Что такое напряжение электрического тока
Что такое ток и напряжение простыми словами
Электрическое напряжение: объяснение простыми словами
Электрическим напряжением обозначается физическая величина, равная разности потенциалов между двумя точками электрического поля при перемещении единичного заряда. Для простых пользователь такое обозначение не всегда понятно. Поэтому в этой статье мы попытаемся простым, доступным языком рассказать, что собой представляет электрическое напряжение, как оно измеряется и для чего это нужно.
Что такое разность потенциалов?
Для начала проанализируем рисунок:
В первой бутылке вода находится на уровне 300 мм, а во второй – на отметке 150 мм. Разница между уровнями воды в обоих емкостях составляет 150 мм. Если рассматривать это с точки зрения науки об электричестве, это и есть разность потенциалов.
Однако, что будет, если соединить обе бутылки шлангом, а внутрь поместить обычный пластиковый шарик?
Из школьного урока физики о принципе соединяющихся сосудах знаем, что из бутылки, где уровень воды больше, жидкость постепенно перетечет в бутылку с более низким уровнем. Под воздействием потока воды шарик внутри соединяющего шланга будет перемещаться. Процесс перетекания завершится после того, как в обоих бутылках уровень жидкости уравновесится, станет одинаковым.
Иными словами, в ситуации, когда в соединенных между собой емкостях уровень жидкости станет одинаковым, результатом разности потенциалов станет ноль. Шарик останется на месте за счет электродвижущей силы, которая, по итогам эксперимента, равна нулю.
Что такое электродвижущая сила?
Аналогично напряжению, единицей измерения электродвижущей силы (ЭДС) является Вольт.
Для проведения следующего эксперимента понадобится вольтметр (прибор, измеряющий вольты) и обычная батарейка.
При исходном замере прибор покажет 1.5 В (Вольта). Однако это не является напряжением – значение указывает на величину электродвижущей силы.
На следующем этапе эксперимента к батарейке подключаются две лампочки. А напряжение измеряется в разных участках электроцепи.
Внимание следует уделить следующим показателям: напряжение для одной лампочки составляет 1 Вольт, для другой же это значение 0.3 Вольта.
Напряжение в используемых нами осветительных устройствах напрямую зависит от их мощности, измеряемой в Ваттах.
Мощность=Напряжение*ток (Р=U*I)
Из этого следует, что чем больше будет значение мощности лампы, тем большее напряжение будет на ней.
Однако, как же получается: если мощность батарейки 1.5 Вольта, к которой подключены лампочки, разделена на 1 Вольт и 0.3 Вольта, куда направились еще 0.2 Вольта? Дело в том, что каждая батарейка наделена своим внутренним сопротивлением, поэтому недостающие 0.2 Вольта были направлены именно сюда.
Резюме
Электродвижущей силой определена физическая величина, характеризующая в источниках тока работу сторонних силовых ресурсов. Посредством электродвижущей силы мы можем определять, как переносится заряд от источника тока по всей электрической цепи. Напряжение показывает этот процесс лишь на отдельном участке этой цепи. Если проще: напряжение – это внешнее силовое воздействие, способствующее перемещению шарика в шланге, соединяющим сосуды из выше приведенного примера. В электричестве напряжение обозначено силой, которая обеспечивает перемещение электронов между атомами.
Рассмотрим еще один пример
Представьте, что вам по силам будет поднять камень, вес которого составляет 40 кг. Это означает, что вы обладаете подъемной силой, равной 40 кг – в электричестве это обозначается как электродвижущая сила. Вы следуете и на своем пути вам попадается камень весом 20 кг. Вы его также берете и переносите на расстояние 10 метров. Для осуществления этого действия вам понадобилось определенное количество энергии, что в электричестве представляется как напряжение. Далее вам попадается камень весом в 30 кг. Следовательно, для его переноса из одного места в другое вам понадобится больше энергии, чем для камня, масса которого не превышала 20 кг. Однако подъемная сила (в электричестве ЭДС), независимо от веса переносимого вами камня, остается всегда одинаковой. При этом, вес камня определяет количество энергии, которая тратится на проведение этого действия (в электричестве это обозначено напряжением). Таким образом, на каждом отрезке вашего пути вы будете испытывать разное напряжение в зависимости от веса камня, который вы намерены перенести.
