В мире электричества существует два фундаментальных понятия: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Главное отличие заключается в ток, как движутся электроны в том или ином случае. При постоянном токе они всё время движутся в одном направлении — это как река, всё время текущая в одном направлении. При переменном же токе направление движение электронов всё время меняется. Когда мы пытаемся вантузом устранить засор в раковине, вода в сифоне ходит туда-сюда, пытаясь устранить засор силой. Примерно так же работает переменный ток. Только меняет направление он очень часто. В России и большинстве стран мира частота переменного тока составляет 50 герц, то есть ток меняет направление 50 раз в секунду, в США — 60 герц.
Что интересно, постоянный и переменный ток сегодня работают на благо человечества вместе. У нас в розетках переменный ток, однако ноутбуки, смартфоны и всё, у чего есть аккумулятор, питаются постоянным током. Но давайте расскажу, как мы до такого докатились.
В начале электрической эры царствовал постоянный ток. Его защитником и главным популяризатором был Томас Эдисон, чьи лампы накаливания, работающие на постоянном токе, в 1880-х годах начали освещать города. Но у его постоянного тока была одна существенная проблема: при передаче на расстояние он катастрофически терял напряжение из-за сопротивления проводов, поэтому, чтобы осветить отдалённый район, приходилось строить новую станцию.
И тогда на сцену вышел Никола Тесла, поддержанный промышленником Джорджем Вестингаузом. Тесла не изобрёл, но блестяще развил систему переменного тока. Его гениальная идея заключалась в трансформации. С помощью трансформаторов напряжение можно повысить до сотен тысяч вольт, а силу тока уменьшить — идеально для передачи за сотни километров с минимальными потерями. А у потребителя, то есть у наших с вами домов, через ещё один трансформатор напряжение так же легко можно понизить до относительно безопасных величин. Это открывало возможность строить крупные электростанции далеко от городов, на реках или у месторождений угля, и передавать энергию за сотни километров.
Кроме того, двигатели переменного тока просты, надёжны и дёшевы в производстве.
Между Теслой и Эдисоном в буквальном смысле разгорелась «Война токов» (есть, кстати, такой одноимённый фильм, в котором подробно описано, как это было) — возможно, самое эпичное технико-пропагандистское противостояние в истории. Вдаваться в подробности не буду, посмотрите фильм, он как раз об этом. Скажу лишь, что в итоге победил Тесла.
В итоге ток в городских проводах стал переменным. Но, что интересно, в США напряжение 110 вольт и частота 60 герц, а в России и большинстве других стран — 220 вольт и 60 Гц. Почему?
Тут снова дело в Эдисоне. В самом начале развития электроэнергетики уже существовало множество разрозненных сетей Эдисона на 110 Вольт. И лампы накаливания работали именно при таком напряжении. Позже, когда Тесла со своим переменным током победил, менять напряжение не стали, потому что это было очень дорого, но разные компании экспериментировали с частотой: 50, 60 и даже 133 герца. Частота 60 Гц оказалась оптимальной для работы электродвигателей и дуговых ламп, и её стали считать стандартом.
В Европе же, включая Россию, где развитие электроэнергетики началось чуть позже и более централизованно, инженеры сразу стремились к большей эффективности. Более высокое напряжение в 220-240 вольт позволяло при той же мощности передавать по проводам меньшую силу тока, что удешевляло саму проводку — можно было использовать более тонкие медные жилы.
А ключевую роль сыграл немецкий концерн AEG, который был фактически монополистом электрификации континента и принял этот стандарт (220 вольт и 50 герц), который в итоге и разошёлся по миру.
Однако на этом история переменного и постоянного токов не закончилась. Потому что кроме плюсов у переменного тока есть один значительный минус: его пульсация не подходит для питания чувствительной электроники, которая требует абсолютно ровного, стабильного напряжения. Поэтому всё, что работает на батареях (телефоны, ноутбуки, электромобили), использует постоянный ток. Его обожают чувствительная электроника, светодиоды и компьютеры, требующие чистой, неизменной мощности. Солнечные панели и ветрогенераторы также производят постоянный ток.
И тут возникает логичный вопрос: как тогда заряжаются наши гаджеты, которым нужен постоянный ток, электричеством из розетки, в которой переменный ток? Всё просто. В любом блоке зарядного устройства или на любом проводе от ноутбука есть коробочка, в которой переменный ток выпрямляется, сглаживается и превращается в постоянный, который питает батарею.
А напоследок ещё один интересный парадокс. На заре электрификации от постоянного тока отказались по причине больших потерь при передачи электричества на дальние расстояния. Зато теперь при передаче электричества между странами и континентами с расстояниями, которые измеряются не в сотнях, а в тысячах километрах, используют не переменный а... постоянный ток. И дело тут не в возврате к прошлому, а в главном преимуществе постоянного тока — стабильности.
Во-первых, отпадает проблема синхронизации фаз переменного тока. Во-вторых, экономически выгоднее — для постоянного тока требуется всего два провода, а не три. В-третьих, нет ёмкостных потерь и расхода энергии на нагрев проводов и окружающей среды. Тут можно было бы рассказать подробнее, но, боюсь, уже не всем будут интересны и понятны эти нюансы и подробности. Проблема же падения напряжения, которая была полтора века назад в эпоху Эдисона стала решаемой с изобретением и массовым освоением мощных полупроводниковых приборов.
Если есть вопросы, задавайте в Телеграме, а ниже ещё несколько статей по теме: