Цепи постоянного тока

Электрическая цепь-это система, которая позволяет направлять ток, управлять им, преобразовывать, включать и выключать. Цепи могут содержать от двух-трех до многих сотен различных элементов, характеризующихся определенными параметрами.

Составление цепи. Цепь должна образовывать замкнутый путь для электронов, так чтобы они проходили по всей системе и возвращались в источник в том же количестве, в каком выходили из него. Казалось бы, такое явление, как молния, противоречит этому требованию, тем не менее оно также служит примером электрической цепи. Это кажущееся противоречие разрешается, если рассматривать Землю и различные сооружения как большое «хранилище» электронов. Если облака нарушают баланс электронов, то он восстанавливается ударом молнии-в результате среднее число электронов, потерянных Землей и возвратившихся к ней, оказывается одинаковым.

Электрические токи могут также переноситься заряженными атомами, или ионами. Ионы растворенных солей и других химических веществ проводят ток через электролит в электролитической ванне, а ионы газа переносят электричество в люминесцентной лампе. Все цепи постоянного тока характеризуются тремя параметрами: током /, напряжением U и сопротивлением R.

Иллюстрацией движения электронов (и использования высоковольтного постоянного тока) может служить линия электропередачи. Она состоит из двух проводов-по одному электроны движутся в одном направлении, а по другому они в том же количестве возвращаются назад. Если один из проводов обрывается, то его «заменяет» земля, которая переносит электроны в соответствующем направлении.

Аналогично в качестве так называемой «земли», или обратной цепи,-хотя это неточное и вообще неправильное выражение-используется шасси автомобиля. Один полюс автомобильной батареи соединен с кузовом, и единственный провод идет от другого полюса через выключатель к каждому элементу электрооборудования и в конце концов прочно соединяется с шасси. Благодаря такому устройству число выходящих из батареи электронов точно соответствует числу приходящих. При таком использовании шасси отпадает необходимость во втором проводе для каждого - элемента электрической цепи.

Графические обозначения, применяемые специалистами- электроэнергетиками, должны быть понятны жителю любой страны. Здесь показаны лишь немногие из сотен используемых символов.

Электрические генераторы могут быть как переменного, так и постоянного тока. Работа генераторов постоянного тока не зависит от химических процессов (которые имеют обыкновение заканчиваться), поэтому они обычно дают ток более устойчиво, чем химические источники. Мощные генераторы, подобные показанному на рисунке, вырабатывают переменный ток.

Схема (А) изображает типичную простую электрическую цепь (Б), используемую для аппаратуры, питаемой от батареи. Переключатели регулируют прохождение тока к трем «потребителям»: лампе и двум приборам, содержащим электродвигатели. Вольтметры регистрируют электродвижущую силу (т.е. напряжение) батареи, которая сохраняется почти постоянной. Ток через лампу остается почти постоянным, а токи, текущие через приборы, могут изменяться в зависимости от потребления его двигателями. Предохранители защищают цепь от скачков тока.

Постоянный и переменный токи. На практике главное различие компонентов электрической цепи (хотя это не принципиальное различие) связано с тем, используются ли они для переменного или постоянного тока. Постоянный ток однонаправленный: электроны всегда текут в одном направлении.

За направление тока (оно противоположно направлению движения электронов) принято считать направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. В генераторах постоянного тока, батареях и некоторых других источниках полюсы однозначно определяются конструкцией машины или оборудования. Наиболее распространенным источником постоянного тока является, по-видимому, гальванический элемент, в котором сама природа реактивов определяет полярность системы. То же относится и к генератору постоянного тока (динамомашине), поскольку и здесь полярность определяется конструкцией машины. Фиксированную полярность имеет еще одно устройство, известное как выпрямитель. Он используется для превращения переменного тока в постоянный: независимо от изменения направления тока на входе выпрямителя направление его на выходе всегда одно и то же.

Переменный ток применяется гораздо шире, хотя в некоторых случаях необходим именно постоянный ток, а переменный использовать нельзя. Например, в гальванотехнике требуется постоянный ток, поскольку здесь весьма существенно, чтобы ток протекал в одном направлении. В противном случае материал перемещался бы взад-вперед между покрываемым изделием и источником, и осаждения металла не произошло бы. Перезарядку батареи, которая тоже представляет своеобразную форму гальванотехнического процесса, можно осуществить лишь с помощью постоянного тока.

В системах, предназначенных для передачи электроэнергии на большие расстояния, предпочитают постоянный ток, потому что провода при этом требуют меньшей изоляции и могут быть более тонкими, чем при передаче переменного тока, несущего ту же мощность. Кроме того, при передаче постоянного тока проводники используются гораздо полнее. В результате передача электроэнергии на большие расстояния при помощи постоянного тока обеспечивает значительную экономию финансовых и материальных ресурсов.

Контроль за постоянным током осуществляется путем измерений его за определенный период. График А показывает ток, подобный тому, который потребляет лампа; он не изменяется за время измерения (по вертикали - ток, по горизонтали - время). График Б показывает постоянный ток, типичный для электросварочной цепи. Он изменяется по величине, однако его направление всегда одно и то же.

Сварка позволяет соединять металлы вместе столь прочно, что сваренные конструкции зачастую превосходят по прочности исходные материалы. При сварке используется большой ток (порядка 2000 А) при низком напряжении; он расплавляет металл на определенном участке. Разряд тока имеет форму дуги, проходящей от изолированного электрода, который сварщик держит в руке, к свариваемой детали через небольшой воздушный зазор. Деталь соединяется с одним концом источника тока, а электрод - с другим. Обычно для электросварки используют постоянный ток очень большой величины От специального источника.

Прерывание тока. Несмотря на некоторые преимущества, использование постоянного тока связано с одной важной проблемой, а именно проблемой его быстрого выключения. При прерывании тока между размыкающими контактами возникает искра. Порой искра оказывается столь большой, что может расплавить не только контакты, но и само выключающее устройство. Переменный ток в силу своей природы обращается в нуль много раз за секунду, поэтому при размыкании искра оказывается очень слабой.