Постоянный ток

Мы-р-р-р...
Процессы...
Всё в этой
жизни со
временем
меняется.
Даже во сне.
Но этот
процесс
мне особенно
нравится...
Мыр -р-р...

РАДИОпроцессы

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

Спасибо всем, кто не поленился высказать замечания и пожелания по статье «Постоянный ток». Благодарю также за то, что вы с пониманием отнеслись к предложенному вначале статьи плану. Он позволяет составить общее предварительное впечатление о материале и ознакомиться с теми моментами, которые вызывают наибольший интерес.

ПЛАН

Некоторые пояснения общего характера.
Определимся с понятием:

определение из Википедии;
моё определение.

Как получить переменный ток:

опыт Эрстеда;
опыты Фарадея, связанные с открытием ЭМИ;
прорыв в технологиях XIXв.

Ближе к современной реальности:

примитивный генератор переменного тока;
воспоминания детства;
прав оказался Николо Тесла!

Трансформатор:

устройство и принцип действия;
некоторые области применения;
немного о передаче электроэнергии.

Появление ЛЭП в России:

первый эксперимент Фёдора Пироцкого;
ЛЭП М.О. Доливо-Добровольского;
Как строили ЛЭП в СССР и как их строят в современной России.

Генератор переменного тока:

общая схема и график переменного тока;
трёхфазный генератор по-простому;
что такое «звезда» и «треугольник» в электротехнике.

Что мы измеряем:

основные параметры переменного тока;
вспомним закон Джоуля-Ленца;
действующее значение тока и напряжения;

Закон Ома для участка цепи переменного тока:

активное сопротивление;
реактивное сопротивление – индуктивное и емкостное;
цепь с R, L, Cнагрузкой.

Постоянный в переменный:

вибропреобразователь;
преобразователь на транзисторах;
инвертор в домашнем хозяйстве;

Электромобили:

тайна Николо Тесла;
обычный электромобиль;
гибридный автомобиль;
автомобиль на топливных элементах.

1. Некоторые пояснения общего характера.
О тяге к знаниям. Не могу удержаться, чтобы ни привести здесь цитату из знаменитого произведения:

«…Ну а как насчёт того, что человек, в отличие от животных, существо, испытывающее непреодолимую потребность в знаниях? Я где-то об этом читал.
— Я тоже, — сказал Валентин. — Но вся беда в том, что человек, во всяком случае, массовый человек, тот, которого вы имеете в виду, когда говорите «про нас» или «не про нас», — с лёгкостью преодолевает эту свою потребность в знаниях. По-моему, такой потребности и вовсе нет. Есть потребность понять, а для этого знаний не надо. Гипотеза о боге, например, даёт ни с чем не сравнимую возможность абсолютно всё понять, абсолютно ничего не узнавая… Дайте человеку крайне упрощённую систему мира и толкуйте всякое событие на базе этой упрощённой модели. Такой подход не требует никаких знаний. Несколько заученных формул плюс так называемая интуиция, так называемая практическая смётка и так называемый здравый смысл».
А. и Б. Стругацкие, «Пикник на обочине»

И всё-таки, что нужно знать, чтобы понять?
Иметь знания на уровне представлений об электрическом токе вообще на уровне школьной физики.
Желательно прочитать мою статью «Постоянный ток», поскольку есть некоторые моменты, на которые я буду иногда ссылаться, чтобы не громоздить здесь научный трактат.
В тексте я делаю ссылки на рисунки, графики, чертежи, формулы. Пытливый читатель (ежели таковые найдутся) сам поймёт, что к чему относится. Те, кто не привык читать тексты длиннее SMS-ок, всё равно дальше первого абзаца не продвинутся.
Используемые сокращения: ЭДС – электродвижущая сила, ЭМИ – электромагнитная индукция, ЭП – электрическое поле, МП – магнитное поле, ЭМП – электромагнитное поле, КПД – коэффициент полезного действия, БП – блок питания (радиоаппаратуры), ЛЭП – линия электропередачи, ЛДС – лампа дневного света.
И очень желаю испытывать эту самую «непреодолимую потребность». Итак, благословясь, приступим.

