Еще в школе я для простоты представлял себе электрический ток в виде потока воды. В моем представлении он шел по проводам, как жидкость течет в трубах. Количество воды было силой тока, напор – его напряжением, а неровности труб и многочисленные изгибы – сопротивлением проводника.
Все было прекрасно, пока мне не рассказали о переменном токе. Эта штука вела себя совершенно неправильно: бегала туда-сюда по проводам 50 раз в секунду, меняла свое напряжение, изменялась по синусоиде – да что, чёрт возьми, происходит-то??
Став повзрослее, я захотел все-таки расставить все точки над «i» и уяснить для себя, что представляет собой этот самый переменный ток.
Получение тока
Открою страшную правду: все генераторы вырабатывают переменный ток. Те, которые на выходе которых получается постоянный ток, тоже вырабатывают переменный ток. В чем тут дело?
Как нас учили? Электрический ток - это электроны, которые движутся в одном направлении внутри вещества. Но не любого, а особенного, внутри которого в обычном состоянии есть свободные электроны. Они летают себе туда-сюда без толку. Такие вещества со свободными электронами называют проводниками.
Если согнуть кусок проволоки из такого материала буквой «П» (для удобства будем называть ее "рамка") и начать вращать его между двумя полюсами магнита – северным и южным – то электроны под действием магнитных сил станут лететь в определенном направлении. Вот это и есть электрический ток.
Когда одна сторона рамки в своем вращении приближается к северному полюсу, то электроны начинают медленно разгоняться, увеличивая свою скорость все больше и больше, по мере того, как одна сторона рамки приближается к северному полюсу магнита.
В тот момент, когда рамка поравняется с полюсом, то их движение, а значит сила тока и напряжение, будут максимальными. После того, как рамка начнет удаляться от полюса, ток начнет уменьшаться и в какой-то момент станет равным нулю. Затем эта же сторона подойдет к южному полюсу магнита. Электроны побегут уже в другую сторону, все так же наращивая силу своего движения, пока не достигнут максимума. Когда рамка удалится от этого полюса, ток тоже станет уменьшаться и наконец, прекратится.
Получается, что в проводнике электроны бегут сначала то в одном направлении, то в другом. Для удобства назовем конец рамки, в которой электроны бегут от нас «-», а в котором к нам – «+».
Просто так получить ток с нашего генератора не получится. К каждому концу присоединим полукольцо, к которому будут прижиматься планки. Вот с них и будет сниматься ток. Интересно, что каждая планка будет снимать ток только определенного знака. На выходе будет постоянный ток, понятный и знакомый всем со школы. Вот только планки нужно как-то удерживать в промежутке между касаниями их полукольцами.
Можно не заморачиваться и вместо полуколец присоединить целое кольцо. Тогда планки будут прижаты постоянно, и они не будут задираться. Но и ток будет непостоянным. Он будет то приходить к ним, то уходить от них. Вот такой ток и принято называть переменным.
Частота тока
Если подсоединить к генератору лампочку, то можно заметить, как она постоянно мигает. Это и не удивительно, ведь ток в ней тоже меняется. Его то нет, то он и вовсе течет в другую сторону. Конечно, можно раскрутить генератор так, что глаз просто перестанет замечать это мигание. Скорость вращения при этом будет что-то около 50 оборотов рамки в секунду. Эту скорость и называют частотой тока – 50 Гц. За одну секунду ток поменяет свое направление и силу тока 50 раз.
Если бы мы наблюдали за лампочкой внимательно, то мы бы заметили, что лапочка не просто мигает, а сначала медленно загорается, затем горит ровно, а после этого так же постепенно затухает. Эти изменения происходят по определенному закону, как синусоида на графике. Поэтому и говорят, что ток изменяется по синусоиде.
Интересно, что весь фокус генератора во вращении проводника относительно магнита. Можно ведь сделать наоборот: чтобы магнит вращался, а проводник был неподвижным (в автомобильных генераторах так и сделали).
Конечно, самое невероятное, что электрический ток умудряется пролететь от нашей розетки до источника своего появления и так несколько десятков раз за секунду. При этом и знак свой он будет менять с положительного на отрицательный, и напряжение в цепи то появится, то исчезнет. Словом, просто фантастика.
Почему именно он?
А почему такой сложный ток получил распространение? Все дело в передаче на дальние расстояния. Ток напряжением в 220 В далеко не передашь – он попросту затухнет по пути из-за сопротивления проводов. Выходов здесь два: либо делать провода потолще (а медь дорогая), либо увеличить напряжение. Все выбрали второй вариант. Но и тут случилась закавыка.
В быту высокое напряжение вообще не нужно, да ещё и опасно. Проблема в том, что если повысить напряжение постоянного тока, то чтобы понизить его, придется строить дорогую установку.
А вот переменный ток понижается только с помощью трансформатора, который, кстати, на постоянном токе работать не будет. Вот и весь секрет.
