Как обозначается постоянный и переменный ток: AC, DC — что это такое?

Что значит AC и DC в электрике ?

Сегодня, я расскажу о такой важной маркировке, которая вам рано или поздно обязательно встретится в электрике — это AC и DC. Постараюсь сделать это максимально простым, понятным любому человеку языком.

Мы рассмотрим, что означает каждая из этих аббревиатур, где и когда встречается и, самое главное, о чем говорит и что будет, если их перепутать.

Обязательно пишите свои вопросы в комментариях, оставляйте отзывы, чтобы я смог подкорректировать что-то, чтоб было понятнее всем и тема была полностью раскрыта.

AC [~]– это ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК, от английского «Alternating Сurrent»;

 DC [-] – это ПОСТОЯННЫЙ ТОК, от английского «Direct current»;

 Теперь вы понимаете, что электрооборудование не просто так маркируется AC или DC, т.к. оно зачастую рассчитано на работу в определенных параметрах электрического тока, и если их перепутать, то прибор, в лучшем случае, просто выйдет из строя.

Несколько слов о том, что такое постоянный и переменный ток и чем они отличаются и где встречаются.

Что означает маркировка AC и где применяется

AC — Переменный ток – это электрический ток, который периодически меняет направление в электрической цепи и изменяется по величине. Также обозначается значком «~»

Количество изменений направления движения переменного тока за секунду называется частотой и измеряется в герцах (Гц). В нашей стране эта частота равна 50 Гц. (направление движения тока изменяется 50 раз в секунду).

Основная причина использования переменного ток — это возможность передавать его на большие расстояния с минимальными потерями.

Именно переменный электрический ток в стандартных электрических розетках 220В вашей квартиры. 

Видя, на электроприборе, например трансформаторе, блоке питания или светильнике, надпись ~AC у клемм, вы должны знать, что сюда подключается переменный ток.

В быту, в сетях переменного тока, чаще используется однофазная система и проводники, как и клеммы оборудования, маркируются как:

L – Фаза

N – Ноль

PE – Заземление, земля.

Больше информации об этом, читайте в нашей статье – «Что значит маркировка L, N и PE в электрике?»

Что означает маркировка DC и где применяется

DC – Постоянный ток – это электрический ток, который не изменяет направление в электрической цепи и не изменяется по величине.  Также обозначается значком [—]

Как видите постоянный ток, это полная противоположность переменному. Он не меняет свое направление и величину, из-за этого больше подходит для работы электрооборудования. 

Постоянный ток применяется в питании большинства бытовых приборов, в батарейках и аккумуляторах, в электромобилях, в зарядке телефонов и ноутбуков, практически везде.

И да, вы правильно понимаете, в розетках у вас переменный ток, из-за удобства его передачи на практически любые расстояния, но в ваших бытовых приборах, с помощью адаптеров, драйверов или блоков питания, он трансформируется в постоянный.

Видя на электрооборудовании, например трансформаторе, блоке питания или светильнике, надпись ~DC у клемм, вы должны знать, что сюда подключается постоянный ток.

Обычно он различается лишь по напряжению, 3В, 6В, 12В, 24В и т.д., в зависимости от оборудования.

А так как постоянный ток протекает в одном направлении, от точки с большим потенциалом, к точке с меньшим, то они и называются соответственно:

«+» — Плюс — Положительный полюс, точка с большим потенциалом, Красный цвет;

«—» — Минус — Отрицательный полюс, точка с меньшим потенциалом Синий или Черный цвет;

Иногда, вы можете встретить маркировку AC/DC, например на электронном трансформаторе или блоке питания для светодиодной ленты.

Это, чаще всего, означает, что устройство преобразует переменный в постоянный ток. На его входы подается переменный ток бытовой сети 220В 50 Гц — AC, а на выходе вы получаете постоянный ток DC — 12В или 24В, которым питается светодиодная лента. 

Теперь, зная, что такое AC и DC, вы сможете увереннее различать электрооборудование, подбирать и правильно выполнять подключения.

Если же у вас остались вопросы, комментарии или дополнения, обязательно пишите их в комментариях к статье, постараюсь отвечать оперативно.

Сварочный ток и полярность. ACϟDС – ООО «ЦСК»

Сварка – это ручной труд, но сварщики должны обладать достаточным количеством технических знаний, даже если в школе физика для них была чем-то сверхъестественным. 

Одним из обязательных понятий, которые необходимо знать, является «сварочный ток». Сварщик должен хорошо понимать, что такое полярность и какое влияние она оказывает на процесс сварки.

На сварочных аппаратах и электродах можно заметить обозначения AC или DC, которые описывают полярность тока. Почему электрические токи и полярность возникают во время сварки? Давайте рассмотрим эти понятия внимательно.

Что такое полярность?

Электрическая цепь, возникающая при включении сварочного аппарата, имеет отрицательный и положительный полюс – это свойство называется полярностью.

Полярность имеет большое значение при сварке, потому что выбор правильной полярности влияет на прочность и качество сварного шва. Использование неправильной полярности может привести к большому количеству брызг, плохому проплавлению и потере контроля сварочной дуги.

Что такое переменный (AC) и постоянный (DC) ток?

AC от англ. «alternating current» обозначает переменный ток, а DC «direct current» – постоянный ток.

Первый чередует направление тока, а последний течет только в одном направлении.

Поэтому сварочные машины и электроды с маркировкой DC имеют постоянную полярность, тогда как маркированные AC изменяют полярность 120 раз в секунду с частотой тока 60 герц.

Чем переменный и постоянный ток различаются при сварке?

Сварка при постоянном токе (DC) создает более плавные и более устойчивые дуги, образуется меньше брызг. Легче производится сварка в вертикальном и верхнем положениях.

Тем не менее, переменный ток (AC) может быть предпочтительным выбором начинающих сварщиков, поскольку часто используется в недорогих сварочных аппаратах начального уровня. AC также распространен в судостроительной сварке или в любых условиях, где дуга может плавать из стороны в сторону.

Что такое прямая и обратная полярность постоянного тока (DC)?

Полярность
прямая	обратная
отрицательная	положительная
(–)	(+)

 

Процесс сварки будет различаться не только в зависимости от направления, но и от полярности тока: положительной (+) или отрицательной (–).

Положительная полярность постоянного тока (DC+) обеспечивает высокий уровень проплавления, в то время как отрицательная полярность постоянного тока (DC–) даст меньшее проплавление, но более высокую скорость осаждения (например, на тонком листовом металле).

Различные защитные газы могут дополнительно влиять на процесс сварки.

Так как переменный ток (AC) наполовину положительный и наполовину отрицательный, его сварочные свойства находятся прямо в середине положительной и отрицательной полярности постоянного тока (DC). Некоторые сварщики выбирают переменный ток (AC), если они хотят избежать глубокого проплавления. Например, при ремонтных работах на ржавых металлах.

Хотя переменный ток сам по себе не имеет полярности, если электроды для сварки на переменном токе использовать с постоянным, они покажут более низкие результаты. Поэтому производители электродов обычно указывают наиболее подходящую полярность на покрытии и упаковке электродов.

Понимание направления и полярности сварочного тока важно для правильного выполнения сварочных работ. Знание того, как эти факторы влияют на ваш сварной шов, облегчит вашу работу.

 

 

Источник: www.weldingschool.com

 

Сварочные материалы и оборудование Вы можете приобрести на нашем сайте — сварочные электроды и сварочное оборудование.

Звоните нам по телефону: +7 (343) 266-44-33 или отправляйте заявку на e-mail: [email protected].

4.5 Сравнение переменного тока и постоянного тока – Колледж Дугласа, физика 1207

Глава 4 Электрический ток, сопротивление и закон Ома

Резюме

• Объясните различия и сходства между переменным и постоянным током.
• Рассчитать среднеквадратичное значение напряжения, тока и средней мощности.
• Объясните, почему переменный ток используется для передачи энергии.

Большинство примеров, рассмотренных до сих пор, и особенно те, в которых используются батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он, таким образом, также является постоянным. Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического заряда только в одном направлении. Это устойчивое состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник переменного напряжения. Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь известна как цепь переменного тока. Примеры включают коммерческую и жилую энергию, которая удовлетворяет многие из наших потребностей. На рис. 1 показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичной мощности постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.

Рисунок 1. (a) Напряжение постоянного тока и ток постоянны во времени, как только ток установится. (b) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока с частотой 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и находятся в фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковые напряжения источников переменного тока сильно различаются. Рисунок 2. Разность потенциалов

В между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для В определяется как В = В ₀ sin 2πft .

На рис. 2 показана схема простой цепи с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано, с напряжением переменного тока, заданным

.

В = Vo sin(2 π f t)

, где В — напряжение в момент времени t, В _o — пиковое напряжение, а f — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления I = V/R , поэтому переменный ток равен

.

I = Io sin(2 π f t)

, где I — ток в момент времени t , а Io = Vo / R — пиковый ток.

В этом примере говорят, что напряжение и ток совпадают по фазе, как показано на рисунке 1(b).

Ток в резисторе колеблется туда-сюда точно так же, как управляющее напряжение, поскольку I = V / R . Если резистор представляет собой, например, люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, когда ток многократно проходит через нуль. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстрое для ваших глаз, но если вы помахаете рукой между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе. Тот факт, что светоотдача колеблется, означает, что мощность колеблется. Потребляемая мощность P = IV . Используя выражения для I и V выше, мы видим, что зависимость мощности от времени имеет вид .

Налаживание связей: домашний эксперимент — освещение переменного/постоянного тока

Проводите рукой вперед-назад между лицом и флуоресцентной лампочкой.

Наблюдаете ли вы то же самое с фарами на вашем автомобиле? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение: не смотрите прямо на очень яркий свет .

Рисунок 3. Мощность переменного тока в зависимости от времени. Поскольку напряжение и ток здесь совпадают по фазе, их произведение неотрицательно и колеблется от нуля до I ₀ В ₀ . Средняя мощность (1/2)I ₀ В ₀ .

Чаще всего нас интересует средняя мощность, а не ее колебания — например, 60-ваттная лампочка в вашей настольной лампе потребляет в среднем 60 Вт. Как показано на рисунке выше среднее мощность P _{среднее} равно P _авен = ¹ / ₂ Io Vo.

 

Это видно из графика, так как площади выше и ниже линии

¹ / ₂ Io Vo равны, но это можно доказать и с помощью тригонометрических тождеств. Точно так же мы определяем средний или среднеквадратический ток I _RMS и среднее или среднеквадратичное напряжение В _RMS  соответственно

и

, где rms означает среднеквадратичное значение, особый тип среднего значения. В общем, для получения среднеквадратичного корня конкретную величину возводят в квадрат, находят ее среднее (или среднее) и извлекают квадратный корень. Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Сейчас

P _{среднее значение} = I _{среднеквадратичное значение} В _{среднеквадратичное значение}

что дает

, как указано выше. Это стандартная практика цитировать I _{среднеквадратичное значение}  , V _{среднеквадратичное значение} и P _ave , а не пиковые значения. Например, в большинстве бытовых электросетей напряжение переменного тока составляет 120 В, что означает, что V _{действ. СВЧ печь потребляет Р среднее =1,0кВт, и т.д. Вы можете думать об этих среднеквадратичных и средних значениях как об эквивалентных значениях постоянного тока для простой резистивной цепи.}

Подводя итог, при работе с переменным током закон Ома и уравнения для мощности полностью аналогичны уравнениям для постоянного тока, но для переменного тока используются среднеквадратические и средние значения. Таким образом, для переменного тока закон Ома записывается как

Различные выражения для мощности переменного тока P _ave  являются

P _ave    = I _{действ.} В _{действ.}

                P _ave    =  ( V _rms  ) ² / R             и

   P _ave    =  (I _{СКЗ) ²}   В _СКЗ

Пример 1: Пиковое напряжение и мощность переменного тока

(a) Каково значение пикового напряжения для сети переменного тока 120 В? (b) Какова пиковая мощность, потребляемая лампочкой переменного тока мощностью 60,0 Вт?

