Переменный электрический ток и его обозначение

Электричество настолько прочно укоренилось в жизни человечества, что представить наше существование без него уже попросту невозможно.

При этом ток далеко не всегда одинаков. Как выглядит на схемах обозначение переменного тока — самой распространенной разновидности.

Виды тока

Электрический ток — упорядоченное, то есть однонаправленное движение частиц с электрическим зарядом.

В разных средах частицами выступают:

в металлах: электроны (имеют отрицательный заряд);
в электролитах: катионы (положительно заряженные ионы) и анионы (отрицательно заряженные ионы);
в газах: электроны и ионы;
в вакууме: электроны (при наличии излучателя);
в полупроводниках: электроны и дырки.

Различают следующие виды токов:

ток проводимости. Движение вышеперечисленных заряженных частиц в макроскопических объектах. Характеризуется силой тока — отношением количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени;
конвекционный ток. Движение заряженных макрообъектов. Пример: дождевые капли;
ток смещения. Так называют электрическое поле с изменяющимися во времени параметрами.

Токи проводимости делятся на такие виды:

постоянный. Сохраняет стабильными направление и силу тока;
пульсирующий (импульсно-постоянный). Направление не меняется, но сила варьируется в широких пределах;
переменный. Постоянно меняются и сила тока, и его направление.

Часто в результате преобразований, в отдельных участках цепи образуются комбинированные токи, сочетающие в себе несколько из вышеупомянутых.

Электромагнитное поле

Ток в проводнике сопровождается такими эффектами:

нагрев проводника;
создание электромагнитного поля. Оно всегда возникает вокруг движущихся электрически заряженных частиц, но если провод смотан в катушку, многократно усиливается;
изменение химического состава проводящей среды (в электролитах).

Направлением тока принято считать вектор движения положительно заряженных частиц. Это правило распространяется и на металлы, хотя в них присутствуют только частицы с отрицательным знаком — электроны. Они двигаются от отрицательного потенциала к положительному. Но, несмотря на это, считается, что ток течет от «плюса» к «минусу».

Если изменение пульсирующего или переменного тока носит периодический характер, его так и называют — периодичным.

Переменный электрический ток

Вообще, переменным можно считать любой ток, не являющийся постоянным. Но в подавляющем большинстве случаев под этим термином понимают ток синусоидальной формы, использующийся в энергосистеме.

В начале 20-го века разгорелась дискуссия между Николой Теслой и Томасом Эдисоном по поводу выбора вида тока для создания централизованной электросети. Эдисон настаивал на постоянном, Тесла — на переменном.

Эдисон указывал на главный недостаток переменного тока — более опасное действие на живой организм. В качестве доказательства он демонстрировал публичные опыты, в ходе которых убивал переменным током собак. В противовес этому Тесла демонстрировал такой опыт: брался одной рукой за проводник с переменным током, в другую — брал лампочку.

Последняя ярко светилась, то есть изобретатель без вреда для себя выступал в роли проводника. В ходе других опытов Никола Тесла пропускал через себя переменный ток напряжением в миллионы вольт и при этом прекрасно себя чувствовал. Секрет безвредности переменного тока состоял в его высокой частоте: при помощи особых устройств собственного изобретения Тесла поднимал ее до миллионов герц.

А чем выше частота, тем меньше опасности для людей и животных несет переменный ток. В итоге, системы энергоснабжения стали строить на переменном токе, но по техническим причинам частоту применяют довольно опасную — 50-60 Гц. Возможно, если бы Тесла не умер, он сумел бы создать централизованную электросеть на высокочастотном переменном токе.

Главные преимущества переменного тока:

низкие потери при передаче электроэнергии на большие расстояния;
простое устройство электрических машин;
возможность преобразования при помощи трансформаторов.

Синусоидальным ток называют потому, что график изменения его силы во времени имеет вид синусоиды. Такая форма обусловлена способом его генерации.

Этот процесс возможен благодаря открытому М. Фарадеем закону электромагнитной индукции: «При изменении магнитного потока (числа силовых линий), пересекающего проводник, в последнем возникает электродвижущая сила (ЭДС)». Для производства переменного тока обмотку из проводника вращают в магнитном поле либо поступают наоборот — вращают магнит при неподвижной индукционной обмотке.

Наводимая ЭДС является функцией с аргументом sinα, где α — угол между плоскостью витка обмотки и осью магнита. При постоянной угловой скорости вращения w угол a = wt, где t — время. Таким образом, ЭДС является функцией аргумента sin (wt), потому график в системе координат, по оси абсцисс которой откладывается время, а по оси ординат — значение ЭДС, представляет собой синусоиду.

Проекция качающегося маятника на движущейся под ним ленте также вычерчивает синусоиду. С каждым полупериодом положительный и отрицательный потенциалы на концах цепи меняются местами.

Одно из направлений тока считается условно положительным, другое — условно отрицательным. В точке перехода от положительной полуволны к отрицательной, сила тока становится равной нулю.

