Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

Постійний струм. Змінний струм

Як відомо, рух і взаємодія електрично заряджених частинок можлива внаслідок дії електричного поля. Справді, під дією електричного поля рух заряджених частинок, які можуть вільно переміщуватися в середовищі, набуває впорядкованого (напрямленого) характеру, що й означатиме виникнення в цьому середовищі електричного струму. Тобто електричний струм можливий, якщо в речовині є електрично заряджені частинки, які можуть переміщуватися (такі частинки ще називають носіями струму). Пригадаймо: у металах це — вільні електрони, у рідинах — йони, у газах — електрони і йони, у напівпровідниках — електрони та дірки.

Що змушує заряджені частинки рухатись у певному напрямку? Дія електричного поля виникає, якщо в ньому є точки з різними потенціалами. Рухомі носії зарядів у провіднику переміщуються під його дією, поки не вирівняються потенціали всіх точок провідника. Проте якщо у двох точках провідника в якийсь спосіб штучно підтримувати різні потенціали, то це поле забезпечуватиме безперервний рух зарядів.

Залежно від способу, що зумовлює появу струму, і властивостей самого струму його поділяють на постійний і змінний.

Історично першим досліджено постійний струм. У джерелах струму (батарейках, акумуляторах) постійно відбувається розділення позитивних і негативних зарядів, які зосереджуються на його полюсах, унаслідок чого виникає електричне поле. Якщо під’єднати до полюсів джерела провідник, то, за рахунок різниці потенціалів, вільні електрони, не припиняючи хаотичного руху, під дією електричних (кулонівських) сил Fкл почнуть рухатися напрямлено — від кінця провідника з нижчим потенціалом φ2 до кінця з вищим потенціалом φ1, тобто від негативного полюса джерела струму до позитивного (мал. 3.2). Але перемістити електричні заряди між полюсами всередині джерела сили електричного поля не можуть, оскільки діють на них у протилежний бік. Тому всередині джерела крім електричних сил Fкл діють ще й сторонні сили Fст. Кількісною фізичною величиною, що характеризує «сторонні сили, які зумовлюють виникнення струму», є електрорушійна сила.

Природа сторонніх сил може бути різною: у хімічних елементах — це дія хімічних реакцій, у фотоелементах — дія сонячного випромінювання, в електрогенераторах — зміна магнітного потоку (докладніше дізнатися про хімічні джерела струму ви зможете, виконавши практичну роботу).

Електрорушійна сила (е. р. с) — фізична величина, що характеризує енергію сторонніх сил джерела струму. Її вимірюють роботою сторонніх сил, виконаною для переміщення одиничного позитивного електричного заряду.

Основними умовами існування електричного струму є:

  • наявність вільних заряджених частинок;
  • наявність джерела струму, що створює електричне поле, дія якого зумовлює напрямлений рух вільних заряджених частинок;
  • замкненість електричного кола, що забезпечує циркулювання вільних заряджених частинок

Мал. 3.2. Рух носіїв заряду в електричному колі

Розгляньмо породження електричного струму магнітним полем. Завдяки досліду Ерстеда відомо, що електричний струм у провіднику створює магнітне поле. Однак зворотного явища не спостерігали. Постійне магнітне поле не створює електричного струму. Майкл Фарадей провів безліч дослідів і встановив, що струм може виникати лише за певних умов. Потрібно, аби провідник був замкненим (наприклад, рамка чи котушка). І щоб магнітне поле, яке пронизує рамку, змінювалося, наприклад, під час руху магніту (мал. 3.3) або обертання рамки в магнітному полі (мал. 3.4).

Найпростіший дослід, що демонструє генерування струму, ви можете виконати самостійно. Для цього потрібно взяти магніт, гальванометр, котушку та з’єднувальні провідники (мал. 3.3).

Мал. 3.3. Відтворення досліду Фарадея з використанням шкільного обладнання

Періодично рухатимемо магніт угору й униз протягом декількох секунд. Ми побачимо, що стрілка гальванометра відхиляється від нульового положення то в той, то в інший бік. Це означає, що модуль сили струму в котушці й напрямок цього струму періодично змінюються. Електричний струм, який періодично змінюється із часом за модулем і напрямком, називають змінним струмом.

В освітлювальній мережі будинків та багатьох галузях промисловості використовують саме змінний струм, що виробляють за допомогою генераторів. Принцип дії генератора ґрунтується на процесах, які відбуваються під час обертання рамки в магнітному полі (такий самий ефект спостерігають і під час обертання магнітів навколо рамки).

Розгляньмо малюнок 3.4, що ілюструє принцип роботи генератора. Кінці рамки, яка складається з кількох витків дроту (1), прикріплено до кілець (2), які обертаються разом з нею. До кілець щільно прилягають щітки (3), що виконують функцію контактів. Обертатимемо рамку в магнітному полі. Під час обертання рамки кількість магнітних ліній, які її пронизують, то збільшуватиметься, то зменшуватиметься. Отже, магнітне поле, що пронизує рамку, постійно змінюється. Тому в рамці виникатиме (індукуватиметься) електричний струм (тому його ще називають індукційним). Оскільки кожний кінець рамки з’єднано з окремим кільцем, то в ті моменти, коли половина рамки проходить біля одного з полюсів магніту (наприклад, північного), у ній виникає індукційний струм, який протікає до внутрішнього контактного кільця. А коли біля північного полюса проходить інша половина рамки, індукційний струм протікає до зовнішнього контактного кільця. Щоразу, коли рамка змінює свою орієнтацію відносно полюсів магніту, індукційний струм також змінює свій напрямок на протилежний. Про це може свідчити коливання стрілки гальванометра (4). Увесь час, поки обертатимемо рамку (а цю роль можуть відігравати різні джерела механічної енергії), у рамці виникатиме змінний електричний струм.

