Что такое постоянный электрический ток?

История открытия постоянного тока

ПОСТОЯННЫЙ ТОК — электрический ток, не изменяющий своих направления и величины при постоянном сопротивлении цепи. Источниками постоянного электрического тока служат гальванические элементы, термоэлементы, аккумуляторы и генераторы постоянного тока. Кроме того, постоянный электрический ток получается преобразованием переменного тока выпрямителями тока.

Гальванический ток

До 80 — 90-х гг. 18 в. знали о существовании только статического и животного (электрический скат и пр.) электричества. Возможность получения электричества, непрерывно протекающего по проводнику, была установлена только после известных опытов итал. врача Л. Гальвани (описаны им в 1791 в «Трактате о силах электричества при мышечном движении»). Гальвани открыл существование непрерывного электрический тока в цепи, составленной из металлов и лягушечьих мышц. Главную причину появления электрический тока Гальвани видел в наличии в мышцах лягушки собственного «животного» электричества. Металлам он отводил только роль проводников электрический тока. Обнаруженное Гальвани «новое электричество» было названо гальваническим, а его прохождение но проводнику по аналогии с движением жидкости — гальваническим током. Такая терминология удерживалась в научном обиходе вплоть до конца 19 в. 

«Теория контактного электричества» Вольта

Повторением и изучением опытов Гальвани занялись многие учёные во всём мире, в т. ч. и итальянский физик А. Вольта. Последний к 1794 окончательно пришёл к выводу об ошибочности выдвинутого Гальвани объяснения причин возникновения электрического ток наличием т. н. «животного электричества» и предложил свою «теорию контактного электричества», по к-рой Постоянный электрический ток появляется благодаря наличию контакта между двумя проводниками 1-го рода (разнородными металлами) и каким-либо проводником 2-го рода. Вольта дал ряд напряжений, а в конце 1799 изобрёл источник постоянного электрического тока — вольтов столб, первое сообщение о котором было опубликовано в 1800 в письме Вольта на имя президента Лондонского королевского общества. Создание первого источника постоянного электрического ток немедленно повлекло за собой исследование свойств постоянного электрического тока.

Научные работы других ученых с электрическим током

Сначала стали известны и изучались физиологические, а затем химические действия. Уже в апреле 1800 английским учёным А. Карлейлю и У. Николсону удалось осуществить электролиз воды. Исследованием химических действий постоянного электрического тока занялись Г. Дэви в Англии, И. Риттер в Германии, В. В. Петров в России и др. К началу 19 в. относятся и первые попытки выяснить закономерности протекания электрический тока по проводнику.

В 1803 Петров на основании своих опытов пришёл к выводу о прямой зависимости силы тока от площади поперечного сечения проводника. Такие же результаты через 18 лет получил и Дэви. Петров и Дэви явились, т. о., предшественниками немtwrjuj учёного Г. С. Ома в вопросе количественной характеристики процессов, происходящих в электрический цепи.

В 1820 датским физиком X. К. Эрстедом было открыто явление действия постоянного электрического тока на магнитную стрелку. Этим была установлена взаимная связь электрических и магнитных явлений. После открытия Эрстеда последовал ряд выдающихся работ в области электричества и магнетизма, сыгравших большую роль в развитии теории и практическом применений постоянного тока. Экспериментируя с двумя проводниками, обтекаемыми постоянным электрическим током, французский физик А. Ампер в 1820 обнаружил факт их притяжения и отталкивания и вывел основной закон взаимодействия электрический токов.

Открытия электромагнитной индукции и создание генератора Фарадеем

В 1821 английский учёный М. Фарадей впервые наблюдал вращение проводника с током вокруг магнита, что оказалось чрезвычайно важным для построения электродвигателей. Через десять лет (1831) Фарадею удалось открыть явление электромагнитной индукции. Одним из следствий этого великого в истории электротехники открытия было изобретение нового генератора электрического тока — электромагнитного генератора. Первой такой машиной можно считать диск Фарадея. Вслед за ней в течение 1830 — 40-х гг. были предложены различные более или менее совершенные конструкции электромагнитных генераторов (генератор С. Даль-Негро, И. Пиксии, Э. Кларка и др.).

Изобретатели этих машин ставили себе специальной целью получение постоянного тока, действия которого были уже в значительной мере изучены и который требовался в лабораторной практике и для немногочисленных тогда практических применений (гальванопластика, электрический взрывание, освещение). Для преобразования переменного тока, генерировавшегося в обмотке ротора, в начало 1830-х гг. был изобретён коллектор. Однако первые электромагнитные генераторы постоянного электрического тока, получившие практическое распространение, были созданы лишь в 1860— 70-х гг., после открытия принципа самовозбуждения и изобретения кольцевого якоря. В период, последовавший за открытием Эрстеда, начинает вполне отчётливо определяться тенденция не только к качественному, но и к количественному описанию различных действий электричества.

