Переменный или постоянный ток: что лучше?

Как гласит история , название рок-группы AC/DC произошло от этикетки на старой швейной машинке в доме братьев Янг. Должно быть, это означало, что машина могла работать как от переменного, так и от постоянного тока. Сегодня все новомодные электронные устройства в наших домах работают только от постоянного тока, даже осветительные приборы, поскольку светодиоды заменили лампы накаливания.

Но погодите. Электричество, которое выдаёт ваша розетка, — это переменный ток. Это значит, что каждое устройство должно преобразовывать переменный ток в постоянный, а также понижать напряжение до гораздо более низких значений, используемых в цифровых схемах. Поэтому вы можете спросить: разве не разумнее было бы иметь дома розетки постоянного тока?

Это отличный вопрос, и именно он вызвал бурные споры ещё на заре электрификации. Томас Эдисон отдавал предпочтение цепям постоянного тока, но Никола Тесла считал, что оптимальным вариантом будут цепи переменного тока. Очевидно, Тесла выиграл этот спор. Давайте разберёмся, почему!

Электричество — это поток электронов через проводящий материал, например, металлический провод. Электрическую сеть можно представить как систему рек и ручьёв, по которым течёт ток. В реке разница высот заставляет воду течь вниз; в линии электропередачи силой, движущей ток, является напряжение — разность потенциалов между двумя точками цепи.

Эта аналогия, во всяком случае, применима к постоянному току. Но в большинстве сетей электроэнергия передаётся переменным напряжением. Это означает, что отрицательный и положительный полюса меняются местами, заставляя электроны бесконечно двигаться вперёд и назад, вместо того чтобы двигаться непрерывным потоком.

Как вы можете себе представить, это усложняет работу с переменным током. Поэтому Эдисон был прав: постоянный ток гораздо проще. На самом деле, цепь постоянного тока может создать любой. Всё, что вам нужно, — это батарейка и провод для соединения положительного и отрицательного электродов. Вы даже можете сделать свою собственную батарейку. Просто возьмите два разных металла, например, цинк и медь, и воткните их в противоположные концы картофелины. Кислота в картофельном соке реагирует с этими двумя металлами по-разному, создавая небольшое напряжение — достаточное, чтобы зажечь небольшой светодиод. С постоянным током всё просто.

Например, предположим, что вы хотите создать тостер постоянного тока. Тостер — это, по сути, коробка с проводом внутри, который нагревается при прохождении по нему тока. Допустим, этому тостеру требуется мощность 1000 Вт. Мощность? Это время ( t ) и скорость передачи энергии ( E ). Таким образом, если вы передадите 1 джоуль энергии проводу за 1 секунду, это будет 1 ватт мощности ( P ):

В частности, для электрической мощности мы можем рассчитать ее как произведение электрического тока ( I ) и напряжения ( V ):

Итак, мы можем нарисовать простую схему цепи тостера:

Нихромовая проволока внутри тостера — плохой проводник. Она препятствует прохождению тока, вызывая нагревание. Таким образом, по сути, это устройство для преобразования электрической энергии в тепловую. На схеме выше R обозначает сопротивление, измеряемое в омах.

Допустим, наш источник постоянного тока работает на напряжении 10 вольт. Это значение можно использовать для определения сопротивления, необходимого для получения поджаристого тоста. Между током ( I ) и напряжением ( V ) на резисторе существует зависимость, называемая законом Ома, которая даёт нам следующее выражение для мощности:

При напряжении 10 вольт нам нужно сопротивление 0,1 Ом (что очень мало), чтобы получить мощность 1000 Вт. Но погодите — сопротивление в цепи создаёт не только нагревательный элемент. У шнура питания, который вы подключаете к розетке, тоже есть сопротивление. Медная жила внутри шнура — хороший проводник, но длина самого шнура увеличивает сопротивление.

Для простоты представьте, что сопротивление шнура питания также составляет 0,1 Ом, поэтому общее сопротивление цепи составляет 0,2 Ом. Это означает, что сила тока уменьшится, и мощность тостера составит всего 250 Вт. Тосты получатся не очень поджаренными.

Чтобы решить эту проблему, нам нужно увеличить напряжение источника питания. Давайте поднимем его до 100 вольт. В этом случае сопротивление нашего тостера может составлять 10 Ом, поэтому 0,1-омный кабель питания не будет иметь большого значения. Что ж, для трёхфутового кабеля питания в вашем доме это не проблема. Но как насчёт линий электропередачи от электростанции до вашего города? Их длина может превышать 100 километров.

При гораздо более длинных проводах сопротивление значительно возрастает, а значит, провода будут нагреваться и тратить энергию. Решение, опять же, — использовать источник более высокого напряжения. Помните формулу P = IV ? Это означает, что ту же мощность можно получить, используя очень высокое напряжение при очень низком токе.

