Что такое постоянный ток: общие понятия и основные характеристики

Хотя вся электрическая сеть построена на токе переменном, постоянный ток используется достаточно широко.

Это обусловлено его особенностями, обеспечивающими более качественную работу некоторых устройств. Подробнее о характеристиках постоянного тока далее в материале.

Определение

Электротоком называют движение в некой среде электрически заряженных частиц:

электронов;
ионов газов и солей;
дырок (в полупроводниковых материалах).

Количество заряда, проходящее через срез (по толщине) проводника за временную единицу, называют силой тока (измеряется в амперах): I = q / t. Соответственно, 1 амперу (А) соразмерно прохождение заряда в 1 кулон (Кл) за 1 с через площадь среза токопроводящего элемента.

Переменный и постоянный ток

Постоянным называют вид электротока с такими особенностями:

носители заряда движутся только в одну сторону (в переменном они периодически перестраивают направление движения на противоположное);
сила тока меняется настолько медленно, что индуктивность цепи никак себя не проявляет, и потому этим можно пренебречь.

Направление тока и носителей положительного заряда совпадает. Это правило действует и при отсутствии таковых, то есть когда движется поток только носителей отрицательного заряда (например, электронов в металлах). В этом случае считается, что электроток направлен противоположно фактическому.

Источники постоянного тока:

гальванические элементы: батареи и аккумуляторы;
фотоэлементы (солнечные батареи);
термоэлементы;
генераторы постоянного тока: разнятся от генераторов переменного тока наличием коллекторного узла, обеспечивающего подачу тока только в одном направлении;
выпрямители переменного тока.

При протекании в токопроводящем материале постоянный ток совершает работу:

нагревает проводник;
создает магнитное поле.

При протекании тока в прямолинейном проводнике, индукция создаваемого магнитного поля пренебрежимо мала, потому считают, что вся работа тока сводится к нагреву токопроводящего материала. Если же провод смотан в катушку, индукция создаваемого постоянным током магнитного поля значительно усиливается.

На схемах постоянный ток принято обозначать символом «-» (для переменного принят символ «~»). В англоязычных странах используют обозначение DC — сокращение от Direct Current.

Постоянная составляющая DC

Постоянный ток, генерированный батареей, на осциллографе отображается в виде прямой линии. Его сила здесь не является строго постоянной, поскольку ЭДС источника питания постепенно снижается, но ее изменение пренебрежимо мало.

Иначе выглядит развертка DC, полученная путем выпрямления переменного. Она является пульсирующей, то есть сила тока при постоянном его направлении ощутимо меняется.

Пульсации стремятся ослабить при помощи сглаживающих конденсаторов, но они все равно присутствуют. Для удобства расчетов, пульсирующий ток рассматривают как сумму постоянной и переменной составляющих (DC и AC). Это равносильно тому, как в механике любую силу можно представить в виде суммы взаимно перпендикулярных сил.

Обозначение постоянной составляющей — I₀. Символ переменной составляющей зависит от ее характера. К примеру, если данная величина меняется по синусоидальному закону, то ее амплитуду обозначают символами It. Помимо постоянной и переменной составляющих, пульсирующий ток характеризуется минимальным и максимальным значениями Imin и Imax.

Неправильно называть Imax его амплитудой. О ней говорят только в случае переменного электротока. В то же время понятие амплитуды переменной составляющей пульсирующего тока уместно, хотя сам он направления не меняет.

Постоянная составляющая, по сути, является средним арифметическим значением пульсирующего тока. То есть за период или их целое число, через сечение проводника I₀ перенесет такое же количество заряда, что и данный пульсирующий ток. Его мощность рассчитывают как сумму мощностей постоянной и переменной составляющих.

Из такого расчета выделяют действующее значение пульсирующего тока — идеально DC, вызывающий нагрев токопроводящего элемента в той же степени, что и данный пульсирующий. Так же как и в случае с переменным током, действующее значение выводят для упрощения расчетов.

Характеристики

Важную роль играют и некоторые другие параметры. Далее они рассматриваются подробно.

Плотность тока

Показатель плотности тока является частным от деления силы тока на площадь поперечного сечения проводника: δ = I / S. Соответственно, единица измерения плотности тока — А / мм².

Плотность тока

Приведенное выражение справедливо при равномерном распределении электротока тока по сечению. Данная величина — векторная. Направление — перпендикулярно плоскости сечения проводящей жилы.

Электродвижущая сила

ЭДС численно равна разности потенциалов на зажимах генератора при нулевой силе тока в его цепи. Преобразователь принудительно разделяет минусовые и плюсовые заряды за счет механической (генераторы электростанций, ветрогенераторы), химической (батареи) и прочих видов энергий.

Формула ЭДС

Измеряется ЭДС в вольтах. В числовом выражении она равна работе, затрачиваемой источником тока на перемещение единичного заряда по всей цепи. Источник ЭДС — так называемое стороннее электрополе.

В механических устройствах оно образуется в обмотке ротора, который вращается в магнитном поле. В батарейках — в зоне контакта электрода с раствором кислоты или соли (как результат их химического взаимодействия с электролитом).

Электрическое напряжение

Разность потенциалов на выводах генератора или на концах участка жилы при протекании по ней тока, называют напряжением. Измеряется оно, как и ЭДС, в вольтах. При напряжении в 1 В, работа по перемещению единичного заряда от одной точки к другой составляет 1 Дж.