Ток зависит от напряжения
Исходя из приведенной формулы следует: ток является прямо пропорциональным напряжению и обратно пропорциональным сопротивлению. Иными словами, чем больше величина электрического тока, тем больше напряжение, и наоборот.
О природе электрического тока и основах электротехники
В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.
1. Что такое электрический ток.
«Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам» (с)
Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.
1.2 Создание электрического тока.
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно. Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно. Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить. Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.
рис 1. Генератор напряжения величиной U
рис 2. Генератор тока величиной I
рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1
Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.
рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2
2. Закон Ома.
Сначала c точки зрения генератора напряжения
Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R Теперь с точки зрения генератора тока
Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R
рис 5. Последовательное включение резисторов
Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.
3. Делитель напряжения
Схема имеет вид.
рис 6. Делитель напряжения
Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.
Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).
Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.
рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.
Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.
Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.
Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!
В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.
Что такое напряжение, ток и сопротивление: как они используются на практике
В электротехнике для описания процессов, протекающих внутри электрических цепей, используются термины «ток», «напряжение» и «сопротивление». Каждый из них имеет собственное назначение со специфическими характеристиками.
Слово используется для характеристики движения заряженных частиц (электроны, дырки, катионы и анионы) через определенную среду вещества. Направление и количество носителей заряда определяет тип и силу тока.
Основные характеристики тока, влияющие на его практическое применение
Обязательным требованием для протекания зарядов является наличие цепи или, другим словами, замкнутого контура, создающего условия для их передвижения. Если внутри движущихся частиц образуется разрыв, то их направленное перемещение сразу прекращается.
На этом принципе работают все выключатели и защиты, используемые в электрике. Они создают разделение подвижными контактами токопроводящих частей между собой и этим действием прерывают протекание электрического тока, отключая прибор.
В энергетике наибольшее распространение получил метод создания электрического тока за счет передвижения электронов внутри металлов, изготовленных в виде проводов, шин или других токопроводящих частей.
Кроме этого способа также используется создание тока внутри:
1. газов и жидкостей-электролитов за счет движения электронов или катионов и анионов — ионов с положительными и отрицательными знаками заряда;
2. среды из вакуума, воздуха и газов при условии передвижения электронов, вызванного явлением термоэлектронной эмиссии;
3. полупроводниковых материалов вследствие перемещения электронов и дырок.
Электрический ток может возникнуть при:
приложении к заряженным частицам внешней разности электрических потенциалов;
нагреве проводников, не являющихся в данный момент сверхпроводниками;
протекании химических реакций, связанных с выделением новых веществ;
воздействии приложенного на проводник магнитного поля.
Форма сигнала электрического тока может быть:
1. постоянной в виде прямой линии на временном графике;
2. переменной синусоидальной гармоникой, хорошо описываемой основными тригонометрическими соотношениями;
3. меандром, грубо напоминающим синусоиду, но с резкими, ярко выраженными углами, которые в отдельных случаях могут быть хорошо сглажены;
4. пульсирующей, когда направление остается одним и тем же без изменения, а амплитуда колеблется периодически от нулевого до максимального значения по вполне определенному закону.
Электрический ток может совершать полезную для человека работу, когда он:
преобразуется в световое излучение;
создает нагрев тепловых элементов;
совершает механическую работу за счет притяжения или отталкивания подвижных якорей либо вращения роторов с приводами, закрепленных в подшипниках;
формирует электромагнитное излучение и в некоторых других случаях.
При прохождении электрического тока по проводам может создаваться вред, вызываемый:
излишним нагревом токонесущих цепей и контактов;
образованием вихревых токов в магнитопроводах электрических машин;
излучением электроэнергии электромагнитными волнами в окружающую среду и некоторыми подобными явлениями.
Конструкторы электрических приборов и разработчики различных схем учитывают перечисленные возможности электрического тока в своих устройствах. Например, вредное воздействие вихревых токов в трансформаторах, двигателях и генераторах уменьшается за счет шихтовки сердечников, используемых для пропускания магнитных потоков. В то же время вихревой ток успешно применяют для разогрева среды внутри электрических печей и микроволновок, работающих на индукционном принципе.
