Технология. 9 класс. Авторский коллектив: Е. С. Глозман, Е. Н. Кулакова, Ю. Л. Хотунцев, О. А. Кожина, И. В. Воронин, В. В. Воронина, А. Е. Глозман
§ 33. Переменный и постоянный ток
Электрический ток в процессе передачи потребителю неоднократно преобразуется и, как оказывается, не только по величине. Электрический ток может быть постоянным или переменным. В чём между ними разница? Где какой из них применяется? И зачем преобразовывать один ток в другой?
Электростанции, как правило, вырабатывают переменный ток.
Зависимость переменного тока от времени приведена на рисунке 5.6.
Проанализируем график. В начальный момент времени сила тока равна нулю. C течением времени она плавно увеличивается до максимального значения, затем уменьшается до нуля. А что происходит потом?
График пошёл вниз, в область отрицательных значений. Что это значит?
Из курса физики вам известно, что током называют направленное движение заряженных частиц. Область отрицательных значений силы тока соответствует изменению направления движения частиц в сравнении с первоначальным.
Переменным называют ток, который изменяется по величине и направлению.
Вернёмся к анализу графика (см. рис. 5.6). Мгновенное значение силы тока i (значение силы тока в данный момент времени) с течением времени изменяется до максимального I max, затем уменьшается до нуля, меняет знак, увеличивается до значения I max в области отрицательных значений и снова уменьшается до нуля. Далее процесс повторяется.
Переменный ток характеризуют с помощью величин, называемых параметрами. Параметрами электрического переменного тока являются амплитуда силы тока, период и частота.
Максимальное значение силы тока I max называют амплитудным или амплитудой. Время Т, через которое процесс повторяется, называют периодом.
Посмотрите на рисунок 5.7: сила тока, соответствующая графику 7, за 1 с принимает амплитудное значение чаще, чем сила тока, соответствующая графику 2. Говорят, что частота ѵ переменного тока 1 больше, чем частота переменного тока 2. Измеряют частоту в герцах (Гц). Частота связана с периодом соотношением
ν = 1 / Т
Частота 1 Гц соответствует периоду 1 с. В Европе и в России частота переменного тока в электрической сети равна 50 Гц, в США — 60 Гц.
В начале параграфа мы сказали, что электростанции, как правило, вырабатывают переменный ток. Значит, существуют электростанции, которые вырабатывают электрический ток другого типа — постоянный. Действительно, солнечные электростанции позволяют получить постоянный электрический ток.
Постоянным называют электрический ток, значение и направление которого с течением времени не изменяются (рис. 5.8).
Из курса физики вам известно, что силу тока измеряют с помощью амперметра. Амперметр в цепи постоянного тока покажет силу тока, значение которой не меняется современем. Переменный же ток в течение периода имеет разные значения. Если в цепь переменного тока подключить амперметр, какое значение он покажет?
При расчёте цепей переменного тока неудобно пользоваться мгновенной или амплитудной силой тока, среднее же значение силы тока за период (см. рис. 5.6) равно нулю. Нужно ввести ещё какую-то характеристику переменного электрического тока. Такой величиной является действующее значение силы тока.
Электрический ток может оказывать химическое, магнитное и тепловое действие. Сравнивать переменный и постоянный ток оказалось удобно по тепловому действию, поскольку оно не зависит от направления тока. Так вот, действующее значение силы переменного тока равно значению силы постоянного тока, при котором за время, равное периоду переменного тока, в проводнике выделяется такое же количество теплоты, как и при переменном токе.
Количество теплоты, которое выделяется в электрической цепи, по закону сохранения энергии равно работе, совершённой электрическим током. Работа же связана с величиной, которой часто характеризуют электрические устройства, в том числе бытовые приборы, — мощностью.
Мощность в цепи постоянного тока рассчитывается по формуле
P = UI,
где U — напряжение в электрической цепи, I — сила тока. Мощность измеряется в ваттах (Вт).
Средняя мощность в цепи переменного тока описывается другой формулой:
P = U max I max / 2
где U max и I max соответственно амплитудные значения напряжения и силы тока. Если мощности постоянного и переменного тока равны, то
UI = U max I max / 2
откуда получаем действующие значения силы тока и напряжения:
Действующее значение электрического напряжения в бытовой сети равно 220 В. Максимальное значение напряжения бытовой цепи ещё больше — 311 В. Это напряжение смертельно опасно для человека. Относительно безопасным является напряжение 36 — 42 В.