Открытие и описание законов электричества

Ампер дал математическое выражение закону взаимодействия между элементами токов. В 1826 — 27 Ом завершил работы своих предшественников, сформулировав закон, ставший основой расчёта электрический цепи (Ома закон). Несколько позже (1847) немецкий учёный Г. Кирхгоф, базируясь на законе Ома, разработал метод расчёта сложных (разветвлённых) электрических цепей. В 1834 Фарадей нашёл количественное выражение для химических действий постоянного электрического тока — законы электролиза.

Тепловое действие постоянного электрического тока, подмеченное еще в начале 19 в. (Петров и другие), было изучено английским учёным Дж. П. Джоулем (1841) и одновременно русским учёным Э. X. Ленцем, которые независимо друг от друга нашли соотношение между количеством протекшего электричества и выделенным в проводнике теплом (Джоуля — Ленца закон).

Практическое применение постоянного электрического тока

Теоретические работы в области электричества и магнетизма подготовили почву для развития практических применений постоянного электрического тока, что, в свою очередь, стало серьёзным стимулом для совершенствования теории. Начиная с 30-х гг. 19 в. постоянный ток получает всё более широкое применение в электромагнитном телеграфе, гальванопластике, в минном деле. Делались попытки использовать постоянный электрический ток для электродвижения (русский академик Б. С. Якоби, американский изобретатель Т. Девенпорт). электрический дугу, открытую В. В. Петровым, в 1840-х гг. Л. Фуко и Аршро (Франция), а за ними и другие стараются приспособить для электрический освещения. С дальнейшим ростом производства проблема электрического освещения становится одной из наиболее актуальных проблем электротехники, определяющей её развитие.

Применение постоянного электрического тока для освещения

Свеча Яблочкова впервые наглядно продемонстрировала богатые возможности практического использования электричества для освещения. С другой стороны, она поколебала незыблемые до сих пор позиции постоянного электрического тока: для обеспечения равномерного сгорания углей в свече необходим был переменный ток. Изобретение трансформатора (П. Н. Яблочков, 1876) создавало реальные возможности для наилучшей технической утилизации свойств переменного тока трансформироваться с одного напряжения на другое. Изобретение лампы накаливания (русский учёный А. Н. Лодыгин) и внедрение её в практику (американский изобретатель Т. Эдисон), а также разработка новых конструкций двигателей постоянного электрического тока для привода различных установок укрепили на некоторое время господствующее положение постоянного электрического тока и поставили вопрос о его централизованном производстве и распределении. Попытки устройства (в 1870 — 80-х гг.) у каждого потребителя электрического света установки для получения постоянного электрического тока (котёл, первичный двигатель, генератор) не могли иметь значения для развития техники прежде всего из-за экономической нецелесообразности. В начале 1880-х гг. наметился переход к централизованному производству и распределению постоянного электрического тока Теоретическими предпосылками к этому служили работы русского электротехника Д. А. Лачинова и франц. физика М. Депре, обосновавших возможность передачи электроэнергии на любое расстояние при соответствующем повышении напряжения.

Создание линии электропередачи Депре

В 1882 Депре практически доказал возможность передачи электроэнергии постоянного электрического тока на значительные расстояния, соорудив в Германии линию электропередачи между Мисбахом и Мюнхеном (57 км). Он применял напряжение 1500 — 2000 в, а затем 5000 — 6000 в (на линии Крей — Париж). Для этих передач Депре были сконструированы генераторы постоянного электрического тока высокого напряжения, которые, однако, не могли быть приняты для широкой практики из-за ряда недостатков. Доступным для техники тех лет был лишь постоянный электрический ток низкого напряжения.

Недостатки постоянного тока

Опыт эксплуатации электростанций постоянного электрического тока , сооружённых в 1880 — 90-х гг. в России, Англии, Франции и других странах, показал вскоре ограниченные возможности постоянного электрического тока низкого напряжения. Предельный радиус передачи электрический энергии (на напряжении ок. 100 в) от электростанций постоянного электрического тока составлял 1 км. При передаче на большее расстояние потери энергии становились чрезмерно велики, и использование постоянного электрического тока оказывалось уже невыгодным.

