Переменный электрический ток- электрический ток, который через равные промежутки времени изменяется по величине и направлению. Почти вся электрическая энергия вырабатывается в виде переменного электрического тока. Именно поэтому его значение велико и область его применения широка.

Генератор переменного тока. В 1832-м году неизвестным изобретателем был создан первый однофазный синхронный многополюсный генератор переменного тока. Но в самых первых электронных устройствах применялся только постоянный ток, в то время как переменный ток долгое время не мог найти своего практического применения. Тем не менее, вскоре выяснили, что намного практичнее использовать не постоянный, а переменный ток, то есть тот ток, который периодически меняет свое значение и направление. Преимущества переменного тока, состоят в том, что его удобнее вырабатывать при помощи электростанций, генераторы переменного тока экономичнее и проще в обслуживании, чем аналоги, работающие на постоянном токе. Поэтому были собраны надежные электрические двигатели переменного тока, которые сразу нашли свое широкое применение в промышленных и бытовых сферах. Надо отметить, что благодаря существованию переменного тока, его особенным физическим явлениям, смогли появиться такие изобретения, как радио, магнитофон и прочая автоматика и электротехника, без которой сложно представить современную жизнь.

Существуют промышленные и бытовые генераторы: Промышленные генераторы- наилучший вариант для использования на производстве, в больницах, школах, магазинах, офисах, бизнес центрах, а так же на строительных площадках, значительно упрощая строительство в тех зонах, где электрификация полностью отсутствует. Бытовые генераторы, более практичные, компактные и идеально подходят для использования в коттедже и загородном доме. Генераторы переменного тока широко применяются в различных областях и сферах благодаря тому, что могут решить множество важных проблем, которые связаны с нестабильной работой электричества или полным его отсутствием.

Применение в сельском хозяйстве. В с/х используются дизельные генераторы, которые обеспечивают сельскохозяйственную технику (насосы, оборудования, освещение), продление светового дня (для теплиц и птичников), отопление, доильные аппараты и т.д. Также в борьбе с вредителями сельскохозяйственных культур используется низкочастотное излучение квантового генератора в который записана информация снятая с оригиналов применяемых для локализации различных болезней и удаления насекомых.

В наше время нет такой отрасли народного хозяйства, в которой не применялось бы электричество. И каждая из них предъявляет к электрическим машинам и аппаратам определенные требования, от которых зависит не только конструкция этих машин, но и род используемого тока. Хотя в технике и в промышленности широко используются и переменный и постоянный токи, области их применения весьма четко разграничены.

Впервые люди получили электрический ток от гальванических элементов. Эти элементы создавали в электрической цепи поток электронов, движущихся все время в одном определенном направлении. Такой ток получил название «постоянного».

Первые вращающиеся генераторы, электрические двигатели и приборы также работали на постоянном токе. И когда в конце прошлого столетия русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский предложил применять трехфазный переменный ток, многие ученые отнеслись к этому с недоверием. Даже знаменитый американский электротехник Эдисон считал переменный ток выдумкой, не заслуживающей внимания. Однако очень скоро переменный ток стали использовать во многих областях электротехники. Электрические генераторы переменного тока создают в электрической цепи поток электронов, непрерывно изменяющий направление своего движения. Так, в цепи электрической лампочки, освещающей вашу комнату, электроны успевают за одну секунду

100 раз изменить направление своего движения: 50 раз они движутся в одном направлении и 50 - в обратном. Про такой ток говорят, что он имеет частоту 50 периодов в секунду.

Эта особенность движения электронов придает переменному току целый ряд свойств, определивших его главенствующее положение в современной электротехнике.

Одно из важнейших свойств переменного тока - его способность к трансформации. Как мы знаем, передача электрической энергии на большие расстояния возможна только при очень высоком напряжении, достигающем 110, 220 и даже 500-800 тыс. в. Столь высокое напряжение нельзя получить непосредственно в генераторах. В то же время для различных электрических машин и аппаратов нужен электрический ток напряжением в несколько десятков или сотен вольт. Вот здесь-то и пригодилась его способность к трансформации,- она позволила с помощью трансформаторов изменять напряжение переменного тока в любых пределах.

Мало того. Соединение обмоток генератора в трехфазную систему позволило получить трехфазный переменный ток. Это система трех переменных токов, которые имеют одинаковую частоту, но различаются по фазе на одну треть периода. Трехфазный ток обладает важными достоинствами. Во-первых, трехфазные линии электропередач выгоднее однофазных: по ним при той же затрате проводов и изоляции можно передать больше электрической энергии, чем при однофазном переменном токе. А во-вторых, благодаря свойству трехфазного переменного тока создавать вращающееся магнитное поле, удалось построить очень простые и надежные асинхронные электрические двигатели без коллектора и щеток.

Эти качества переменного тока и послужили причиной того, что в наши дни все промышленные электростанции вырабатывают только трехфазный переменный ток.

Больше половины электрической энергии, вырабатываемой этими электростанциями, расходуется электрическими двигателями. Чтобы они могли выполнять разнообразную работу, их делают различными и по устройству и по размерам.

Кроме простых асинхронных двигателей, которые широко используются для привода станков, есть двигатели с обмоткой и контактными кольцами на роторе. Они развивают большие усилия при трогании с места и поэтому успешно применяются на подъемных кранах. Есть еще синхронные двигатели, имеющие постоянную скорость вращения. По своим размерам электрические двигатели бывают маленькими - с катушку ниток - и огромными, как карусель.

Применение для привода станков сразу нескольких электрических двигателей дало возможность упростить механизмы станка, облегчило управление ими и позволило создать автоматические станочные линии.

Малые размеры электрических двигателей позволили использовать электрическую энергию там, где раньше применялся только ручной труд. Электрические дрели, пилы, рубанки и другой электрифицированный инструмент намного облегчили труд рабочих, сделали его более производительным.

Электрические полотеры, пылесосы, стиральные машины и холодильники пришли на помощь домашним хозяйкам.

Переменный ток - хороший источник тепла. В мощных дуговых электропечах плавят и варят металл. Электрические печи сопротивления широко используются для кондиционирования воздуха, обогрева сушильных шкафов и различных помещений.

Электрические лампочки дают свет независимо от того, какой ток идет через их нити. Но поскольку передача переменного тока более экономична, а трансформаторы позволяют легко поддерживать необходимое для них напряжение, вся осветительная сеть городов и сел обслуживается переменным током.

Непрерывное изменение направления движения электронов в переменном токе, его способность к трансформации открыли ему широкую дорогу во многие области техники. Но не всегда хорош ток, все время меняющий свое направление. Вот вы сели в троллейбус, поезд метро или в вагон «электрички» на железной дороге. Здесь вы попали во владения постоянного тока.

Дело в том, что простые и удобные электрические двигатели переменного тока не позволяют в широких пределах плавно менять скорость своего вращения. А вспомните, сколько раз водителю приходится изменять скорость движения троллейбуса; с такой беспокойной работой хорошо справляется только двигатель постоянного тока. Питание этих двигателей осуществляется с тяговых выпрямительных подстанций. Приходящий на них с электростанций переменный ток при помощи ртутных выпрямителей преобразуется в постоянный, а затем подается в контактную сеть - в провода и рельсы.

Применение тяговых двигателей постоянного тока на транспортных машинах оказалось настолько выгодным, что их можно встретить на тепловозах и теплоходах.

Их основными двигателями служат дизели, которые приводят в движение генераторы, вырабатывающие постоянный ток. А он в свою очередь заставляет работать электрические двигатели, вращающие колеса или гребные винты.

Однако высокая стоимость и сложность преобразовательных подстанций заставили ученых и инженеров задуматься над использованием переменного тока на транспорте. Сейчас уже есть участки железных дорог, использующие однофазный переменный ток. С успехом используют его и на многих дизель-электрических кораблях.

Дальнейшая электрификация железных дорог в нашей стране будет осуществляться преимущественно с использованием переменного тока напряжением 25 тыс. в. Этот ток будет превращаться в постоянный непосредственно на электровозах при помощи выпрямительных устройств.

Хорошие регулировочные способности электродвигателей постоянного тока позволили с успехом применить их также на подъемно-транспортных механизмах. На обычных кранах, которые вы видите на строительстве, работают двигатели переменного тока. Но на мощных подъемных кранах больших металлургических заводов устанавливают двигатели постоянного тока. Ведь здесь надо плавно поднимать и переносить огромные ковши с расплавленным металлом, разливать его в изложницы или подавать раскаленные болванки на прокатные станы.

Эти двигатели приводят в движение и механизмы гигантских шагающих экскаваторов.

Двигатели постоянного тока могут развивать очень большие скорости вращения - до 25 тыс. об/мин. Это позволяет получать большую мощность при очень небольших размерах двигателя. Поэтому они незаменимы в качестве моторов управления, применяемых на самолетах для поворотов рулей, элеронов и закрылков, для подъема и опускания шасси и других механизмов.

Неизменное направление движения электронов в цепи постоянного тока определило большую и важную область его применения, в которой переменный ток с ним соперничать не может. Речь идет об электролизе - процессе, связанном с прохождением тока через жидкие растворы - электролиты. Под воздействием постоянного тока, проходящего через электролит, он разлагается на отдельные элементы, которые осаждаются на определенных электродах - на аноде или катоде. Это свойство широко используется в цветной металлургии - для получения алюминия, магния, цинка, меди, марганца. В химической промышленности при помощи электролиза получают фтор, хлор, водород и другие вещества.

В гальванотехнике электролиз применяют для осаждения металла на поверхность различных изделий. Таким образом наносят защитные покрытия на металлические изделия (никелирование, хромирование), изготавливают металлические монументы, печатные формы и т. д. Гальванизацию применяют в медицине для лечения некоторых болезней.

Постоянное направление движения электронов помогает постоянному току соперничать с переменным в сварочном деле и некоторых видах освещения. При сварке постоянным током частички металла переносятся с электрода на изделие более правильно и шов получается качественнее, чем при сварке переменным током.

Зайдите на киностудию. Мощные дуговые кинопроекторы заливают светом съемочный павильон. На переменном токе дуга горит менее устойчиво, дает меньше света и издает гул, мешающий записи звука при киносъемке. Поэтому кинопрожекторы питают постоянным током, который дает бесшумную устойчивую дугу. В мощных военных прожекторах и дуговых кинопроекционных аппаратах также используется постоянный ток.

На киностудиях на постоянном токе работают мощные дуговые кинопрожекторы.

Чтобы получить переменный ток, нужно непрерывно вращать генератор переменного тока, а постоянный ток могут давать неподвижные аккумуляторные батареи или же гальванические элементы. Эти свойства источника электрического тока также в ряде случаев определяют область применения постоянного тока.

Автомобиль стоит на месте. Как завести его двигатель? К вашим услугам аккумуляторная батарея. Вы нажимаете кнопку стартера, и двигатель постоянного тока, получая питание от аккумуляторной батареи, заводит мотор. А когда мотор работает, он вращает генератор, который заряжает аккумулятор, восстанавливает израсходованную энергию. Такой обратимый процесс недоступен для переменного тока.

Что было бы, если бы в поездах освещение питалось переменным током? Остановился поезд - перестали вращаться колеса вагонов, а вместе с ним остановились бы электрические генераторы и свет в вагонах погас бы. Но этого не происходит, потому что под вагонами установлены генераторы постоянного тока, работающие параллельно с аккумуляторными батареями. Идет поезд - генераторы вращаются, дают энергию для освещения и одновременно заряжают батарею. Остановился состав - аккумуляторная батарея посылает ток в осветительную сеть.

