Постоянный ток — это такой ток, который почти (поскольку ничего идеального в мире нет) не изменяется во времени, ни по величине, ни по направлению. Исторически первые источники постоянного тока были исключительно химическими. Сначала они были представлены только гальваническими элементами, а позже появились и аккумуляторы.

Гальванические элементы и аккумуляторы имеют строго определенную полярность, и направление тока в них самопроизвольно не изменяется, поэтому химические источники тока — это принципиально источники постоянного тока.

Гальванический элемент

Пальчиковая батарейка АА — яркий пример современного гальванического элемента. Цилиндрическая щелочная батарейка ( которую любят называть алкалиновой, тогда как слово «alkaline» переводится как «щелочная») содержит внутри раствор гидроксида калия в качестве электролита. На положительном полюсе батарейки находится диоксид марганца, а на отрицательном — цинк в виде порошка.

Когда внешняя цепь батарейки замыкается на нагрузку, на аноде (отрицательном полюсе) происходит химическая реакция окисления цинка, одновременно с этим на катоде (положительном полюсе) идет реакция восстановления оксида марганца четырехвалентного до оксида марганца трехвалентного.

В результате с отрицательного полюса электроны бегут в сторону положительного полюса через внешнюю цепь нагрузки. Так работает источник постоянного тока — гальванический элемент.

Химический процесс в гальваническом элементе не обратим, то есть пытаться заряжать его бесполезно. Напряжение между полюсами новой пальчиковой батарейки 1,5 вольта, что обусловлено потенциалами веществ, участвующих в химической реакции внутри нее.

Аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор, в отличие от батарейки, можно после разрядки снова заряжать, поскольку химический процесс в нем обратим. С виду аккумулятор работает как батарейка, то есть тоже дает в цепь нагрузки принципиально только постоянный ток, но емкость у аккумулятора обычно больше чем у батарейки примерно такого же размера.

В ходе разрядки литиевого аккумулятора, химическая реакция на аноде (отрицательном электроде) состоит в отделении лития от углерода и его переходе в состав соли на катоде (положительном электроде). А при зарядке ионы лития вновь переходят к углероду на аноде.

Разность потенциалов между полюсами литий-ионного аккумулятора может доходить до 4,2 вольт. Максимальный ток зависит от площади взаимодействия электродов внутри аккумулятора с электролитом и соответственно друг с другом.

Генератор

В промышленных масштабах постоянный ток получают при помощи генераторов постоянного тока. Как правило, на статоре такой машины расположены неподвижные магниты либо электромагниты, наводящие во вращающихся контурах ЭДС по закону электромагнитной индукции.

Вращающиеся контуры соединены каждый с контактными пластинами щеточно-коллекторного узла, через которые посредством неподвижных щеток и снимается в цепь нагрузки генерируемый ток. Поскольку контуры контактируют с положительной и отрицательной щетками только при прохождении мимо определенных магнитных полюсов статора, ток во внешней цепи получается выпрямленным переменным, то есть пульсирующим постоянным.

Величина тока зависит от сечения проводов, индукции магнитного поля статора и площади статора. Величина напряжения — от скорости вращения ротора генератора и от индукции магнитного поля статора.

Солнечный элемент

Солнечные батареи также дают постоянный ток. Фотоны солнечного света попадая на фотоэлемент вызывают движение положительно заряженных дырок и отрицательно заряженных электронов через p-n-переход, и во внешней цепи получается таким образом постоянный ток.

Чем больше совокупная площадь фотоэлементов — тем больше электронов и дырок участвуют в образовании тока, тем больший ток можно получить от солнечной батареи. Генерируемое напряжение солнечной батареи зависит от интенсивности солнечного света и от количества соединенных последовательно фотоэлементов, входящих в конструкцию солнечной батареи.

Трансформатор с выпрямителем

Раньше в электронной аппаратуре для получения постоянного тока, при питании от бытовой сети переменного тока, сплошь и рядом использовались блоки питания с трансформаторами на железе. Переменное сетевое напряжение понижалось при помощи трансформатора, а затем выпрямлялось при помощи лампового или диодного выпрямителя.