2. Определимся с понятием.
Можно открыть, например, Википедию и сходу прочитать там, буквально, следующее:
Переменный ток (англ. alternating current) — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине или направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.
Условное обозначение на электроприборах: или (знак синусоиды), или латинскими буквами
Маленькое нелирическое отступление. Во времена моей молодости была популярна австралийская группа с хитрым названием, в котором «присутствовал» постоянный и переменный ток. Это были времена, когда группы играли и пели «вживую», не под «фанеру», и их было интересно слушать. Справедливости ради следует отметить, что кроме названия, к физике (которую я имею честь представлять) эта группа никакогоотношения, конечно же, не имела. Да и в их композициях вы не найдёте (если попытаетесь) описания ACили DC. Но, всё-таки, я вынужден заявить: «Да, были люди в наше время…»
Однако, вернёмся к приведённому выше определению.
Из того, что там написано, я, лично, оставляю следующее:
Переменный ток — это электрический ток, который с течением времени изменяется по направлению.
И этого будет вполне достаточно по причинам, которые я изложу в дальнейшем. В конце определения из Википедии есть ссылка на какой-то учебник электротехники 1958 (!!) года, где, наверное, и сказано, что, ежели меняется только величина (сила) тока, то он ТОЖЕ считается переменным. С моей точки зрения, это чушь. Возьмите любую батарейку или аккумулятор, которые вырабатывают ПОСТОЯННЫЙ ток (см. мою статью «Постоянный ток»). Всем известно, что с течением времени их ЭДС снижается, и сила тока, отдаваемая ими в нагрузку, также уменьшается, т.е. МЕНЯЕТСЯ по величине. Но ведь ток от этого НЕ СТАНОВИТСЯ переменным, иначе смартфон, планшет, да и любое другое устройство, которое питается ПОСТОЯННЫМ током, мгновенно перестало бы работать и (не дай Бог!) вышло бы из строя вообще! Так что в переменном токе главное – это изменение направления, а величина, кстати, меняется при этом автоматически.

3. Как получить переменный ток?
Напоминаю, что зимой 1891-1820 г датский физик Христиан Эрстед обнаружил, что вокруг проводника с током (а кроме постоянного тока тогда никакого другого и не могли получить!) возникает МП, которое отклоняет стрелку компаса от направления «север-юг». Опыт его гениально прост.

Как известно, Фарадей задался целью получить электрический ток с помощью магнитного поля. Почти 10-летний труд его увенчался успехом. 29 августа 1831г он открыл явление ЭМИ.
Я считаю, что первым получил именно переменный ток Майкл Фарадей. Вспомним один из его фундаментальных опытов, иллюстрирующий явление ЭМИ.
К проволочной катушке подсоединён гальванометр. Если относительно катушки двигать постоянный магнит, то стрелка гальванометра будет отклоняться вправо-влево от нулевой отметки в центре шкалы. Почему? При приближении магнита к катушке МП возрастает и в ней возникает индукционный ток одного направления (правило Ленца). При удалении магнита от катушки МП убывает и в ней возникает индукционный ток противоположного направления.
Принципиально ничего не изменится, если двигать катушку относительно неподвижного магнита.
Суть явления ЭМИ заключается в том, что в замкнутом проводнике (его часто называют контуром) возникает так называемый индукционный ток, ежели этот проводник находится в меняющемся (можно сказать – переменном) МП. Причина изменения МП никакого значения не имеет. Фарадей проделал множество опытов. Обобщив и проанализировав их, обычно выделяют ТРИ. Первый приведён выше (кстати, это я привык нумеровать их именно так).
Во втором опыте постоянный магнит Фарадей заменил электромагнитом, т.е. к батарее гальванических элементов подключил проволочную катушку на каркасе и двигал её относительно катушки, соединённой с гальванометром. Прибор ведёт себя точно также, как в первом опыте – показывает возникновение переменного индукционного тока. Для усиления эффекта он помещал внутрь катушек железный сердечник.
Как видим, в этих опытах общим является то, то переменное МП создаётся движением постоянного или электромагнита относительно катушки или, наоборот, катушки относительно магнита.
В этих опытах и просматривается также идея генератора переменного тока. Правда, от идеи до материального воплощения, порой, проходят годы и годы, но в те времена процесс происходил достаточно быстро, несмотря на отсутствие всяческих массовых коммуникаций.
В третьем опыте две катушки неподвижны относительно друг друга, НО последовательно с катушкой, создающей МП, имеется выключатель. Гальванометр отмечает наличие индукционного тока в моменты замыкания/размыкания выключателя. Это происходит потому, что при замыкании в течение небольшого промежутка времени происходит нарастание тока, следовательно, увеличение МП, а при размыкании, соответственно, уменьшение тока и уменьшение МП. Соответственно, в эти моменты и возникает индукционный переменный ток.
Майкл Фарадей сконструировал первый генератор электрического тока, который получил название «Диск Фарадея». В нем медный диск вращался в МП постоянного магнита. Оси диска и его кромки качались «токосъёмные» контакты. При вращении диска в замкнутой цепи, связанной с этими контактами, возникал электрический ток.

