Jævnstrøm - elektrisk strøm , som ikke ændrer sig i størrelse og retning over tid .
Jævnstrøm er en slags ensrettet strøm. Ensrettet strøm ( engelsk jævnstrøm ) er en elektrisk strøm, der ikke ændrer retning [1] . Du kan ofte finde DC-forkortelser fra de første bogstaver i engelske ord eller et symbol (GOST 2.721-74), eller -
Figuren for denne artikel viser DC-grafen med rødt. Den vandrette akse er tidsskalaen , og den lodrette akse er strøm- eller spændingsskalaen . Som du kan se, er DC-grafen en ret linje parallel med den vandrette akse (tidsaksen).
Værdien af jævnstrøm og elektrisk spænding for ethvert tidspunkt forbliver uændret .
Ved konstant strøm strømmer den samme mængde elektricitet ( elektriske ladninger ) gennem hvert tværsnit af lederen pr. tidsenhed.
Jævnstrøm er den konstante rettede bevægelse af ladede partikler i et elektrisk felt.
I hvert punkt på lederen, hvorigennem en jævnstrøm løber, erstattes nogle elementære elektriske ladninger løbende af andre, fuldstændig identiske i samlede elektriske ladninger. På trods af den kontinuerlige bevægelse af elektriske ladninger langs lederen forbliver deres generelle rumlige arrangement inde i lederen så at sige uændret i tid eller stationær.
Bærere af elektriske ladninger er:
Den konstante bevægelse af elektriske ladninger skabes og vedligeholdes af eksterne kræfter , som kan være kemisk (i galvaniske celler), elektromagnetisk (DC dynamo), mekanisk (elektroformaskine) eller anden (for eksempel radioaktiv i strontiumstrømkilder) natur. I alle tilfælde er strømkilden en omdanner af energien fra eksterne kræfter til elektrisk energi.
Det elektriske felt, der ledsager jævnstrømmen i lederen og, i overensstemmelse hermed, den stationære fordeling af elektriske ladninger i den, kaldes et stationært (invariant i tid) elektrisk felt.
Elektriske ladninger i et stationært elektrisk felt akkumuleres ingen steder og forsvinder ikke nogen steder, da med enhver rumlig omfordeling af ladninger, ville det stationære elektriske felt uundgåeligt skulle ændre sig, og følgelig ville strømmen ophøre med at være konstant i tid.
For feltets og strømmens stationaritet kræves det, at elektriske ladninger ikke samler sig nogen steder og ikke går tabt nogen steder, men bevæger sig i et kontinuerligt og ensartet flow langs lederne. For at gøre dette er det nødvendigt, at lederne sammen danner en løkke, der er lukket om sig selv. I dette tilfælde opnås en kontinuerlig cirkulær ensartet bevægelse af elektriske ladninger langs hele kredsløbet.
En konstant elektrisk strøm kan kun eksistere i et kredsløb, der er lukket om sig selv, bestående af et sæt ledere af elektricitet, hvor et stationært elektrisk felt virker.
De allerførste kilder til jævnstrøm var kemiske strømkilder : galvaniske celler , derefter blev batterier opfundet . Polariteten af kemiske strømkilder kan ikke spontant ændre sig, der er ingen krusninger.
For at opnå jævnstrøm i industriel skala anvendes elektriske maskiner - jævnstrømsgeneratorer samt solpaneler og i sjældne tilfælde termoelektriske generatorer . Lovende industrielle jævnstrømskilder omfatter MHD-generatorer , som endnu ikke har forladt forsøgsstadiet.
I elektronisk udstyr drevet af vekselstrøm , for at opnå jævnstrøm, bruges strømforsyninger , som er opdelt i klassisk ("transformer") og pulseret. I en klassisk strømforsyning reduceres vekselstrømmen af en transformer til den ønskede værdi, derefter ensrettes . Yderligere, for at reducere ripple , bruges et udjævningsfilter og om nødvendigt en strømstabilisator eller spændingsregulator eller spændingsregulator .
I moderne radio-elektronisk udstyr er skiftende strømforsyninger blevet udbredt , som har et større antal elektroniske komponenter sammenlignet med den klassiske PSU, men har væsentligt bedre vægt- og størrelsesindikatorer.
