Постоянный электрический ток: основные понятия и определения

Постоянный электрический ток сопровождает нас повсюду – от бытовых приборов до транспорта и промышленности. Давайте разберемся, что это такое, как получают и где используют этот вид электричества.

Определение постоянного тока

Постоянный ток – это электрический ток, который со временем не меняется по величине и направлению. В отличие от переменного тока, у постоянного тока полярность остается неизменной.

На схемах и чертежах постоянный ток обозначается прямой линией или аббревиатурой DC (direct current).

Условия существования постоянного тока

Чтобы в электрической цепи тек постоянный ток, необходимо выполнение следующих условий:

• Наличие постоянного электрического поля
• Замкнутая электрическая цепь
• Источник электродвижущей силы (ЭДС), поддерживающий ток в цепи

Таким источником ЭДС может быть химический источник тока (батарейка, аккумулятор), электромашинный генератор, солнечная батарея.

Основные законы постоянного тока

Расчет электрических цепей постоянного тока базируется на двух фундаментальных законах:

1. Закон Ома для участка цепи:

   I = U / R

   где I – сила тока, А; U – напряжение, В; R – сопротивление участка цепи, Ом
2. Закон Джоуля-Ленца о тепловом действии тока:

   Q = I² · R · t

   где Q – количество выделившегося тепла, Дж; I – сила тока, А; R – сопротивление, Ом; t – время, с

С помощью этих законов можно рассчитать любую электрическую цепь постоянного тока, будь то простая или сложная разветвленная схема.

Источники постоянного тока

В качестве источников постоянного тока чаще всего используют следующие устройства:

• Гальванические элементы – батарейки, аккумуляторы. Химическая энергия превращается в электрическую.
• Электромашинные генераторы – электрическая машина преобразует механическую энергию вращения в электрическую.
• Солнечные батареи – преобразуют энергию света в электрическую с помощью фотоэффекта.
• Топливные элементы – химическая энергия топлива непосредственно преобразуется в электрическую.

Также постоянный ток можно получить из переменного с помощью выпрямителей и стабилизаторов.

Способы получения постоянного тока

Основные способы получения постоянного тока:

1. Использование химических источников тока – гальванических элементов, батареек, аккумуляторов.
2. Применение электромашинных генераторов постоянного тока.
3. Выпрямление переменного тока с помощью полупроводниковых выпрямителей.
4. Стабилизация выпрямленного тока для получения строго постоянного напряжения.

Для автономного электропитания чаще используют батарейки и аккумуляторы. А в стационарных условиях постоянный ток получают путем преобразования переменного сетевого напряжения 220 В.

Области применения постоянного тока

Постоянный ток находит широкое применение в различных областях:

• Электропитание радиоэлектронной аппаратуры, бытовой техники
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Сварочное оборудование
• Электролизные установки
• Электротранспорт (троллейбусы, трамваи, электровозы, электромобили)
• Регулируемые электроприводы в промышленности
• Системы автоматики и телемеханики

Постоянный ток низкого напряжения (12/24/48 В) используется для питания бытовой техники, звукового и осветительного оборудования, видеонаблюдения и охранных систем.

Достоинства постоянного тока

К достоинствам постоянного тока можно отнести:

• Простота получения постоянного магнитного поля
• Возможность электролиза и гальванопластики
• Отсутствие реактивной мощности и cos φ
• Возможность аккумулирования энергии
• Более простое управление скоростью электродвигателей

Недостатки постоянного тока

К недостаткам постоянного тока относятся:

• Большие потери энергии при передаче на расстояние
• Сложность коммутации и размыкания цепи из-за искрения
• Невозможность трансформации напряжения
• Усиление коррозии подземных трубопроводов

Интересные факты о постоянном токе:

• Первые электростанции в Нью-Йорке, построенные Эдисоном в 1882 году, вырабатывали постоянный ток.
• Никола Тесла изобрел первые электродвигатели на постоянном токе и предлагал использовать их вместо паровых машин.
• Из-за невозможности передачи на большие расстояния постоянного тока в электросетях используется переменный ток.
• Многие электронные устройства, хотя и подключаются к бытовой переменной сети 220В, внутри работают от стабилизированного постоянного напряжения 5/12/24 В.

