Меню

Что не способно поддерживать постоянный ток в цепи



§ 105. Электродвижущая сила

Любой источник тока характеризуется электродвижущей силой, или сокращённо ЭДС. Так, на круглой батарейке для карманного фонарика написано: 1,5 В. Что это значит?

Если соединить проводником два разноимённо заряженных шарика, то заряды быстро нейтрализуют друг друга

Если соединить проводником два разноимённо заряженных шарика, то заряды быстро нейтрализуют друг друга, потенциалы шариков станут одинаковыми, и электрическое поле исчезнет (рис. 15.9, а).

Сторонние силы. Для того чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды, кроме электрических сил, должны действовать силы неэлектростатического происхождения (рис. 15.9, б). Одно лишь электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный ток в цепи.

Вывод о необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи станет ещё очевиднее, если обратиться к закону сохранения энергии.

Именно в процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока энергию и отдают её затем проводникам электрической цепи.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: в генераторах на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.

При замыкании цепи создаётся электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле (см. рис. 15.9, б).

Природа сторонних сил. Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторонние силы — это силы, действующие со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике.

В гальваническом элементе, например в элементе Вольта, действуют химические силы.

Электродвижущая сила. Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращённо ЭДС).

Запомни
Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к абсолютной величине этого заряда:

Электродвижущую силу, как и напряжение, выражают в вольтах.

Разность потенциалов на клеммах батареи при разомкнутой цепи равна электродвижущей силе. ЭДС одного элемента батареи обычно 1—2 В.

Можно говорить также об электродвижущей силе и на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всём контуре, а только на данном участке.

Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории перемещения зарядов.

Читайте также:  Сварочный ток поражение током

Вопросы к параграфу

1. Почему электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный электрический ток в цепи?

2. Какие силы принято называть сторонними?

3. Что называют электродвижущей силой?

Источник

Постоянный ток: грядёт ли революция?

Гениальный изобретатель Томас Эдисон сделал ставку на постоянный ток и проиграл. Но сегодня постоянный поток ищет новых чемпионов.

Томас Эдисон считается одним из величайших изобретателей в истории. Являясь создателем таких изобретений, как фонограф и электрическая лампочка, он имеет 1093 патента на свое имя. Эдисон запустил свою первую электростанцию в 1882 году, которая, среди прочего, обеспечивала электроэнергией Уолл-стрит в Нью-Йорке. Электростанция использовала постоянный ток.

Одновременно сотрудник Эдисона Никола Тесла успешно развивал динамо-машину. Но у хорватского ученого была другая идея. Вместо постоянного тока Тесла сосредоточился на развитии переменного тока. После спора с Эдисоном, Тесла продолжил свою работу с соперником Эдисона Джорджем Вестингхаусом. Переменный ток показывал очевидные преимущества. Для передачи на большие расстояния напряжение может быть легко отрегулировано с помощью трансформаторов. Используемый кабель также может быть тоньше и, следовательно, дешевле. Вместо признания этих преимуществ и поддержки переменного тока, Эдисон настаивал на своем и пытался дискредитировать своих конкурентов. Эдисон утверждал, что недавно изобретённое электрическое кресло было оснащено технологией его соперников. Его послание было простым: переменный ток обречен. Хотя его кампания была успешной, победа Эдисона длилась недолго. Чикагская всемирная ярмарка 1893 года была оснащена оборудованием, использующим переменный ток, предвещая покорение электрической революции 20-го века.

Постоянный ток: возрождение старой технологии

Сегодня, спустя 86 лет после смерти Эдисона, есть признаки того, что великий изобретатель не так уж и ошибался относительно постоянного тока, как когда-то считали люди. Идеи Эдисона становятся снова актуальными, так как ряд последних событий делает постоянный ток более привлекательным.

Раньше электричество производилось переменным током в генераторах крупных угольных или атомных электростанций, а также в гидротурбинах. Они распределяют энергию через сеть переменного тока. Трансформаторы позволяют увеличить напряжение до нескольких сотен тысяч вольт, удерживая ток в кабелях. Но сейчас ряд поставщиков электроэнергии становятся на путь использования постоянного тока. К ним относятся, например, солнечные электростанции, которые обычно поддерживаются батареями или электрохимическими системами хранения. Преобразование постоянного тока в переменный неизбежно связано с потерями, что делает сеть постоянного тока лучшим выбором для этих поставщиков.

Централизованное и децентрализованное энергоснабжение

Крупные электростанции уже давно доминируют в сегменте поставщиков электроэнергии, централизованно распределяя свою энергию в окружающие районы. Но рост использования возобновляемых источников энергии приводит к тому, что сеть становится более децентрализованной и более локальной, причем электричество часто потребляется там, где оно генерируется.

Читайте также:  Что происходит с током при резонансе напряжений

Преимущества переменного тока здесь бесполезны. Но даже на больших расстояниях переменный ток не идеален. Потери при передаче электроэнергии на расстоянии значительно увеличились. Именно поэтому Китай строит сложные электросети на основе высоковольтных линий передачи постоянного тока (также известных как HVDC), которые способны передать большое количество энергии от гидроэлектростанций в глубине страны к шумным городам на побережье. В Германии правительство также планирует построить две подобные линии для передачи избыточной энергии ветра с побережья на юг. Линии передачи HVDC в два раза дороже, чем обычные системы. Однако из-за меньших потерь энергии эти расходы окупают себя с расстояния около 400 километров или всего 60 километров в случае плавучих ветропарков.

