45
Постоянный или переменный?
С. Л. ГАВРИЛОВ
Сегодня все мы привыкли к тому, что ток постоянный и ток переменный мирно соседствуют в технике и быту, дополняя и «выручая» друг друга. А это лет назад, в восмыдестых годах прошло столетия, в Америке, например, развернулсь отчаянная борьба между сторонниками одного и другого тока.
Предыдущего история электричесства — от изобретения А. Волтой первого галванического элемента в 1800 году и до разработки Т. Эдисоном целей системы электросозайства в 1880 году — была историей развития постоянного тока. К этому времени, в частности, Эдисоном была одержана победа над сторонниками газового освещения, которые делали всевозможное, чтобы не допустить внедрение электрического освещения.
В 1886 году после создания первых работоспособных трансформаторов у постоянного тока появился сильный конкурент — ток переменный. Его направление с помощью трансформатора можно преобразовать в очень широких пределах, что особенно важно при передаче электрозергиии по проводам на большие расстояния. Выработать переменный ток тоже проще идешевле, чем постоянный.
Тем не менее сторонники постоянного тока вели борьбу всем средствами. Если с кем-нибудь из персонала, обслуживающего системы переменного тока, произходил несчастный случай, в газетах появлялись статьи с громкими заголовками: «Убийство электрическим проводом», «Новое тело на проводах» и т. п. Когда комиссия, назначенная контррессом США для выбора способа казни более «гуманного», чем повешение, рекомендувала использовать переменный ток, это последующее одним аргументом в борьбе против переменного тока.
Но применяется переменного тока во многих областях были настоящко очевидны, что Эдисон, будучи в первую очередь изобретателем и инженером, прекратил борьбу. И со временем возникшая из единовской компании «Всеобщая компания электричесва» («Дженерал Электрик») стала одной из основных фирм, производящих трансформаторы.
Давайте разберемся, какие же применяются переменного тока помогли ему одержать победу? Но прежде—немного о нем самом.
В цепи переменного тока его направление и численное значение переменных изменяются. Эти изменения можно описать формулой
46
Рис. 1. Графикция изменения тока и напряжения в цепи переменного тока.
где — тгновенное значение переменного тока, — его амплитуда, — частота, — циклическая частота, — период изменения тока. Аналогическое выражение можно записать и для напряжения:
Графики этих функций представлены на рисунке 1, но их можно увеличить и неисредственно — на экране школьного осцилографа. Для этого ко входу осцилографа нужно подсоединить отрезок провода длиной около метра (рис. 2). Провод будет выполнять роль антенны, и на нем возникнет сигнал, наведенный от электропроводки. Измерив с помощью осцилографа период синусиды, можно убедиться, что частота наведенного сигнал Гц, что соответствует частоте переменного тока в электросети.
Генератор переменного тока можно содействовать, если вращать рамку с проводной обмоткой между полосами постоянного магнита, как изображено на рисунке 3. Можно поступить и по-другому — вращать постоянный магнит внутри неподвижной обмотки. Кстати, именно по этому принципу работы большеинструю промышленных генераторов, только вместе то построенного магнита в них использует электромагнит.
Удобства переменного тока в электротехнике оченьны. С помощью такого тока можно создать так называемое врашающееся магнитное поле, которое и будет приводить в движение валы электродвигателя. Для передачи электрозергини на большие расстояния с наименьшим потерями наприражение в начале линии передачи нужного повышить, а в конце (перед потребителем)—понзить. В случае переменного тока это легко сделать с помощью повышшего и понжающего трансформаторов (рис. 4).
Радиотехника и электронка тоже, как правило, имеют дело с сигналами переменного тока различной частоты и напряжения. Так, радиопередатчик преобразует ток высокой частоты в радиоволлы, которые в радиоприемнике опять превращаются в переменный ток высокой частоты. Mikрофон превращает звук в переменный ток низкой частоты, совпадающий с частотой звука. И, наоборот, громкоговоритель преобразует ток звуковой частоты в звук. Если собрать схему, изобранную на рисунке 5, можно наблюдать работу микрофона с помощью осцилографа. Для успешной сигнала можно использовать любой готовый усилитель звуковой частоты (который, безусловно, есть в школьном физическом кабинете).
Приведенные примеры хотя и не исчерпывают, но наглядо и плоскуриют многообразные применения переменного тока. Тем не менее и для построенного тока тоже находится немало дел. Постоянным током, например, питают электронные схемы, электродвигатели (трамваи и электропозда приводятся в движение постоянным током), боротовые системы самолетов, автоматический и т. д. Далее
Рис. 2. Переменный ток на экране осцилографа.
Рис. 3. Model генератора переменного тока.
48
Рис. 7. Балансный усилитель постоянного тока: кОм; кОм.
На основе такой схемы можно построить многоакаскадный усилитель с достаточно большим численем. На рисунке 8 представлена схема двухкаскадного усилителя постоянного тока, которое можно собрать и испробовать в работе. Ее, например, можно использовать для измерения температуры с помощью термопары.
Приципи работы термопары основан на следующем явлении. Если два спая различных металлов, включенные в электрическую цепь, находятся при разных температурах, то в цепи возникнет ток. Он обусловлен как называемой термо-ЭДС, появляющейся в местах спавов. Иными словами, спая двух различных металлов может преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Термопары обычно используют для измерения очень высоких или очень низких температур.
Напряжение, вырабатываемое термопарой, очень малое, обычно не более несколько десятиков микровольта на градус. Поэтому термопару часто подключит к усилителю постоянного тока, а успешный сигнал подают на измерительное устройство или на прибор, регуляторной температуре. Хорошие термопары получаются из соединений сплавов хромель (сплав хрома с nickelем) и копель (сплав меди с nickelем и марганцем) или алюмель (сплав алюминия, nickelя, марганца и кремния) и копель. Но можно сделать термопару и из более доступных материалов, например из железа и алюминия.
Металлы в месте контакта должны надежно свернуть. Это можно сделать так. Графинитный стержень из батарейки для карманного фонаря нужно аккуратно заточить и подклють к одному выводу лабораторного автотрансформатора. Проволочки из разных металлов надо сложить концами и скрутить, а свободные концы проволочек надо подключит ко второму выводу автотрансформатора. Если теперь графинитный стержень приблизить к скрученным концам проволочек, то при достаотном напряжении (но подбирается опытным путем) возникнет волтова дуга, и проволочки сварятся. Чтобы спай получился чистым, без окалины, концы проволочек лучше смочить спиртом или тройным одеколоном (соблюдая мерры предосторожности, чтобы вспыхнуть при сварке спирт ничего не поджег!. Очевидно, что места графита и проволочек, за которые прихождение при сварке братья руками, должны надежно зазолпировать, так как направление может потребовать достаоточного большое — до 100 волт.
Изготовленную термопару подключит ко входу усилителя постоянного тока, а к его выходу можно подключит милливольтметр. Для того чтобы прогradировать прибор, термопару можно поместить сначала в сосуд с кипящей водой, а затем в сосуд со льдом. Показания волтметра будут соответствовать 100 °C и 0 °C.
Бывают еще усилители постоянного тока с использованием переменного. В них сигнал постоянного тока преобразуется в сигнал переменного тока, успливается, а затем опять превращается в постоянный ток.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что наавшася сто лет назад «война между постоянным током и переменным» закончилась не только миром, но и очень темным и плодотворным сотрудничеством.