Постоянный ток

Постоя́нный ток  — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока. Однонаправленный ток (англ. direct current) - это электрический ток, не изменяющий своего направления.

На рисунке справа красным цветом изображён график постоянного тока. По горизонтальной оси отложен масштаб времени <math>t</math>, а по вертикальной — масштаб тока <math>I</math> или электрического напряжения <math>U</math>. Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси времени).

Величина постоянного тока <math>I</math> и электрического напряжения <math>U</math> для любого момента времени сохраняется неизменной.

При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов).

Постоянный ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

В каждой точке проводника, по которому протекает постоянный ток, одни элементарные электрические заряды непрерывно сменяются другими, совершенно одинаковыми по сумме электрическими зарядами. Несмотря на непрерывное перемещение электрических зарядов вдоль проводника, общее пространственное их расположение внутри проводника как бы остаётся неизменным во времени, или стационарным.

Переносчиками электрических зарядов являются:

• в металлах — свободные электроны;
• в электролитах — ионы: катионы и анионы;
• в газах — ионы и электроны;
• в вакууме — электроны, образовавшиеся при электронной эмиссии;
• в полупроводниках — электроны и дырки.

Постоянное движение электрических зарядов создаётся и поддерживается сторонними силами, которые могут иметь химическую (в гальванических элементах), электромагнитную (динамо-машина постоянного тока), механическую (электрофорная машина) или иную (например, радиоактивную в стронциевых источниках тока) природу. Во всех случаях источник тока является преобразователем энергии сторонних сил в электрическую.

Электрическое поле, сопутствующее постоянному току в проводнике и в соответствии с этим стационарное распределение в нём электрических зарядов, называется стационарным (неизменным во времени) электрическим полем.

Электрические заряды в стационарном электрическом поле нигде не накапливаются и нигде не исчезают, так как при всяком пространственном перераспределении зарядов неизбежно должно было бы измениться стационарное электрическое поле и соответственно ток перестал бы быть постоянным по времени.

Для стационарности поля и тока требуется, чтобы электрические заряды нигде не накапливались и нигде не терялись, а перемещались непрерывным и равномерным потоком вдоль проводников. Для этого необходимо, чтобы проводники совместно образовывали замкнутый на себя контур. В этом случае будет достигнуто непрерывное круговое равномерное движение электрических зарядов вдоль всего контура.

Постоянный электрический ток может существовать только в замкнутом на себя контуре, состоящем из совокупности проводников электричества, в котором действует стационарное электрическое поле.

Источники постоянного тока

Самыми первыми источниками постоянного тока являлись химические источники тока: гальванические элементы, затем человечество изобрело аккумуляторы. Полярность химических источников тока самопроизвольно измениться не может.

Для получения постоянного тока в промышленных масштабах используют электрические машины — генераторы постоянного тока, а также солнечные батареи.

В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения постоянного тока используют блоки питания. Как правило, переменный ток понижается трансформатором до нужного значения, затем выпрямляется. Далее для уменьшения пульсаций используется сглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор тока или стабилизатор напряжения или регулятор напряжения. В современной радиоэлектронной аппаратуре получили распространение импульсные блоки питания.

Электрическую энергию могут накапливать электрические конденсаторы. При разряде конденсатора во внешней цепи протекает постоянный ток. Однако, если конденсатор разряжается через катушку индуктивности, то в цепи появляется переменный ток, это устройство называется колебательный контур. Электролитические конденсаторы могут иметь очень большую электрическую ёмкость (сотни и тысячи микрофарад и более).

Ионисторы — гибрид конденсатора и химического источника тока, способны накапливать и отдавать довольно большое количество электрической энергии, например, чтобы электромобиль с ионисторами проехал некоторое расстояние.

Направление постоянного тока и обозначения на электроприборах и схемах

Условно принято считать (общепринято), что электрический ток в электрическом поле имеет направление от точек с бо́льшими потенциалами к точкам с меньшими потенциалами. Это значит, что направление постоянного электрического тока всегда совпадает с направлением движения положительных электрических зарядов, например положительных ионов в электролитах и газах. Там же, где электрический ток создаётся только движением потока отрицательно заряженных частиц, например, потока свободных электронов в металлах, за направление электрического тока принимают направление, противоположное движению электронов.