Представьте себе, что на электростанции произошла авария: все турбо- или гидрогенераторы остановились и линии электропередачи, связывавшие ее с другими электростанциями, отключились. В таких случаях выручает постоянный ток, получаемый от больших аккумуляторных батарей. С его помощью приводят в движение вспомогательные механизмы, включают отключившиеся выключатели и снова пускают в работу главные турбо- или гидрогенераторы. Питание от аккумуляторной батареи очень надежно, поэтому все цепи защиты управления, автоматики и сигнализации на больших электростанциях работают на постоянном токе.

Может ли плавать подводная лодка без постоянного тока? На поверхности воды может. В этом случае ее гребные винты вращаются дизелями. Но под водой дизели останавливаются - не хватает воздуха. Там работает двигатель постоянного тока, получающий энергию от аккумуляторных батарей. Когда лодка вновь всплывает на поверхность и включаются в работу дизели, электрический двигатель превращается в генератор и вновь заряжает батареи.

В шахтах не везде можно подвесить контактный провод для электровозов. Как же им передвигаться? И тут опять выручает аккумуляторная батарея. На многих шахтах рудничные аккумуляторные электровозы доставляют уголь из самых отдаленных забоев. Электрические тележки с аккумуляторами - электрокары - вы часто видите на вокзалах. Они есть и в цехах больших заводов и фабрик.

Обратите внимание, как кинооператор снимает какое-нибудь важное событие. В руках у него легкий киносъемочный аппарат, а на поясе - аккумулятор. Нажал кнопку, и аппарат заработал. Такие легкие аккумуляторные батареи широко применяются для переносных радиостанций, сигнальных устройств, электрических измерительных приборов.

Конечно, перечисленными здесь примерами не исчерпываются все области применения электрической энергии. Мы ничего не рассказали о ее использовании для телеграфной и телефонной связи, для радио и телевидения и других целей - об этом вы прочтете в соответствующих статьях нашего сайта.

Энергетика будущего

Великие работы будущего могут проводиться только на базе новой могучей энергетики, опираясь на развитие металлургии и транспорта.

Энергетика, развиваясь, увеличивает власть человека над природой. Она - наш главный помощник в штурме космоса.

Электроэнергию измеряют киловатт-часами. 1 квт-ч электроэнергии способен поднять груз в 1 Т на высоту 367 м (без учета потерь на трение). С его помощью можно прокатать 50 кГ металлоизделий, продемонстрировать 4 раза большой фильм, добыть в шахте и выдать на-гора почти центнер угля, вывести в инкубаторе 30 цыплят, 2 недели бесперебойно снабжать водой одного жителя Москвы.

В 1959 г. советские электростанции выработали 264 млрд. квт-ч. А в 1965 г. страна получит уже 500-520 млрд. квт-ч - почти по 2300 квт-ч на каждого человека вместо 14 в 1913 г.

Семилетний план - это первый этап грандиозных преобразований в стране, намеченных на 15-20 лет. Как же будет развиваться советская энергетика в более отдаленном будущем?

По очень осторожному прогнозу, в 1970 г. мы должны получить 900 млрд. квт-ч, в 1975 г.- около 1500 млрд. квт-ч, а в 1980 г.- около 2300 млрд. квт-ч. Это в 260 раз больше плана ГОЭЛРО!

Непосредственное использование солнечной энергии Задача непосредственного использования солнечной энергии издавна привлекает К себе внимание ученых и инженеров многих стран. Замечательным успехом было создание солнечных батарей, питающих энергией радиопередатчик третьего советского спутника Земли. Достигнуты в этой области и некоторые другие успехи. Созданы специальные установки, плоские стеклянные пластины которых пропускают коротковолновые лучи Солнца, но не пропускают длинноволновые тепловые лучи. Это позволяет накапливать тепло. Такие установки уже сейчас приводят в действие насосы мощностью до 3 л.с. Для промышленного производства жароупорноіі керамики применяется установка с зеркалом диаметром более 12 м. С его помощыо получают температуры до 3000°. Построена также 40-тонная параболическая рефлекторная печь с алюминиевым зеркалом диаметром 8,5 м, которая служит для производства удобрений путем связывания атмосферного азота.

На душу населения в 1980 г. у нас должно приходиться около 8,5 тыс. квт-ч.

Главную роль в снабжении нашей страны электроэнергией и теплом (в виде пара и горячей воды) будут играть очень крупные тепловые электростанции (см. ст. «Фабрика тепла и электричества»).

В будущем мы будем строить электростанции мощностью до 3 млн. кВт и выше. На них будут работать очень экономичные турбогенераторы мощностью 200, 300 и даже 600 тыс. кВт. Проектировщики уже думают о создании турбогенератора в 1 млн. кВт - почти два Днепрогэса в одной компактной машине! Каждый турбогенератор будет снабжаться паром от своего гигантского котла. А на производство 1 квт-ч этим агрегатам понадобится не более 300 Г угля - небольшая горсть!

Будут строиться новые типы электростанций - газотурбинные. К. п. д. газовых турбин более высокий, чем паровых. А сами они значительно компактнее. Газовая турбина не требует воды. Сейчас у нас изготовляются газовые турбины мощностью в 25 тыс. кВт. В ближайшем будущем будут созданы машины в 50 тыс. и более кВт. В дальнейшем газотурбинные электростанции достигнут миллионной мощности. Они станут превращать дешевое топливо в электроэнергию.

Советские ученые открыли новые методы энергохимического использования топлива. Из торфа, бурых углей, сланцев перед их сжиганием в топках котлов будут извлекаться очень ценные продукты - газ для бытового и промышленного применения, смола, необходимая для получения химических продуктов и жидкого горючего.