Уже в 1832г Ипполит Пикси сконструировал генератор переменного тока, принцип действия которого был основан на явлении ЭМИ.
Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году. Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали генератор, производивший переменный ток частотой между 100 и 300 герц. В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» генератор (который действовал на частоте около 15000 герц). После 1891 года были изобретены многофазные генераторы.
Устаревшее название генератора переменного тока – альтернатор.
Я не буду пока углубляться в устройство альтернаторов.

4. Ближе к современной реальности.
Из того, что сказано и показано выше, должно быть понятно, что для получения переменного тока нужно вращать проводник в магнитном поле или, что совершенно равноценно, вращать постоянный магнит внутри проводника. Само собой, проводник должен быть замкнутым.

Упрощённо это идея выглядит так:
Генераторы одной и другой конструкции имеют место быть.

Ещё одно нелирическое отступление. В давние времена, когда светодиоды (кстати, у меня имеется статья «Светодиод») были еще не так легко доступны, как сейчас, в различных осветительных устройствах применяли обычные лампочки накаливания. В них электрический ток раскаляет вольфрамовую нить (тепловое действие). Помню, модно было навесить на велосипед фару, а для питания – велодинамку. Когда я разобрал эту самую динамку (я ещё и физику-то не начал изучать в школе), то обнаружил проволочную катушку, а нутри неё – вращающиймя постоянный магнит. Я не знал ещё слов «генератор» и «переменный ток» и, само собой, не понимал, как это устройство вырабатывает ток. Но как оно устроено, запомнил. В шестом классе в физкабинете я подсоединил велодинамку к гальванометру и, покрутив её колёсико, увидел, что стрелка прибора качается вправо-влево от нуля. Но и тогда я ещё не понял, что «увидел» ИМЕННО переменный ток! Понимание пришло несколько позже, когда я заинтересовался радиотехникой.
Практически все генераторы в мире, от небольших велосипедных до гигантских, мощностью в десятки и сотни МЕГАватт на электростанциях, вырабатывают ПЕРЕМЕННЫЙ ток.
Итак, для получения переменного тока необходимо некое устройство, в котором периодическое или постоянное механическое воздействие приводит к периодическому изменению МП, в результате чего возникает переменный индукционный ток. Не существует гальванических элементов, батареек, аккумуляторов, солнечных батарей, термопар (см. мою статью «Постоянный ток»), которые вырабатывали бы переменный ток.
Совершенно также, как и постоянный ток, переменный ток можно «увидеть» с помощью осциллографа. Как правило, переменный ток имеет строго определённые параметры (частоту и амплитуду, например), поэтому на экране осциллографа он будет представлять собой синусоиду (или косинусоиду).
Великий Никола Тесла доказал всему миру, что прав был он (а не Томас Эдисон!), утверждая, что за переменным током будущее. Практически вся электроэнергия на Земле вырабатывается генераторами переменного тока, и передаётся по проводамименно переменный ток.
Спрашивается, почему переменный ток, если почти такие же генераторы могут вырабатывать ток постоянный?! Оказывается, переменный ток довольно легко передавать на большие расстояния с минимальными потерями. Для этого используют трансформаторы.

5. Трансформатор.

Вспомним, что прототип трансформатора использовал в своих опытах Майкл Фарадей. Это были две проволочные катушки, помещённые на общий стальной (ферромагнитный) сердечник. Современные трансформаторы выглядят по-разному, но физическая суть их работы нисколько не изменилась со времён Фарадея. Рассмотрим так называемый идеальный трансформатор, в котором нет потерь на нагревание проводов и нет рассеяния МП в окружающем пространстве. Сердечник современного трансформатора обязательно замкнут в виде кольца – тороидальный, или в виде 2-х колец – как бы восьмёрка на боку – Ш-образный. В простейшем случае трансформатор имеет две катушки (обмотки) – первичную и вторичную. К первичной обмотке подводится переменный ток, который создаёт в магнитопроводе переменное МП, а оно создаёт во вторичной обмотке переменный индукционный ток. Думаю, должно быть понятно, трансформатор «работает» только при наличии переменного напряжения на первичной обмотке.
Соотношение напряжений и токов на его обмотках обратно пропорционально, т.е. чем больше напряжение, тем меньше ток и, соответственно, наоборот. В идеальном случае (а у нас именно такой) электрические мощности на первичной и вторичной обмотках абсолютно равны, а КПД трансформатора составляет 100%.
Если напряжение на вторичной обмотке меньше, чем на первичной, то трансформатор называется понижающим, если наоборот – повышающим, если равно – разделительным. Ни один простейший БП радиоаппаратуры не обходится без трансформатора (см. мою статью «Блоки питания»). Но и современные импульсные БП тоже не могут обойтись без трансформаторов!