Точки с бо́льшими потенциалами (например, на зажимах батареек и аккумуляторов) носят название «положи́тельный по́люс» и обозначаются знаком <math>+</math> («плюс»), а точки с меньшими потенциалами называются «отрица́тельный по́люс» и обозначаются знаком <math>-</math> («минус»).

Исторически сложилось, что электрическая изоляция положительного провода окрашена в красный цвет, а отрицательного провода — в синий или чёрный.

Условное обозначение на электроприборах: <math>\mathbf-</math> или <math>\mathbf=</math>, может быть также использован Юникод символ ⎓ (U+2393). Однонаправленный ток (в том числе постоянный) обозначается латинскими буквами <math>DC</math>.

В ряде случаев можно встретить другие символы, например на малогабаритных штекерах, предназначенных для подключения к электронному устройству сетевого блока питания (или на корпусе самого электронного устройства, возле разъёма для подключения штекера) <math>\odot</math> с указанием полярности.

Электроды каких-либо устройств или радиодеталей (диодов, тиристоров, вакуумных электронных приборов), подключаемые к положительному проводу, носят название «анод», а электроды, подключаемые к отрицательному проводу, называются «катод».

Параметры постоянного тока

Величина постоянного тока (сила тока)

Мерой интенсивности движения электрических зарядов в проводниках является величина тока или просто ток <math>(I,~i)</math>.

Величина тока — это количество электрических зарядов (электричества), протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Общепринято, что вместо терминов «ток» и «величина тока» часто применяется термин «сила тока».

Термин «сила тока» является некорректным, так как сила тока не есть какая-то сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника. В проводах нет никаких сил. Мы с вами не будем нарушать эту традицию.

Если при равномерном движении электрических зарядов по проводнику за время <math>t</math> протекло количество электричества <math>Q</math>, то ток в проводнике можно выразить формулой <math>I = \frac{Q}{t}</math>.

В проводнике ток равен одному амперу <math>A</math>, если через площадь поперечного сечения его за одну секунду протекает один кулон электричества.

Ампер — единица измерения силы тока, названа в честь Андре-Мари Ампера.

Кулон — единица измерения электрического заряда (количества электричества), названа в честь Шарля Кулона. В тех случаях, когда приходится иметь дело с большими токами, количество электричества измеряется более крупной единицей, называемой ампер-часом, 1 ампер-час равен 3 600 кулонам.

Сила тока измеряется амперметром, он включается в цепь так, чтобы через него проходил весь измеряемый ток, то есть последовательно.

Плотность тока

В электротехнике часто бывает важно знать не только силу тока в проводнике, но и плотность тока, так как плотность тока является мерой допустимой нагрузки проводов.

Плотностью тока называют ток <math>( j</math> или <math>\delta)</math>, приходящийся на единицу площади проводника: <math>j = \frac{I}{S}</math>, где

<math>I</math> — сила тока, в Амперах;

<math>S</math> — площадь поперечного сечения проводника, в квадратных метрах,

<math>j</math> — плотность тока, выражается в амперах на квадратный метр: <math>\left[ \frac{A}{m^2} \right]</math>.

Так как провода с поперечным сечением, исчисляемым квадратными метрами, встречаются крайне редко, то плотность тока обычно выражается в амперах на квадратный миллиметр <math>\left[ \frac{A}{mm^2} \right]</math>.

Электродвижущая сила и электрическое напряжение

Разность потенциалов между точками, между которыми протекает постоянный ток, могут охарактеризовать электродвижущая сила и электрическое напряжение.

Электродвижущая сила

Каждый первичный источник электрической энергии создаёт стороннее электрическое поле. В электрических машинах (генераторах постоянного тока) стороннее электрическое поле создаётся в металлических проводниках якоря, вращающегося в магнитном поле, а в гальванических элементах и аккумуляторах — в месте соприкосновения электродов с электролитом (растворами солей или кислот) при их химическом взаимодействии.