Переменный ток вырабатывается на электростанциях генераторами переменного тока и по проводам линий электропередачи передаётся потребителям. Посмотрите на формулу мощности: одно и то же значение можно получить при высоком напряжении и малой силе тока или при малом напряжении и большой силе тока. При большой силе тока провода нагреваются, что ведёт к тепловым потерям передаваемой мощности. Чтобы уменьшить потери в проводах, стараются увеличить напряжение в линиях электропередачи.
Особенностью промышленного производства электрической энергии является невозможность накопления её в больших количествах. То, что произведено, должно быть доставлено потребителю.
А как же мы используем мобильные электронные устройства: плееры, телефоны и т. д.? Откуда берётся энергия в этих устройствах, когда они отключены от сети? Вам, конечно, хорошо известно, что отключённые от сети устройства работают от аккумуляторов.
По своему устройству аккумулятор похож на гальванический элемент. Он также имеет два электрода, помещённые в электролит — раствор серной кислоты. В качестве электродов берут две свинцовые пластины, в обычных условиях покрытые плёнкой окиси свинца.
При пропускании тока через электролит из серной кислоты на свинцовой пластине, соединённой с отрицательным полюсом источника тока — катодом, выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец. На электроде, соединённом с положительным полюсом — анодом, выделяется кислород, который окисляет окись свинца до диоксида. Аккумулятор зарядится, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод — диоксидом свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение.
Когда пластины-электроды соединены проводником с потребителем, аккумулятор разряжается, расходуя энергию. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная — окисляться кислородом. Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток. Надо повторить зарядку.
Свинцово-кислотные аккумуляторы используются, как правило, при необходимости запасать достаточно большую энергию (пример — автомобиль). Они имеют немалые габариты и, главное, большую массу.
Если же необходим накопитель энергии малой массы и небольших размеров для мобильного устройства, то используются более современные типы аккумуляторов — никель-кадмиевые, металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и др. Они способны накопить больше энергии, однако дороги в исполнении, поэтому их применение обычно ограничивается относительно небольшими и экономичными устройствами, такими как мобильные телефоны, фото- и видеокамеры, ноутбуки и т. п.
Большие возможности открываются в электронике при использовании нанотехнологий. Например, для создания нанопроводниковых аккумуляторов повышенной ёмкости, малой массы и габаритов. Анод такого аккумулятора из нержавеющей стали покрыт кремниевым нанопроводником, что в 10 раз увеличивает плотность энергии на аноде. (Изобретение Стэнфордского университета 2007 г.). Разрабатываются аккумуляторы на основе графена — слоя углерода толщиной в один атом.
Хорошо вам известные батарейки и аккумуляторы, так же как генераторы постоянного тока, являются источником постоянного тока.
Полезная информация
• В электротехнических устройствах широко используется трёхфазная система переменных токов, вырабатываемых на электростанциях. Так называются три переменных тока, максимумы которых сдвинуты друг относительно друга на треть периода (рис. 5.9).
• C помощью такой системы токов легко реализуется вращающееся магнитное поле, необходимое для работы широко распространённых асинхронных двигателей. Трёхфазную систему токов разработал русский учёный М. О. Доливо-Добровольский в 1891 г. Трёхфазные линии электропередачи позволяют при том же расходе проводов передать больше энергии, чем однофазные.
Основные понятия и термины:
постоянный ток, переменный ток, амплитуда, частота, период, действующее значение силы переменного тока, мощность тока.
Вопросы и задания:
1. Чем переменный ток отличается от постоянного тока?
2. Что называют периодом переменного тока; частотой?
3. Какова частота переменного тока в России и в Европе?
4. Что такое действующее значение силы переменного тока?
5. Сформулируйте определение действующего значения переменного напряжения.
6. Сколько раз за период сила тока в розетке вашей квартиры принимает максимальное значение?
7. Приведите примеры источников постоянного и переменного тока, которые используются у вас дома.
Задание 1
Рассчитайте силу тока, протекающего в электрической лампе мощностью 60 Вт, в бытовой электрической сети.
Задание 2
Изучите аккумулятор мобильного телефона. Какую информацию можно найти на корпусе аккумулятора? C помощью Интернета или других источников информации опишите характеристики аккумулятора.
Задание 3
Составьте сравнительную таблицу характеристик аккумуляторов устройств, имеющихся у вас дома (мобильных телефонов, шуруповёрта, ноутбука, планшета и т. д.).
