В), так и от любой батарейки или аккумулятора(а они являются, как известно, источниками постоянного напряжения). Итак, запомните.
1)электрический ток(напряжение), который периодически изменяет свое направление и величину, называется переменным током. Любой переменный ток характеризуется в основном своей частотой, амплитудой и действующим значением;
2)приборы, предназначенные для измерения переменного тока, показывают его действующее значение;
3)напряжение измеряют вольтметром(или комбинированным прибором — авометром), ток — амперметром(или комбинированным прибором — авометром). Также ток можно измерять так называемыми токовыми клещами. Служат они для бесконтактного измерения тока — рабочая часть прибора образует кольцо вокруг измеряемого провода и по величине электромагнитного поля, действующего на рабочую часть прибора, выводится информация на его небольшой дисплей о величине протекающего тока. Авометр — это комбинированный прибор(его в простонародье еще называют просто тестером), который полностью в своем техпаспорте называется ампервольтомметром и служит для измерения и тока, и напряжения, и сопротивлений. А цифровые модели могут измерять и частоту напряжения(тока), и емкости конденсаторов и другие вещи — это уж как задумает разработчик;
4)зная значение(действующее) переменного напряжения, всегда можно узнать его максимальное значение(не забудьте — оно меняется по синусоидальному закону). А связь здесь такая —
U max = 1,4 U , где U — действующее значение, а U max — максимальное значение(амплитуда). На этом пока всё!
Понятие о переменном токе
До сих пор мы рассматривали электрический ток, направление и сила которого оставались постоянными, т. е. не изменялись с течением времени. Такой ток мы называли постоянным. При постоянном токе электроны движутся по проводнику все время в одном и том же направлении (если не считать хаотического теплового движения электронов), причем количество движущихся электронов и скорость, их движения все время остаются постоянными.
Условное графическое изображение постоянного тока приведено на рисунке 1.
Рисунок 1. График переменного тока.
Переменный ток отличается от постоянного тем, что он периодически изменяет свое направление, т. е. течет по проводнику то в одну, то в другую сторону.
Переменный ток можно получить при помощи очень простой схемы, изображенной на рисунке 2а. При каждом передвижении переключателя изменяется лишь направление тока в цепи, сила же тока при этом остается все время неизменной.
Рисунок 2. Простейший способ получения переменного тока а) и его график б).
Графическое изображение переменного тока, полученного таким способом, приведено на рисунке 2б, где ток, протекающий по проводнику в одном направлении, отложен над горизонтальной осью времени, а ток обратного направления — под осью времени.
Рассмотрим другой, белее распространенный случай переменного тока, когда изменяется не только направление тока, но и его сила.
Представим себе проводник, согнутый в виде рамки и вращающийся в равномерном магнитном поле (рисунок 3).
Рисунок 3. Рамка вращающаяся в равномерном магнитном поле.
При вращении рамки магнитный поток, охватываемый ею, будет изменяться, следовательно, в рамке возникнет ЭДС индукции. В этом случае форма ЭДС индукции возникающей в рамке, а при подключению нагрузки к ней и форма переменного электрического тока текущего по цепи будет иметь вид показанный на рисунке 4, то есть изменение переменного тока будет осуществляться по закону синиуса.
Рисунок 4. График синусоидального переменного тока.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Как в реальности протекает электрический ток?
Существование современного мира невозможно представить без электрического тока. Он обеспечивает функционирование огромного множества устройств и электроприборов, а также целых систем. Понятие «электрический ток» помогает провести аналогию между этим явлением и протеканием жидкости, что придает данному термину некоторую наглядность.
Электрический ток протекает благодаря тому, что электромагнитное поле движется вдоль проводящей среды со скоростью, примерно равной скорости света. Данное движение идет в направлении от большего потенциала к меньшему, то есть от «+» к «-». Одновременно с этим носители зарядов перемещаются с чуть медленнее и в разных направлениях (в зависимости от материала).
Какие бывают носители зарядов?
Существуют два вида носителей зарядов – отрицательные и положительные. Заряд со знаком «минус» может иметь ионы и электроны, а положительный заряд в основном имеют только ионы. Отрицательные заряды перемещаются в направлении большему потенциала, а положительные – наоборот. Это движение и приводит к появлению электрического тока.