Мощные трансформаторы используют на подстанция, питающих различные предприятия, городские кварталы и более мелкие населённые пункты.
Способность трансформатора повышать и понижать переменное напряжение дает переменному току неоспоримое преимущество над постоянным в области распределения энергии. Гораздо эффективнее передавать электроэнергию на большие расстояния при высоком напряжении и низком токе (провода меньшего диаметра с меньшими потерями на сопротивление), а затем понижать напряжение и усиливать ток при подаче энергии конечным потребителям.
Благодаря трансформаторам передача электрической энергии на большие расстояния стала гораздо более практичной. Не имея возможности эффективного увеличения и понижения напряжения было бы непомерно дорого создавать системы энергообеспечения для больших расстояний (более нескольких десятков километров).

6. Как появились ЛЭП в России?
Первый эксперимент по созданию ЛЭП в нашей стране провёл инженер Федор Пироцкий. Он в 1874 году предпринял эксперимент по передаче тока, где в качестве проводника были использованы рельсы железной дороги: один рельс был в роли прямого провода, второй – обратного. Через несколько лет его эксперименты увенчались успехом и на 1 км заброшенной железнодорожной ветки начал ходить небольшой вагончик, однако этот вид транспорта оказался опасен для пешеходов и проект был закрыт. Сегодня по этому принципу работает метро.
В это время умы многих ученых в мире были заняты проблемой передачи тока на большие расстояния (при передаче тока по проводам потери составляли до 75%). Но в 1891 году Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862-1919)создал первую линию электропередачи трехфазного тока. И потеря тока снизилась до 25%!
Он продемонстрировал свою ЛЭП на Международной электротехнической выставке, которая проходила во Франкфурте-на-Майне. Доливо-Добровольский протянул линию электропередачи на деревянных столбах на расстояние в 170 км, после этого мировая общественность признала, что проблема передачи тока на большие расстояния решена.
Тогда же, в 1891 году, на базе Телеграфного училища в Петербурге был создан Электротехнический институт, который начал готовить кадры для предстоящей электрификации страны.
Вначале, основной задачей электрификации стала связь электростанций с промышленными районами. Цель связать их в одну цепь не ставилась. Провода дляЛЭП изначально привозились из заграницы, но вскоре началось их производство на нескольких русских заводах. Опоры для линий электропередач использовались те же, что и для телеграфа. Поскольку напряжение было невелико, всего 35 кВ, вполне подходили одностоечные или П-образные деревянные.
Во время Первой Мировой войны, развитие ЛЭП в России приостановилось. Однако, после октябрьской революции (1917г), большевики уделяли вопросу электрификации огромное внимание. И развитие отрасли продолжилось. Так, в 1923 году «Русскабель» получил диплом за производство первого высоковольтного кабеля. По мере увеличения напряжения и, как следствие, утяжеления проводов, опоры начали менять с деревянных на металлические. И в 1925 году была открыта первая ЛЭП на металлических опорах. Она соединила Москву и Штурскую ГРЭС. Деревянные опоры использовались для соединения сетей сельскохозяйственных районов.
К 1947 году СССР выходит на второе место в мире по производству электроэнергии! И в 50-х годах начинается быстрое строительство электрических сетей. Ежегодно в стране появлялись более 30000 км новых ЛЭП. Началось внедрение железобетонных опор для линий электропередач.
В 1960 года определились базовые конструкции опор как металлических, так и железобетонных. За последние 50 лет эти конструкции опор остались такими же. К сожалению, в настоящее время практически все строительство сетей ЛЭП в России прекращено.

7. Генератор переменного тока.
Как было сказано выше, генератор переменного тока а) практически ничем не отличается от генератора постоянного тока б): 1 - проволочная рамка, 2 - кольца коллектора, 3 - токосъёмные щётки коллектора, 4 - полюса постоянных магнитов, НО… как видно из рисунков, главное отличие заключается в конструкции коллекторов. В генераторе переменного тока кольца коллектора сплошные, щётки касаются каждая своего кольца.
Проволочная рамка равномерно вращается в постоянном МП, и ЭДС индукции изменяется по закону sin (или cos). График (осциллограмма) выглядит, например, следующим образом

где «+» и «–» условно показывают направление дрейфа электронов в проводниках.
Это так называемый однофазный генератор переменного тока. НО ещё в конце XIXвека были изобретены многофазные генераторы. Среди них наибольшее распространение получил ТРЁХФАЗНЫЙ генератор. Весной 1889 г. М.О. Доливо-Добровольским был построен первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью около 100 Вт. Этот двигатель питался током от трехфазного одноякорного преобразователя и при испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты. Вслед за первым одноякорным преобразователем был создан второй, более мощный, а затем началось изготовление трехфазных синхронных генераторов. Уже в первых генераторах применялись два основных способа соединения обмоток: «звезда» и «треугольник». В дальнейшем М.О. Доливо-Добровольскому удалось улучшить использование статора с помощью широко применяемого в настоящее время метода, заключающегося в том, что обмотку делают разрезной и противолежащие катушки соединяют встречно.
График напряжения в трёхфазной сетипредставляет собой три, сдвинутые на 120º, синусоиды. Так получается потому, что в генераторе катушки статора также расположены под углом 120º относительно друг друга.

