Постоянный ток

Постоянный ток (англ. direct current, DC) — это электрический ток, параметры которого (направление и сила тока) не изменяются во времени. В отличие от переменного тока, постоянный ток течёт в одном направлении, от положительного полюса источника к отрицательному. Классическим примером источника постоянного тока является гальванический элемент (батарейка). Постоянный ток широко используется в электронике, электрохимии, системах электропитания и на транспорте.

История

История изучения постоянного тока неразрывно связана с развитием учения об электричестве. Первые систематические исследования электрических явлений начались в XVIII веке. В 1800 году итальянский физик Алессандро Вольта изобрёл первый химический источник тока — вольтов столб, который позволял получать устойчивый электрический ток. Это изобретение положило начало эпохе гальванических элементов и батарей.

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, проходя по проводнику, создаёт вокруг него магнитное поле. Это открытие стало основой для создания электромагнитов и электродвигателей. В 1826 году немецкий физик Георг Симон Ом экспериментально установил закон, связывающий силу тока, напряжение и сопротивление в цепи постоянного тока (закон Ома для участка цепи).

В конце XIX века развернулась так называемая «война токов» между сторонниками постоянного тока (Томас Эдисон) и переменного тока (Никола Тесла, Джордж Вестингауз). Эдисон активно продвигал систему постоянного тока для электрификации городов, однако из-за значительных потерь при передаче на большие расстояния (отсутствие возможности трансформировать напряжение) переменный ток одержал победу в системах централизованного электроснабжения. Тем не менее, постоянный ток сохранил свои позиции в локальных и специализированных применениях.

Физическая природа и параметры

Постоянный ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц (электронов в металлах, ионов в электролитах и газах) в одном направлении. Основными параметрами, характеризующими постоянный ток, являются:

• Сила тока (I) — скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения. Измеряется в амперах (А).
• Напряжение (U) — разность электрических потенциалов между двумя точками цепи. Измеряется в вольтах (В).
• Электрическое сопротивление (R) — свойство проводника препятствовать прохождению тока. Измеряется в омах (Ом).
• Мощность (P) — работа, совершаемая электрическим током в единицу времени. Для постоянного тока вычисляется по формуле \( P = U \times I \). Измеряется в ваттах (Вт).

Закон Ома для участка цепи постоянного тока формулируется следующим образом: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна его сопротивлению: \( I = U / R \).

Источники постоянного тока

Существует несколько основных типов источников постоянного тока:

• Химические источники тока: гальванические элементы (батарейки) и аккумуляторы. В них электрическая энергия вырабатывается за счёт химических реакций. Аккумуляторы, в отличие от элементов, могут быть перезаряжены.
• Электромеханические генераторы: динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток за счёт вращения якоря в магнитном поле. В настоящее время вытеснены генераторами переменного тока с последующим выпрямлением.
• Термоэлектрические генераторы: преобразуют тепловую энергию в электрическую (эффект Зеебека).
• Фотоэлектрические преобразователи: солнечные батареи, преобразующие энергию света в электрический ток.
• Выпрямители: электронные устройства, преобразующие переменный ток в постоянный. Являются основным источником постоянного тока для питания большинства бытовых и промышленных электронных приборов.

Применение

Несмотря на то, что основная часть электроэнергии в мире передаётся и распределяется в виде переменного тока, постоянный ток остаётся незаменимым в ряде областей:

• Электроника и бытовая техника: все микросхемы, процессоры, светодиоды, аккумуляторные устройства (телефоны, ноутбуки) работают от постоянного тока низкого напряжения. Блоки питания преобразуют переменный ток из розетки в постоянный.
• Электрохимия: электролиз (получение алюминия, хлора, водорода), гальваностегия (нанесение покрытий), зарядка аккумуляторов.
• Транспорт: городской электротранспорт (трамваи, троллейбусы, метро) исторически использует постоянный ток (обычно 550–750 В). Электропоезда на некоторых линиях также работают на постоянном токе (3 кВ). В современном электротранспорте (электромобили, электробусы) применяются тяговые аккумуляторные батареи постоянного тока.
• Связь и передача данных: оптоволоконные линии связи используют постоянный ток для питания промежуточных усилителей (репитеров) по тому же кабелю.
• Линии электропередач высокого напряжения: в последние десятилетия всё шире применяются линии электропередач постоянного тока (HVDC — High Voltage Direct Current). Они позволяют передавать большие мощности на сверхдальние расстояния (сотни и тысячи километров) с меньшими потерями, чем на переменном токе, а также соединять энергосистемы, работающие на разных частотах.

Сравнение с переменным током

Основные преимущества и недостатки постоянного тока по сравнению с переменным:

Интересные факты

• В быту часто путают понятия «постоянный ток» и «напряжение». Например, зарядное устройство для телефона выдаёт постоянный ток, но разговорное выражение «постоянное напряжение» является физически верным, так как напряжение на выходе блока питания также постоянно.
• Первая в мире линия электропередачи постоянного тока была построена в 1882 году французским инженером Марселем Депре. Она соединяла Мюнхен и Мисбах (57 км) и передавала мощность около 1,5 кВт при напряжении 2 кВ.
• В организме человека также присутствуют биологические токи, которые являются постоянными. Например, нервные импульсы и сокращения мышц управляются электрическими сигналами.
• Самый мощный в мире источник постоянного тока — линия электропередачи «Россия — Финляндия» (Выборгский преобразовательный комплекс), способная передавать мощность до 1420 МВт.

Источники

1. Калашников С. Г. Электричество. — М.: Физматлит, 2003.
2. Савельев И. В. Основы теоретической физики. Том 2. Электричество и магнетизм. — М.: Наука, 1982.
3. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002.
4. Мейерович М. М., Соколов В. А. Электротехника и электроника. — М.: Академия, 2010.
5. Большая советская энциклопедия. Статья «Ток электрический».