Постійний струм, його походження і застосування
Разом з тим, способи отримання і застосування постійного струму були відомі ще за часів Стародавнього Світу. Археологами, що виробляють розкопки в долині Євфрату, були знайдені дивні керамічні посудини в житло деяких ювелірів. Судини мали пристрій, схоже з гальванічною батареєю і з'єднувалися між собою мідним дротом. Яке ж було здивування археологів, коли вони заради експерименту заповнили один з судин кислотою і отримали на його полюсах потенціал, який дорівнював півтора вольтам! Виявилося, що блоки батарей стародавні ювеліри застосовували для гальванічного покриття ювелірних виробів різними металами, що і підтвердили готові зразки виробів, які часто траплялися вченим раніше.
Є гіпотези, що говорять на користь того, що при будівництві пірамід в Єгипті використовували електрику для освітлення залів і коридорів в тих місцях, де наносили розписи барельєфи. Вчені сперечаються досі з цього приводу, так як є припущення про те, що світло подавали за допомогою системи дзеркал з поверхні. Як би там не було, але слідів кіптяви на стінах древніх залів з розписами не виявлено і це факт, який залишається незрозумілим до сих пір. Зрозумілим є одне, що шумери вміли користуватися електрикою, а жили вони раніше єгипетської цивілізації.
У сучасному розумінні постійний струм виникає в замкнутому ланцюзі, що складається з джерела постійного струму, наприклад, акумуляторної або хімічної батареї, провідників і навантаження. Як навантаження може виступати матеріал з електричним опором, набагато більшим, ніж опір провідників, замикаючих електричний ланцюг. Це може бути лампочка з вольфрамової спіраллю або реостат з ніхромового дроту або будь-яка інша навантаження, опір якої має значення, відмінне від нуля.
Отримують постійний струм різними способами. Найдавніший з них - хімічний, заснований на виникненні різниці потенціалів між провідниками з різних матеріалів, вміщених в кислотну або лужне середовище. Хімічні й акумулятори використовуються людьми не одне тисячоліття і сьогодні вони в ходу, тільки в дуже вдосконаленому вигляді в порівнянні зі своїми давніми предками. Більш сучасні джерела постійного струму - фотоелементи, що дозволяють отримувати різницю потенціалів при опроміненні їх Сонцем і генератори постійного струму, які приводять в дію за допомогою механічної енергії, що додається зовні. Сьогодні генератори постійного струму найбільш поширені в вітроустановках з перетворювачем напруги.
Постійний струм рухає потяги на залізниці. Електрифіковані ділянки сьогодні складають значну величину по протяжності в нашій країні. Постійний струм застосовують і для передачі на великі відстані значних потужностей електричної енергії при надвисоких потенціалах.
При всій широті застосування постійного струму є значні обмеження, які перешкоджають використанню його в повсякденній діяльності для живлення побутових приладів і промислових установок. Пов'язано це з великими втратами на омічний опір в провідниках, що позначається самим негативним чином на роботі освітлювального та іншого обладнання. Для того щоб знизити втрати, необхідно застосовувати провідники більшого перетину, причому, альтернативи міді тут практично немає. А мідні дроти досить дорогі.
Це перешкода змусило вчених шукати інші способи отримання і передачі електроенергії на будь-які відстані практично без втрат. Нині в цій галузі людської діяльності головну роль грає змінний струм.
Змінний струм - походження і застосування
Поява генераторів і систем передачі енергії змінного струму стало одним з найважливіших досягнень дев'ятнадцятого століття. При цьому наукові дослідження в цій сфері велися з самого початку століття. В основу досліджень були покладені теоретичні розрахунки, які показували, що змінне магнітне поле повинно викликати змінне електричне поле, яке в свою чергу викликає знову змінне магнітне поле і процес цей може протікати до нескінченності. При значній частоті коливань утворюються електромагнітні хвилі, здатні вільно поширюватися в просторі, а при незначній частоті майже вся енергія залишається в провіднику, по якому відбувається її передача.
Важливою особливістю змінної напруги є зміна полярності при проходженні магніту у зворотний бік. А так же проходження нульової позначки значення амплітуди напруги при зміні полярності. Така поведінка напруги, а значить і струму при підключенні навантаження, дозволяє дуже легко перетворювати змінну напругу в інші величини за допомогою трансформаторів, що відкриває відмінні перспективи для передачі практично без втрат значних потужностей на будь-які відстані, що недосяжно для установок постійного струму, крім працюючих на надвисоких напругах.
Перші генератори змінного струму були розроблені Теслой і Едісоном. Тесла розробив трифазну схему виробництва і передачі електроенергії на великі відстані. Він же запропонував принцип трансформації напруги в залежності від розв'язуваних завдань. Так, для споживання електроенергії кінцевими установками він запропонував ввести змінну напругу частотою 50 або 60 Гц з амплітудою 110, 127 або 220 вольт, а для передачі на великі відстані рекомендував підвищувати напругу до 10 тисяч вольт і вище. При високій напрузі для передачі по провіднику однакової потужності потрібно менший струм, а чим він менший, тим менше втрати в провіднику. Тому сьогодні в лінії електропередач подають змінну напругу з амплітудою до 330 кВ.
Просте перетворення напруг відкриває дуже широкі можливості для прямого використання змінного струму. Так, існуючі асинхронні трифазні і однофазні двигуни, освітлювальні прилади, обігрівачі та ряд інших видів обладнань можуть працювати безпосередньо від мережі, а більш складна радіотехніка і пальниками з автоматикою, що вимагають для роботи наявність постійної напруги, пристосовані для отримання його прямо на місці з змінного мережевого напруги. Так зводять до мінімуму втрати постійного струму в провідниках.
Перспективи спільного існування змінного і постійного струму
Вчених і практиків від електротехніки давно займає питання з'єднання воєдино позитивних якостей змінного і постійного струму. Подібні рішення стали можливі, завдяки появі потужних імпульсних напівпровідникових вентилів. Сьогодні ні в кого не викликають подиву інверторні пристрої, що перетворюють постійний струм в перемінний, промислової частоти, і навпаки. Імпульсні джерела живлення в радіоелектронної апаратури та комп'ютерній техніці стали компактними і потужними, в десятки разів ефективнішими порівняно з джерелами живлення на звичайних трансформаторах.
Сьогодні можна стверджувати про справжню революцію в зварювальному справі, яка сталася завдяки появі інверторів, значно полегшили в прямому і переносному сенсах зварювальні апарати і процеси. Тепер навіть ті види зварювання, які вважалися прерогативою закритих оборонних підприємств стали доступні будь-якому зварнику, а вартість виробництва таких робіт, як аргонно-дугове зварювання та напівавтоматичне зварювання значно знизилася. Доступні за ціною, легкі переносні зварювальні апарати, які можна живити від звичайної розетки в будь-якій квартирі, дали можливість проявити свій творчий потенціал багатьом любителям і професіоналам роботи з металом.
Не менш вражаючими досягненнями імпульсної техніки можуть похвалитися виробники джерел безперебійного живлення, мережевих імпульсних стабілізаторів напруги, систем отримання електроенергії від альтернативних джерел з можливістю акумулювання і наступного перетворення запасеної енергії при виникненні потреби. Можливості імпульсної техніки вивчені і використані далеко не повністю. Ми на самому початку цього шляху єднання постійного і змінного струму. Зовсім не за горами автомобілі на електриці і інші чудеса, які стануть дійсністю з впровадженням нових відкриттів і розробок в області імпульсних джерел електроенергії.