Для начала давайте разберемся, чем отличается переменный ток от постоянного. В случае с постоянным током мы имеем дело со стабильными параметрами – напряжением и силой тока. То есть, источник постоянного тока генерирует электричество, напряжение и сила тока которого не меняется (эти параметры могут меняться при подключении различных нагрузок).
Переменный ток ведет себя по-другому: через определенные промежутки времени напряжение (соответственно и сила тока) возрастает от 0 до максимального значения, потом плавно падает до нуля, а затем изменяется направление тока, а его напряжение продолжает падать до минимального отрицательного значения, пройдя которое возрастает до нуля, меняет знак на противоположный и стремится к своему пику. Процесс периодически повторяется.
На графике это выглядит так:
Количество циклов в единицу времени называется частотой тока. В частности, частота тока поставляемого нам тока, согласно международным стандартам составляет 50 Гц (герц). Это значит, что за 1 секунду происходит 50 изменений параметров. Период одного полного цикла изменений составляет 1/50 с.
Для сравнения посмотрите график постоянного тока (красная прямая линия):
Кривая, описывающая переменный ток, называется синусоидой, а переменный ток иногда называют синусоидальным.
Заметим, что кривая реального переменного тока далека от идеала. Например, синусоида бытовой электросети содержит искривления (всплески и падения напряжения, вызванные различными факторами: перегрузками, вихревыми токами в обмотках генераторов и т. п.). При необходимости параметры тока доводят до приемлемого уровня, приближенного до идеала. Для этого применяют фильтры различной сложности. Часть бытовых приборов малочувствительна к таким дефектам синусоиды. Это нагревательные приборы, лампочки накаливания, электродвигатели. Однако для питания электроники требуется более качественный ток, что обеспечивается встроенными, иногда довольно сложными блоками питания в самом электронном устройстве.
Кстати, вся электронная техника работает на постоянном токе, который получают путем выпрямления переменного напряжения. Правда, некоторые блоки требуют переменного напряжения, как правило, очень высокой частоты. Необходимую частоту формируют из уже выпрямленного тока, получая очень качественный высокочастотный переменный ток.
В чем преимущество передачи переменного тока
Возникает резонный вопрос: если большинство электроприборов содержит электронику, а значит, нуждается для питания постоянным током, то почему нам поставляют переменный ток?
Оказывается, для этого существует, как минимум, две весомые причины:
1. Параметры переменного тока легко менять. Напряжение можно увеличивать или уменьшать в сотни тысячи раз, используя трансформаторы.
2. Переменный ток сравнительно легко преобразовать в качественный постоянный ток.
Что это дает на практике?
Во-первых, повысив напряжение до сотен тысяч вольт можно Сщественно снизить потери мощности тока. А это позволит передавать электроэнергию на огромные расстояния.
Дело в том, что у проводов есть сопротивление, из-за чего теряется часть мощности при транспортировке. Если не использовать трансформаторы на линиях электропередач, то удаленный потребитель получит очень маломощный ток. Чем дальше он будет находиться от электростанции, тем слабее ток поступит к нему. А это неприемлемо с точки зрения стандартов. Пришлось бы разрабатывать электроприборы практически индивидуально для каждого конкретного региона, с учетом удаленности от генератора. Разумеется, это не реально.
Многократное повышение напряжения сразу после выхода из генератора и поддержание этих параметров на всей протяженности ЛЕП, с последующим понижением до требуемых 220 В успешно решает данную проблему. Тем более, что этот процесс происходит практически без вмешательства человека (за исключением усилий, потраченных на профилактическое обслуживание по содержанию ЛЭП и на ремонты, вызванные аварийными ситуациями).
С постоянным током такой фокус не проходит. Постоянное напряжение нельзя повысить с помощью трансформатора. В увеличении эдс генератора есть свои пределы. Можно еще попытаться снизить сопротивление проводов ЛЭП, заменив их на медные с большим сечением, но это не рационально.
Строго говоря, наличие потерь электроэнергии при передаче переменного тока нельзя исключить (нагревание проводов +реактивные потери мощности), но в целом эффективность передачи переменного тока оказалась выше. Это доказал еще Н. Тесла в спорах с Эдисоном. Благодаря победе здравого смысла на заре применения электричества, сегодня мы имеем доступную электроэнергию.