Переменный электрический ток с синусоидальной формой сигнала может иметь разную частоту колебаний в единицу времени — секунду. Промышленная частота электроустановок в разных странах стандартизирована числами 50 или 60 герц. Для других целей электротехники и радиодела применяются сигналы:
низкочастотные, имеющие меньшие значения;
высокочастотные, значительно превышающие спектр промышленных устройств.
Как образуется электрический ток в металлах
Перемещение электронов под действием постоянно приложенной к ним силы вполне можно сравнить со снижением парашютиста с раскрытым куполом. В обоих случаях происходит равноускоренное движение.
Парашютист движется за счет притяжения к земле силой тяжести, которой противостоит сила сопротивления воздуха. На электроны воздействует приложенная к ним сила электрического поля, а мешают его движению непрерывные соударения с другими частицами — ионами кристаллических решеток, за счет чего гасится часть воздействия приложенной силы.
В обоих случаях средняя скорость парашютиста и перемещения электронов достигает постоянной величины.
При этом создается довольно уникальная ситуация, когда скорость:
собственного передвижения одного электрона определяется величиной порядка 0,1 миллиметра в секунду;
протекание электрического тока соответствует значительно большей величине — скорости распространения световых волн: около 300 тысяч километров в секунду.
Таким образом, скорость протекания электрического тока создается в том месте, где к электронам приложено напряжение, и в результате оно начинает перемещаться со скоростью света внутри токопроводящей среды.
При движении электронов внутри кристаллической решетки металла возникает еще одна интересная закономерность: его сталкивание происходит примерно с каждым десятым встречным ионом. То есть, около 90% столкновений с ионами он успешно избегает.
Объяснить это явление помогают законы не только фундаментальной классической физики, как принято понимать большинством людей, а действующие дополнительные закономерности, описанные теорией квантовой механики.
Если кратко выразить их действие, то можно представить, что передвижению электронов внутри металлов мешают тяжелые «качающиеся» большие ионы, которые оказывают дополнительное сопротивление.
Особенно этот эффект хорошо заметен при нагреве металлов, когда «качания» тяжелых ионов увеличиваются и снижают электрическую проводимость кристаллических решеток проводников.
Поэтому при нагреве металлов у них всегда повышается электрическое сопротивление, а при охлаждении — увеличивается проводимость. Когда температура металла снижается до критических значений, приближенных к величине абсолютного нуля, во многих из них возникает явление сверхпроводимости.
Электрический ток, в зависимости от своей величины, способен совершать различную работу. Для количественной оценки его возможностей принята величина, называемая силой тока. Ее размерностью в международной системе измерений является 1 ампер. Для обозначения силы тока в технической литературе принят индекс «I».
Этот термин используется как характеристика физической величины, выражающей затраченную работу по переносу пробного единичного электрического заряда из одной точки в другую без изменения характеров размещения остальных зарядов на действующих источниках полей.
Поскольку начальная и конечная точки обладают различными потенциалами энергии, то работа на перемещение заряда, или напряжение, совпадает с соотношением разности этих потенциалов.
В зависимости от протекающих токов используются различные термины и способы вычисления напряжения. Оно может быть:
1. постоянным — в цепях электростатики и постоянного тока;
2. переменным — в схемах с переменными и синусоидальными токами.
Для второго случая используются такие дополнительные характеристики и разновидности напряжения, как:
амплитуда — наибольшее отклонение от нулевого положения оси абсцисс;
мгновенная величина, которая выражается в конкретный момент времени;
действующее, эффективное или, называемое по-другому, среднеквадратичное значение, определяемое по совершаемой активной работе одного полупериода;
средневыпрямленное, рассчитываемое по модулю выпрямленного значения одного периода гармоники.
Для количественной оценки напряжения введена международная единица 1 вольт, а ее обозначением стал символ «U».
При транспортировке электрической энергии по проводам воздушных линий конструкция опор и их габариты зависят от значения используемого напряжения. Его величину между проводами фаз называют линейной, а относительно каждого провода и землей — фазной.
Это правило применяется ко всем видам воздушных линий.
В бытовых электрических сетях нашей страны стандартом принято трехфазное напряжение 380/220 вольт.
Термин применяется для характеристики свойств вещества ослаблять прохождение через него электрического тока. При этом могут выбираться разные среды, изменяться температура вещества или его габариты.
У цепей постоянного тока сопротивление совершает активную работу, поэтому его называют активным. Оно для любого участка прямо пропорционально приложенному напряжению и обратно пропорционально — проходящему току.
В цепях переменного тока введены понятия:
Электрический импеданс по-другому называют комплексным или полным сопротивлением с составляющими частями:
Реактивное сопротивление, в свою очередь, может быть:
При проведении расчетов электродинамики волновое сопротивление ЛЭП определяется соотношением напряжения от падающей волны к величине тока, проходящей по линии волны.
Величиной сопротивления принята международная единица измерения в 1 Ом.
Взаимосвязь тока, напряжения, сопротивления
Классическим примеров выражения соотношений между этими характеристиками является сравнение с гидравлической схемой, в которой сила движения потока жизни (аналог — величина тока) зависит от значения приложенной к поршню силы (созданного напряжения) и характера магистралей потока, выполненных сужениями (сопротивлением).
Математические закономерности, описывающие взаимосвязь электрического сопротивления, тока и напряжения впервые опубликовал и запатентовал Георг Ом. Он вывел законы для полного контура электрической цепи и его участка. Подробнее смотрите здесь: Применение закона Ома на практике
Для замера основных электрических величин электроэнергии применяют амперметры, вольтметры и омметры.
Амперметр замеряет ток, проходящий по цепи. Поскольку на всем замкнутом участке он не изменяется, то амперметр врезают в любом месте между источником напряжения и потребителем, создавая прохождение зарядов через измерительную головку прибора.
Вольтметром измеряют напряжение на клеммах подключенного к источнику тока потребителя.
Замеры сопротивления омметром могут выполняться только на обесточенном потребителе. Это объясняется тем, что омметр выдает калиброванное напряжение и замеряет ток, проходящий по измерительной головке, который переводится в Омы за счет деления напряжения на полученное значение тока.
Любое подключение маломощного постороннего напряжения при выполнении измерения создаст дополнительные токи и исказит результат. Учитывая, что внутренние цепи омметра изготавливаются маломощными, то при ошибочных замерах сопротивления при поданном постороннем напряжении довольно часто прибор выходит из строя за счет того, что у него выгорает внутренняя схема.
Знание основных характеристик тока, напряжения, сопротивления и зависимостей между ними позволяет электрикам успешно выполнять свою работу и надежно эксплуатировать электрические системы, а допускаемые ошибки очень часто заканчиваются несчастными случаями и травмами.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Напряжение 220 Вольт
Да, все знают что это электрический ток в розетке должен быть 220 вольт». Но тех, кто представляет хотя бы приблизительно как он образуется и передаётся потребителю, кто может сказать «в бытовой электросети однофазная линия переменного тока 220 вольт частотой 50 Герц» совсем немного и, скорее всего, это будут специально обученные люди, которые тоже порой не задумываются о том, почему именно 220 вольт? Почему переменный ток, почему частота сети именно 50 Герц? А действительно, почему сложилось именно так? Вариантов-то было множество. И кстати, заходя вперёд, стоит сообщить что вышеперечисленное не эталонный стандарт для всей планеты. Кто-то пошёл и другим путём в возведении электро-инфраструктуры. На эти и некоторые другие вопросы мы попытаемся дать ответы в данной статье.
Откуда берется напряжение
Принцип действия генератора основан на магнитной индукции. Вращательное движение генератора превращается в электрический ток. То есть можно сказать, что генератор — это тот же самый электродвигатель, но обратного действия. Если на электродвигатель подать напряжение, то он начнет вращаться. Генератор работает наоборот. Вращательное движение вала генератора превращается в электрический ток. Поэтому, чтобы вращать вал генератора, нам потребуется какая-либо энергия извне. Это может быть пар, который раскручивает турбину, а она в свою очередь раскручивает вал генератора
Принцип работы ТЭС
либо это может быть сила потока воды, которая с помощью гидротурбины раскручивает вал генератора, а он в свою очередь также вырабатывает электрический ток
Ну или это может быть даже ветряк
Ветряная электростанция
Короче говоря, принцип везде один и тот же.