Стороннее электрическое поле, имеющееся в источнике электрической энергии постоянного тока, непрерывно взаимодействует на электрические заряды проводников, образующих вместе с ним замкнутую цепь, и создаёт в ней постоянный электрический ток.

Перемещая электрические заряды по замкнутой цепи, силы стороннего электрического поля преодолевают сопротивление противодействующих сил, например вещественных частиц проводников. Это приводит к тому, что силы стороннего электрического поля совершают работу за счёт энергии этого поля. По мере расхода энергии стороннее электрическое поле пополняет её за счёт механической или химической энергии.

В результате работы сил стороннего электрического поля энергия этого поля переходит в электрической цепи в какие-либо иные виды энергии, например в тепловую энергию в металлических проводниках, тепловую и химическую в электролитах, тепловую и световую энергию в электрических лампах и так далее.

Выражение «работа сил стороннего электрического поля» источника электрической энергии ради краткости обычно заменяют выражением «работа источника электрической энергии».

Если известна работа, совершаемая источником электрической энергии при перемещении единичного электрического заряда по всей замкнутой электрической цепи, то легко определить работу, совершаемую им при переносе некого электрического заряда <math>Q</math> по этой цепи, так как величина работы пропорциональна величине заряда.

Величина, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой <math>E</math>.

Следовательно, если источник электрической энергии при переносе заряда <math>Q</math> по всей замкнутой цепи совершил работу <math>A</math>, то его электродвижущая сила <math>E</math> равна <math>E = \frac{A}{Q}</math>.

В Международной системе единиц (СИ) за единицу измерения электродвижущей силы принимается один вольт <math>(~v,~V~)</math>. Единица названа в честь итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта.

Электродвижущая сила источника электрической энергии равна одному вольту, если при перемещении одного кулона электричества по всей замкнутой цепи им была совершена работа, равная одному джоулю : <math>1~volt = \frac {1~coulomb}{1~joule}</math>.

Например, если электродвижущая сила какого-либо источника электрической энергии <math>E = 220~volt</math>, то это надо понимать так, что источник электрической энергии, перемещая один кулон электричества по всей замкнутой цепи, совершит работу <math>A = 220~joule</math>, так как <math>E = \frac{A}{Q} = \frac{220~joule}{1~coulomb}</math>.

Из формулы <math>E = \frac{A}{Q}</math> следует, что <math>A = EQ</math>, то есть работа источника электрической энергии при переносе его электрического заряда по всей замкнутой цепи равна произведению величины электродвижущей силы <math>E</math> его на величину переносимого электрического заряда <math>Q</math>.

Электрическое напряжение

Если источник электрической энергии переносит электрический заряд <math>Q</math> по всей замкнутой цепи, то он совершает некоторую работу <math>A</math>. Часть этой работы <math>A_0</math> он совершает при переносе заряда <math>Q</math> по внутреннему участку цепи (участок внутри самого источника электрической энергии), а другую часть <math>A_1</math> — при переносе заряда <math>Q</math> по внешнему участку цепи (вне источника).

Следовательно, <math>A=A_0+A_1</math>, то есть работа <math>A</math>, совершаемая источником электрической энергии при переносе электрического заряда <math>Q</math> по всей замкнутой цепи, равна сумме работ, совершаемых им при переносе этого заряда по внутреннему и внешнему участкам этой цепи.

Если разделить левую и правую часть равенства <math>A=A_0+A_1</math> на величину единичного заряда <math>Q</math>, получим работу, отнесённую к единичному заряду: <math>\frac{A}{Q} = \frac{A_0}{Q} + \frac{A_1}{Q}</math>.

Работа источника электрической энергии, совершаемая им при переносе единичного заряда по всей замкнутой цепи, численно равна его электродвижущей силе, то есть <math>E = \frac{A}{Q}</math>, где <math>E</math> — электродвижущая сила источника электрической энергии.