Между собой катушки генератора могут соединяться, как было сказано выше, двумя способами – «звездой» и «треугольником».
Схема соединения «звездой»:

Соединение «треугольником»:

Следует отметить, что термин «фаза» в электротехнике имеет два значения:
1) как величина, которая совместно с амплитудой определяет состояние колебательного процесса в данный момент времени (из физики, уравнение колебаний);
2) в смысле наименования части электрической цепи переменного тока (например, часть обмотки электрической машины).
Стандартно напряжение «фаза-фаза» составляет 380В, а напряжение «фаза-ноль» - 220В, поэтому схема соединения «звездой» используется чаще для обычных потребителей, а «треугольником» – для промышленных потребителей. В быту используется одна фаза и нулевой провод, но сейчас (по европейским стандартам) к ним добавляется ещё и провод заземления, который нужен для защиты потребителя, например, при коротком замыкании.Согласно межгосударственному стандарту ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009), сетевое напряжение должно составлять 230/400 В ±10 % при частоте 50 ±0,2 Гц (межфазное напряжение 400 В, напряжение фаза-ноль 230 В, схема включения «звезда»). Плюс ко всему, провода должны иметь разный цвет изоляции.
8. Что мы измеряем?
Я достаточно много информации изложил, стараясь не применитьни одной формулы. И вот настал момент, когда для дальнейшего понимания нужно попытаться напрячь серое вещество, ибо для этого оно нам и дано.
Пусть генератор вырабатывает переменный ток, который изменяется строго гармонически: , где i –мгновенное значение величины тока, Im – амплитудное значение величины тока, sin определяет вид зависимости – синусоидальный (кстати, ничего не измениться, если будет cos), ω – циклическая (круговая) частота, t – время, φ – начальная фаза колебаний, (ωt+ φ) – просто фаза колебаний.
Напряжение также меняется гармонически: .
- обычная частота; для переменного тока она стандарта и составляет 50 Гц.
– период также стандартен и равен 0,02 с.
Собственно, здесь пока нет ничего такого, что было бы неизвестно из физики механических и электрических колебаний. Всё 1:1. Кстати, напоминаю, что здесь и далее я использую только ОСНОВНЫЕ единицы измерения физических величин системы «СИ».
Из уравнения и графиков переменного тока видно, что величина тока постоянно меняется от нулевого до максимального значений. Аналогично меняется и переменное напряжение. Возникает вопрос: а что же показывает вольтметрили амперметр, включенный в цепь переменного тока?
Чтобы судить о величине переменного тока, его сравнивают с постоянным током по тепловому действию, поскольку не важно, какой ток протекает по проводнику – он всё равно нагревает его, и закон Джоуля-Ленца также справедлив в любом случае:

Но вопрос остаётся открытым: что здесь должно стоять в качестве I – силы тока?
Два тока, один из которых переменный (синусоидальный), а другой постоянный, эквивалентны по тепловому действию, если они, протекая по резисторам одинакового сопротивления, за одинаковые отрезки времени выделяют одинаковое количество тепла.
Действующее значение переменного тока численно равно току постоянному, эквивалентному данному переменному току, то есть выделяющему порознь с ним в одинаковом сопротивлении за одинаковый отрезок времени одинаковое количество тепла.
Сначала было рассчитано опытным путём, а затем подтверждено теоретически, что величина действующего значения переменного тока находится в строго определённой зависимости от амплитуды этого тока: то есть действующее значение I переменного синусоидального тока в раз меньше амплитуды этого тока.
Аналогично действующему значению переменного тока можно говорить о действующем значении переменной ЭДС или переменного напряжения .
Мультиметр, включенный в цепь переменного тока, показывает действующее значение тока или напряжения.
Из сказанного должно быть понятно, что амплитудные значения переменного тока и напряжения в раз больше действующих значений.

9. Закон Ома для участка цепи переменного тока.
Поскольку ток в электрической цепи течёт переменный, лишь его тепловое воздействие аналогично току постоянному. Так происходит в том случае, если электрическая цепь содержит только так называемое АКТИВНОЕ сопротивление. Именно активным сопротивлением обладают разнообразные резисторы (см. мою статью «Резистор»).
Закон Ома выглядит совершенно обычно .