Стратегия

Нам говорят, что В _{среднеквадратичное значение}    равно 120 В, а P _ave равно 60,0 Вт. Мы можем использовать определение мощности, чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем найти пиковое напряжение. пиковая мощность от заданной средней мощности.

Решение для (a)

Решение уравнения для пикового напряжения V ₀ и замену известного значения для V _ОБРАТА . что переменное напряжение колеблется от 170 В до –170 В и обратно 60 раз в секунду. Эквивалентное постоянное напряжение равно 120 В.

Решение для (b)

Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом

Мы знаем, что средняя мощность равна 60,0 Вт, поэтому

P _o = 2(60,0 Вт) = 120 Вт

Обсуждение

Итак, мощность колеблется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за цикл), а мощность в среднем составляет 60 Вт.

Большинство крупных систем распределения электроэнергии работают на переменном токе. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоких напряжениях, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве стран мира), которые мы используем дома и на работе. Экономия за счет масштаба делает строительство нескольких очень крупных электростанций дешевле, чем строительство множества мелких. Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно, чтобы потери энергии в пути были сведены к минимуму. Как мы увидим, высокое напряжение может передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкое напряжение. (См. рис. 4.) Из соображений безопасности напряжение у пользователя снижено до привычных значений. Решающим фактором является то, что переменное напряжение намного проще увеличивать и уменьшать, чем постоянное, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Рисунок 4. Мощность распределяется на большие расстояния при высоком напряжении для снижения потерь мощности в линиях передачи. Напряжение, генерируемое электростанцией, повышается с помощью пассивных устройств, называемых трансформаторами (см. главу 23.7 «Трансформаторы»), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру). В месте использования трансформаторы снижают передаваемое напряжение для безопасного бытового и коммерческого использования. (Источник: GeorgHH, Wikimedia Commons)

Пример 2: потери мощности меньше для высоковольтной передачи

(a) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 200 кВ? б) Какова мощность, рассеиваемая линиями передачи, если они имеют сопротивление 1,00 Ом? в) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?

Стратегия

Имеем P _пр = 100 МВт , В _{действующее значение} = 200 кВ , а сопротивление линий 0 Ом = 1. Используя эти данные, мы можем найти ток, протекающий (от P = IV ), а затем мощность, рассеиваемая в линиях P = I ² R ), и берем отношение к общей передаваемой мощности.

Решение

Чтобы найти ток, преобразуем соотношение P _ave = I _{действующее значение} В _{действующее значение} и подставим известные значения. Это дает

Решение

Зная силу тока и учитывая сопротивление линий, мощность, рассеиваемая в них, находится из P _ave = I _rms ² R. Substituting the known values ​​gives

P _ave = I _rms ² R = (500 A) ² (1.00 Ω) = 250 кВт

Решение

Потери в процентах представляют собой отношение этой потерянной мощности к общей или потребляемой мощности, умноженное на 100:

Обсуждение

Одна четвертая процента является приемлемой потерей. Заметим, что если бы передавалось 100 МВт мощности при напряжении 25 кВ, то понадобился бы ток 4000 А. Это приведет к потере мощности в линиях 16,0 МВт, или 16,0%, а не 0,250%. Чем ниже напряжение, тем больше требуется тока и тем больше потери мощности в линиях передачи с фиксированным сопротивлением. Конечно, можно построить линии с меньшим сопротивлением, но для этого нужны более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было производить экономично, то в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в одной из последующих глав, в сверхпроводниках также существует предел тока. Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи мощности, а напряжение переменного тока гораздо легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупномасштабных систем распределения электроэнергии.