Величина <math>\frac{A_0}{Q}</math>, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного заряда по внутреннему участку цепи, называется падением напряжения (напряжением) на внутреннем участке цепи, то есть <math>U_0 = \frac{A_0}{Q}</math>, где <math>U_0</math> — падение напряжения на внутреннем участке цепи.

Величина <math>\frac{A_1}{Q}</math>, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного заряда <math>Q</math> по внешнему участку цепи, называется падением напряжения (напряжением) на внешнем участке цепи, то есть <math>U_1 = \frac{A_1}{Q}</math>, где <math>U_1</math> — падение напряжения на внешнем участке цепи.

Следовательно, равенству <math>\frac{A}{Q} = \frac{A_0}{Q} + \frac{A_1}{Q}</math> можно придать такой вид: <math>E = U_0 + U_1</math>, то есть

Электродвижущая сила источника электрической энергии, создающего ток в электрической цепи, равняется сумме падений напряжения на внутреннем и внешнем участке цепи.

Из равенства <math>E = U_0 + U_1</math> следует, что <math>U_1 = E - U_0</math>, то есть падение напряжения на внешнем участке цепи меньше электродвижущей силы источника электрической энергии на величину падения напряжения на внутреннем участке цепи.

Следовательно, чем больше падение напряжения внутри источника электрической энергии, тем меньше при всех прочих равных условиях падение напряжения на зажимах источника электрической энергии.

Так как падение напряжения имеет одинаковую размерность с электродвижущей силой, то есть выражается в джоулях на кулон, или, иначе, в вольтах, то за единицу измерения падения напряжения (электрического напряжения) принят один вольт.

Электрическое напряжение на зажимах источника электрической энергии (падение напряжения на внешнем участке цепи) равно одному вольту, если источник электрической энергии совершает работу, равную одному джоулю, при переносе электрического заряда в один кулон по внешнему участку цепи.

Напряжение на участках цепи измеряется вольтметром, он всегда присоединяется к тем точкам цепи, между которыми он должен измерить падение напряжения, то есть параллельно.

Применение постоянного тока

• Постоянный ток широко используется в технике: подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток.
• Постоянный ток применяется в электролизе: на установках промышленного электролиза из растворов или расплавов солей получают алюминий, магний, натрий, калий, никель, медь, хлор и другие вещества.
• Постоянный ток применяется в гальванизации и гальванопластике — на электропроводящей поверхности какого-нибудь предмета электрохимическим путём осаждается защитное или декоративное металлическое покрытие, например, бронзовый корпус наручных часов покрывается тонким слоем золота.
• Постоянный ток в ряде случаев используется при сварочных работах (электрическая дуговая или электрогазовая сварка), например, сварить деталь из нержавеющей стали специальным сварочным электродом можно только постоянным током.
• В некоторых устройствах постоянный ток преобразуется в переменный ток преобразователями (инверторами), например, в компьютерных бесперебойных блоках питания при работе в автономном режиме.
• На старых автомобилях (ГАЗ-51, ГАЗ-69, ГАЗ-М-20 «Победа» и многих других), другой мото- и сельскохозяйственной технике устанавливались автомобильные генераторы постоянного тока. Развитие полупроводниковой техники привело к тому, что с 1970-х годов их вытеснили трёхфазные генераторы переменного тока как более лёгкие, компактные и надёжные.
• На некоторых типах судов используется электрическая передача (дизель-электроходы, ледоколы, подводные лодки).
• Электрофорез — введение лекарственных веществ в организм с помощью постоянного тока или разделение смеси веществ в научных или промышленных целях, например электрофорез белков.

Постоянный ток на транспорте

Широкое применение постоянного тока на транспорте обусловлено тем, что электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением имеют оптимальную для транспортных средств тяговую характеристику — большой крутящий момент при малом числе оборотов в минуту, и наоборот, относительно малый крутящий момент при номинальной скорости вращения якоря. Число оборотов легко регулируется последовательным включением реостата или изменением напряжения на зажимах двигателя. Направление вращения легко меняется (как правило, переключается полярность обмотки возбуждения). В силу этого электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением нашли широкое применение на электровозах, электропоездах, тепловозах, трамваях, троллейбусах, подъёмных кранах, подъёмниках и так далее.

