Как происходит получение переменного тока

Большая часть населения Земли пользуется электричеством. Но мало кто знает, что в дома поступает переменный ток. Такой электроток с течением времени изменяется векторно (то есть, меняется направление) и количественно (меняется численная величина). На электроприборах обозначается значками или . Способ получения переменного электротока известен уже почти двести лет. Его основным популяризатором был Никола Тесла.

Промышленное получение электротока

Многим интересно знать, где происходит промышленное получение переменного тока. Для этого используют электростанции. Они бывают нескольких видов. В основном это гидравлические (ГЭС), атомные (АЭС), тепловые (ТЭС). Электроток на них получают, пользуясь принципом электромагнитной индукции.

Получение и передача переменного электрического тока на тепловых электростанциях требует турбогенератора, при помощи которого энергия используемого сгораемого топлива генерируется в переменный электроток. На гидроэлектростанциях механическая энергия воды преобразуется в электрическую гидрогенератором. На АЭС получение переменного электрического тока происходит при расщеплении урана в реакторах.

Электричество передается в дома по линиям электропередач. Использование ЛЭП позволяет поставлять электроэнергию на очень далекие расстояния. Так как прохождение электроэнергии связано с некоторыми потерями за счет нагревания проводов, при транспортировке обычно уменьшают силу тока, а напряжение увеличивают. Для этого используют повышающие трансформаторы, а перед подачей в дома электронапряжение уменьшают до 220 Вольт, но уже понижающими трансформаторами.

Описательные величины

Есть некоторые физические параметры, которые описывают переменный электроток:

• Амплитуда колебаний. Это максимальное отклонение силы электротока I от среднего значения. Амплитуда колебаний выражается в тех же единицах измерения, что и основная величина. Так как в качестве единицы измерения тока используют ампер, то и у амплитуды колебаний та же размерность.
• Циклическая частота колебаний. Это количество полных колебаний I за 2π секунд. Размерность циклической частоты — рад/с (радиан за секунду) либо 1/c (радиан — это безразмерная величина), а также секунда в -1 степени.
• Период колебаний. Это время одного полного колебания. Размерность — секунды.
• Частота колебаний. Величина, обратная периоду колебаний. Это число колебаний в единицу времени. Размерность — герцы (Гц) либо секунда в -1 степени. Стоит отметить, что в разных странах частота электротока, пускаемого по линиям электропередач, разная. В большинстве стран она составляет 50 Гц, в США и Канаде — 60 Гц. В Японии используется и тот, и другой стандарты.

В электросетях используется синусоидальный ток, который изменяется по гармоническому закону (закон косинуса или синуса):

Данная формула считается упрощенной, поскольку для нее принимается, что начальное время t₀ = 0. Если отсчет времени начинается не с 0, то выражение принимает вид:

I = I₀ * sin(ω * t + φ), где добавляется начальная фаза колебаний. Именно по этой формуле рассчитывается величина переменного тока.

На представленном рисунке видно, что одна ось координат — это I (переменный электроток), а другая ось — это t (время). Соответственно, график показывает зависимость I от t, то есть, зависимость тока от времени. В положениях 1, 3, 5, 7, 9, 11 наблюдается наибольшее значение амплитуды. Такой график называется синусоидой.

Как возникает электроток

После того как была представлено выражение для нахождения величины переменного электротока, следует разобраться, откуда он берется. Постараемся объяснить это кратко и просто.

Принцип получения переменного тока основывается на явлении электромагнитной индукции, которая описывается законом Фарадея. Чтобы лучше понять, рассмотрим картинку. На ней изображено самое простое устройство для получения переменного тока.

Есть рамка, сделанная из проводящего материала. Она помещается в магнитное поле. Стрелки на рисунке — это силовые линии магнитного поля. При равномерном вращении на концах контура появляется синусоидальный ток. Это связано с тем, что рамку каждый раз пронизывает разное количество силовых линий, что объясняется законом Фарадея. К тому же, в законе учитывается скорость вращения, следовательно, и частота, и период. Эти характеристики, как говорилось выше, описывают главное понятие статьи — переменный электроток.

Как уже было замечено, электроэнергию можно получить, используя энергию воды, атома, ветра или солнца. Преобразованием занимаются устройства, которые называются генераторами. Все они работают по схожему алгоритму.

Основные составные части генератора: статор — неподвижная часть, ротор — подвижная. Можно запомнить так: статика — это отсутствие движения, поэтому неподвижная часть называется статором, а подвижная, соответственно, ротором.

Статор — это цилиндр пустотелый внутри. Там находится провод из меди. В нем благодаря переменному магнитному потоку, создаваемому вращающимся ротором, возникает переменный электроток.

Ротор — это электромагнит, по которому течет постоянное электричество. Вращается механической силой, например, водой или паром. При вращении магнитное поле меняется, поэтому меняется и магнитный поток в статоре, в результате образуется переменный электроток.

Если посмотреть внимательно, то вокруг ротора находится контур с большим количеством витков. В таком случае его называют катушкой.

Трехфазная и однофазная системы

В быту обычно пользуются электросхемами для однофазного переменного тока, но он может быть и трехфазным. Трехфазный ток — это три независимых переменных напряжения, смещенные по фазе на 120 градусов.

Если в квартиру вводится 2 провода (фаза и ноль), то система является однофазной и обеспечивает рабочее электронапряжение 220 В. Если же 4 провода (три фазы и ноль), то система трехфазная с рабочим электронапряжением 380 В.

Применение трех фаз предоставляет следующие преимущества:

• Снижается энергопотребление.
• Загрузка электросетей распределяется более равномерно.
• Выше производительность электросети.
• Возможность подключения промышленных машин.

Основной минус — дороговизна. Использование трехфазовой системы наблюдается обычно в частных домах, для квартиры лучше подходит однофазовая.

В быту в некоторых случаях может практиковаться получение переменного однофазного или трехфазного тока из постоянного. Для этого применяют специальный прибор — инвертор. С его помощью постоянные 12 или 24 В можно превратить в 220 В переменного электротока частотой 50 Гц.

Видео по теме