Широко признано, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое напряжение. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредны. Так что не только напряжение определяет опасность. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока. Томас Эдисон считал, что удары переменного тока более вредны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные споры, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой, которые выступали за использование переменного тока в первых системах распределения электроэнергии. Переменный ток преобладает во многом благодаря трансформаторам и меньшим потерям мощности при передаче высокого напряжения.

PhET Исследования: Генератор

Генерировать электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.

Рис. 5. Генератор

• Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического тока только в одном направлении. Это относится к системам, в которых напряжение источника постоянно.
• Источник напряжения системы переменного тока (AC) выдает В = В _o  sin 2 πf t  , где В — напряжение в момент времени t, В _o — пиковое напряжение, а f — частота в герцах.
• В простой цепи I = V/R , а переменный ток равен I  = I _o  sin 2 πf t , где I – ток в момент времени t , а 3 o
I 900 V _o  / R  – пиковый ток.
• Средняя мощность переменного тока .
• Средний (действующий) ток I _rms   и среднее (rms) напряжение В _{rms s}    равны   и , где rms означает среднеквадратичное значение.
• Таким образом, P _ave = I _СКЗ В _СКЗ .
• Закон Ома для переменного тока: В _{действ.}
• Выражения для средней мощности цепи переменного тока

  P _ave    = I _{действ.} В _{действ.}

                  P _ave    =  ( V _rms  ) ² / R             и

     P _ave    =  (I _{СКЗ) ²}   В _СКЗ

Упражнения с задачами

1: а) Чему равно тепловое сопротивление лампочки мощностью 25 Вт, работающей от сети переменного тока 120 В? б) Если рабочая температура лампы 2700°С, каково ее сопротивление при 2600°С?

2: Некоторое тяжелое промышленное оборудование использует переменный ток с пиковым напряжением 679 В. Каково среднеквадратичное значение напряжения?

3: Определенный автоматический выключатель срабатывает при среднеквадратичном токе 15,0 А. Каков соответствующий пиковый ток?

4: Военные самолеты используют переменный ток с частотой 400 Гц, поскольку на этой более высокой частоте можно проектировать более легкое оборудование. Каково время одного полного цикла этой мощности?

5: Турист из Северной Америки берет свою бритву мощностью 25,0 Вт и 120 В переменного тока в Европу, находит специальный адаптер и подключает ее к сети 240 В переменного тока. Предполагая постоянное сопротивление, какую мощность потребляет бритва при ее поломке?

6: В этой задаче вы проверите утверждения, сделанные в конце о потерях мощности для Примера 2. (a) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 25,0 кВ? (b) Найдите потери мощности в линии передачи 1 Ом . (c) Какой процент потерь это представляет?

7: Кондиционер небольшого офисного здания работает от сети переменного тока 408 В и потребляет 50,0 кВт. а) Каково его эффективное сопротивление? (b) Какова стоимость работы кондиционера в жаркий летний месяц, когда он работает по 8 часов в день в течение 30 дней, а электроэнергия стоит 9.00 центов/кВт • ч?

8: Какова пиковая потребляемая мощность микроволновой печи на 120 В переменного тока, которая потребляет 10,0 А?

9: Каков пиковый ток через комнатный обогреватель мощностью 500 Вт, работающий от сети переменного тока 120 В?

10: Два разных электрических устройства имеют одинаковую потребляемую мощность, но одно предназначено для работы от сети переменного тока 120 В, а другое от сети переменного тока 240 В. а) Каково отношение их сопротивлений? б) Каково отношение их токов? (c) Если предположить, что его сопротивление не изменится, во сколько раз увеличится мощность, если устройство на 120 В переменного тока подключить к сети 240 В переменного тока?

11: Нихромовая проволока используется в некоторых радиационных нагревателях. (a) Найдите необходимое сопротивление, если средняя выходная мощность должна составлять 1,00 кВт при использовании переменного тока 120 В. б) Какой длины нихромовой проволоки с площадью поперечного сечения 5 мм ² мм потребуется, если рабочая температура составляет 500°С? в) Какую мощность он потребляет при первом включении?