Да, вы решаете одну проблему, но это лишь создаёт другую. Предположим, что напряжение в розетке составляет 10 000 вольт постоянного тока. Но вы хотите зарядить телефон, а ему нужно 5 вольт постоянного тока. Как это сделать? Хорошо, есть способ это реализовать. Можно подключить большой резистор последовательно с телефоном, и он будет преобразовывать электрическую энергию в тепло. Но, опять же, это просто потеря энергии.

Что же произойдёт, если переключиться на переменный ток? Помните, цепи переменного тока создаются путём перестановки положительного и отрицательного полюсов, поэтому напряжение чередуется с положительным и отрицательным (то есть меняется направление потока электронов). Вот график зависимости напряжения от времени для двух типов тока.

Источник постоянного тока имеет постоянное напряжение, поэтому выше представлена прямая синяя линия. Источник переменного тока (красный) имеет напряжение, которое колеблется от +10 до –10 вольт, и бывают моменты, когда оно фактически равно нулю. В этом вымышленном примере видно, что напряжение переключается восемь раз за полсекунды. Реальное напряжение переменного тока в домашних условиях варьируется, но в США оно в среднем составляет около 120 вольт (плюс и минус) с частотой 60 герц.

Если мы возьмём наш тостер и подключим его к розетке переменного тока частотой 60 Гц, он будет работать отлично. Поскольку он работает, просто нагревая провод, неважно, постоянный или переменный ток — он нагревается в любом случае. То же самое и с лампами накаливания. По сути, они мало чем отличаются от тостеров; просто тонкая вольфрамовая проволока в лампочке нагревается настолько (до 2000 градусов Цельсия), что начинает светиться.

С переменным током та же проблема с длинными линиями электропередачи. Необходимо высокое напряжение и низкий ток, чтобы не терять слишком много энергии в проводах под напряжением. Но у переменного тока есть важное преимущество: высокое напряжение легко преобразовать в низкое. Это возможно благодаря колебательной природе тока и закону индукции Фарадея.

Закон Фарадея гласит, что изменение напряжённости магнитного поля внутри проволочной петли создаёт электрический ток. В видеоролике ниже видно, что при вставлении сильного магнита в проволочную петлю или вытаскивании его из неё сила тока (измеряемая в амперах) резко возрастает.

Это можно сделать и без магнита, используя две катушки провода. На видео ниже я подключаю и отключаю маленькую плоскую батарейку к первичной катушке. (Сами катушки не видны, но они находятся внутри небольшого серого прямоугольника на переднем плане.)

Вторичная катушка не подключена к источнику питания. Но переменный ток в первичной катушке создаёт переменное магнитное поле, которое индуцирует ток во вторичной катушке. Даже с такой крошечной батарейкой, как видите, я получаю большой индуцированный ток. Взгляните:

Но это ещё не всё! Мы можем изменить напряжение, индуцированное во второй катушке, изменяя соотношение количества витков в каждой катушке. Если индуцированная катушка имеет 100 витков, а первичная — 1000, индуцированное напряжение будет равно 100/1000, то есть 0,1 от входного. Если же поменять местами, то выходное напряжение будет в 10 раз больше входного.

Мы называем это трансформатором (потому что он преобразует напряжение). Это довольно большое устройство. Вот как выглядит маленький трансформатор внутри:

Это один из тех «силовых кирпичей», которые все ваши гаджеты используют для подключения к розетке. Две катушки расположены рядом, и вы видите, что у правой больше витков, чем у левой. Таким образом, если у вас на входе 120 вольт переменного тока, выходное напряжение будет ниже (в данном случае 12 вольт). Внутри есть ещё один компонент, который преобразует это низковольтное переменное напряжение в постоянное; это называется выпрямителем напряжения.

Для ясности: нельзя использовать трансформатор переменного тока с цепью постоянного тока. Технически возможно взять постоянный ток, преобразовать его в переменный, а затем преобразовать, но зачем делать лишние вещи, если можно просто подавать переменный ток в дома? Именно этим мы и занимаемся. Когда вы видите эти гигантские высоковольтные линии электропередачи, вы понимаете, что это цепи переменного тока сверхвысокого напряжения.

Вот как это работает. У вас есть электростанция, работающая на ископаемом топливе, гидроэлектростанция или что-то ещё. Вам нужно выработать переменный ток на выходе, а затем поднять напряжение до невероятного значения, например, 100 000 вольт. Это означает, что вы можете передавать его по длинным линиям электропередачи при очень низком токе, без больших потерь энергии.

Когда линия электропередачи доходит до города, она попадает на подстанцию. По сути, это ещё один гигантский трансформатор, который понижает переменное напряжение до более приемлемого, например, 10 000 вольт. Наконец, ток проходит через ещё один трансформатор, чтобы превратиться в переменный ток напряжением 240 вольт, который поступает в ваш дом. Крупные приборы, такие как сушилки для белья, используют все 240 вольт, а для розеток это напряжение уменьшается вдвое, и вы получаете 120 вольт.

Но всё это было бы невозможно с постоянным током. Это было бы просто непрактично. Переменный ток рулит!