Постоянный ток — что это простыми словами

постоянный ток - простое объяснение

Постоянный ток — это электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Чтобы понять это определение, нужно определится в первую очередь, что такое электрический ток. Затем необходимо привести пример для сравнения, чтобы наглядно объяснить изменение по величине и направлению.

В данном обзоре мы постараемся нестандартно, но предельно понятно объяснить природу и все параметры постоянного тока.

Электрический ток — это

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение носителей электрического заряда. Такими носителями могут являться:

  • В металлах — электроны.
  • В электролитах — ионы (катионы и анионы).
  • В газах — ионы и электроны.
  • В вакууме при определенных условиях — электроны.
  • В полупроводниках — электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость).

Самые распространенные проводники в электротехнике — это металлы, поэтому в дальнейшем изучении постоянного тока будем рассматривать движение отрицательно заряженных свободных электронов.

Направленное движение электронов в замкнутой электрической цепи без источника тока невозможно. К источникам тока относятся гальванические элементы (батарейка), аккумуляторы, генераторы постоянного тока и выпрямительные установки.

Возьмем для примера батарейку и упрощенно выделим основные особенности выработки ею постоянного тока. Батарейка — это химический источник ЭДС (электродвижущей силы), в котором энергия протекающих химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

Если рассматривать батарейку упрощенно, то можно выделить следующее:

  • На отрицательном электроде (анод) батарейки происходит химическая реакция, производящая свободные электроны. На положительном электроде (катод) происходит химическая реакция, поглощающая свободные электроны.
  • У каждой из двух химических реакций есть свой электрический потенциал. Эти потенциалы противоположны по знаку. Разница между ними определяет напряжение батарейки.
  • Когда цепь между полюсами батарейки разомкнута, реакции на электродах не протекают. Свободные электроны остаются на электроде — им некуда идти, так как внутри батарейки образуется барьер, предотвращающий прямой контакт анодного и катодного материалов друг с другом.
  • При замыкании цепи образовавшийся излишек электронов начинает движение от отрицательного электрода к положительному. Одновременно электродвижущая сила переносит ровно тот же заряд в обратном направлении внутри батарейки к аноду. Химическая реакция повторяется снова и снова до тех пор, пока не иссякнет ресурс батарейки.

Упорядоченное движение электронов — постоянный и переменный ток

Разобравшись с электрическим током, перейдем к особенностям упорядоченно движения носителей электрического заряда. Ранее уже приводилось определение постоянного тока, в котором отмечалось постоянство величины и направления. Что же это значит?  

Объясним простыми словами, что такое ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Начнем с величины и для примера возьмем батарейку 1,5 Вольт.

постоянный ток батарейка

Величина — это сила тока. То есть другими словами это отношение электрического заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения (t). Естественно, считать количество электронов, прошедших за единицу времени через сечение проводника, мы не будем, но можем разобраться, от чего эта величина зависит:

  • От напряжения источника питания (батарейки). Напряжение — это разность потенциалов. На примере батарейки мы уже отмечали, что на отрицательном электроде происходит химическая реакция, производящая свободные электроны, а на положительном электроде — поглощающая свободные электроны. То есть, если батарейка напряжением 1,5 Вольт, то можно условно сказать, что отрицательный полюс имеет потенциал -1,5 Вольт, а положительный 0 Вольт. Соответственно разность потенциалов 0-(-1,5) = 1,5 Вольт. Какой точно потенциал на том или ином выводе батарейки сказать трудно. Важно лишь то, что разность потенциалов должна давать напряжение батарейки.
  • От сопротивления цепи (проводника и подключенных нагрузок). Чем больше сопротивление, тем меньше сила тока.

Возвращаясь к постоянному току, который не изменяется по величине, следует отметить, что пример с батарейкой не совсем корректен. Батарейка со временем исчерпывает свой ресурс. Соответственно падает напряжение и сила (величина) тока. Поэтому лучше рассматривать иные источники постоянного тока, либо при рассмотрении батарейки не учитывать ее ресурс.

Резюмируем. Ток не изменяющийся по величине в первую очередь является следствием наличия не изменяющегося по величине напряжения источника питания. Не изменяющееся направление постоянного тока — это движение электронов от минуса к плюсу. Только нужно помнить, что направление тока берется обратным — от плюса к минусу.

Для наглядности обратимся к программе Multisim, смоделируем пример с источником постоянного тока и посмотрим на осциллографе график напряжения. При этом вместо батарейки возьмем генератор постоянного тока с напряжением 230 Вольт. Затем сравним графики постоянного и переменного напряжения:

упорядоченное движение электронов - постоянный и переменный ток

Начнем с постоянного тока (верхняя часть схемы). Проводник от плюса к нагрузке (лампочке) отмечен красным цветом. Проводник от минуса к нагрузке отмечен синим цветом. Отрицательный вывод источника питания заземлен. Заземлить можно и положительный вывод — принципиальной разницы нет. А можно вообще не заземлять, но программа без точки отсчета (условного нуля) не будет работать. Здесь же хочется отметить, что применять термины фаза и ноль относительно источника постоянного напряжения некорректно. Некорректно данную терминологию также применять к источнику переменного напряжения. Фаза и ноль применимы только для трехфазного генератора или трансформатора, где каждая фаза — угол смещения обмоток генератора, а ноль — точка соединения концов обмоток (схема звезда).