12: Найдите время после t=0, когда мгновенное напряжение переменного тока частотой 60 Гц впервые достигает следующих значений: (а) В _o /2 (б) В _o   (в) 0,

13: (а) В какие два раза в первый период после t=0 мгновенное напряжение переменного тока частотой 60 Гц равно В _{среднеквадратичное значение} ? (б) -V_ _СКЗ ?

постоянный ток

(DC) поток электрического заряда только в одном направлении

переменный ток

(AC) поток электрического заряда, который периодически меняет направление на противоположное

Напряжение переменного тока

напряжение, которое колеблется синусоидально во времени, выраженное как В = В ₀ sin 2 πft , где В — напряжение в момент времени t, В ₀ — пиковое напряжение2, а 9004 f — пиковое напряжение2 частота в герцах

Переменный ток

ток, синусоидально колеблющийся во времени, выражается как I = I ₀ sin 2 πft , где I — ток в момент времени t, I ₀ — пиковый ток, а f — частота в герцах

Действующее значение тока

среднеквадратичное значение тока, где I ₀ пиковое значение тока в системе переменного тока

среднеквадратичное значение напряжения

среднеквадратичное значение напряжения, где В ₀ пиковое напряжение в системе переменного тока

 

20.

5: Переменный ток в сравнении с постоянным током

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

2683

• OpenStax
• OpenStax

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните различия и сходства между переменным и постоянным током.
• Рассчитать среднеквадратичное значение напряжения, тока и средней мощности.
• Объясните, почему переменный ток используется для передачи энергии.

Переменный ток

Большинство рассмотренных выше примеров, особенно те, в которых используются батареи, имеют источники постоянного напряжения. Как только ток установлен, он, таким образом, также является постоянным. Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического заряда только в одном направлении. Это устойчивое состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник переменного напряжения. Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление на противоположное. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь известна как цепь переменного тока. Примеры включают коммерческую и жилую энергию, которая удовлетворяет многие из наших потребностей. На рисунке \(\PageIndex{1}\) показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичного питания постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): (a) Напряжение постоянного тока и ток постоянны во времени после установления тока. (b) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока с частотой 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и находятся в фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковые напряжения источников переменного тока сильно различаются.

На рисунке \(\PageIndex{2}\) показана схема простой цепи с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано, с напряжением переменного тока определяется как \[V = V_{0} sin 2 \pi ft, \label{20.6.1}\], где \(V\) — напряжение в момент времени \(t\), \(V_{0}\ ), \(V_{0}\) — пиковое напряжение, а \(f\) — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления \(I = V/R\), поэтому переменный ток равен

\[I = I_{0} sin 2 \pi ft, \label{20.6.2}\]

, где \(I\) — ток в момент времени \(t\), а \(I_{0} = V_{0} / R\) — пиковый ток. В этом примере говорят, что напряжение и ток совпадают по фазе, как показано на рисунке \(\PageIndex{1b}\).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Разность потенциалов \(В\) между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. {2}2\pi ft\), как показано на рисунке \(\PageIndex{3}\).

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Мощность переменного тока как функция времени. Поскольку здесь напряжение и ток совпадают по фазе, их произведение неотрицательно и колеблется между нулем и \(I_{0}V_{0}\). Средняя мощность равна \( \left( 1/2 \right) I_{0} V_{0}\).

Налаживание связей: домашний эксперимент — освещение переменного/постоянного тока

Проводите рукой вперед-назад между лицом и флуоресцентной лампочкой. Наблюдаете ли вы то же самое с фарами на вашем автомобиле? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение: Не смотрите прямо на очень яркий свет.