Данная неопределенность устранена в общепринятом правиле, которое гласит, что ток всегда протекает от «+» к «-», вне зависимости от типа зарядов.
Как заряды движутся в металлах?
Почти все металлы, применяемые в электротехнике, не содержат ионов, поскольку пребывают в твердом состоянии.
Для них свойственна проводимость электронного типа. Это означает, что свободные электроны, выступающие в роли носителей зарядов, движутся в направлении, обратном току.
Металлы обладают относительно низким электрическим сопротивлением. Если разность потенциалов отсутствует, электрическое поле срывает электроны со своих орбит. По этой причине при небольшой разности потенциалов возникает значимое количество носителей зарядов.
Как заряды движутся в полупроводниках?
Полупроводники имеют гораздо более низкую проводимость, чем металлы (в условиях комнатной температуры). Существуют полупроводники двух типов – n и p. Полупроводники первого типа содержат избыток электронов. Когда они переходят к p-типу, возникает их недостаток. Остальные электроны без особых трудностей перемещаются по своим возможным местам внутри атома. Это равноценно движению зарядов со знаком «+».
Поскольку в полупроводниках электроны слабо связаны с атомами, при повышении температуры изменяется количество несвязанных электронов, и проводимость полупроводника быстро возрастает.
Вывод: в полупроводниках заряды могут двигаться в направлении протекания тока или же в противоположном направлении (p- и n-тип соответственно).
Как заряды движутся в газах и жидкостях?
В жидкостях и газах носителями зарядов выступают ионы, которые бывают отрицательными (так называемые катионы) и положительными (анионы). Если количество катионов больше, они движутся обратно направлению тока. Если же преобладают анионы, их движение совпадает с направлением тока.
Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)
Недавно мы предлагали читателям-гуманитариям задать вопросы обо всём техническом. В десятке самых популярных вопросов — как ток бежит по проводам и другие вопросы, связанные с электричеством. Постараемся ответить максимально просто.
Что такое электрический ток
«Ток» — от слова «течь», то есть что-то течёт. Можно представить, что это течёт вода.
«Электрический ток» — это когда текут некие частицы, которые передают электрический заряд.
«Электрический заряд» можно представить как кусочек энергии, который может заставить какие-то специальные механизмы что-то делать: крутиться, нагреваться, охлаждаться, сжиматься, светиться и т. д. Например, если у вас есть электрический моторчик, то он начинает вращаться, когда в него затекает электрический заряд.
Частицы, которые передают электрический заряд в токе, называются электронами. Можно представить, что это молекулы воды, хотя в реальности это сложнее.
Чуть сложнее: что же такое электрон?
Учёные называют электрон элементарной частицей — то есть самое простое, что бывает и что нельзя разобрать на части.
Считается, что электрон способен передавать минимально возможный в природе отрицательный заряд.
Нюанс с электронами в том, что его очень сложно поймать. Это не какая-то точка в пространстве, которую можно взять в маленький пинцет и пощупать. Это больше похоже на облако, внутри которого с какой-то вероятностью в каждой точке может быть электрон.
Есть теория, что электрон — это не просто частица, а проявление возмущения электромагнитного поля. Можно представить так: сквозь нас проходит невидимое поле, мы как бы в него погружены. Колебания этого поля создают в пространстве то, что мы воспринимаем как частичку-электрон. Это как если бы мы сидели на озере и видели волны, но не знали бы, что они берутся из озера.
Другая математическая концепция говорит, что электрон — это невидимая нам струна, которая вибрирует определённым образом. Это не доказано, но теория есть.
Как ток бежит по проводам
Для начала метафора:
- Представьте, что у вас есть труба.
- С одной стороны к трубе подключён большой бак с водой. Вода давит сама на себя.
- С другой стороны у трубы кран. Пока он закрыт, вода никуда не льётся, потому что ей некуда.
- Вы открываете кран, вода начинает литься: из места, где она на себя давит, в место, где на неё ничто не давит.
Как это переносится на электричество:
- У вас есть материал, в котором электроны могут перемещаться с некоторой свободой. Такие материалы называются проводниками — это всякие металлы, например медь.