В этом случае ток и напряжение совпадают по фазе, т.е. одновременно достигают максимальных и минимальных значений. Это можно наблюдать с помощью двухлучевого осциллографа (в данном случае виртуального из программы «Начала электроники»):

Условно считаю: верхний график – напряжение, нижний – ток.

Теперь рассмотрим, как ведёт себя катушка в цепи переменного тока. В катушке, поскольку она обладает некоторой индуктивностью, при протекании по ней переменного тока, возникает ЭДС самоиндукции, поскольку создаваемый магнитный поток является переменным. Эта ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию тока при его увеличении и, соответственно, его уменьшению при убывании. Иначе говоря, когда напряжение в цепи переменного тока с катушкой индуктивности достигает своего максимума, ток ещё не успевает достичь той максимальной величины, какой он достиг бы в этой цепи без катушки индуктивности. Между током и напряжением возникает сдвиг по фазе, причём ток отстаёт от напряжения. Эту разность фаз можно рассчитать, и она равна .
Резюмирую. Индуктивность в цепи переменного тока «ведёт себя» подобно обычному сопротивлению в цепи постоянного тока. Сопротивление катушки в цепи переменного тока называют индуктивным. Чем больше индуктивность катушки, тем больше её индуктивное сопротивление.
Формула индуктивного сопротивления очень проста и, соответственно, закон Ома в этом случае .
Виртуальная осциллограмма:

Вспомним, что из себя представляет простейший конденсатор (см. мою статью «Конденсатор»). Если его включить в цепь постоянного тока, то цепь окажется просто разорванной, и никакого тока в ней не будет. В цепи переменного тока всё будет совершенно иначе. Переменный ток будет постоянно перезаряжать конденсатор, поэтому и в цепи ток будет протекать, причём величина тока будет достигать максимального значения раньше, чем напряжение (происходит процесс перезарядки пластин конденсатора). Следовательно, между током и напряжением снова будет возникать разность фаз, и теперь ток будет опережать напряжение на.
Резюмирую. Ёмкость в цепи переменного тока также «ведёт себя» подобно обычному сопротивлению в цепи постоянного тока. Сопротивление конденсатора в цепи переменного тока называют емкостным. Но здесь зависимость другая: чем больше ёмкость, тем больше ток заряда и разряда.
Формула емкостного сопротивления также проста и, соответственно, закон Ома в этом случае .
Виртуальная осциллограмма:

Следует добавить, что индуктивное и емкостное сопротивления называют также реактивным сопротивлением. Реактивное сопротивление может быть только в цепях переменного тока.
В реальных электрических цепях переменного тока, как правило, имеется и активное, и реактивное сопротивление. Их общая величина влияет на значение силы тока и напряжения. Все эти параметры также связаны законом Ома , где - полное сопротивление данной электрической цепи, а – реактивное сопротивление цепи.
Сдвиг фаз между I и U в такой цепи определяется соотношением индуктивности катушки и ёмкости конденсатора, обозначается cosφ (косинус фи) и может принимать значения от 0 до 1. Примером, когда в одной простой цепи можно встретить все указанные элементы, может служить цепь питания ЛДС.
R1 – резистор, L1 – катушка индуктивности (дроссель), С1 – конденсатор.
Я не акцентирую внимание на способах включения ЛДС, понимающие люди увидят, что на схеме и на фото они разные.

Особый случай представляет собой ситуация, когда . Тогда реактивное сопротивление становится равным нулю , и сила тока будет зависить только от активного сопротивления – это явление резонанса. Припоследовательном соединении R ,C, L наблюдается резонанс напряжений, при параллельном – резонанс токов.
Электрическая цепь, содержащая хотя бы пару L и С, называется колебательным контуром (о нём речь пойдёт в отдельной статье).