Экскурс в историю
Итак, генератор на нашей электростанции преобразовывает механическую энергию в электрическую. А что дальше? В каком виде и как именно передавать энергию потребителю? Как избежать колоссальных потерь при передаче?
Поразительно, но подобная ситуация существовала на самом деле! В той же Российской Империи вплоть до начала 20 века была полная неразбериха. Рядом с каждым «крупным» потребителем электроэнергии (фабрика, подворье преуспевающего купца или гостиница для особ благородных кровей) строили отдельную электростанцию. Было множество конкурирующих фирм, предоставляющих услуги электрификации и, в последующем, своё электрическое оборудование заточенное только под свою сеть. Каждый поставщик электроэнергии задавал собственные параметры электросети – напряжение, частоту. Были даже электросети с постоянным током! Человек, купивший, к примеру, электролампочки в «Товариществе электрического освещения Лодыгин и Ко» смог бы использовать их лишь в электросети этой же компании. При подключении к сети «Дженерал электрик» эта лампочка тут же вышла бы из строя – напряжение сети этой фирмы было значительно выше необходимого, не говоря уже о других параметрах.
Лишь в 1913 году имперские инженеры решились передавать электроэнергию на большие расстояния по воздушным проводным линиям, избавив от необходимости постройки электростанций «у каждой розетки». В преддверии грядущей великой войны и нахлынувшего патриотизма власть задумалась об импортозамещении. Ну прям как в наше время, после кризиса 2014 года). Были финансово и юридически задавлены многие небольшие западные фирмы (кроме германских и французских), преференции и льготы давались лишь отечественным товариществам и предприятиям. В итоге, это привело к монополизму на рынке поставщика электроэнергии и, невольно, стандартизации параметров электрической сети.
Так как Берлин и Париж были уже электрифицированы единой энергосистемой с переменным напряжением сети 220 вольт, отечественные компании также приняли этот стандарт. Людям было удобнее использовать электрические приборы единого типа, не беспокоясь что их новомодный электрический пылесос сгорит на новом месте жительства из-за других параметров энергосети. Произошло полное вытеснение многих небольших фирм – никто уже не хотел пользоваться их услугами и их приборами, хотя они вынужденно подстроились под единый стандарт электросети. Те самые 220 вольт переменного тока.
Почему именно переменное напряжение?
Не так давно по историческим меркам у человечества возникла дилемма: какой ток лучше? Переменный или постоянный? Этот период времени был известен, как «война токов». На самом деле были споры между Николой Теслой и Эдисоном — самыми великими учеными-изобретателями того времени. Эдисон был за постоянный ток, а Никола Тесла — за переменный. Это борьба продолжалось более 100 лет, даже после смерти этих великих ученых! Но все-таки в 2007 году окончательную победу одержал переменный ток.
Дело все в том, что постоянный ток при передаче на большие расстояния теряет свою энергию на нагрев проводов. Здесь во всем виноват закон Джоуля-Ленца
Q=I 2 Rt
Q — количество выделяемого тепла (Джоули)
I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)
R — сопротивление проводника (Омы)
t — время прохождения тока через проводник (Секунды)
Нетрудно догадаться, что чем больше сила тока будет протекать по проводам, и чем длиннее будут провода, тем больше они будут нагреваться, так как сопротивление провода выражается формулой:
сопротивление провода формула
Второй причиной было то, что в генераторе постоянного тока надо было использовать специальную конструкцию, которая бы позволяла снимать электрический ток с движущихся обмоток. Для этого на валу двигателя крепился так называемый коллектор, к которому припаивались обмотки генератора. Коллектор все время находился в движении, так как он закреплен на самом валу генератора. С коллектора с помощью графитовых щеток снималось напряжение. Тот же самый принцип до сих пор используется в генераторах и двигателях постоянного тока.
