В самом начале курса я сказал, что в автомобиле на всем его оборудовании используется постоянный электрический ток напряжением 12 В, который выдает аккумуляторная батарея. Кроме аккумулятора на машине есть еще источник электрического тока, это генератор, который вырабатывает переменный ток, впоследствии преобразуемый в постоянный ток напряжением также 12 В. Но на самом деле в автомобиле очень много разных по графической форме токов и напряжений. Давайте их рассмотрим.
График постоянного электрического тока
До сих пор мы с вами говорили о постоянном электрическом токе и напряжении, но не рисовали их на графике. Давайте это сделаем, создадим график изменения напряжения во времени. Нарисуем вертикальную ось, здесь у нас будет напряжение U и ток I. Далее нанесем горизонтальную ось, это будет время t. На отметке 12,7 вольт (это нормальное напряжение заряженного аккумулятора) проведем ровную горизонтальную прямую напряжения, а ниже проведем еще одну прямую, изображающую ток. Все, график готов.
Что мы здесь наблюдаем? Мы видим, что напряжение аккумулятора не меняется во времени, оно постоянно держится на уровне 12,7 вольт. Если к аккумулятору присоединить какое-то активное сопротивление, например лампу, то форма графика практически не изменится, она останется такой же прямой линией. Будет правда незначительное снижение напряжения в момент подключения лампы, но далее график пойдет такой-же горизонтальной линией. А вот ток в начале графика отсутствует, т.к. его не может быть в разомкнутой цепи, а после подключения лампочки ток появляется, и соответственно в этот момент возникает наша прямая линия тока.
Если на полностью заглушенном автомобиле мы присоединим к клеммам аккумулятора осциллограф, то именно такой график напряжения мы сможем наблюдать на его экране. Форма графика не изменится и при присоединении нагрузки с чисто активным сопротивлением, будет наблюдаться только просадка напряжения.
Постоянный электрический ток (напряжение) имеют форму горизонтальной прямой линии именно из-за того, что заряженные частицы (электроны) движутся всегда в одном направлении от плюса к минусу.
График переменного электрического тока
Теперь нарисуем график переменного тока. Опять чертим систему координат и наносим на нее вот такую волнистую линию, называемую синусоидой. Пусть это будет напряжение U. И рисуем еще одну синусоиду, это будет ток I. На рисунке видим, что переменные ток и напряжение изменяются во времени по закону синусоиды.
Почему именно синусоида? А потому что при переменном токе заряженные частицы (электроны) в один момент времени двигаются через ту же лампочку сначала в одном направлении, например от плюса к минусу, а в следующий момент времени направление электронов меняется на обратное, и они двигаются от минуса к плюсу. Направление движения электронов с ровной периодичностью меняется во времени. Вот как это выглядит на осциллограмме.
В принципе попеременное изменение направления тока создает тот же эффект, что и постоянное направление движения электронов при постоянном электрическом токе. Лампочка точно также светится.
Но у некоторых из вас может возникнуть сомнение в правильности моих объяснений вот из-за чего. На графике мы видим, что синусоида периодически пересекает нулевую горизонтальную ось, т.е. в эти моменты напряжение становится нулевым. А раз напряжение равно 0 вольт, то почему лампа не гаснет? По логике вещей при переменном токе лампа должна мигать: то ярко загораться в момент большого напряжения, т.е. на вершине синусоиды, то гаснуть. И правда так и есть на самом деле, просто изменение направления тока происходит с очень большой скоростью, не заметной человеческому глазу. Позже мы этот вопрос рассмотрим подробнее.
А сейчас надо рассмотреть некоторые параметры синусоиды напряжения. И чтобы было понятнее, нарисую новую картинку с синусоидой и нанесу на график обозначения и числа.
Вершина синусоиды – это амплитуда напряжения. В этой точке напряжение имеет максимальную величину, равную примерно 17 В (это на автомобиле) или 310 В (это в обычной бытовой домашней электросети). Амплитуда – это высота синусоиды от нуля до верхней или нижней точки.
У переменного напряжения есть параметр, называемый действующее напряжение. Грубо говоря, действующее напряжение – это такое переменное напряжение, которое дало бы ровно тот же эффект, что и постоянное напряжение. То есть на автомобиле действующее напряжение должно быть равно примерно 12 В, тогда лампа будет гореть в нормальном режиме. А для бытовой домашней электросети действующее значение напряжения равно 220 В.
Вычисляется действующее напряжение по простой формуле:
Uдействующее = Uамплитудное * 0,707 или Uдействующее = Uамплитудное / 1,41
Нарисую действующее напряжение на графике в виде пунктирной линии.
Обычно в работе про амплитудное напряжение вообще не вспоминают, пользуются понятием действующее напряжение.
Еще у переменного тока есть параметр – период, обозначается он буквой Т и измеряется в секундах. Период – это промежуток времени, в течение которого совершается одно колебание. По-другому можно сказать, что период – это расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами синусоиды. В бытовой электрической сети России период равен 20 миллисекундам.
Обратный периоду параметр тока – частота тока. То есть 1/Т – это частота. Измеряется частота в герцах (Гц). Если мы разделим единицу на 20 миллисекунд, то получим частоту 50 Гц:
Получается, что в бытовой электрической сети переменный ток меняет свое направление 100 раз за 1 секунду: 50 раз он движется в одном направлении и 50 раз в обратном. Вот почему мы не видим моргание лампочки.
Условные обозначения постоянного и переменного напряжения на приборах
На различных приборах (бытовых, в том числе) и гаджетах завод-изготовитель ставит паспорт изделия в виде шильдика, на котором указывает производителя, модель, заводской номер и т.п. Также на паспорте прописывают электрические и технические характеристики. Автоэлектрику следует разбираться в этих условных обозначениях. Итак:
Постоянное напряжение обозначается:
- значком
- или символом DC (Direct Current, в переводе с английского постоянный ток).
Переменное напряжение обозначается:
- значком
- или символом АС (Alternating Current, в переводе с английского переменный ток).
Различные выпрямители и преобразователи напряжения (адаптеры питания, например) могут обозначаться следующим образом: АС 220 В → DC 15 В