10. Постоянный в переменный…
Довольно давно возникла проблема преобразования постоянного тока в переменный. Если поднять старую литературу, например, журнал «РАДИО» за 50-60-е годы прошлого века, то там можно обнаружить схемы и конструкции так называемые вибропреобразователей.
Вибропреобразователь — электромеханический аппарат, предназначенный для преобразования постоянного тока низкого напряжения в постоянный ток высокого напряжения. Измерительные вибропреобразователи применяются для модуляции постоянных напряжений в прецизионных усилителях постоянного тока
Постоянный ток от источника низкого напряжения подается на электромагнит. Якорь электромагнита, притягиваясь к обмотке, размыкает контакты, через которые эта обмотка питается, и пружина возвращает якорь в исходное положение. Таким образом, якорь колеблется с частотой несколько десятков колебаний в секунду и подключает источник низкого напряжения поочередно то к одной, то к другой половине первичной обмотки повышающего трансформатора. В результате по первичной обмотке протекает переменный ток. Со вторичной обмотки трансформатора снимается высокое напряжение. Чтобы получить на выходе постоянный ток, еще одна группа контактов на якоре электромагнита синхронно подключает вторичную обмотку трансформатора к нагрузке так, чтобы направление тока в нагрузке оставалось постоянным (синхронный преобразователь), либо переменный ток со вторичной обмотки подается на отдельный выпрямитель (асинхронный преобразователь).
Вибропреобразователи широко применялись до 1950-х гг. для питания портативной и бортовой ламповой аппаратуры — портативных и автомобильных радиоприёмников, радиостанций и пр. — от аккумуляторов и гальванических элементов. Во многих случаях это оказывалось экономически выгоднее, чем питание от высоковольтных анодных батарей. Выпускались вибропреобразователи с выходным напряжением до 400 В и более, током нагрузки до 90 мА. Коэффициент полезного действия достигал 40-80%.
Недостатки — высокий уровень создаваемых им импульсных помех, акустический шум, низкая надежность контактов. Вибропреобразователь требовал тщательного экранирования, эффективной фильтрации выходного напряжения, герметизации механической части прибора — вибратора. Срок службы вибратора обычно не превышал 1000 часов непрерывной работы, после чего вибратор приходилось менять.
С развитием полупроводниковых приборов вибропреобразователи были практически полностью вытеснены транзисторными преобразователями напряжения, гораздо более экономичными, долговечными и практически бесшумными.
Преобразователь на транзисторах (типа П2Б) дает напряжение 70—80В при токе нагрузки до 20 мА и потребляет при этом ток от первичного источника около 0,3А, обеспечивая большую, в сравнении с вибропреобразователем, экономичность и надежность.
Трансформатор и дроссель выполняются на сердечниках Ш-16, набор 16 мм. Обмотки трансформатора: I - 2 X 33 витка ПЭЛ 0,35; II — 540 витков ПЭЛ 0,12; Ш — 2 X 10 витков ПЭЛ 0,15. Дроссель имеет 300 витков провода ПЭЛ 0,2.

В настоящее время преобразование постоянного тока в переменный (и наоборот) вновь становится актуальным.
Я покажу лишь два направления применения этих устройств, которые теперь называются инверторами.
Проблема энергосбережения постепенно выходит на первый план. Электроэнергия является настолько универсальным видом энергии, что без неё представить себе нормальную жизнь невозможно. Но она постепенно дорожает. Для большинства жителей России удорожание коммунальных услуг, куда входит оплата за электроэнергию, происходит гораздо быстрее, чем рост зарплат и пенсий. Поэтому возникают проекты обеспечения жилья электроэнергией за счёт возобновляемых, экологически чистых источников энергии – ветра и солнца, например.

Как видно из приведённой схемы, электроэнергия, вырабатываемая солнечными панелями и ветрогенератором, заряжает аккумуляторы постоянным током. В случае отключения внешней сети или отказа в работе бензинового генератора переменнго тока, инвертор преобразует постоянный ток аккумуляторов в переменный ток стандартного напряжения и частоты (220 В, 50 Гц), который и используется для электропитания всех бытовых приборов в доме.
Понятно, что внешнюю сеть можно вообще отключить и тратить деньги лишь на бензин для генератора. Если и он не будет работать, то придётся расходовать электроэнергию, запасённую в аккумуляторах. Проблема в том, что ветры дуют не постоянно, и солнце может не показываться из-за туч неделями.
Я уж не поднимаю вопрос о стоимости всей этой системы…
Электромобиль давно занимает умы конструкторов-профессионалов и «самодельщиков».

Одним из самых невероятных изобретений Николо Тесла стал электромобиль без внешнего источника электроэнергии. Достоверность случившегося можно подвергать сомнению или нет, но, говорят, что свидетелями события были тысячи людей. Вот как это было.
При поддержке компаний Pierce-Arrow и GeneralElectric в 1931г. Тесла снял бензиновый двигатель с нового автомобиля фирмы Pierce-Arrow и заменил его электромотором переменного тока мощностью в 80 л.с. без каких бы то ни было традиционно известных внешних источников питания.

В местном радиомагазине он купил 12 электронных ламп, немного проводов, горстку разномастных резисторов, и собрал все это хозяйство в коробочку длиной 60 см, шириной 30 см и высотой 15 см с парой стержней длинной 7,5 см, торчащих снаружи. Укрепив коробочку сзади за сиденьем водителя, он выдвинул стержни и заявил: "Теперь у нас есть энергия".