Принцип работы генератора постоянного тока
Минусом такой конструкции является то, что со временем щетки и коллектор изнашиваются. Поэтому, такой генератор надо часто обслуживать, вовремя заменять щетки и чистить коллектор. Чаще всего такой генератор имеет два провода: плюс и минус. Чем больше коллекторных пластин (ламелей) на таком генераторе, тем чище будет постоянный ток с такого генератора. Если такой генератор имеет множество ламелей и крутится с одинаковой скоростью, то на осциллографе можно увидеть примерно такую картину постоянного тока
осциллограмма постоянного тока
Таких недостатков лишен генератор переменного напряжения. Принцип его действия показан ниже
Принцип работы генератора переменного тока
В настоящее время в нем используются три обмотки, разнесенные друг от друга на 120 градусов. Один конец каждой обмотки соединяется с друг другом, образуя так называемый «ноль». В нашей стране такие генераторы на ТЭС или ГЭС стараются крутить со скоростью 50 оборотов/сек. Ну или 3000 оборотов/минуту. Неплохая такая скорость). В Америке же их крутят под 60 оборотов/сек. А что такое обороты в секунду? Это и есть частота. А частота, как вы помните, выражается в Герцах (Гц). Поэтому, у нас в розетках частота 50 Гц, в Америке 60 Гц.
Такие генераторы называют трехфазными, так как они имеют три фазы: A, B, C. В англо-язычной литературе можно увидеть обозначение R, S, T либо L1, L2, L3. Точка, где соединяется конец всех обмоток обозначается буквой N (ноль).
Генератор переменного тока
То есть по сути с генератора выходит 4 провода: фазы A,B,С и 0, он же нейтраль N, который соединяет один конец каждой из трех обмоток.
Обмотки генератора переменного тока
При вращении ротора-магнита в каждой обмотке создается электрический ток. Если с помощью осциллографа вывести осциллограммы сразу трех обмоток, то можно увидеть что-то типа этого:
Осциллограммы трехфазного напряжения
Передача электрического тока на дальние расстояния
Для этих целей идеально подойдет трансформатор, но не простой, а трехфазный. Здесь используется замечательное свойство трансформатора: если повышаем напряжение, то понижаем силу тока, и наоборот, понижаем напряжение, увеличиваем силу тока. Поэтому, для того, чтобы передать полученную электроэнергию на дальние расстояния, нам нужно увеличить в несколько раз напряжение, тем самым мы в это же число раз уменьшим силу тока. Ниже на рисунке схема передачи электроэнергии от генератора ГЭС и до конечного потребителя, то есть для заводов, для электротранспорта и для нас с вами.
Передача электроэнергии от генератора до конечного потребителя
С ГЭС напряжение повышают до нескольких киловольт, чаще всего до 110 кВ. Все это достигается с помощью трехфазного высоковольтного повышающего трансформатора (2).
Трехфазный высоковольтный трансформатор
Далее высоковольтное напряжение идет по высоковольтной линии (3) и доходит до какого-либо города, либо райцентра.
Высоковольтная линия передачи электроэнергии
В каждом райцентре либо городе есть своя подстанция, где имеется уже свой высоковольтный понижающий трансформатор (4), который преобразует напряжение 110 кВ в 10 кВ, либо в 6 кВ (5).
Почему нельзя было сразу тянуть провода с генератора? Зачем надо было повышать, а потом снова понижать напряжение? Все опять же из за закона Джоуля-Ленца. Так как ГЭС находится на очень большом расстоянии от потребителей электроэнергии, приходится повышать напряжение, чтобы минимизировать потери на нагрев проводов. Как мы уже говорили, трансформатор повышает напряжение, но при этом уменьшает во столько же раз силу тока, поэтому потери в проводах на дальние расстояния сокращаются в разы, исходя из формулы Джоуля-Ленца Q=I 2 Rt.
Потом уже с подстанции напряжение расходится по трансформаторным «будкам», которые можно уже заметить в каждом районе.
Трансформатор 6 кВ в 380 В
От этих «будок» выходит после преобразования приблизительно 380 Вольт. Но здесь есть один нюанс. Везде используется три провода, а к нам в дома заходят чаще всего два провода. В чем же дело? А дело как раз в том, что есть такое понятие как линейное и фазное напряжение. Линейное напряжение замеряется между 3 проводами, по которым идут 380 В. Они называются фазами. То есть грубо говоря — это те же самые провода, которые вышли с генератора еще где-нибудь на ГЭС. Но если взять любую из фаз и замерять напряжение относительно нулевого проводника, то есть относительно нуля, то у нас будет фазное напряжение 220 В. Получается, к нам в дом заходит ОДНА фаза и НОЛЬ. Куда деваются другие фазы? Они равномерно распределяются между жильцами дома или вашего района. То есть к вашему соседу может придти другая фаза, но тот же самый ноль.