Перспективы применения постоянного тока

В будущем ожидается расширение использования постоянного тока благодаря развитию:

• Силовой электроники и сверхпроводимости для эффективной передачи постоянного тока
• Возобновляемых источников энергии (солнце, ветер), генерирующих постоянный ток
• Накопителей энергии на основе аккумуляторов и суперконденсаторов
• Электротранспорта (электромобилей, электровелосипедов)

Унифицированные системы постоянного тока позволят повысить надежность и гибкость энергосистем за счет распределенной генерации и накопления энергии.

Расчет электрических цепей постоянного тока

Расчет цепей постоянного тока ведется на основании законов Кирхгофа:

1. Первый закон Кирхгофа (закон узлов): сумма всех токов, входящих в узел, равна сумме всех токов, выходящих из узла.
2. Второй закон Кирхгофа (закон контуров): сумма всех электродвижущих сил и падений напряжения в любом контуре равна нулю.

Для сложной схемы сначала определяют направление токов и составляют уравнения по законам Кирхгофа для всех узлов и контуров. Затем система уравнений решается численными методами или методом наложения.

Пример расчета простой цепи постоянного тока

Дана цепь постоянного тока, состоящая из источника напряжения 10 В и трех последовательно соединенных резисторов сопротивлением 3, 6 и 8 Ом. Требуется определить силу тока в цепи.

Сопротивление всей цепи:

R = 3 + 6 + 8 = 17 Ом

По закону Ома:

I = U / R = 10 В / 17 Ом = 0,59 А

Ответ: сила тока в цепи равна 0,59 А.

Измерение параметров цепей постоянного тока

Для измерения параметров в цепях постоянного тока используют следующие приборы:

• Амперметр - для измерения силы тока
• Вольтметр - для измерения напряжения
• Омметр - для измерения сопротивления
• Ваттметр - для измерения мощности

Приборы включают последовательно для измерения тока и напряжения, параллельно - для измерения сопротивления.

Постоянный ток в живых организмах

Электрические процессы играют важную роль в живых организмах. В основе передачи нервных импульсов лежат электрохимические реакции, близкие к протеканию очень слабого постоянного тока.

Также электрические органы обладают некоторые животные, например электрические угри и скаты. Они используют постоянный электрический ток для защиты, ориентации и поиска добычи.

Постоянный ток высокого напряжения

В электроэнергетике используется постоянный ток напряжением в сотни киловольт для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Преимущества высоковольтного постоянного тока:

• Меньшие потери мощности в линиях электропередачи
• Отсутствие реактивной мощности
• Устойчивость параллельной работы электростанций

Передача осуществляется по высоковольтным линиям постоянного тока с использованием силовых полупроводниковых преобразователей на обоих концах линии.

Бесконтактная передача постоянного тока

Возможна беспроводная передача электроэнергии постоянного тока на короткие расстояния посредством электромагнитной индукции.

Для этого используются две катушки индуктивности, одна из которых создает переменное магнитное поле, а вторая наводит ЭДС и вырабатывает постоянный ток после выпрямления.

Такая бесконтактная передача применяется для зарядки электромобилей, смартфонов и других устройств.

Постоянный ток в космических аппаратах

В космических аппаратах широко используется постоянный ток для электропитания бортовой аппаратуры и зарядки аккумуляторов.

Его преимущества в условиях космоса:

• Высокая надежность и стабильность работы
• Отсутствие переменных магнитных полей
• Простота накопления энергии

Для генерации постоянного тока на орбите применяют солнечные батареи и радиоизотопные источники питания.

Постоянный ток высокой частоты

Существуют источники постоянного тока высокой частоты (до сотен кГц), используемые в импульсных источниках питания для питания радиоэлектронной аппаратуры.

Преимуществом является компактность силовых фильтров для выделения постоянной составляющей высокочастотного тока.