Исторически сложилось, что линии трамвая, троллейбуса и метрополитена электрифицированы на постоянном токе, электрическое напряжение составляет 550—600 вольт (трамвай и троллейбус), метрополитен 750—900 вольт.

• В железнодорожной и трамвайной контактной сети «плюс» подаётся на контактный провод, а на метрополитене — на контактный рельс. Общим (обратным) проводом служат рельсы («минус»).

На тепловозах до 1970-х гг. основным типом тягового генератора был генератор постоянного тока (тепловозы ТЭ3, ТЭ10, ТЭП60, ТЭМ2 и др.), стояли коллекторные тяговые электродвигатели, однако развитие полупроводниковой техники привело к тому, что с 1970-х годов на тепловозах начали устанавливаться трёхфазные генераторы переменного тока с полупроводниковой выпрямительной установкой (электрическая передача переменно-постоянного тока, тепловозы ТЭ109, ТЭ114, ТЭ129, ТЭМ7, ТЭМ9 и др.), а с 1990-х гг применяются асинхронные тяговые двигатели (тепловозы с электропередачей переменно-переменного тока 2ТЭ25А, ТЭМ21).

В России и в республиках бывшего СССР около половины электрифицированных участков железных дорог электрифицированы на постоянном токе 3 000 вольт.

• Электрификация железных дорог Советского Союза началась на постоянном токе (Баку—Сабунчи и Сурамский перевал). В довоенные годы ряд участков был электрифицирован напряжением 1,5 кВ, затем они были переведены на 3 кВ.
• Армянская железная дорога практически полностью электрифицирована на постоянном токе.
• Грузинская железная дорога практически полностью электрифицирована на постоянном токе.

Электрификация на постоянном токе 3 кВ не является оптимальной по сравнению с электрификацией на переменном токе 25 кВ промышленной частоты (50 Гц), сравнительно мало́ напряжение в контактной сети и велика сила тока, однако технические возможности электрификации на переменном токе появились только во второй половине XX века. Например, два электровоза имеют равную мощность 5 000 киловатт. У электровоза постоянного тока (3 кВ) максимальный ток, проходящий через токоприёмник составит 1 667 ампер, у электровоза переменного тока (25 кВ) — 200 ампер. В 1990-е — 2000-е годы ряд участков переведён с постоянного на переменный ток: Слюдянка—Иркутск—Зима, Лоухи—Мурманск, Саратовский и Волгоградский железнодорожные узлы, Минеральные Воды—Кисловодск и Бештау—Железноводск.

В 1970-е гг. в СССР проводились эксперименты с электрификацией на напряжение 6 кВ, однако по ряду технических причин эта система не была принята.

Следует отметить, что также выпускаются двухсистемные электровозы, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (см. ВЛ61^Д, ВЛ82 и ВЛ82^М, ЭП10, ЭП20).

Линии электропередач постоянного тока

В подавляющем большинстве случаев по линиям электропередач передаётся трёхфазный ток, однако существуют линии электропередач постоянного тока, например высоковольтная линия постоянного тока Волгоград-Донбасс, высоковольтная линия постоянного тока Экибастуз-Центр, материковая Южная Корея — остров Чеджудо и другие. Использование постоянного тока позволяет увеличить передаваемую электрическую мощность, передавать электроэнергию между энергосистемами, использующими переменный ток разной частоты, например, 50 и 60 герц, а также не синхронизировать соседние энергосистемы, как это сделано на границе Ленинградской области с Финляндией (см. вставка постоянного тока Выборг — Финляндия).

См. также

• Усилитель постоянного тока
• Переменный ток
• Элементарный электрический заряд

Литература

• В. Е. Китаев, Л. С. Шляпинтох. Электротехника с основами промышленной электроники. — 3-е, переработанное и дополненное. — Москва: Высшая школа, 1973. — 358 с. — 200 000 экз.

Ссылки

• Постоянный ток — статья из Большой советской энциклопедии.