Чаще всего нас интересует средняя мощность, а не ее колебания — например, 60-ваттная лампочка в вашей настольной лампе потребляет в среднем 60 Вт. Как показано на рисунке 3, средняя мощность \(P_{ave}\) равна \[P_{ave} = \frac{1}{2}I_{0}V_{0}. \label{20.6.3}\] Это видно из графика, так как площади выше и ниже линии \(\left(1/2\right)I_{0}V_{0}\) равны, но это также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств. Точно так же мы определяем среднее или среднеквадратичное значение тока \(I_{rms}\) и среднее или среднеквадратичное значение напряжения \(V_{rms}\) должно быть, соответственно,

\[I_{rms} = \frac{I_{0}}{ \sqrt{2}}\label{20.6.4}\]

и

\[V_{rms} = \frac{V_{0}}{\sqrt{2}}.\label{20.6.5} \]

, где rms означает среднеквадратичное значение, особый тип среднего значения. В общем, для получения среднеквадратичного корня конкретную величину возводят в квадрат, находят ее среднее (или среднее) и извлекают квадратный корень. Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Теперь \[P_{ave} = I_{rms}V_{rms}, \label{20.6.6}\], что дает

\[P_{ave} = \frac{I_{0}}{\sqrt{2}} \cdot \frac{V_{0}}{\sqrt{2}} = \frac{1}{2} I_{0}V_{0}, \label{20.6.7}\]

, как указано выше. Стандартной практикой является указывать \(I_{rms}\), \(V_{rms}\) и \(P_{ave}\), а не пиковые значения. Например, в большинстве бытовых электросетей напряжение переменного тока составляет 120 В, а это означает, что \(V_{rms}\) равно 120 В. Обычный автоматический выключатель на 10 А отключит устойчивое напряжение \(I_{rms}\), превышающее 10 А. Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет \(P_{ave} = 1,0 кВт\) и так далее. Вы можете думать об этих среднеквадратичных и средних значениях как об эквивалентных значениях постоянного тока для простой резистивной цепи. 9{2}_{rms}R.\label{20.6.11}\]

Пример \(\PageIndex{1}\): Пиковое напряжение и мощность для переменного тока

(a) Каково значение пикового напряжения для сети переменного тока 120 В?

Стратегия

Нам говорят, что \(V_{rms}\) равно 120 В, а \(P_{ave}\) равно 60,0 Вт. Мы можем использовать \(V_{rms} = \frac{V_{0 }}{\sqrt{2}}\), чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданной средней мощности.

Решение
Решение уравнения \(V_{rms}=\frac{V_{0}}{\sqrt{2}}\) для пикового напряжения \(V_{0}\) и подстановка известного значения для \(V_{rms}\) дает \[V_{0} = \sqrt{2} V_{rms} = 1,414\left(120 V\right) = 170 V. \]

Обсуждение

Это означает, что переменное напряжение колеблется от 170 В до \(-170 В\) и обратно 60 раз в секунду. Эквивалентное постоянное напряжение равно 120 В.

(b) Какова пиковая потребляемая мощность лампочки переменного тока мощностью 60,0 Вт?

Решение

Пиковая мощность представляет собой произведение пикового тока на пиковое напряжение. Таким образом, \[P_{0} = I_{0}V_{0} = 2\left(\frac{1}{2} I_{0} V_{0} \right) = 2P_{ave}.\] Мы известно, что средняя мощность равна 60,0 Вт, поэтому \[P_{0} = 2\left(60,0 Вт\right) = 120 Вт.\]

Обсуждение

Итак, мощность колеблется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за цикл), а средняя мощность составляет 60 Вт.

Зачем использовать переменный ток для распределения электроэнергии?

Большинство крупных систем распределения электроэнергии работают на переменном токе. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоких напряжениях, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве стран мира), которые мы используем дома и на работе. Экономия за счет масштаба делает строительство нескольких очень крупных электростанций дешевле, чем строительство множества мелких. Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно, чтобы потери энергии в пути были сведены к минимуму. Как мы увидим, высокое напряжение может передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкое напряжение. (См. рис. 4.) Из соображений безопасности напряжение у пользователя снижено до привычных значений. Решающим фактором является то, что переменное напряжение намного проще увеличивать и уменьшать, чем постоянное, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Энергия распределяется на большие расстояния при высоком напряжении для уменьшения потерь мощности в линиях передачи. Напряжения, генерируемые на электростанции, повышаются пассивными устройствами, называемыми трансформаторами (см. Трансформаторы), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру). В точке использования трансформаторы снижают напряжение

Пример \(\PageIndex{2}\): Потери мощности меньше при высоковольтной передаче

(a) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при 200 кВ ? 9{2} \left(1,00 \Omega\right) = 250 кВт.\]

(c) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?