Elektrisk energi kan lagres i elektriske kondensatorer . Generelt, når en kondensator er afladet, flyder der en vekselstrøm i det eksterne kredsløb . Hvis kondensatoren aflades gennem modstanden, er der en ensrettet vekselstrøm (gradvis aftagende). Men hvis kondensatoren aflades gennem en induktor , så vises en tovejs vekselstrøm i kredsløbet , denne enhed kaldes et oscillerende kredsløb . Elektrolytiske kondensatorer kan have en meget stor elektrisk kapacitans (hundrede og tusinder af mikrofarader eller mere). Når sådanne kondensatorer aflades gennem en stor modstand, falder strømmen langsommere, og i kort tid kan det anses for, at der løber en jævnstrøm i det eksterne kredsløb.
Ionistorer - en hybrid af en kondensator og en kemisk strømkilde, er i stand til at akkumulere og afgive en ret stor mængde elektrisk energi, for eksempel, så en elbil med ionistorer kører et stykke vej.
Det er konventionelt accepteret ( almindeligt accepteret ), at den elektriske strøm i et elektrisk felt har en retning fra punkter med højere potentialer til punkter med lavere potentialer . Det betyder, at retningen af jævnstrøm altid falder sammen med bevægelsesretningen af positive elektriske ladninger, for eksempel positive ioner i elektrolytter og gasser . Hvor en elektrisk strøm kun skabes af bevægelsen af en strøm af negativt ladede partikler, for eksempel en strøm af frie elektroner i metaller , tages den modsatte retning af elektronernes bevægelse som retningen af den elektriske strøm.
Punkter med højere potentialer (for eksempel på batterier og akkumulatorer ) kaldes " positiv pol " og er angivet med et tegn ("plus"), og punkter med lavere potentialer kaldes " negativ pol " og er angivet med en tegn ("minus").
Historisk set er den elektriske isolering af den positive ledning farvet rød , og den negative ledning er blå eller sort .
Symbol på elektriske apparater: eller . Ensrettet strøm (herunder jævnstrøm) er angivet med latinske bogstaver . For ensrettet strøm kan Unicode-tegnet ⎓ (U+2393) også bruges .
I nogle tilfælde kan du finde andre symboler, for eksempel på små stik, der er designet til at blive tilsluttet en elektronisk enhed med en strømforsyningsenhed (eller på selve den elektroniske enhed, nær stikket til tilslutning af stikket) angiver polariteten.
Elektroderne på alle enheder eller radiokomponenter ( dioder , tyristorer , vakuumelektroniske enheder ), der er forbundet til den positive ledning, kaldes " anode ", og elektroderne, der er forbundet til den negative ledning, kaldes " katode " [2] .
Et mål for intensiteten af bevægelse af elektriske ladninger i ledere er størrelsen af strømmen eller simpelthen strøm .
Strømmens størrelse er mængden af elektriske ladninger (elektricitet), der strømmer gennem lederens tværsnit pr. tidsenhed.
Det er almindeligt accepteret , at i stedet for udtrykkene "strøm" og "aktuel størrelse" bruges udtrykket " strømstyrke " ofte .
Udtrykket " strømstyrke " er forkert, da strømstyrken ikke er en slags kraft i ordets bogstavelige forstand, men kun intensiteten af bevægelsen af elektriske ladninger i lederen, mængden af elektricitet, der passerer per tidsenhed gennem lederens tværsnitsareal. Der er ingen kræfter i ledningerne . Vi vil ikke overtræde denne tradition.Hvis der med en ensartet bevægelse af elektriske ladninger gennem en leder er strømmet en mængde elektricitet over tid , så kan strømmen i lederen udtrykkes med formlen .
I en leder er strømmen lig med en ampere , hvis en vedhæng af elektricitet flyder gennem dens tværsnitsareal på et sekund .
Amperen er en strømenhed , opkaldt efter André-Marie Ampère .
Coulomb er en måleenhed for elektrisk ladning (elektricitetsmængde), opkaldt efter Charles Coulomb . I tilfælde, hvor der skal håndteres store strømme, måles mængden af elektricitet med en større enhed kaldet ampere-time , 1 ampere-time er lig med 3.600 coulombs .