- В одном месте проводника создаётся избыток электронов, которые друг на друга давят, им там тесно и напряжно.
- В другом месте проводника создаётся недостаток электронов.
- Электроны начинают течь из места напряга в место расслабления (условно говоря).
Чуть сложнее: как на самом деле бежит ток
На самом деле электроны в проводнике перемещаются очень мало и сами по себе не передают энергию из точки А в точку Б.
Правильнее сказать так: электроны двигаются в целом хаотично, а общим направлением их движения управляет электромагнитное поле. Именно поле определяет, сколько куда энергии передать, и именно поле отвечает за передачу этой энергии.
Но со стороны это выглядит неотличимо от того, как если бы сами электроны текли по проводам, как вода. Поэтому в учебниках обычно ограничиваются этим объяснением.
Как ток превращается в работу моторов, грелок и прочих полезных приборов
Люди изобрели устройства, которые превращают электрический ток в полезную работу. Например:
Электромотор работает так: там есть центральная вращающаяся ось и её окружение. По окружению бежит ток, который создаёт электромагнитное поле (считайте, что там появляется магнит). На центральной оси тоже есть что-то вроде магнита, который начинает вращать эту ось под действием внешнего магнита. Получается вращение.
Нагреватели работают так: электроны стукаются об атомы в нагревающем элементе и передают им энергию. Атомы начинают шевелиться, потому что по ним лупят электроны. Шевеление атомов — это и есть тепловая энергия.
Светодиоды работают так: там используются кусочки кремния, в которые подмешаны разные дополнительные материалы. Комбинации этих подмесов позволяют электронам передавать энергию от одного кусочка кремния к другому, попутно превращая эту энергию в фотоны, то есть в свет. В зависимости от того, что подмешано в кремний, можно получать светодиоды разных цветов.
Про компьютеры и как там работает электричество — расскажем отдельно.
Что такое постоянный и переменный ток?
Люди придумали, что электроны можно гонять по проводнику двумя способами: просто в одном направлении и туда-сюда.
Постоянный ток — это когда ток идёт в одном направлении от места, где у тебя избыток электронов (минус) в место, где у тебя недостаток электронов (плюс). Постоянный ток используется внутри всего, что питается от батарей; во всей электронике; в компьютерах и смартфонах.
Переменный ток — это когда ток течёт то в одном направлении, то в другом. Направление тока меняется 50–60 раз в секунду. Это изобретение позволило передавать ток на дальние расстояния и сделало его более удобным в эксплуатации. В розетке у вас переменный ток.
В вашей бытовой электронике стоит преобразователь переменного тока в постоянный. Он берёт переменный ток из розетки и переводит в нужный для прибора постоянный ток.
Что такое короткое замыкание?
Обычно ток гоняют по проводам не просто так, а чтобы передать энергию какому-то полезному устройству — например светодиоду. На этом устройстве теряется часть энергии и движение тока затруднено.
Если просто дать току бежать по проводам без нагрузки, он будет бежать очень бодро, попутно сталкиваясь с атомами своего проводника. Атомы от такого мощного потока начнут греться. А если тока много, то проводник нагреется очень быстро и может загореться. Это и есть короткое замыкание.
Короткое замыкание случается тогда, когда соединяются напрямую плюс и минус или два провода с переменным током. Это может произойти, если собака перегрызёт вам кабель питания и в нём соединятся два провода. Тогда за несколько секунд провода перегреются и могут загореться.
Чтобы предотвратить пожар из-за короткого замыкания, во всех квартирах сейчас устанавливают специальные устройства: они автоматически отключают ток, когда видят, что ток стал слишком большим.
Что нужно знать гуманитарию про ток?
Не ремонтируйте самостоятельно розетки и не вешайте люстры на голые провода. Вызовите электрика.
Не трогайте оголённые провода. Никакие и никогда.
Не разбирайте устройства, если на них наклеена наклейка «Опасность электрического шока». Там наверняка стоит какой-нибудь лютый конденсатор, который может ударить током будь здоров. Вообще, лучше не разбирать устройства, если вы точно не знаете, как их отремонтировать.
Если у вас маленькие дети, сначала поставьте заглушки на розетки, а потом научите детей технике безопасности с розеткой.