Линии HVDC в настоящее время являются чрезвычайно надежными. Высокопроизводительная электроника позволила достичь прогресса в преобразовании энергии, что позволяет конвертировать прямые токи до 800 000 вольт без трансформатора.

Электричество в жилых домах и на фабриках распределяется либо по низковольтным электросетям, либо через штепсельные разъемы, либо через трехфазные токовые соединения. Все большее количество электроприборов требует постоянного тока. Компьютеры, светодиодные лампы и другие электронные устройства работают на постоянном токе и ранее требовали трансформатора для преобразования. В ближайшие годы к этому списку добавятся электромобили. В промышленном оборудовании все чаще используются преобразователи частот со звеном постоянного тока для регулирования скорости. Сети постоянного тока с преобразованием центрального напряжения сделают все эти трансформаторы ненужными. На данный момент в автомобильной промышленности уже есть пилотные проекты, в которых комплексное производственное оборудование функционирует исключительно с постоянным током. У них также есть батареи для кратковременного хранения энергии.

Увеличение потерь энергии при использовании постоянного тока

Наиболее убедительным аргументом в пользу этого изменения является эффективность. Когда угольные и атомные электростанции подают напряжение в сеть с переменным током, который затем потребляется непосредственно лампочками и пылесосами, его эффективность составляет около 65 %. Другими словами, около трети электрической энергии теряется, например, за счет потерь тепла.

Сегодня ситуация заметно усугубилась. В результате использования фотогальванических систем и электростанций, наряду с увеличением использования батарей, все больше и больше электроэнергии подается в сеть, которая сначала должна быть преобразована из постоянного тока в переменный, что приводит к ее потерям. Потребители также страдают. Нагревающиеся адаптеры являются свидетельством потерь энергии. Это означает, что эффективность нашей энергосети составляет всего лишь 56 %. Следовательно, необходимо фундаментальное переосмысление этих процессов.

Читайте также:  Электродвигатели постоянного тока вопросы

Альтернативой является использование технологий постоянного тока (DC), таких как высоковольтные линии передачи постоянного тока (HVDC) для подачи электроэнергии на большие расстояния, вместе с низковольтными сетями постоянного тока в домашних хозяйствах и промышленности. Они могут быть напрямую подключены к электронным устройствам или промышленным приводам без необходимости использования адаптера или трансформатора. При использовании фотогальванической системы на крыше жилого дома и электромобиля в гараже эффективность будет непревзойденной. Электрическая сеть, систематически настроенная на постоянный ток, обеспечит общую эффективность в 90 %. Если эффективность будет всего на 10 % выше, тогда две крупнейшие угольные электростанции в Германии могут быть отключены. Это позволит сэкономить 63 миллиона тонн CO 2, или 12 % от общего объема выбросов электростанций в Германии. Для оксидов азота этот показатель еще выше — 29 %.

Технические и экономические проблемы перехода на постоянный ток

Несмотря на то, что высоковольтная передача постоянного тока в настоящее время является проверенной и общепринятой технологией, по-прежнему существует ряд технических и экономических вопросов, в том числе о сетях с низким напряжением, на которые необходимо ответить:

  • Сможет ли постоянный ток заменить переменный в широком спектре применений?
  • Будут ли обе технологии продолжать существовать одновременно друг с другом?
  • Как могло бы выглядеть подобное сосуществование?
  • Какие технические и экономические препятствия необходимо преодолеть?
  • Какие меры безопасности будут необходимы и одновременно эффективны?
  • Какие изменения потребовал бы переход на постоянный ток в сети и как это повлияет на потребителей?

Преимущества такого «переключения» настолько значительны, что не может быть никаких сомнений в том, что приближается смена парадигмы. Обладая серьезным опытом в области разработки соединительных технологий, LAPP сразу же занимает здесь ведущее положение.

Компания является ассоциированным партнером в рамках проекта DC-INDUSTRIE, входящего в 6-ю программу исследований энергетики, которая проводится федеральным министерством экономики и энергетики Германии (BMWi). Исследовательский проект DC-INDUSTRIE посвящен вопросу о том, как можно создать сети постоянного тока с центральным процессом конверсии в качестве альтернативы энергосбережению, особенно при эксплуатации оборудования на производственных линиях, а также о том, как лучше использовать возобновляемые источники энергии.

Источник: Компания LAPP

Информация о компании

Lapp Russia — дочернее предприятие холдинга LAPP в России, мирового инновационного производителя и системного поставщика кабелей, проводов, кабельных аксессуаров для различных отраслей: электротехники, энергетики, машиностроения, нефтегазовой, производства промышленного оборудования, автомобильной промышленности и многих других. Производитель и поставщик кабельно-проводниковой продукции под торговыми марками: ÖLFLEX®, UNITRONIC®, SKINTOP®, HITRONIC®, FLEXIMARK®, SILVYN®, EPIC®.

Источник