Мал. 3.4. Схема дії генератора: а — змінного струму; б — постійного струму

У такий самий спосіб можна генерувати й постійний струм (мал. 3.4, б). Уся хитрість, завдяки якій виникає струм, що не змінює напрямку, полягає в тому, аби встигати перемикати точки приєднання навантаження з тією самою швидкістю, з якою обертається рамка. Здійснити це завдання можна, якщо кінці рамки приєднати до двох пластин (півкілець), закріплених на валу й ізольованих одна від одної. До півкілець також дотикаються щітки, які залишаються нерухомими. Під час обертання рамки кожна щітка постійно контактує зі своєю половинкою рамки. У результаті полярність щіток під час роботи генератора залишається незмінною незалежно від положення витка в магнітному полі. Тому й напрямок струму в зовнішньому колі — незмінний.

Генератор постійного струму можна перетворити на електродвигун (мал. 3.5), якщо подавати електричний струм від джерела до щіток. У цьому разі обертання рамки можна використати для обертання інших деталей, наприклад, свердла в електродрилі. Електродвигуни постійного струму є в багатьох електроінструментах, що працюють від батарейок або акумуляторів, в електротранспорті тощо.

Мал. 3.5. То генератор, то двигун

Узагальнену інформацію про струми наведено в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1.

Для електричних кіл постійного струму встановлено закономірність між силою струму й напругою.

Закон Ома для ділянки електричного кола встановлює залежність сили струму від різниці потенціалів (електричної напруги) між двома фіксованими точками електричного кола:

Закон Ома для повного кола (кола, що містить джерело струму й навантаження) установлює залежність сили струму від електрорушійної сили джерела:

де E — електрорушійна сила; r — внутрішній опір джерела струму.

У колах змінного струму є два принципово різні види навантажень — активні й реактивні. І закон Ома записують з урахуванням опору, що чинять змінному струму ці навантаження.

У попередньому розділі ми згадували, що електричну енергію виробляють генератори на електростанціях. Якщо не вдаватися до жодних заходів, то передавання електроенергії було би пов’язане зі значними втратами, адже електричний струм нагріває дроти лінії електропередачі. За великої довжини лінії передавання енергії взагалі може бути економічно невигідним. Істотно зменшити опір цієї лінії практично дуже важко. Тому треба підвищувати напругу в ній. Причому, що довша лінія передавання, то вигідніше використовувати вищу напругу. Для зміни напруги й сили струму (інших параметрів) використовують спеціальні пристрої — трансформатори (мал. 3.6). Трансформатор (від лат. transformo — перетворюю) — електромагнітний пристрій, що перетворює змінний струм однієї напруги на змінний струм іншої напруги за незмінної частоти. Найпростіший трансформатор складається зі сталевого замкненого осердя (магнітопроводу) і двох обмоток. Осердя виготовлено з тонких пластин трансформаторної сталі, обмотки — з ізольованого проводу. До однієї з обмоток, з витками дроту, яку називають первинною, подають електричну енергію від джерела змінного струму. До другої обмотки з N2 витками дроту (вторинної) підключають споживачів електричної енергії. Принцип дії трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Під час протікання в первинній обмотці змінного струму в магнітопроводі виникає змінне магнітне поле, під дією якого у вторинній обмотці трансформатора збуджується електричний струм. Величина напруги на кінцях вторинної обмотки трансформатора залежить від кількості витків первинної та вторинної обмоток. Якщо кількість витків у первинній обмотці більша, ніж у вторинній, то трансформатор знижує напругу (U1 > U2). І навпаки: якщо кількість витків у первинній обмотці менша, ніж у вторинній, то трансформатор підвищує напругу (U1 < U2). Добравши співвідношення між кількістю витків у первинній і вторинній обмотках, можна підвищити або знизити напругу в потрібну кількість разів.

Мал. 3.6. Трансформатор: а — схема; б — зовнішній вигляд

Тому біля великих електростанцій є підстанції з підвищувальними трансформаторами. Використання електроенергії на промислових підприємствах й у побуті потребує значного зниження напруги, чого досягають за допомогою знижувальних трансформаторів. Після всіх перетворень споживачам подають напругу до 220 В (мал. 3.7).

Мал. 3.7. Передавання струму на великі відстані

Як бачимо, у змінного струму є очевидні переваги. Електричну напругу можна легко регулювати за допомогою трансформаторів для передавання на великі відстані. Проте в наш час відбувається зростання поновлюваних джерел енергії, а це означає, що мережа стає децентралізованішою та локальнішою (мал. 3.8). Тому використовуються складні мережі, засновані на передаванні постійного струму високої напруги (також відомі як HVDC — високовольтна мережа передавання постійного струму). Лінії HVDC коштують приблизно вдвічі дорожче, аніж звичайні системи змінного струму, але ці інвестиції виправдовують себе. Лінії передавання HVDC тепер надзвичайно надійні. Використання високопродуктивної електроніки дало змогу успішно трансформувати енергію, що вможливило підвищення постійної напруги до 800 000 В без трансформатора. У будинках і на заводах електроенергію розподіляють через низьковольтні мережі, через однофазні чи трифазні штепсельні розетки. Зростання кількості електричних приладів зумовлює потребу в постійному струмі. Комп’ютери, світлодіодні лампи та інші електронні пристрої працюють на постійному струмі й раніше потребували випрямних пристроїв для перетворення змінного струму на постійний. Сучасні електромобілі також працюють на постійному струмі. То ж ми з вами стаємо свідками «війни струмів 2.0».

Мал. 3.8. Сьогодення й майбутнє постійного струму: а — електромобіль; б — схема виробництва, трансформацій і споживання постійного струму; в — високовольтна мережа передавання постійного струму