Он нажал на педаль и автомобиль поехал! Это транспортное средство, приводимое в движение мотором переменного тока, развивало до 150 км/ч и обладало характеристиками лучшими, чем любой автомобиль с двигателем внутреннего сгорания на то время! Одна неделя была потрачена на испытания транспортного средства. Несколько газет в Буффало сообщили об этом испытании. Когда спрашивали: "Откуда берется энергия?", Тесла отвечал: "Из эфира вокруг всех нас". Люди поговаривали, что Тесла был безумен и, так или иначе, заключил сделку со зловещими силами Вселенной. Теслу это рассердило, он удалил таинственную коробку с транспортного средства и возвратился в свою лабораторию в Нью-Йорке. Его тайна ушла вместе с ним!
А электромобили продолжают проектировать и строить.
На рисунке показана схема устройства советского электромобиля НИИАТ (Государственный научно-исследовательский институт автомобильного транспорта): 1 — акселератор; 2 — включатель; 3 — розетка для подзарядки; 4 — служебный аккумулятор; 5 — тяговый электродвигатель; 6 — редуктор трансмиссии; 7 — контейнеры с тяговой батареей аккумуляторов (заливкой показаны используемые серийные агрегаты).
Этот автомобиль использовал обычные свинцово-кислотные аккумуляторы (см. мою статью «Постоянный ток») и, соответственно, двигатель постоянного тока.
Гибридный автомобиль – это как бы«смесь» традиционного авто с двигателем внутреннего сгорания и электромобиля, который приводится в действие исключительно благодаря электрическому заряду. То есть, гибридные автомобили сочетают в себе как бензиновый двигатель, так и электрический мотор. Подобная комбинация позволяет гибридному автомобилю выгодно отличаться от традиционных видов автотранспорта. Во-первых, речь идет о существенном снижении потребления автомобилем горючего. Согласитесь, в условиях энергетического кризиса подобная перспектива кажется весьма заманчивой, не так ли?! Во-вторых, гибридный автомобиль не зря назвали «автомобилем будущего», поскольку в эпоху тотального загрязнения окружающей среды он позволяет минимизировать вредоносные выбросы в атмосферу. Именно эти цели (одновременно создать экономичный и экологичный автомобиль) стояли перед пионерами в сфере разработок гибридного автомобиля в 70-х годах прошлого века. Стоит признать, что на сегодняшний день им это практически удалось.

Однако гибридный автомобиль, помимо упомянутых, отличается рядом других не менее важных достоинств. В первую очередь, стоит отметить высокие показатели его ходовых характеристик, которые практически не отличаются от тех же, но в традиционных авто с бензиновым двигателем. Кроме того, гибридный автомобиль может похвастаться продленной дальностью пробега, что позволяет его хозяину существенно экономить время.

Вот такие они, гибридные автомобили, за которыми, по мнению экспертов, будущее автомобилестроения!
Автомобиль на топливных элементах является по сути альтернативным решением по отношению к традиционному электромобилю на аккумуляторных батареях.
По своей сути он также является электромобилем, однако вместо аккумуляторов для хранения энергии использует химическое топливо, которое преобразуется в электроэнергию прямо на борту автомобиля. Устройством для подобного преобразования является топливный элемент (см. мою статью «Постоянный ток»). В него подается топливо (это может быть традиционный бензин, природный газ, водород), а путем определенной химической реакции генерируется электричество, которое и приводит в движение силовой электродвигатель.
Наиболее популярным топливом у разработчиков автомобилей на топливных элементах является водород. Он закачивается в баллоны, из которых поступает для преобразования в топливные элементы. При данном процессе энергия топлива преобразуется непосредственно в электричество без сгорания топлива, что делает автомобиль на топливных элементах экологически чистым в полном смысле этого слова. Он обеспечивает нулевой выброс вредных веществ. Если речь идет о водороде, то результатом реакции в топливных элементах является вода. Если говорить о традиционных электромобилях, то, хотя они также не производят выбросы вредных веществ, однако само производство аккумуляторов пока является достаточно опасным в экологическом отношении.

Существенным плюсом данной технологии является гораздо больший запас хода в сравнении с использованием литий-ионных аккумуляторов. Готовящиеся к производству автомобили будут способны проехать без дозаправки 500-600 км, что соответствует обычным автомобилям с ДВС. Кроме того, заправка осуществляется в течение нескольких минут, что несопоставимо с часами, требующимися для зарядки аккумуляторов.

Игрушечный водородный автомобиль.

Гибридный экспериментальный автомобиль.
В заключение хочу отметить, что и гибридные, и автомобили на топливных элементах используют двигатели переменного тока, а аккумуляторы и топливные элементы «выдают» постоянный ток. Поэтому инвертор является неотъемлемым элементом «электрики» таких автомобилей.

Моя версия темы, ©SEkorp, 23 мая 2016г.

НАЗАД на страницу РАДИОбиблиотека