Синусоидальный переменный ток является периодичным и характеризуется следующими параметрами:

частота. Число полных периодов за единицу времени. Принятая единица измерения — герц (Гц), означающая число колебаний в секунду. Частота зависит от угловой скорости вращения подвижной части генератора (ротора) и числа пар полюсов: F = n*p, где N — частота вращения, об/сек, а P — число пар полюсов;
период. Длительность одного цикла колебания. Связана с частотой обратной зависимостью: T = 1 / f;
амплитуда. Максимальное отклонение от нулевого значения;
мгновенное значение. Величина силы тока в конкретный момент времени;
фаза. Это понятие применяют при сопоставлении токов одной частоты в разных цепях или участках одной цепи. Если токи достигают максимума одновременно, говорят, что они находятся в одной фазе. Если с разницей во времени — имеет место сдвиг фаз. Последний выражают не секундами, а углом, на который одна синусоида смещена относительно другой. Например, смещение в фазах трехфазного генератора составляет 120⁰;
действующее значение. Использовать в расчетах постоянно меняющееся значение тока или напряжения неудобно — приходится иметь дело с системами тригонометрических уравнений, довольно сложными в решении. Потому переменный ток заменяют действующим значением — эквивалентным постоянным током, то есть вызывающим при протекании по прямому проводнику выделение тепла той же интенсивности.

Амплитуда и период переменного тока

Для синусоидального тока справедливо соотношение I = I_max / 1.41, где

I — действующее значение;
I_max — амплитудное значение тока.

То есть если известно, что в цепи протекает переменный ток силой в 10 А, это означает, что фактический ток колеблется между значениями 14,1 А и -14,1 А. Аналогичный подход применяется в отношении переменного напряжения: в сети 220 В, фактическое напряжение колеблется между 311 В и -311 В.

Понимание разницы между амплитудным и действующим значениями важно, например, при конструировании выпрямителей на базе диодного моста со сглаживающим конденсатором. При определенных условиях напряжение на выводах последнего (разряжается в «провалах» между пульсациями) может равняться амплитудному значению.

Трансформатор

Для наведения ЭДС в проводнике не обязательно вращать его в магнитном поле — можно менять параметры этого самого поля. Тогда количество магнитного потока, проходящего через проводник, тоже будет меняться, что и необходимо для работы закона электромагнитной индукции.

Переменное магнитное поле создается посредством переменного тока. При пропускании тока по смотанному в катушку проводнику, последний превращается в электромагнит.

Очевидно, что при пропускании переменного тока параметры возникающего магнитного поля будут меняться и в другом проводнике, находящемся в этом поле, будет наводиться ЭДС. Этот принцип положен в основу работы трансформатора переменного тока.

В простейшем виде он состоит из двух электрически не связанных катушек, надетых на стальной магнитопровод (у стали магнитопроницаемость в 100 раз выше, чем у воздуха). На выводы одной катушки (первичной) подается исходное переменное напряжение, вторичная катушка подключается к нагрузке.

Соотношение между исходным напряжением и выходным ЭДС будет таким же, как и числа витков в катушках. То есть если в первичной обмотке 1 тыс. витков, а во вторичной — 250, напряжение на выходе упадет в 4 раза.

При этом исходя из постоянства мощности, соотношение силы тока в обмотках будет обратным: в первичной — в 4 раза ниже, чем в цепи вторичной (W = U * I).

Условное обозначение в графических схемах

Переменный ток на схемах принято обозначать значком «~» либо двумя такими, расположенными друг над другом. Постоянный ток обозначается одной или двумя прямыми линиями: «-». К примеру, на рабочей панели мультиметра имеются секторы с пометкой «V (~)» и «V (-)», что, соответственно, означает измерение переменного и постоянного напряжения.

При необходимости указать параметры тока ставят надпись вида «3~50 Гц 220 В» (трехфазный ток частотой 50 Гц с действующим напряжением фазы 220 В).

Обозначение переменного и постоянного тока

За рубежом применяют иную систему обозначений:

переменный ток: AC (от англ. Alternating current);
постоянный: DC (от англ. Direct current).

Стандарт

В большинстве стран стандартной принята частота переменного тока в 50 Гц. В Канаде и США этот параметр составляет 60 Гц. В Японии и ряде других стран используются оба стандарта. На железных дорогах некоторых стран применяется переменный ток с пониженной частотой: Австрия, Норвегия, Германия, Швейцария, Швеция — 16 Гц, США (старые железнодорожные линии) — 25 Гц.

В военной и авиационной технике применяют ток с частотой 400 Гц, что позволяет:

уменьшить размеры и массу устройств (с ростом частоты уменьшаются габариты трансформаторов);
увеличить скорость вращения двигателей переменного тока.

Электростанции генерируют ток напряжением в 10-20 кВ. Расположенной тут же трансформаторной подстанцией напряжение повышают до сотен и тысяч кВ, после чего он поступает в магистраль.

При значительном увеличении напряжения сильно падает сила тока (мощность равна произведению силы тока на напряжение), чем обеспечивается снижение потерь на нагрев проводника (количество выделяемого тепла определяется формулой Q = I² * R). Наибольшее в мире напряжение формируется в ЛЭП «Экибастуз Кокчетав» — 1150 кВ.

В населенных пунктах и на предприятиях, напряжение также посредством трансформаторных подстанций, понижают до 220 В, после чего ток поступает в распределительную сеть.

Видео по теме

О том, что такое постоянный и переменный ток, в видеоролике:

Хотя переменный ток применяется в подавляющем большинстве случаев, многие приборы работают на постоянном. Для преобразования используют выпрямители — устройства с элементами, пропускающими ток только в одном направлении (вентилями). Ток на выходе получается пульсирующим и его среднее значение зависит от конструкции выпрямителя.