Постоянный и переменный электрический ток

Квант 1984, №10 с. 28-29 Тег 812G

Долгое время единственным источником электрического тока служил галванический элемент, появившийся в самом начале XIX века. В цепи, присоедининой к такому источнику, течение постоянной электрической ток.

Успех в изучении электромагнитизма привели к изобретению генератора переменного тока, и с тех пор именно переменный ток стал основой современной электрознергетики.

Почему? Чем переменный ток «лучше» постоянного?

Переменный ток, как и постоянный, — это упорядоченное движение заряженных частц, в частности в металлах — электровов. Но в цепи переменного тока электроны по много раз изменяют направление своего упорядоченного движения. Малая масса электровов позволяет им «успевать» изменять направление движения не только 100 раз в секунду, как это происходит в промышленной сети, но и десяти миллионов раз в секунду, как, например, в антеннах радиостанций.

Чтоы в электрической цепи протекал переменный ток, цель должна быть присоединина к источнику переменной ЭДС. Она выстрает здесь в роли перiodического вынуждаюшей силы, и ток в цепи совершает вынужденные колбания, разумется, с частотой вынуждаюшей силы. Если ЭДС в источнике изменяется со временем по закону $e = \mathcal{E}_m \cos \omega t$ и источник включен в цель с активным сопротивлением $R$ , то и ток изменяется по косинусным закону («Физика 10», § 17):

$i = \frac{e}{R} = \frac{\mathcal{E}_m}{R} \cos \omega t = I_m \cos \omega t.$

Здесь $\mathcal{E}_m$ и $I_m$ — амплитуды (максимальные значения) ЭДС и силы тока. Но свойства функции косинуса таковы, что в среднем за период колбаний сила тока равна нулю. Это, однако, не значит, что такой ток бесполезен и ни в чем себя не проявляет. Потому что хотя в среднем сила ток и равна нулю, не равен нулю квадрат силы ток. А мощность ток определяется именно квадратом силы ток. В любой момент времени мощность переменного тока в цепи с активным сопротивлением выражается равенством

$p = i^2 R = I_m^2 R \cos^2 \omega t.$

Среднее значение квадрата косинуса за период равно не нулю, а $1/2$ , так что среднее значение мощности

$\bar{p} = \bar{i}^2 R = \frac{1}{2} I_m^2 R = \left( \frac{I_m}{\sqrt{2}} \right)^2 R.$

Величина $I = I_m / \sqrt{2}$ называется действуошим значением силы тока. В нашем случае мощность можно также выразить через напряжение на сопротивлении:

$p = \frac{u^2}{R}, \bar{p} = \frac{\bar{u}^2}{R} = \frac{1}{2} \frac{U_m^2}{R} = \frac{U^2}{R},$

где $U = U_m / \sqrt{2}$ — действуошем значение напряжения.

В этом состоянии одно из отрицательных свойств переменного тока. Ведь провода, по которым протекает ток, необходимо расчитывать на максимальное значение силы тока, а практические использует немногим более 2/3 этого значения. Есть и другие отрицательные следствия. Явление электромагнитной индекции приводит, например, к тому, что переменный ток в проводах распределяется не равномерно по всему сечению, а главным образом влизи поверхности. (Это явление называется скин-фектом, о нем в «Физике 10» не рассматривается. Характерно, что глубина пропикновения переменного тока зависит от многих факторов, в том числе и от частоты колбаний. Так, при частоте 50 Гц в медном проводнике эта глубина составляет ≈ 9 мм. С увеличением частоты глубина пропикновения тока уменьшается.) Благодар тому, что используется не все сечения проводов, их сопротивление реализует. Далее, переменный ток, как и ток постоянный, окружен магнитным полем, но полем переменным. А такое поле, согласно закону электромагнитной индекции, вызывает в соседних

проводах и в других проводящих материалов электрические токи, что приводит к бесполезной потребе энергии.