Теперь обратимся к графику постоянного напряжения. Напряжение на положительном выводе — это красная прямая, указывающая постоянное напряжение 230 Вольт. Напряжение на отрицательном выводе — это синяя прямая, указывающая постоянное напряжение 0 Вольт. Если помните пример с батарейкой, то там мы условно брали потенциал положительного вывода 0 Вольт, а отрицательного -1,5 Вольт. Так вот, в данном случае потенциал 0 Вольт связан непосредственно с заземлением отрицательного вывода, а точнее соединением его с точкой отсчета. Осциллограф также должен обязательно заземлятся (соединятся с точкой отсчета). И несмотря на то, что в программе вы этого не видите, осциллограф все же отстраивает графики именно по такому принципу. Чтобы это понять представим, что заземления нет. Тогда потенциалы на обоих выводах будут +115 и -115 Вольт. Заземлив отрицательный вывод мы передаем на общую точку потенциал -115 Вольт. Осциллограф заземлен, то есть связан с этим потенциалом. Получаем следующую разность потенциалов -115-(-115) = 0 Вольт. Что и показывает синий график. По такому же принципу рассчитываем напряжение на положительном выводе (красная прямая): +115-(-115) = 230 В. Это особенность использования осциллографа. Но в любом случае мы получаем постоянное, не изменяющееся напряжение. И в зависимости от конкретного сопротивления цепи получаем определенную не изменяющуюся силу (величину) тока. А так как график постоянного напряжения или тока всегда находится в одной области и параллелен оси Ox, значит направление тока с течением времени не изменяется.

Совсем иная картина с переменным напряжением и током. Все знают, что напряжение в розетке 230 Вольт, но если рассмотреть вторую часть схемы с графиком-синусоидой, то эти 230 Вольт оказываются не совсем обычными. Постараемся кратко разобраться с этими особенностями. Источниками переменного электрического тока служат генераторы, создающие переменную электродвижущую силу, изменение величины и направления которой происходит через определенные промежутки времени. Углубляться в особенности работы генератора не будем, но постараемся по аналогии с постоянным током проанализировать выдаваемый осциллографом график. В данном примере также говорить о фазе и нуле некорректно. У генератора два равнозначных вывода. И если у источника постоянного тока потенциалы при отсутствии заземлении одного из выводов были +115 и -115 Вольт, то в случае с переменным током на пике графика (синусоиды) получаем следующее распределение потенциалов на выводах +160 и -160 Вольт. Это особенность переменного напряжения. Разность потенциалов дает амплитудное напряжение +160-(-160) = 320 Вольт. Заземлив один из выводов, его график на осциллографе будет прямой напряжения 0 Вольт. Оставшийся вывод даст синусоиду с амплитудой 320 Вольт. Для получения привычного нам действующего напряжения 230 Вольт нужно амплитудное напряжение поделить на корень из двух (останавливаться на действующем и амплитудном напряжении в данной теме не будем). Синусоида показывает, что с течением времени потенциалы на выводах изменяются. Изменяется и величина тока. Электроны в проводнике в момент пика синусоиды имеют наибольшую скорость. Далее они замедляются вплоть до полной остановки в точке пересечения графиком оси Оx, опять начинают движение, но уже в другом направлении (скорость возрастает до пика). Естественно такое изменение происходит очень быстро (с частотой 50 Гц), и электроны вместо полноценного движения просто вибрируют на одном месте.

Постоянный ток и сопротивление — нестандартный подход

Сопротивление электрической цепи — это важнейший показатель, неотделимый от напряжения и силы тока. В зависимости от конфигурации электрической цепи изменяется сопротивление. Соответственно по закону Ома изменится и сила тока при неизменном напряжении.