После выпрямителя в такой схеме всегда стоит фильтр, состоящий как минимум из конденсатора, а в лучшем случае — из конденсатора и дросселя, да еще и транзисторного стабилизатора напряжения, особенно если источник тока должен быть регулируемым.

Напряжение на выходе такого блока питания зависит от количества витков вторичной обмотки трансформатора, а максимальная величина тока — от номинальной мощности трансформатора.

Импульсный блок питания

Сегодня в радиоэлектронной аппаратуре для получения постоянного тока почти не используют блоки питания с низкочастотными трансформаторами на железе, на замену им пришли импульсные блоки питания. В них выпрямленное сетевое напряжение сначала понижается при помощи высокочастотного трансформатора и транзисторных ключей, а затем выпрямляется. Ток направляется через фильтр в конденсатор фильтра.

Конструкция импульсного блока питания получается гораздо меньше размером, чем с трансформатором на железе. Но шумов в выходном токе больше. Поэтому особое внимание при конструировании импульсных блоков питания уделяют фильтрации тока на выходе к нагрузке.

Напряжение на выходе импульсного блока питания зависит от устройства электронной схемы, а максимальный ток — от размера высокочастотного трансформатора и качества находящихся на схеме радиоэлектронных компонентов.

Конденсатор и ионистор

Источником постоянного электрического тока можно назвать в определенном смысле электрический конденсатор. Конденсатор накапливает электрическую энергию в форме постоянного электрического поля между своими обкладками, а затем может отдавать эту энергию в форме постоянного тока или импульсного разряда. И то и другое по сути — постоянный ток, отличающийся лишь длительностью проявления.

Но электролитические конденсаторы сегодня выпускаются на огромные емкости в тысячи и более микрофарад. Особая разновидность конденсатора — ионистор (суперконденсатор) — он занимает промежуточное место между аккумулятором и конденсатором.

Химические процессы в ионисторе протекают практически с такой же скоростью как в конденсаторе, но в отличие от аккумулятора, ионистор обладает меньшим внутренним сопротивлением, что позволяет получать от ионисторов большие постоянные токи на протяжении более длительного времени. Чем больше емкость конденсатора — тем больший по величине и более продолжительный ток можно получить с его помощью.

Источник

Понятие постоянного тока и характеристика его параметров

Представить существование современного общества без электричества практически невозможно. Оно окружает нас повсюду. По утверждениям специалистов, даже процессы, проходящие внутри живых организмов, напрямую связаны с электричеством. В основе любого электромагнитного явления почти всегда лежит протекание переменного или постоянного электрического тока. Несмотря на то что в большинстве случаев при упоминании электричества подразумеваются физические процессы переменного характера, постоянный ток также играет важную роль и находит достаточно широкое практическое применение.

Определение

Ответ на вопрос, что представляет собой постоянный электрический ток, лежит в слове «постоянный» – неизменный в плане величины и направления. Физически под этим подразумевается однонаправленное движение неменяющегося во времени потока заряженных частиц. Направление постоянного тока совпадает с вектором движения положительно заряженных частиц, а при перемещении отрицательных зарядов направление тока будет противоположно направлению движения.

Итак, постоянный ток – это электрический ток, сохраняющий неизменность величины и направления движения в течение всего времени прохождения физического процесса. Это в теории.

А на практике обычно в качестве постоянного тока подразумевают электрический ток, имеющий столь незначительные изменения своей величины, что ими вполне можно пренебречь. Так как это не оказывает существенного влияния на ёмкостной и индуктивный характер эксплуатируемой электрической цепи.

Источники постоянного тока

В качестве источников постоянного тока нашли и продолжают находить применение:

• Гальванические элементы, принцип действия которых основан на взаимодействии металлов или оксидов, помещённых в электролитический раствор, что в замкнутой цепи приводит к возникновению электротока постоянной величины.
• Аккумуляторы – химические источники, способные неоднократно как заряжаться, так и разряжаться.
• Топливные элементы, преобразующие химическую энергию в энергию электрическую. Их характерной особенностью является достаточно высокий уровень КПД, доходящий до 75%.
• Солнечные батареи – соединения фотоэлементов, способных напрямую вырабатывать электроток под воздействием солнечного света.
• Генераторы постоянного тока – электрические машины, предназначенные для преобразования механической энергии в электроэнергию постоянного тока.
• Термоэлектрогенераторы – устройства, напрямую преобразующие с помощью термоэлементов тепловую энергию в электрический ток.
• Блоки питания (классические, а также импульсные, высоко оснащённые современным электронным оборудованием), предназначенные для понижения напряжения с помощью трансформаторов и дальнейшего выпрямления переменного тока.

