Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток - [15]
Разница между постоянным и переменным током состоит в направлении движения зарядов. Постоянный ток (DC, от английского direct current) движется в одном направлении, его мгновенные значения постоянны во времени (см. рисунок 7). Как правило, также постоянным током называют ток, который не меняет направление своего движения, хотя прочие его характеристики могут изменяться. Самый известный и привычный способ получения постоянного тока — от электробатарейки.
РИСУНОК 7: В постоянном токе заряды движутся в одном направлении. Положительные и отрицательные клеммы всегда одни и те же. Напряжение (V) является константой во времени (t).
РИСУНОК 8: Величина и направление переменного тока изменяются циклически. Колебания связаны с регулярным чередованием полярности клемм генератора.
В свою очередь, переменный ток (ЛС, от английского alternating current) представляет собой ток, величина которого в каждый момент зависит от периодической функции времени; таким образом, поток электронов цикличен. Период движения заряда в одном направлении, а затем в противоположном составляет полный цикл. Скорость, с которой происходит чередование полярности, характеризуется частотой, измеряемой в герцах (Гц), показывающей количество циклов за единицу времени, а именно за секунду. Частота в 60 Гц означает, что токи, проходящие по проводнику, делают 60 полных колебаний (циклов) каждую секунду; таким образом, они 120 раз за секунду меняют направление. Эта частота слишком велика, чтобы человеческий глаз мог уловить колебания при работе, например, лампочки.
Самый частый тип переменного тока — синусоидальный (см. рисунок 8), его получают от генератора переменного тока (альтернатора). Работа такого генератора основывается на смене полярности напряжения генератора в регулярные интервалы и позволяет добиться более эффективной передачи энергии. Переменный ток можно превратить в постоянный с помощью устройства, называемого выпрямитель.
За те месяцы, которые Эдисон и Тесла работали вместе, многие уже заметили недостатки постоянного тока, ограничивающие его использование. Несмотря на гигантские размеры станции на Перл-Стрит, ее мощности позволяли освещать 508 жилых домов и зажигать всего 10164 лампочки. Эдисон очень переживал из-за недостаточной рентабельности станции. Повсеместно используемый газ на деле оказывался значительно более дешевым. В чем же была проблема с Перл-Стрит?
Протекание электрического тока по проводам сопровождается выделением тепла, что приводит к потерям тока. Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) открыл закон, устанавливающий связь между сопротивлением провода, по которому течет ток, и количеством выделяемого тепла.
Выражаясь фигурально, мы можем сказать, что данное явление происходит потому, что электроны, образующие электрический ток, «сталкиваются» с атомами материала, по которому проходят, и отдают часть своей кинетической энергии, преобразующейся в тепловую энергию. Выделяемое тепло передается непосредственному окружению проводника. На этом явлении основаны все электронагревательные приборы, равно как и лампы накаливания, в том числе созданные Эдисоном.
Однако здесь есть и негативные стороны — именно они сводили с ума Эдисона и его работников на Перл-Стрит. Как уже было сказано, часть энергии теряется при перемещении по проводам к пользователям. Значительная часть тока, вырабатываемого генераторами Эдисона, попросту уходила на нагрев проводов. Чтобы устранить данную проблему, было принято решение увеличить толщину проводников, но это привело к серьезному увеличению их стоимости и веса, возможность прокладки воздушных линий оказалась под угрозой. Для перемещения электричества в виде постоянного тока на далекие расстояния или по городской сети нужно было строить промежуточные станции через каждые несколько километров. Жители соседних домов жаловались на то, что эти станции шумные и некрасивые. К тому же они требовали постоянного обслуживания, так что система уже не казалась удобной и рентабельной. Переменный ток давал возможность решить проблему, но почему?
Согласно закону Ома, сформулированному в 1827 году немецким физиком и математиком Георгом Симоном Омом (1789-1854), силу тока (I) можно выразить формулой
I = U/R,
где U — напряжение. Сопротивление (R) показывает противодействие проводника прохождению электрического тока и измеряется в омах (Ω).
Сопротивление электричества зависит от трех параметров: длина (l) проводника, площадь его поперечного сечения (S) и коэффициент удельного электрического сопротивления, также называемого специфическим сопротивлением материла (ρ), так как для каждого элемента характерно свое значение.
R = ρ∙l/S.
Из приведенной формулы видно, что чем больше длина, тем больше сопротивление; чем выше коэффициент удельного сопротивления, тем также выше сопротивление. При этом чем больше площадь поперечного сечения, тем меньше сопротивление. Данный факт можно применить для борьбы с потерями энергии при нагревании. Именно это показывает закон Джоуля о превращении электричества в тепло (Q) и свет, выраженный через закон Ома:
