Лише деякі здатні реально усвідомити, що змінний і постійний струм чимось відрізняються. Не кажучи вже про те, щоб назвати конкретні відмінності. Мета даної статті – пояснити основні характеристики цих фізичних величин в термінах, зрозумілих людям без багажу технічних знань, а також надати деякі базові поняття, що стосуються даного питання.

Складності візуалізації

Більшості людей не становить труднощів розібратися з такими поняттями, як «тиск», «кількість» і «потік», оскільки в повсякденному житті вони постійно стикаються з ними. Наприклад, легко зрозуміти, що збільшення потоку при поливі квітів збільшить кількість води, що виходить з поливального шланга, в той час як збільшення тиску води примусить рухатися швидше і з більшою силою.


Електричні терміни, такі як «напруга» і «струм», зазвичай важко зрозуміти, оскільки не можна побачити або відчути електрика, що рухається по кабелях і електричних контурах. Навіть починаючому електрику надзвичайно складно візуалізувати те, що відбувається на молекулярному рівні або навіть чітко зрозуміти, що являє собою, наприклад, електрон. Ця частка знаходяться поза межами сенсорних можливостей людини, її неможливо побачити і до неї не можна доторкнутися, за винятком випадків, коли певна кількість їх не пройде через тіло людини. Тільки тоді потерпілий виразно відчує їх і відчуває те, що зазвичай називають електричним шоком.


Тим не менш, відкриті кабелі і дроти більшості людей здаються абсолютно нешкідливими тільки тому, що вони не можуть побачити електронів, тільки і чекають того, щоб піти по шляху найменшого опору, яким зазвичай є земля.

Аналогія

Зрозуміло, чому більшість людей не можуть візуалізувати те, що відбувається всередині звичайних провідників і кабелів. Спроба пояснити, що щось рухається через метал, йде врозріз зі здоровим глуздом. На самому базовому рівні електрика не так сильно відрізняється від води, тому його основні поняття досить легко освоїти, якщо порівняти електричну ланцюг з водопровідною системою. Основна відмінність між водою і електрикою полягає в тому, що перша заповнює що-небудь, якщо їй вдасться вирватися з труби, в той час як друге для пересування електронів потребує провіднику. Візуалізуючи систему труб, більшості легше зрозуміти спеціальну термінологію.

Напруга як тиск

Напруга дуже схоже на тиск електронів і вказує, як швидко і з якою силою вони рухаються через провідник. Ці фізичні величини еквівалентні у багатьох відносинах, включаючи їх ставлення до міцності трубопроводу-кабелю. Подібно до того, як занадто великий тиск розриває трубу, занадто висока напруга руйнує екранування провідника або пробиває його.

Струм як потік

Струм являє собою витрата електронів, що вказує на те, яке їх кількість рухається по кабелю. Чим він вище, тим більше електронів проходить через провідник. Подібно до того, як велику кількість води потребує більш товстих труб, великі струми вимагають більш товстих кабелів.
Використання моделі водяного контуру дозволяє пояснити і безліч інших термінів. Наприклад, силові генератори можна представити як водяні насоси, а електричне навантаження – як водяний млин, для обертання якої потрібно потік і тиск води. Навіть електронні діоди можна розглядати як водяні клапани, які дозволяють воді текти тільки в одну сторону.

Постійний струм

Яка різниця між постійним і змінним струмом, стає зрозуміло вже з назви. Перший являє собою рух електронів в одному напрямку. Дуже просто візуалізувати його з використанням моделі водяного контуру. Досить уявити, що вода тече по трубі в одному напрямку. Звичайними пристроями, що створюють постійний струм, є сонячні елементи, батареї і динамо-машини. Практично будь-який пристрій можна спроектувати так, щоб воно харчувалося від такого джерела. Це майже виняткова прерогатива низьковольтної та портативної електроніки. Постійний струм досить простий, і підкоряється закону Ома: U = I x R. Потужність навантаження вимірюється у ватах і дорівнює: P = U x I. З-за простих рівнянь і поведінки постійний струм відносно легко осмислити. Перші системи передачі електроенергії, розроблений Томасом Едісоном ще в XIX столітті, використовували тільки його. Однак незабаром різниця в змінному і постійному струмі стала очевидною. Передача останнього на значні відстані супроводжувалася великими втратами, тому через кілька десятиліть він був замінений більш вигідною (тоді) системою, розробленою Ніколою Теслою. Незважаючи на те, що комерційні силові мережі всієї планети в даний час використовують змінний струм, іронія полягає в тому, що розвиток технології зробило передачу постійного струму високої напруги на дуже великих відстанях і при екстремальних навантаженнях більш ефективною. Що, наприклад, використовується при з'єднанні окремих систем, таких як цілі країни або навіть континенти. У цьому полягає ще одна різниця у змінному та постійному струмі. Однак перший по-як і раніше використовується в низьковольтних комерційних мережах.

Постійний та змінний струм: різниця у виробництві і використанні

Якщо змінний струм набагато простіше проводити за допомогою генератора, використовуючи кінетичну енергію, то батареї можуть створювати тільки постійний. Тому останній домінує у схемах живлення низьковольтних пристроїв та електроніки. Акумулятори можуть заряджатися тільки від постійного струму, тому перемінний струм мережі випрямляється, коли акумулятор є основною частиною системи. Широко розповсюдженим прикладом може служити будь-який транспортний засіб – мотоцикл, автомобіль і вантажівка. Генератор, встановлений на них, створює змінний струм, який миттєво перетворюється в постійний за допомогою випрямляча, оскільки в системі електропостачання присутній акумулятор, і більшості електроніки для роботи потрібна постійна напруга. Сонячні елементи і паливні комірки також виробляють тільки постійний струм, який потім при необхідності можна перетворити в змінний за допомогою пристрою, званого інвертором.

Напрямок руху

Це ще один приклад різниці постійного струму і змінного струму. Як випливає з назви, останній являє собою потік електронів, який постійно змінює свій напрямок. З кінця XIX століття майже в усіх побутових і промислових електричних всього світу використовується синусоїдальний змінний струм, оскільки його легше отримати і набагато дешевше розподіляти, за винятком дуже небагатьох випадків передачі на великі відстані, коли втрати потужності змушують використовувати новітні високовольтні системи постійного струму. У змінного струму є ще одну велику перевагу: він дозволяє повертати енергію з точки споживання назад у мережу. Це дуже вигідно в будівлях і спорудах, які виробляють більше енергії, ніж споживають, що цілком можливо при використанні альтернативних джерел, таких як сонячні батареї і вітряні турбіни. Той факт, що змінний струм дозволяє забезпечити двонаправлений потік енергії, є основною причиною популярності та доступності альтернативних джерел живлення.

Частота

Коли справа доходить до технічного рівня, на жаль, пояснити, як працює змінний струм, стає складно, оскільки модель водяного контуру до нього не зовсім підходить. Однак можна візуалізувати систему, в якій вода швидко змінює напрям потоку, хоча не зрозуміло, як вона при цьому буде робити щось корисне. Змінний струм і напруга постійно змінюють свій напрямок. Швидкість зміни залежить від частоти (вимірюється в герцах) і для побутових електричних мереж зазвичай складає 50 Гц. Це означає, що напруга і струм змінюють свій напрямок 50 разів в секунду. Обчислити активну складову в синусоїдальних системах досить просто. Досить розділити їх пікове значення ?2. Коли змінний струм змінює напрямок 50 разів в секунду, це означає, що лампи розжарювання включаються і вимикаються 50 разів в секунду. Людське око не може це помітити, і мозок просто вірить, що освітлення працює постійно. У цьому полягає ще одна різниця у змінному та постійному струмі.

Векторна математика

Струм і напруга не тільки постійно змінюються – їх фази не збігаються (вони несинхронізовані). Переважна більшість силових навантажень змінного струму викликає різниця фаз. Це означає, що навіть для найпростіших обчислень потрібно застосовувати векторну математику. При роботі з векторами неможливо просто складати, віднімати або виконувати будь-які інші операції скалярного математики. При постійному струмі, якщо по одному кабелю в деяку точку надходить 5A, а з іншого – 2A, то результат дорівнює 7A. У випадку змінного це не так, тому що підсумок буде залежати від напрямку векторів.

Коефіцієнт потужності

Активна потужність навантаження з живленням від мережі змінного струму може бути розрахована за допомогою простої формули P = U x I x cos (?), де ? – кут між напругою і струмом, cos (?) також називається коефіцієнтом потужності. Це те, чим відрізняються постійний і змінний струм: у першого cos (?) завжди дорівнює 1. Активна потужність необхідна (і оплачується) побутовими і промисловими споживачами, але вона не дорівнює комплексної, проходить через провідники (кабелі) до навантаження, яка може бути розрахована за формулою S = U x I і вимірюється в вольт-амперах (ВА). Різниця між постійним і змінним струмом у розрахунках очевидна – вони стають більш складними. Навіть для виконання найпростіших обчислень потрібно, принаймні, посереднє знання векторної математики.

Зварювальні апарати

Різниця між постійним і змінним струмом проявляється і при зварюванні. Полярність дуги надає великий вплив на її якість. Електрод-позитивна зварювання проникає глибше, ніж електрод-негативна, а остання прискорює наплавлення металу. При постійному струмі зворотної полярності завжди постійна. При змінному вона змінюється 100 разів в секунду (при 50 Гц). Зварювання при постійному краще, так як вона проводиться більш рівно. Різниця в зварюванні змінним і постійним струмом полягає в тому, що в першому випадку рух електронів на частку секунди переривається, що призводить до пульсації, нестійкості і пропажі дуги. Цей вид зварювання використовується рідко, наприклад, для усунення блукання дуги у разі електродів великого діаметру.