Таким образом, тепловая электростанция будущего превратится в сложный комбинат, который будет одновременно вырабатывать электрическую энергию, газ, пар и горячую воду для производственных и бытовых нужд, сырье для химической промышленности, а из остатков топлива - строительные материалы. Ученые уже давно думают над тем, нельзя ли непосредственно превращать топливо, свет, тепло, внутриядерную энергию в электроэнергию? Уже построены первые электрохимические генераторы. Пока еще они несовершенны, но все же это новый путь получения энергии. Возможно, придет время, когда уголь не нужно будет сжигать, чтобы превратить заключающуюся в нем химическую энергию в тепло и потом преобразовать его в механическую или электрическую энергию. Химическая энергия угля будет превращаться непосредственно в электроэнергию с высоким кпд. Это будет большой переворот в энергетике. Ученые считают, что можно будет соорудить колоссальные электрохимические генераторы прямо в толще угольных пластов под землей.

Энергию солнечных лучей тоже будут использовать. Советские ученые работают над созданием большой гелиотехники. Она позволит использовать солнечную энергию в промышленности. Для этого концентрацию солнечных лучей увеличивают при помощи больших зеркал. Такие машины могут работать почти так же, как и обычные котлы на топливе. В Ташкенте уже построена опытная солнечная установка с зеркалом диаметром 10 м. На ней получают лед и опресненную воду. Кроме того, проектируется крупная солнечная теплоэлектроцентраль в Араратской долине Армении. Паровой котел, связанный с паровой турбиной и поставленный в центре круга на 40-метровую башню, будут подогревать пучки солнечных лучей, отражаемые от группы концентрически расположенных зеркал. Зеркала установлены на специальных тележках-поездах, которые автоматически следуют за движением Солнца.

Огромное будущее предсказывают разработанному недавно новому методу непосредственного превращения солнечного тепла и света в электроэнергию при помощи полупроводников в термоэлектрогенераторах.

По-новому будут использовать и энергию ветра. Она непостоянна, и подчинить ее нуждам человека трудно. Но советские ветроэнергетики непрестанно ищут методы «выравнивания» этой энергии. Один из возможных способов аккумулировать ветровую энергию - это электролитическое разложение воды на кислород и водород, а потом соединение их (когда нет ветра).

Советская энергетика стоит у начала использования глубинного вулканического тепла Земли. Такие возможности есть на Камчатке, Курильских о-вах, Кавказе, в Средней Азии.

Решается мировой техникой и проблема использования морских приливов. Все приливные гидроэлектростанции, предлагаемые пока проектировщиками, были бы очень дорогими и не обеспечивали бы надежного электроснабжения. Между тем общая мощность приливов и отливов на Земле достигает 7 10 16 кВт.

Техника будущего обратится, вероятно, и к такому резерву, как малые температурные перепады в природе. Ведь возможности получения энергии от разницы температуры между водой в глубине океанов и наружного воздуха, например в Арктике и Антарктике, очень велики.

Не так далеко то время, когда атомная энергетика обеспечит нам сказочное обилие электроэнергии. В нашей стране уже вступают в строй мощные атомные электростанции, проектируются и строятся новые крупные АЭС. Они возникают прежде всего в районах, далеко расположенных от месторождений органического топлива и крупных рек. Остановится ли энергетика на этом этапе?

Уже занимается заря новой техники, основанной на использовании термоядерных электростанций.

Горючим для них будет тяжелый, а потом, возможно, и обычный водород. Производительность таких электростанций даже трудно себе представить. Выпивая воду из стакана, мы и не подозреваем, что в ней содержится огромное количество энергии.

Когда появятся термоядерные электростанции, то изобилие энергии позволит электрифицировать и полностью автоматизировать все производственные процессы.

Широкое развитие энергетики позволяет ставить вопрос о великих преобразовательных работах в нашей стране. Они настолько грандиозны, что неизбежно приобретут международное значение. О таких работах мечтают уже давно. Сейчас, например, орошают лишь около 2% площади всех пустынь. Культурными посевами и насаждениями занято едва ли 2% всех земель. Какое поле гигантских работ в будущем!

Широкие международные водохозяйственные системы помогут навсегда покончить с водным голодом в отдельных зонах Земли, стереть с лица нашей планеты желтые пятна пустынь.

Огромные преобразования необходимы и у нас. Посмотрите на физическую карту СССР. В глаза бросаются два колоссальных зеленых пятна: Западно-Сибирская низменность и Арало-Каспийская впадина. Это - важные житницы нашей страны в будущем. Они могут дать больше продуктов, чем производят сейчас США. Научная мысль работает над тем, как ликвидировать излишнюю увлажненность великой приобской равнины, как лучше провести живительный поток сибирской воды в знойные пустыни нашей страны.

Центральным и южным районам Европейской части страны нужно все больше и больше пресной воды. Вода становится важнейшим условием размещения промышленности и городов, основой жизни и здоровья людей.

Уже разработан проект переброски воды северных рек - Печоры, Северной Двины, Мезени - и их притоков в русла Волги, Днепра, Дона. Высказывается идея перехвата воды в низовьях Дуная, Днепра, Днестра, Дона и Кубани для орошения и обводнения южных районов. Эти огромные работы связываются с утеплением и освежением вод Черного моря, расширением зоны субтропиков на Кавказе и в Крыму.

Наши реки несут в себе огромную энергию - почти 3 тыс. млрд. квт-ч в год могут дать они! Уже сейчас наша страна вводит в строй мощные гидроэлектростанции, превосходящие наиболее крупные гидростанции капиталистических стран.

Строя каскады гидроэлектростанций, мы создадим единую водохозяйственную систему страны, соединим между собой все реки, все 14 морей, омывающих нашу землю, и три океана - Северный Ледовитый, Тихий и Атлантический.

Большое гидростроительство ведется в Китае. Там намечено сооружение на р. Янцзы гидроэлектростанции Санься небывалой мощности - 20-25 млн. кВт. На ней впервые будут установлены гидрогенераторы по 1 млн. кВт каждый.