Трехфазное линия передачи электроэнергии
Напряжение 220 Вольт
Очень много вопросов в рунете именно по напряжению «из розетки». Самый часто задаваемый вопрос выглядит так:
— Какой ток в розетке?
Здесь вопрос, конечно же, поставлен неправильно. Током чаще всего называют именно силу тока. Правильнее было бы задать вопрос: «Какое напряжение в розетке?»
У нас в России в домашней сети переменное напряжение с частотой в 50 Герц, максимальной амплитудой приблизительно в 310 Вольт и действующим напряжением в 220 Вольт. Думаю, это будет самый развернутый ответ.
Итак, теперь давайте разбираться что к чему.
Как же выглядит этот «ток из розетки» на осциллографе? Ну примерно вот так:
По вертикали у нас одна клеточка равняется 100 Вольтам. Следовательно, максимальная амплитуда Umax будет равна где-то 330 Вольт
амплитудное значение напряжения
По идее должно быть 310 Вольт. Хотя оно и не удивительно. Напряжение в сети редко когда бывает стабильным. Все, конечно же, зависит от потребителей и трансформатора на электростанции, который их питает.
Когда я был еще совсем маленьким, рядом с телевизором у нас стояло очень интересное устройство. На нем была шкала, и мы вечером подкручивали крутилку, чтобы шкала показывала ровно 220 Вольт, иначе телевизор отказывался работать. С возрастом я понял, что это был ручной стабилизатор напряжения, так как именно вечером все соседи начинали «жрать» электричество и поэтому в сети было вольт 190-200. Это уже сейчас во всех телевизорах и других бытовых приборах эти стабилизаторы встроены прямо внутри прибора, и поэтому надобность в стабилизаторах резко отпала.
Что такое фаза и ноль
К вам 220 Вольт приходит по двум проводам. Иногда с ними бывает в связке еще и третий провод желто-зеленого цвета — это земля. Этот провод используется для обеспечения безопасности. В старых домах такого провода нет. Земля в 90% случаев обозначается как желто-зеленый провод. Другие провода могут иметь различную окраску, но чаще всего стараются ноль маркировать синим проводом, а фазу — ярким цветом. Например, красным.
Обозначение фазы, нуля и земли на проводе
осциллограмма 220 В
Какие процессы происходят на фазе?
В какой-то момент времени фаза бывает больше по напряжению, чем ноль. В какой-то момент времени она становится равна нулю. А в какой-то момент времени становится меньше чем ноль. Или, иначе говоря, ноль становится больше по напряжению, чем фаза). Потом фаза снова становится равна нулю, а потом снова больше нуля и все это повторяется до тех пор, пока работает генератор на электростанции.
Хотите узнать, как все это выглядит на графике? Да пожалуйста 😉
фаза и ноль на осциллограмме
Как я уже сказал, фаза без нуля — ничто! И если даже встать на диэлектрический коврик, то есть полностью изолировать себя от контакта с землей, то можно даже и потрогать фазу без вреда для здоровья. НО! не вздумайте проверять это дома! Так поступают только матерые электрики и у них имеются в наличии эти диэлектрические коврики и другие прибамбасы.
Но никогда, слышите, НИКОГДА! не дотрагивайтесь голыми руками сразу до двух проводов, тем более взяв их по одному в руки! Вы будете проводником, соединяющим цепь 220 Вольт. Или попросту говоря, вас ударит электрическим током. Думаю, некоторые до сих пор помнят эти «приятные» ощущения. А как бодрит сразу! Уууухх)))
Напряжение в розетке — это действующее напряжение и вычисляется оно по формуле:
UД — это действующее напряжение, В
Umax — максимальное напряжение, В
что мы и видели на осциллограмме.
Так что знайте, что в электронике и в электрике если вам говорят, что напряжение переменного тока, допустим, 24 Вольта — это действующее напряжение. Максимальным значением переменного напряжения никто не пользуется.