Также в качестве накопителей электрической энергии, при определённых условиях вырабатывающих постоянный электрический ток, могут рассматриваться электрические конденсаторы (устройства, обладающие способностью накапливать электрический заряд и при необходимости – отдавать его) и ионисторы (электрохимические конденсаторы).

Направление постоянного тока и обозначение на электроприборах и схемах

Электрический ток всегда течёт от мест большего потенциала к местам меньшего потенциала. Во всяком случае, так принято считать. То есть условным направлением движения постоянного тока служит направление перемещения положительно заряженных частиц. Если в качестве движущей силы выступают отрицательно заряженные частицы (скажем, электроны в металлах), то направление электрического тока будет прямо противоположным направлению потока движущихся частиц.

В качестве условного обозначения в схемах или на электрических приборах выступают значки: – или =. В описаниях или технической литературе достаточно часто можно встретить сокращение DC, взятое из английского языка и обозначающее однонаправленный (не подверженный переменам направления) электрический ток.

Кроме того, очень часто можно видеть, как зажимы аккумуляторов и батареек маркируются знаками: + («плюс» или «положительный полюс», что обозначает место большего потенциала); – («минус» или отрицательный полюс, представляющий собой место сосредоточения меньшего потенциала). Также электрод подключаемого к положительному зажиму устройства, то есть положительный электрод, называется «анодом», подключаемый к отрицательному зажиму – «катодом».

Параметры постоянного тока

Как и всякая физическая величина, постоянный электрический ток характеризуется целым рядом параметров, имеющих непосредственное к нему отношение и отношение к взаимосвязанным с ним величинам.

Величина постоянного тока (сила тока)

Прежде чем говорить о силе тока, определимся с таким понятием, как электрический заряд, выражающий способность тел участвовать в электромагнитных явлениях типа создания электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия.

Впервые это понятие было введено в конце XVIII века французским учёным Шарлем Кулоном, сформулировавшим тогда же свой знаменитый закон о силе взаимодействия между точечными зарядами в зависимости от разделяющего их расстояния. В честь него единица измерения электрического заряда (количества электричества) стала называться «Кулон» (Кл).

Только опираясь на понятие электрического заряда, можно говорить о величине (силе) тока, формула расчёта которого (для равномерного движения зарядов) выглядит следующим образом:

Что можно выразить следующими словами: сила тока прямо пропорциональна количеству зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника за единицу времени. Здесь:

• I – ток, измеряемый в амперах (Андре Мари-Ампер – ещё один французский физик, внёсший значительный вклад в теорию электромагнетизма).
• Q – электрический заряд, измеряемый в кулонах или ампер-часах (А·ч). 1 А·ч = 3600 Кл.
• t – единица времени.

Для измерения силы тока используются амперметры, включаемые последовательно с источником электрического тока.

Плотность тока

Ещё одно важное понятие, необходимое в целях правильного выбора токопроводящего сечения линий электропередачи. Плотность тока это:

Где: I – сила тока в амперах. S – площадь поперечного сечения в м 2 . J – плотность тока в А/м 2 или А/мм 2 .

Электродвижущая сила (ЭДС)

Электродвижущая сила (ЭДС) – это величина, характеризующая работу первичного источника электрической энергии по созданию постоянного электрического тока.

E – электродвижущая сила (ЭДС), измеряемая в вольтах (Алессандро Вольта – известнейший итальянский физик). A – работа, измеряемая в джоулях (Джеймс Прескотт Джоуль – английский физик, внёсший значительный вклад в развитие термодинамики).

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение – это величина, показывающая работу эффективного электрического поля, затраченную на перенос единичного пробного заряда из точки A в точку B.

UAB = φA – φB + EAB

φA – φB – разница потенциалов между точками A и B. EAB – электродвижущая сила, возникающая на искомом участке цепи постоянного тока. Здесь все величины измеряются в вольтах. Для определения величины напряжения применяются вольтметры, подключаемые параллельно участку измерения напряжения.

Применение постоянного тока

Оказывается, постоянный ток окружает нас со всех сторон, хотя мы этого подчас не замечаем. Стоит только взглянуть на электронные часы, фонари, персональные компьютеры, средства связи, разнообразные игрушки, электроинструмент с аккумуляторами, всевозможные медицинские приборы, как сразу станет видно, насколько наша жизнь наполнена химическими источниками электрического тока.

Но это далеко не всё. Постоянный электрический ток находит достаточно широкое применение:

• в электронике, использующей его для питания своих схем повсеместно;
• в гальванизации и гальванопластике для нанесения декоративных или защитных покрытий;
• в электролизе при получении с его помощью из расплавов или растворов солей меди, алюминия, магния, никеля, хлора, натрия и калия;
• при проведении сварочных работ методами электродуговой и электрогазовой сварки;
• при преобразовании переменного тока с помощью инверторов в ток постоянный;
• для питания локальных электрических сетей средств автотранспорта;
• на целом ряде судов, где находит применение электрическая передача с двигателя внутреннего сгорания на движитель;
• в медицинских и научных целях.

Постоянный ток на транспорте

Благодаря удачной вариабельности электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, заключающейся в получении повышенного момента вращения при малых оборотах или, наоборот, стабильной скорости при малых оборотах электродвигателя, системы постоянного тока нашли широкое применение на транспорте. С помощью изменения питающего напряжения или последовательного включения реостата можно регулировать число оборотов электродвигателя, задавая тем самым темп и скорость перемещения транспортного средства.

Вот почему двигатели такого типа используются в силовых установках тепловозов, трамваев, троллейбусов, электровозов, электропоездов и на грузоподъёмных машинах. При этом питающее напряжение трамвайных и троллейбусных линий составляет 550-600 В, а линий метрополитена – 750-900 В.

Линии передачи постоянного тока

Использование высоковольтных линий передач постоянного тока (HVDC) с каждым днём становится всё более и более актуальным. Объясняется это возможностью транспортировки на значительные расстояния огромных объёмов электрической энергии. И это при значительно меньших сетевых потерях, чем в процессе использования ЛЭП переменного тока.

Кроме того, такой способ электроснабжения позволяет избежать процесса синхронизации, доставляющего энергетикам множество проблем и хлопот. Существуют и достаточно интересные варианты передач электроэнергии на короткие расстояния с помощью постоянного тока.

Основным сдерживающим фактором здесь выступает необходимость двойного преобразования тока, что значительно усложняет и резко повышает стоимость изготавливаемых конструкций. При удачном решении данной проблемы всё может кардинальным образом измениться. В настоящее время в эксплуатации находятся ЛЭП постоянного тока: Волгоград-Донбасс, Экибастуз-Центр, вставка Выборг-Финляндия.

Небольшое заключение

Со времён открытия Томасом Эдисоном постоянного электрического тока прошло немало лет. За этот промежуток времени постоянный ток стал незаменимым спутником человека в широчайшем диапазоне сфер деятельности. Кроме того, сейчас у него есть очень заманчивые перспективы применения (при замене электроустановок, работающих на переменном токе, на электроустановки, функционирующие на постоянном токе) в плане:

• повышения устойчивости, надёжности, эффективности, экономичности (снижение потерь) систем электроснабжения при транспортировке электроэнергии по линиям электропередач;
• обеспечение более высокой степени электробезопасности за счёт увеличения порога напряжения до 8В (для переменного тока эта величина составляет 2В);
• возможности, когда отсутствуют трансформаторы, передавать информационные сигналы для нужд телефонной связи и кабельного телевидения;
• использование солнечных батарей и светодиодных светильников, работающих на постоянном токе.

Безусловно, всё это требует дополнительных исследований, но зато достигнутые цели открывают новые возможности, которые вполне оправдывают необходимость вложения средств, получив со временем весьма существенную экономию.

Источник