Многим государствам уже сейчас очень нужны согласованные схемы международного комплексного использования отдельных рек. Первые ласточки такого международного сотрудничества - большие работы советских и китайских гидроэнергетиков по использованию Амура, работы по использованию пограничных рек с Монголией, Афганистаном, Ираном, Норвегией, Финляндией. Разрабатывается прямой водный путь Днепр - Эльба - первое звено возможной водноэнергетической системы Восточной и Западной Европы. Советские гидроэнергетики участвуют в сооружении высотной Асуанской плотины на р. Нил в Египте.

Природные условия и ресурсы распределены на Земле неравномерно.

В Азиатской части Советского Союза, например, сосредоточены наши главные природные сокровища. Там величайшие реки, мировые запасы леса, сказочные клады железа, цветных и редких металлов, много не использованных под посевы земель. Поэтому в будущем транспортные и энергетические связи Востока и Запада нашей страны придется перестраивать. Кроме того, Европа, природные ресурсы которой ограничены, развиваясь в условиях мирного сосуществования, будет обращаться к гигантским восточным базам дешевой энергии, топлива, леса, продовольствия и различного сырья.

Большое значение будут иметь международные магистральные трубопроводы нефти, газа, жидкого аммиака - основного средства увеличения плодородия земли.

В ясные дни с мыса Дежнева виден американский берег. Берингов пролив - это единственно возможный пункт для сухопутной связи Азии с Америкой. Расстояние между станцией Большой Невер и железнодорожной сетью США через Берингов пролив составило бы 7200 км, т. е. было бы почти в полтора раза короче пути через Тихий океан. Сухопутный путь СССР - США отличался бы постоянством, надежностью и экономической выгодностью. Он должен иметь мощные скоростные локомотивы и большие вагоны. При скорости, превышающей 300 км/час, такие экспрессы покрывали бы расстояние от Сибирской магистрали до железнодорожной сети США почти за 30 час.

Новая дорога протяженностью около 4000 км (на нашей стороне) установила бы надежную связь с обширными пространствами Северо-Востока СССР с их неисчерпаемыми природными богатствами.

Путь СССР - США может быть почти одинаковой длины с Сибирской магистралью. Ее протяженность от Челябинска до Владивостока 7400 км, и построили ее за 15 лет (1891 - 1905).

По Сибирскую дорогу строило одно государство. А новая дорога - межконтинентальное сооружение, которое в условиях сотрудничества и мира смогут строить две страны.

Во многих странах мира миллионы людей интересуются инженерными проектами международного значения.

Уже теперь человек пытается искусственно воспроизвести такие титанические явления, как морские течения. Мечты о преобразовании климата Северного полушария Земли - уже не грезы, не воздушные замки. Над этой проблемой работают ученые и инженеры. Наука делает первый шаг к организованному перераспределению тепла Земли.

И вот возникла идея перекрыть Берингов пролив исполинским мостом-плотиной. В теле плотины установят тысячи пропеллерных насосов. Их приведут в действие мощные атомные электростанции.

Насосы создали бы теплое течение из Тихого океана в Атлантический, и оно могло бы смягчить климат Сибири и Северной Америки.

Гольфстрим и его северные продолжения несут с собой гораздо больше тепла, чем Куро-Сио. Нужно направить атлантические воды через Полярный бассейн и Берингов пролив в Тихий океан. Насосы Беринговой плотины должны гнать воду не из Тихого океана в Ледовитый, а наоборот. Сквозной проход через Арктику масс теплых вод Атлантики перестроит систему теплых и холодных течений Северного полушария.

Воображению энергетиков уже рисуется искусственный Гольфстрим, который растопит вековые льды, ослабит холодные течения и превратит северные районы СССР и США в обширные цветущие зоны жизни. Над этой великой проблемой должны работать международные коллективы ученых и инженеров.

Мы попытались дать общую картину энергетики будущего и тех преобразовательных работ, которые, возможно, будут производиться с ее помощью. Но для того чтобы приблизить будущее, нужна большая практическая работа по выполнению заданий семилетнего плана развития народного хозяйства страны.

где - амплитуда тока, - частота , - фаза тока.

1. История

Раннее упоминание практического применения переменного тока встречается у Гийома Дюшена, изобретателя и разработчика электротерапии. В году он объявил, что переменный ток лучше постоянного тока вызывает электротерапевтический запуск мышечных сокращений.

3. Мощность

Мгновенное значение мощности электрического тока равна

, Полная мощность , Активная мощность , Реактивная мощность

где U - напряжение , а - Сдвиг фаз между напряжением и током.

Однако практичнее использовать усредненное значение мощности

,

где - Амплитудное значение силы тока, - Амплитудное значение напряжения.

Переменный ток характеризуют также действующими значениями силы тока и напряжения

4. Производство и передача переменного тока

4.1. Генератор переменного тока

Генератором переменного тока является система с недвижимого статора (состоит из стального сердечника и обмотки) и ротора (электромагнит со стальным сердечником), который вращается внутри него. Через два контактных кольца, к которым прижаты скользящие контакты щетки, проводится электрический ток. Электромагнит создает магнитное поле, которое вращается с угловой скоростью вращения ротора и возбуждает в обмотке статора ЭДС индукции. Чтобы ротор вращался и создавал магнитное поле, которое вызывает в статоре ЭДС индукции, ему необходимо предоставлять энергию. Ротор вращается в электростанциях с помощью паровых (ТЭС и АЭС) или гидротурбин (ГЭС).

Воздушная линия > Цепи переменного тока. Теория.

Переменные токи

Познакомимся с основными понятиями, относящимися к переменным токам.
Переменным током называют ток, изменяющийся во времени.
Значение тока в любой данный момент времени называют мгновенным и обозначают строчной (малой) буквой i . Для одного из двух возможных направлений тока через поперечное сечение проводника мгновенное значение тока i считают положительным, а для противоположного направления - отрицательным. Направление тока, для которого его мгновенные значения положительны, называют положительным направлением тока . Ток определен, если известна его зависимость от времени i=F(t) и указано положительное направление тока.
Токи, мгновенные значения которых повторяются через равные промежутки времени в той же самой последовательности, называют периодическими , а наименьший промежуток времени, через который эти повторения наблюдаются, - периодом Т . Для периодического тока

I = F(t) = F(t + Т) .