Решение

Потери в процентах представляют собой отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100: \[% потерь = \frac{250kW}{100 МВт} \times 100 = 0,250 %.\ ]

Обсуждение

Одна четвертая процента — допустимая потеря. Заметим, что если бы передавалось 100 МВт мощности при напряжении 25 кВ, то понадобился бы ток 4000 А. Это приведет к потере мощности в линиях 16,0 МВт, или 16,0%, а не 0,250%. Чем ниже напряжение, тем больше требуется тока и тем больше потери мощности в линиях передачи с фиксированным сопротивлением. Конечно, можно построить линии с меньшим сопротивлением, но для этого нужны более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было производить экономично, то в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в одной из последующих глав, в сверхпроводниках также существует предел тока. Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи мощности, а напряжение переменного тока гораздо легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупномасштабных систем распределения электроэнергии.

Широко известно, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредны. Так что не только напряжение определяет опасность. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока. Томас Эдисон считал, что удары переменного тока более вредны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные споры, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой, которые выступали за использование переменного тока в первых системах распределения электроэнергии. Переменный ток преобладает во многом благодаря трансформаторам и меньшим потерям мощности при передаче высокого напряжения.

ИССЛЕДОВАНИЯ PHET: ГЕНЕРАТОР

Генерировать электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Генератор

Резюме

• Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического тока только в одном направлении. Это относится к системам, в которых напряжение источника постоянно.
• Источник напряжения системы переменного тока (AC) выдает \(V= V_{0} \sin{2\pi} ft\), где \(V\) — напряжение в момент времени \(t\), \(V_{0}\) — пиковое напряжение, а \(f\) — частота в герцах.
• В простой цепи \(I = V/R\), а переменный ток равен \(I = I_{0} \sin{2\pi}ft\), где \(I\) — ток в момент времени \ (t\), а \(I_{0} = V_{0}/R\) — пиковый ток.
• Средняя мощность переменного тока равна \(P_{ave} = \frac{1}{2} I_{0}V_{0}\).
• Средний (среднеквадратический) ток \(I_{rms}\) и среднее (среднеквадратичное) напряжение \(V_{rms}\) и \(I_{rms} = \frac{I_{0}}{\sqrt{2} }\) и \(V_{rms} = \frac{V_{0}}{\sqrt{2}}\), где rms обозначает среднеквадратичное значение.
• Таким образом, \(P_{ave} = I_{rms} V_{rms}\). 9{2}R\), аналогично выражениям для цепей постоянного тока.

Глоссарий

постоянный ток

(DC) поток электрического заряда только в одном направлении

переменный ток

(AC) поток электрического заряда, который периодически меняет направление на противоположное

Напряжение переменного тока

напряжение, которое синусоидально колеблется во времени, выраженное как В = В ₀ sin 2 πft , где В — напряжение в момент времени t, В ₀ — пиковое напряжение, а f — частота в герцах

Переменный ток

ток, синусоидально колеблющийся во времени, выраженный как I = I ₀ sin 2 πft , где I — ток в момент времени t, I ₀ — пиковый ток, а _{f частота в герцах}

действующее значение тока

среднеквадратичное значение тока, \(I_{rms}=I_0/\sqrt{2}\), где I ₀ пиковое значение тока в системе переменного тока

среднеквадратичное значение напряжения

среднеквадратичное значение напряжения, \(V_{rms}=V_0/\sqrt{2}\), где В ₀ пиковое напряжение в системе переменного тока

---

Эта страница под названием 20.