Преимущество переменного тока при электроснабжении (М. О. Доливо-Добровольский)

В то же время созданная русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским в 1891 установка трёхфазного тока показала серьёзные преимущества переменного тока при передаче больших количеств электроэнергии для снабжения различных потребителей и в первую очередь потребителей механической энергии. С этого времени постоянный электрический ток начал постепенно вытесняться из большинства отраслей промышленности трёхфазным, оставаясь господствующим лишь на транспорте, в электрохимическом и некоторых других производствах. Причина замены постоянного электрического тока переменным в области энергоснабжения заключается прежде всего в том, что посредством трансформаторов электрических  напряжение переменного тока просто и экономично может быть увеличено или уменьшено в несколько раз, благодаря чему передача энергии по проводам может производиться при более высоком напряжении (а следовательно, при меньшем токе и с меньшими потерями), чем её производство на электростанции или использование в местах потребления.

Кроме того, Доливо-Добровольский сконструировал трёхфазный асинхронный двигатель, к-рый, вследствие своей простоты и дешевизны, нашёл широкое применение в промышленности. В последнее время проблема передачи энергии на весьма большие расстояния (св. 1000 км) вновь привлекла внимание к постоянному электрическому току . Необходимо отметить, что создатель техники трёхфазного тока Доливо-Добровольский в своё время дальновидно указывал на целесообразность использования постоянного электрического тока при передачах электроэнергии от электростанций на большие расстояния при напряжении свыше 500 000 в.

Области применения постоянного электрического тока

Основными областями применения постоянного электрического тока являются: трамваи, троллейбусы, метрополитены, электрические железные дороги, электрохимии, заводы, различные устройства связи, сигнализации, телемеханики и некоторые промышленные предприятия, в которых требуется широкое регулирование скорости электродвигателей. Скорость вращения двигателей постоянного электрического тока легче поддаётся регулированию, чем скорость вращения двигателей переменного тока, для регулирования к-рой требуются довольно сложные устройства. Поэтому в области электрического транспорта постоянный электрический ток имеет преимущество перед переменным. Применение постоянного электрического тока в электрохимии, заводах обусловлено тем, что электролитические процессы возможны только при постоянном токе. Для питания промышленных установок постоянного электрического тока получается с преобразовательных подстанций. На транспорте источником постоянного электрического тока служат тяговые подстанции . Наконец, в устройствах связи, сигнализации и телемеханики необходимость постоянного электрического тока определяется специфическими требованиями применяемой в этой области аппаратуры. Здесь постоянный электрический ток получают от источников электропитания установок связи.

Закон Ома

В основе всех методов расчёта токов в цепях постоянного электрического тока лежат законы Ома и Кирхгофа (Кирхгофа правила). Согласно закону Ома, в любом участке цепи, соединяющем две её точки и не содержащем эдс, сила тока I пропорциональна приложенному к участку цепи напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника, где U— напряжение, или разность потенциалов между этими точками, а R — сопротивление участка цепи. Закон Ома может быть применён и ко всей цепи в целом при наличии в ней только одного источника питания:

                           I = E÷ R

где Е — эдс источника постоянного электрического тока,R— сопротивление всей цепи, включая и внутреннее сопротивление источника питания. При наличии эдс Е1 в участке цепи закон Ома для него принимает вид:

знак + относится при этом к случаю, когда Е1 и U действуют в одинаковом направлении, а знак — к обратному случаю.

Законы Кирхгофа

Законов Кирхгофа два. Первый из них относится к любому узлу цепи, т. е. к точке, в к-рой сходятся три или более участков цепи, и состоит в том, что сумма токов, направленных к узлу, равна сумме токов, направленных от узла. Второй закон Кирхгофа относится к любому замкнутому контуру, к-рый можно выделить в разветвлённой цепи, и состоит в том, что

где Еk — эдс в каком-либо участке рассматриваемого контура, Іk — ток в нём, Rk — его сопротивление, n — число участков в контуре. При этом произвольное направление обхода контура принято за положительное как для всех Еk, так и для всех Іk этого контура. Ек и Ік, имеющие обратные направления, считаются отрицательными. Определение токов в любой разветвлённой цепи постоянного электрического тока, но содержащей нелинейных элементов (линейная цепь), может быть выполнено путём составления и решения системы алгебраических уравнений первой степени по первому и второму законам Кирхгофа. При этом число уравнений, составленных но первому закону Кирхгофа, должно быть на единицу меньше числа узлов в цепи, а каждый из контуров, для которых составляются уравнения по второму закону Кирхгофа, должен содержать хотя бы один участок цепи, но входящий в состав других таких же контуров. Общее число уравнений должно быть равно числу ветвей цепи, т. е. числу неизвестных токов. При несоблюдении этих правил система уравнений будет неполной и не будет иметь определённого решения. Непосредственное применение законов Кирхгофа для определений токов даже в но очень сложной разветвлённой цепи даёт довольно громоздкое решение, требующее большого количества вычислений. Поэтому пользуются более простыми принципами и методами, основанными на тех же законах Кирхгофа, но значительно облегчающими расчёт токов.