На рис. 3.1 показан участок АВ электрической цепи и дан пример зависимости i = F(t ) для периодического тока. Стрелка на схеме указывает положительное направление тока. Штриховыми стрелками показаны действительные направления тока в моменты времени, когда i > 0 и когда i < 0 . Отрезки кривой между точками а и b или О и С охватывают один полный цикл изменения тока за один период.
Величина, обратная периоду, называется частотой f =1/Т . Частота измеряется в герцах. Частота равна 1 Гц, если период равен 1 с, т. е. .
Постоянный ток можно рассматривать как частный случай периодического тока, период изменения которого бесконечно велик, т. е. частота равна нулю.
Термин "переменный ток" обычно применяют в узком смысле, а именно для такого периодического тока, у которого постоянная составляющая равна нулю, т. е.

и особенно часто для гармонического или синусоидального тока .
Широкое применение переменного тока в электротехнике началось со времени решения задачи централизованного производства электрической энергии и ее передачи на значительные расстояния.
Передача и распределение энергии требуют по экономическим соображениям и по условиям безопасности применения различных напряжений: высокого - для передачи энергии и сравнительно низкого - для ее распределения потребителям.

Преобразование напряжения переменного тока возможно при помощи относительно простого аппарата - трансформатора, который в 1876 г. изобрел П. Н. Яблочков. В 1889 г. М. О. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный асинхронный двигатель и разработал все звенья передачи и рас-пределения энергии трехфазным током (см. гл. 10). После этого переменный ток получил преимущественное распространение.

Диапазон частот переменных токов, применяемых в электротехнике, весьма широк - от десятков до миллиардов герц. В электроэнергетике в СССР и в Европе принята стандартная частота 50 Гц, в США 60 Гц. В различных областях промышленного применения переменных токов встречаются частоты от 10 до 2 500 000 000 Гц, в радиотехнике и электронике - до 30 000 000 000 Гц.
В электроэнергетике применяются токи, являющиеся синусоидальными функциями времени, так как при несинусоидальных токах могут возникнуть нежелательные явления, как-то: увеличение потерь энергии, появление на отдельных участках цепи значительных напряжений и возникновение помех, влияющих на работу устройств электросвязи.
Для передачи информации (связь, радиовещание, телемеханика) также широко применяются синусоидальные токи. Передаваемая информация (сигнал) изменяет амплитуду, частоту или фазу тока.
Периодические несинусоидальные токи могут рассматриваться как совокупность синусоидальных токов различных частот.
Все это обусловливает первоочередную необходимость основательного изучения цепей синусоидального тока.
Все определения, введенные выше для токов, и те новые определения, которые будут введены в дальнейшем, применимы и для напряжений u , ЭДС е , магнитных потоков, а также для любых других электрических и магнитных величин, изменяющихся во времени. Некоторые пояснения требуются лишь в отношении знака переменных напряжений и ЭДС.
У переменного напряжения и между двумя точками А и В , определяемого по заданному пути l , знак периодически изменяется. При этом, если в данный момент времени напряжение между А и В, определяемое в направлении от А к В , т. е. , положительно, то в тот же момент времени напряжение , определяемое в обратном направлении от В к A , отрицательно. Поэтому для однозначного суждения о напряжении необходимо указать направление пути, которое принято для его определения. Это направление назовем положительным направлением напряжения и будем отмечать либо стрелкой на схеме, либо порядком индексов у буквы u .
Аналогично вводится понятие о положительном направлении для ЭДС.

Переменный электрический ток и его применение в медицине.

1. Переменный ток, его виды и основные характеристики.

Переменный ток - это такой ток, направление и числовое значение которого меняются с течением времени (знакопеременный ток).

Примечание: не оговаривается форма кривой тока, периодичность, длительность его изменения.

На практике под переменным током чаще всего подразумевают периодический переменный ток.

Физическая сущность переменного тока сводиться к колебаниям электрических зарядов в среде (проводнике или диэлектрике).

Виды тока:

1.Ток проводимости.

2.Ток смещения.

Ток проводимости - это такой ток, который обусловлен колебаниями электронов и ионов в среде.

Ток смещения - это ток, который обусловлен смещением электрических зарядов на границе «проводник - диэлектрик» (например, ток через конденсатор).

Ток смещения связан с изменением во времени электрического поля на границе проводник - диэлектрик и имеет особенности:

• Амплитуда тока смещения и его направления совпадают по фазе с таковыми тока проводимости.
• По значению он всегда равен току проводимости.

Частным случаем тока смещения является ток поляризации. Ток поляризации - это ток смещению не в вакууме, а в материальной диэлектрической среде.

Сумма токов смещения и поляризации составляет полный ток смещения.

В медицинской практике применяются следующие виды токов по форме кривой тока:

• Игольчато-экспоненциальный

Самым простым является периодический синусоидальный ток. Он легко описывается математически и графически, форма его не искажается в электрических цепях с R, C, L элементами.

Основные характеристики переменного тока.

1.Период - время одного цикла изменения тока по направлению и числовому значению (,).

2.Частота - это число циклов изменения тока в единицу времени.

n =1/Т (величина обратная периоду с -1 , Гц)

3.Круговая частота (, 2/Т радиан/с)

4.Фаза () - это величина, определяющая во времени взаимоотношение тока и напряжения в электрической цепи.

5.Мгновенное значение тока и напряжения - значение этих величин в данный момент времени (,).

6.Амплитудное значение тока и напряжения - это максимальное за полупериод значение этих величин (,).