Напряжение и сила тока связаны соотношением, известном как закон Ома для участка цепи I = U / R, где:

I — сила тока, А;
U — напряжение, В;
R — сопротивление (Ом): показатель способности материала противодействовать движению носителей заряда в нем.

Поскольку напряжение равно работе по перемещению единичного заряда, то можно оперировать формулой A = U*Q. Мощность, соответственно, будет равна: W = (U*Q) / t, где t — время, за которое была совершена данная работа.

Заменяя Q / t на I (сила тока), получим W = U*I. Это формула мощности тока. В прямолинейном проводнике практически вся она тратится на нагрев. Подставляя в данное выражение значения из закона Ома (I = U/R), получим: W = I² * R или W = U² / R. Из приведенных выражений видно, что с увеличением напряжения при передаче определенной мощности сила тока снижается, соответственно, уменьшаются потери на нагрев жилы (W = I² * R).

Энергосистему строят на переменном токе: его легко преобразовывать, повышая или понижая напряжение.

Применение

На DC работают все устройства, оснащенные аккумуляторами: мобильные телефоны, ноутбуки, электромобили и электропогрузчики, фонарики и пр. Здесь по-другому никак — аккумулятор выдает только постоянное напряжение.

В электромобилях реализован механизм рекуперации: при торможении двигатель постоянного тока работает как генератор и заряжает аккумулятор, превращая кинетическую энергию машины в электрическую. Это одна из причин того, почему поездки на таких транспортных средствах обходятся очень дешево.

Многие механизмы, подключенные к сети переменного тока, питаются выпрямленным постоянным, вот несколько примеров:

двигатели электрического транспорта (метро, троллейбусы, электрички и пр.), шагающих экскаваторов и подъемных кранов большой грузоподъемности, например, в металлургии. Причина: двигатели постоянного тока, в отличие от аналогов на переменном, позволяют плавно регулировать число оборотов. Высокий уровень крутящего момента при этом сохраняется. Выпрямителями на железнодорожном транспорте служат тяговые подстанции. На автономных транспортных средствах Direct Current вырабатывают дизельные генераторы (теплоходы, дизельные подлодки) или паровые (атомные подлодки) с атомным реактором в качестве источника энергии;
приводы жестких дисков, пылесосов, квадрокоптеров. Причина: способность двигателей постоянного тока в бесколлекторном исполнении развивать высокие скорости вращения — до сотен тыс. об./мин;
в электросварочных аппаратах. Сварка DC дает более качественный шов, нежели переменным;
при электролизе. Пропускание тока через электролитический раствор сопровождается разложением последнего на составляющие. Простейший пример — получение водорода из воды: отрицательно заряженные атомы кислорода осаждаются на плюсовом электроде, положительно заряженные атомы водорода — на минусовом. В промышленности методом электролиза из добываемых в природе солей выделяют магний, алюминий, марганец, медь, получают фтор и прочие вещества;
при гальванизации. Это разновидность электролиза: изделие выступает электродом, в результате чего на нем в виде покрытия осаждается определенное вещество. Так осуществляют, например, хромирование, никелирование и цинкование стальных изделий;
питание источников света. Самые экономичные и долговечные светильники — светодиодные, могут питаться только DC, поскольку диоды (разновидность полупроводниковых приборов) пропускают ток лишь в одном направлении. Этот же род тока используется для питания дуговых ламп большой мощности для кинопроекторов: свет получается ровным и отсутствует гудение, чего не удалось бы достичь в случае применения переменного тока;
в устройствах связи, телемеханики, автоматики и сигнализации.

В подавляющем большинстве случаев для передачи энергии используют переменный ток: его легко преобразовать, повысив напряжение и понизив тем самым силу тока, отчего существенно сокращаются потери.

Существуют и линии на DC, их достоинства в сравнении с линиями на переменном токе:

отсутствует скин-эффект. Переменный ток вызывает ЭДС самоиндукции в проводах, вектор которой в пределах толщины проводника неоднороден. За счет этого ток вытесняется во внешние слои — это и есть скин-эффект. В результате проводник задействуется лишь частично, отчего его сопротивление значительно возрастает;
возможность передачи большей мощности и независимость ее максимальной величины от длины линии.
отсутствие необходимости выполнять расчет на статическую устойчивость;
возможность передачи энергии между системами, работающими не синхронно или на разной частоте;
вместо 3-х проводов в линии применяют 2, а если в роли второго проводника используется земля, то вообще один. Также меньше требуется изоляторов. Правда, данное преимущество компенсируется необходимостью строить сложные концевые подстанции с выпрямителями, инверторами и сглаживающими фильтрами;
равномерное напряжение (не генерируют реактивной мощности);
возможность передачи мощности в обоих направлениях.

Ввиду существенных недостатков (затрудненный отбор мощности, сложность устройства концевых подстанций и пр.) линии на DC экономически выгодно строить только на расстояниях в 1000-1200 км.

Видео по теме

О постоянном и переменном токах в видео:

Постоянный ток требуется и для многих радиолюбительских схем. Если его получают путем выпрямления, большое значение имеет конструкция выпрямителя. Наименьшие пульсации дает мостовая схема со сглаживающими фильтрами.