Завершая тему постоянного тока стоит рассмотреть особенность передачи энергии с учетом всех трех показателей — напряжения, силы тока и сопротивления. Приведем небольшой пример, который объяснит многое:

постоянный ток и сопротивление

Электрическая цепь у нас состоит из источника постоянного напряжения 230 Вольт, нагрузки в виде лампочки и соединительных проводов. В первую очередь определимся с сопротивлениями. Каждый элемент цепи имеет сопротивление. Внутреннее сопротивление источника питания примем равным нулю, чтобы не переходить на закон Ома для полной цепи (ЭДС и внутреннее сопротивление источника питания заслуживают отдельного рассмотрения). У нас остаются только провода и лампочка. Провода имеют сопротивление, которое зависит от длины и сечения. Если рассматривается небольшая цепь, то сопротивление проводов там небольшое и оно, как правило, не учитывается. Но мы будем его учитывать, так как это упростит понимание процесса протекания тока. Примем условно, что лампочка подключена к источнику питания 230 Вольт проводами с сопротивлением 1 Ом каждый. Для справки, такое сопротивление у медного провода сечением 1 мм² длинной ≈ 60 метров. Сопротивления ламп накаливания исчисляются сотнями Ом. Но для удобства предположим, что сопротивление лампочки 8 Ом. С учетом исходных данных перерисуем имеющуюся схему:

постоянный ток и сопротивление

Как видно, потенциалы на выводах источника постоянного напряжения +115 и -115 Вольт (разность потенциалов 230 Вольт). Провода с меньшим сопротивлением условно показаны более толстыми (большее сечение). Тонкий провод (меньшее сечение) — обозначает лампочку, у которой сопротивление больше. На схеме также указаны потенциалы в определенных точках цепи, в понимании которых могут возникнуть проблемы. Разберемся с этими потенциалами. Но прежде отметим особенность движения электронов в цепи. Так как у нас фактически последовательное соединение трех резисторов (1 Ом, 8 Ом, 1 Ом), то ток двигаясь от плюса к минусу на участках 1 Ом с большим сечением движется медленнее, чем на участке 8 Ом с меньшим сечением. Здесь все логично, так как для прохода более узкого участка нужно увеличить скорость. Но важно не запутаться. Если к источнику питания подключить просто проводник определенной длины, то в том, где сечение больше, скорость движения электронов будет выше.

Вернемся к потенциалам. Вдоль проводника, по которому течет постоянный электрический ток, потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального — на другом. Такое перераспределение зарядов связано с особенностями возникновения электрического поля при замыкании цепи с определенным сопротивлением. Поэтому когда рассматривается последовательное соединение из нескольких резисторов, то напряжение на каждом — это следствие разности потенциалов на выводах резистора. Если посмотреть на схему, приведенную выше, то потенциалы от плюса к минусу распределились следующим образом:

  1. Провод 1 Ом от +115 до +92 Вольт — разность потенциалов +23 Вольта.
  2. Лампочка 8 Ом от +92 до -92 Вольт (в середине спирали 0 Вольт) — разность потенциалов +184 Вольта.
  3. Провод 1 Ом от -92 до -115 Вольт — разность потенциалов +23 Вольта.

Напряжения на резисторах просчитываются с помощью закона Ома. И с учетом полученных напряжений можно проанализировать потенциалы в цепи с постоянным током:

постоянный ток и сопротивление

Помимо расчетов или использования программ потенциалы можно определить и нестандартным способом. Для этого достаточно привести цепь к определенному сечению проводника. Так например лампочку сопротивлением 8 Ом можно представить как провод, длина которого складывается из 8 участков по 1 Ому. Покажем это схематически:

постоянный ток и сопротивление

Сопротивление 8 Ом лампочки бралось условно, и теперь наглядно видно, для чего это было сделано. Теперь мы цепь разделили на 10 одинаковых частей (разделить можно на любое количество частей). И так как после образования электрического поля потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального — на другом, нетрудно посчитать потенциалы на границах участков. Для этого достаточно разность потенциалов 230 Вольт разделить на количество участков. Получаем 230/10 = 23 Вольт. А затем постепенно вычитать это значение проходя от одного конца проводника до другого. По такой же методике можно определить потенциалы на любом участке цепи.

Зная природу образования электрического поля и особенности распределения зарядов в проводнике с постоянным током можно понять, как движутся свободные электроны. Они движутся от места с большим потенциалом к месту с меньшим потенциалом. При этом электроны не теряют энергию, как думают многие. Они наоборот на каждом конкретном участке электрической цепи получают определенную энергию, позволяющую поддерживать движение с определенной скоростью. Простыми словами, электроны находящиеся в начале цепи находятся в области с потенциалом +115 Вольт. В конце цепи -115 Вольт. Эта разность потенциалов 230 Вольт нужна для прохождения всего пути. Как только электроны перемещаются вперед, они уже находятся в других зонах. Например, в зоне с потенциалом +23 Вольт разность потенциалов для прохождения оставшегося пути +23-(-115) = 138 Вольт. То есть в этой области электронам передается меньшая энергия, и обусловлено это тем, что сокращается путь и соответственно сопротивление.

Завершая тему постоянного тока объясним, почему светится лампочка в рассмотренном выше примере. Все предельно просто. Электроны в процессе упорядоченного движения взаимодействуют с кристаллической решеткой. В результате этого взаимодействия вольфрамовая спираль лампочки нагревается. От повышения температуры начинает выделяться энергия в виде света и тепла.