7.Среднеквадратическое (действующее, эффективное) значение тока и напряжения - вычисляется как положительный квадратный корень из среднего значению квадрата напряжения или тока по формулам.

Среднее значение (U ср) за период (постоянная составляющая) - это среднее арифметическое мгновенных значений ток или напряжения за период.

На практике среднеквадратическое значение определяется по эффективному (действующему) значению. (I cp , U cp), которое для синусоидального тока вычисляется по формулам:

I эф = I = 0,707 I m

U эф = U = 0,707 U m

В отдельных случаях медицинского применения электрического тока приходиться учитывать и другие характеристики (например, коэффициент амплитуды К а, и коэффициент формы К ф).

Для практики имеют значения следующие формулы связи характеристик:

i(u) ≤I m (U m)

I эф = I = I m /Ö2 =0,707 I m I m = 1,41 I эф

U эф = U= U m /Ö2 =0,707 U m U m = 1,41 U эф

2. Цепи переменного тока с активным сопротивлением, индуктивностью, емкостью и их особенности.

Электрическая цепь - это реальная или мыслимая совокупность физических элементов, передающих электрическую энергию от одной точки пространства к другой.

Физическими элементами электрических цепей являются проводники, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Элементы цепи являются и элементами её связи, и, кроме того, реализуют соответствующие свойства сопротивления, емкости и индуктивности.

Виды электрических цепей:

1.Простые.

2.Сложные.

Простые цепи содержат только единичные R, C, L - элементы, а сложные имеют их в различных количествах и сочетаниях.

Общей особенностью элементов электрической цепи является то, что при прохождении переменного тока они оказывают сопротивление, которое называется активным (R), индуктивным (X l), емкостным (X c).

Особенности простых идеальных цепей.

Цепь, состоящая из генератора тока и идеального резистора, называется простой цепью с активным сопротивлением.

Условию идеальности цепи :

• Активное сопротивление не равно нулю,
• индуктивность и ёмкость его равны нулю.

Особенности:

1.Соблюдается закон Ома для мгновенных, амплитудных и среднеквадратичных значений тока и напряжения.

2.Активное сопротивление не зависит от частоты (поверхностный «скин - эффект» не учитываем)

3.Нет сдвига фаз () между током и напряжением.

Это значит, что ток и напряжение одновременно проходят свои максимальные (амплитудные) и нулевые значения.

4.На - элементе происходят потери энергии в виде выделения тепла.

Цепь с индуктивностью - это электрическая цепь, состоящая из генератора переменного тока и идеального L - элемента- катушки индуктивности.

Условия идеальности цепи:

• Индуктивность катушки не равна нулю
• Её ёмкость и сопротивление равны нулю.

Особенности цепи:

1.Соблюдается закон Ома.

2.- элемент оказывает переменному току сопротивление, которое называется индуктивным. Оно обозначается и возрастает с увеличением частоты линейно, соответственно формуле:

3.В цепи есть сдвиг фаз между напряжением и током: опережает по фазе на угол /2

4.Индуктивное сопротивление не потребляет энергии, т.к. она запасается в магнитном поле катушки, а затем отдается в электрическую цепь. Поэтому индуктивное сопротивление называется кажущимся или мнимым.

Цепь с ёмкостью - это электрическая цепь, состоящая из генератора переменного тока и идеального C - элемента - конденсатора.

Условия идеальности цепи:

• Ёмкость конденсатора не равна нулю, а его активное сопротивление и индуктивность равны нулю. С ¹ 0, R С = 0, L C = 0.

Особенности цепи с ёмкостью:

1. Соблюдается закон Ома.

2. Ёмкость оказывает переменному току сопротивление, которое называется ёмкостным. Оно обозначается X с и уменьшается с увеличением частоты не линейно.

3.В цепи есть сдвиг фаз между напряжением и током: отстает от по фазе на угол /2

4.Ёмкостное сопротивление не потребляет энергии, т.к. она запасается в электрическом поле конденсатора, а затем отдается в электрическую цепь. Поэтому ёмкостное сопротивление называется кажущимся или мнимым.

3. Полная цепь переменного тока и её виды. Импеданс и его формула. Особенности импеданса живой ткани.

Полная цепь переменного тока - это цепь из генератора, а также R, C, и L элементов, взятых в разных сочетаниях и количествах.

Для разбора проходящих в электрических цепях процессов используют полные последовательные и параллельные цепи.

Последовательная цепь - это такая цепь, где все элементы могут быть соединены последовательно, один за другим.

В параллельной цепи R, C, L элементы соединены параллельно.

Особенности полной цепи:

1.Соблюдается закон Ома

2.Полная цепь оказывает переменному току сопротивление. Это сопротивление называется полным (мнимым, кажущимся) или импедансом.

3.Импеданс зависит от сопротивления всех элементов цепи, обозначается и вычисляется не простым, а геометрическим (векторным) суммированием. Для последовательно соединенных элементов формула импеданса имеет следующее значение:

Z - импеданс последовательной цепи,

R - активное сопротивление,

X L - индуктивное и X C - ёмкостное сопротивление,

L - индуктивность катушки (генри),

C - ёмкость конденсатора (фарад).

Так как ёмкостное и индуктивное сопротивления дают для напряжения сдвиг фаз в противоположном направлении, возможен случай, когда X L = X C . При этом алгебраическая сумма модулей будет равна нулю, а импеданс - наименьшим.

Состояние, при котором в цепи переменного тока ёмкостное сопротивление равно индуктивному, называется резонансом напряжения. Частота, при которой X L = X C , называется резонансной частотой. Эту частоту n p можно определить по формуле Томсона:

4. Особенности импеданса живой ткани и её эквивалентная электрическая схема.

При пропускании тока через живую ткань, её можно рассматривать как электрическую цепь, состоящую из определенных элементов.