Все эти недостатки полностью отсутствуют у постоянного тока. Почему же все-tаки переменный ток практически безразделно господствует в технике и в быту?

Прежде всего, сам принцип действия электрических генераторов таков, что в них возникает именно переменная ЭДС («Физика 10», § 23). Но не в этом главное. С помощью нехитрого устройства можно тот же генератор сделать источником и постоянного тока. Главная причина «популярности» переменного тока связана с тем, что электрическую энергию приходит передавать из мест, где она производится (электростанции), к местам ее потребления и часто на большие расстояния. При этом часть передаваемой энергии неизбежно теряется в виде тепловах, по которым она передается в линиях электропередачи (ЛЭП). Чтобы потери были не сликом высокими, нужно, оказывается, использовать для передачи высокое напряжение.

Необходимость высокого напряжения видна из следующого простого расчета. Допустим, что электрическая мощность $P=66$ кВт передается от электростанции в город под напряжением 220 В (именно такое напряжение обычно используется потребителем). Пусть сопротивление ЛЭП равно 0,4 Ом. Тогда сила ток в ЛЭП составляет $I=66000 \text{ Вт}/220 \text{ В}=300 \text{ А}$ , а выделившееся в линии количество теплоты — $Q=I^2R=(300 \text{ А})^20,4 \text{ Ом}=36000 \text{ Вт}$ . Большое положение передаваемой мощности (54,5%) будет потеряно в виде тепла в ЛЭП! А теперь представим себе, что та же мощность по той же ЛЭП передается при напряжении 22000 В. Теперь ток в цепи будет равен $I=66000 \text{ Вт}/22000 \text{ В}=3 \text{ А}$ , а выделившееся количество теплоты — $Q=(3 \text{ А})^20,4 \text{ Ом}=3,6 \text{ Вт}$ . Потребность всего около 0,005 %! Вот почему электрическая энергия по ЛЭП всегда передается при очень высоком напряжении — 110,220,330,400,500 и даже 750 киловольт.

Но на klemmах генераторов электростанций напряжение значительное меньше — всего несколько тысяч волт. Значит, в начале линии электропередачи это напряжение нужно повышить, а перед распределением энергии среди потребителей — понизить так, чтобы потребитель получил ее при напряжении 220 волт. Такое повышение и понжение напряжения оказывается возможным только для переменного ток. Делается это с помощью устройства, действующего на основе явления электромагнитной индукции, — трансформаторов («Физика 10», § 24). Существование трансформаторов — пожалуй, единственная причина повышенного применения переменного ток в техническе.

Однако неодостатки переменного ток, которые были изложены выше, заставляют думать о том, нельзя ли все-tаки для передачи электрической энергии использовать постоянный ток, конечно, тоже высокого напряжения? Это сделать не просто. Действительно, сначала нужно переменное напряжение, после его повышения, преобразовать в постоянное (для этого служат выпрямители), а затем на другом конце ЛЭП — превращить переменное постоянное напряжение в переменное (это можно сделать с помощью устройства, называемых инверторами), чтобы напряжение можно было понизить до значения, нужно потребить. Однако такая ЛЭП постоянного ток на напряжение 400 кВ в СССР уже работает.

Сказанное в этой замечке нельзя полимать так, что постоянный ток — это «хороший» ток, а переменный — «плохой». И тот и другой — это явление природы, и их нельзя оценить словами «лучше», «хуже». Сказанное лишь означает, что для передачи энергии на большие расстояния предоптимное постоянный ток. И если пока все же преобразуется применение для этой цели переменного ток, это объясняется тем, что преобразование переменного ток в постоянный и обратно до сих пор еще представляется собой трудную задачу, которая, впрочем, успешно решается. Для техника в равной мере нужны и полезны оба тока. В некоторых случаях незаменим постоянный ток, например там, где используется электролиз. Но без переменных токов не было бы радосвязи, телевидения и т. д. Перефазируя известное детское стихотворение, можно сказать: токи всякие нужны!