Экспериментально установлено, что это цепь обладает свойствами активного сопротивления и ёмкости. Это доказывается выделением тепла и уменьшением полного сопротивления ткани с возрастанием частоты. Свойств индуктивности у живой ткани практически не обнаруживается. Таким образом, живая ткань представляет собой сложную, но не полную электрическую цепь.

Импеданс живой ткани можно рассматривать как для последовательного, так и для параллельного соединения её элементов.

При последовательном соединении токи через элементы равны, общее приложенное напряжение будет векторной суммой напряжений на R и C элементах и формула импеданса последовательной цепи будет иметь вид:

Z_ - импеданс последовательной цепи,

R - её активное сопротивление,

X C - ёмкостное сопротивление.

При параллельном соединении напряжения на R и C элементах равны, общий ток будет векторной суммой токов каждого элемента, а фомула импеданса будет следующей:

Теоретические формулы импеданса живой ткани при параллельном и последовательном соединении её элементов от экспериментальных отличаются следующим:

1.При последовательной схеме соединения практические данные дают большие отклонения на низких частотах.

2.При параллельной схеме эти измерения показывают конечное значение, хотя теоретически оно должно стремиться к нулю.

Эквивалентная электрическая схема живой ткани - э то условная модель, приближенно характеризующая живую ткань, как проводник переменного тока.

Схема позволяет судить:

1.Какими электрическими элементами обладает ткань

2.Как соединены эти элементы.

3.Как будут меняться свойства ткани при изменении частоты тока.

В основе схемы лежат три положения:

1.Внеклеточная среда и содержимое клетки есть ионные проводники с активным сопротивлением среды ср и клетки к.

2.Клеточная мембрана есть диэлектрик, но не идеальный, а с небольшой ионной проводимостью, а, следовательно, и сопротивлением мембраны м.

3.Внеклеточная среда и содержимое клетки, разделённые мембраной, являются конденсаторами См определенной ёмкости (0,1 - 3,0 мкФ/см 2).

Если в качестве модели живой ткани взять жидкую тканевую среду - кровь, содержащую только эритроциты, то при составлении эквивалентной схемы нужно учитывать пути электрического тока.

1.В обход клетки, через внеклеточную среду.

2.Через клетку.

Путь в обход клетки представлен только сопротивлением средыRср.

Путь через клетку сопротивлением содержимого клетки Rк, а также сопротивлением и ёмкостью мембраны.Rм, См.

Если заменить электрические характеристики соответствующими обозначениями, то получим эквивалентные схемы разной степени точности:

Схема Фрике (ионная проводимость не

учитывается).

Схема Швана (ионная проводимость учитывается в виде сопротивления мембраны)

Обозначения на схеме:

Rcp - активное сопротивление клеточной среды

Rk - Сопротивление клеточного содержимого

Cm - ёмкость мембраны

Rm - сопротивление мембраны.

Анализ схемы показывает, что при увеличении частоты тока проводимость клеточных мембран увеличивается, а полное сопротивление тканевой среды уменьшается, что соответствует практически проведенным измерениям.

5. Живая ткань как проводник переменного электрического тока. Дисперсия электропроводности и её количественная оценка.

Экспериментально установлены следующие особенности живой ткани как проводника переменного ток:

1. Сопротивление живой ткани переменном току меньше, чем постоянному.

2. Электрические характеристики ткани зависят как от её вида, так и от частоты тока.

3. С увеличением частоты полное сопротивление живой ткани нелинейно уменьшается до определенного значения, а затем остаётся практически постоянным (в большинстве на частотах свыше 10 6 Гц)

4. На определенной частоте полное сопротивление зависит также от физиологического состояния (кровенаполнения), что используется на практике. Исследование периферического кровообращения на основе измерения электрического сопротивления называются реография (импедансплетизмография).

5. При умирании живой ткани её сопротивление уменьшается и от частоты не зависит.

6. При прохождении переменного тока через живые ткани наблюдается явление, которое называется дисперсией электропроводности.

Дисперсия электропроводности - это явление зависимости полного (удельного) сопротивления живой ткани от частоты переменного тока.

Графики такой зависимости называют дисперсионными кривыми. Дисперсионные кривые строят в прямоугольной системе координат, где по вертикали откладывают значения полного (Z) или удельного сопротивления, а по горизонтали - частоту в логарифмическом масштабе (Lg n).

Частотные зависимости по форме кривой для разных тканей сходный, но отличается значением сопротивления.

Имеется несколько диапазонов частот, на которых дисперсия особенно выражена. Один из них соответствует интервалу 10 2 -10 6 Гц

Особенности дисперсии:

1. Присуща только живым тканям.

2. Более выражена на частотах до 1 МГц.

3. На практике используется для оценки физиологического состояния и жизнеспособности тканей.

Количественно оценка дисперсии проводиться по коэффициенту дисперсии (К).

Коэффициент дисперсии это безразмерная величина, равная отношению низкочастотного (10 2) полного (или удельного) сопротивления к высокочастотному (10 6 Гц).

Z 1 - полное сопротивление на частоте 10 2 Гц

Z 2 - полное сопротивление на частоте 10 6 Гц

r 1 , r 2 - удельное сопротивление на этих частотах

Значение коэффициента дисперсии зависит от вида ткани, её физиологического состояния, эволюционной стадии развития животного. Например, для печени животного К = 9 -10 единиц, а для печени лягушки 2 -3 единицы. При умирании ткани коэффициент дисперсии стремиться к единице.

Явление дисперсии связывают с наличием в живых тканях поляризации, которая с увеличением частоты меньше влияет на полное сопротивление. Поэтому коэффициент дисперсии часто называют коэффициентом поляризации.

Кроме частотных зависимостей в живых тканях отмечаются фазовые сдвиги между током и напряжением, которые тоже, но в меньшей степени, зависят от частоты.

Фазовые сдвиги тоже уменьшаются при умирании тканей и, в перспективе, могут быть использованы для практических целей.