Strømstyrken måles amperemeter , den er inkluderet i kredsløbet, så al den målte strøm passerer gennem den, det vil sige i serie .
Nuværende tæthedI elektroteknik er det ofte vigtigt at kende ikke kun strømstyrken i en leder, men også strømtætheden , da strømtætheden er et mål for ledningernes bæreevne .
Strømtætheden er strømmen eller per arealenhed af lederen: , hvor
- strømstyrke i ampere ; er lederens tværsnitsareal i kvadratmeter , - strømtæthed, udtrykt i ampere pr. kvadratmeter :.Da ledninger med et tværsnit beregnet i kvadratmeter er ekstremt sjældne, er strømtætheden normalt udtrykt i ampere per kvadratmillimeter .
Potentialeforskellen mellem de punkter, som en jævnstrøm løber imellem, kan karakteriseres ved elektromotorisk kraft og elektrisk spænding .
Elektromotorisk kraftHver primær kilde til elektrisk energi skaber et elektrisk felt fra tredjepart . I elektriske maskiner ( DC-generatorer ) skabes et eksternt elektrisk felt i metallederne i et anker, der roterer i et magnetfelt , og i galvaniske celler og batterier - i kontaktpunktet mellem elektroderne og elektrolytten ( opløsninger af salte eller syrer ) under deres kemiske interaktion .
Et elektrisk felt fra tredjepart, tilgængeligt i en jævnstrømskilde til elektrisk energi, interagerer kontinuerligt med ledernes elektriske ladninger, som danner et lukket kredsløb med det, og skaber en jævnstrøm i det.
Ved at flytte elektriske ladninger langs et lukket kredsløb overvinder kræfterne fra et eksternt elektrisk felt modstanden fra modstående kræfter, for eksempel materialepartikler af ledere . Dette fører til det faktum, at kræfterne i et eksternt elektrisk felt virker på grund af energien i dette felt. Efterhånden som energi forbruges, genopbygger et eksternt elektrisk felt det på bekostning af mekanisk eller kemisk energi .
Som et resultat af kræfternes arbejde i et eksternt elektrisk felt går energien i dette felt over i et elektrisk kredsløb til enhver anden energitype , for eksempel til termisk energi i metalledere , termisk og kemisk energi i elektrolytter, termisk og lysenergi i elektriske lamper og så videre.
Udtrykket " arbejde af kræfterne i et eksternt elektrisk felt " af en kilde til elektrisk energi erstattes for korthedens skyld normalt med udtrykket " arbejde af en elektrisk energikilde ".
Hvis det arbejde, der udføres af en elektrisk energikilde, når en enheds elektrisk ladning flyttes gennem et lukket elektrisk kredsløb, er kendt, så er det let at bestemme det arbejde, den udfører, når den overfører en bestemt elektrisk ladning langs dette kredsløb, da mængden af arbejde er proportional med afgiftsbeløbet.
En værdi numerisk lig med det arbejde, der udføres af en elektrisk energikilde, når en enhed af positiv ladning overføres gennem et lukket kredsløb, kaldes elektromotorisk kraft .Derfor, hvis kilden til elektrisk energi under overførslen af ladning gennem det lukkede kredsløb gjorde arbejdet , så er dens elektromotoriske kraft lig med .
I det internationale system af enheder ( SI ) er enheden for elektromotorisk kraft en volt . Enheden er opkaldt efter den italienske fysiker og fysiolog Alessandro Volta .
Den elektromotoriske kraft af en kilde til elektrisk energi er lig med én voltif , når man flytter et vedhæng af elektricitet gennem et lukket kredsløb, udførte det arbejde svarende til én joule :.For eksempel, hvis den elektromotoriske kraft af enhver kilde til elektrisk energi , så skal dette forstås på en sådan måde, at kilden til elektrisk energi, der flytter et vedhæng af elektricitet gennem det lukkede kredsløb, vil gøre arbejdet , da .
Det følger af formlen , det vil sige, at kilden til elektrisk energis arbejde under overførslen af dens elektriske ladning gennem det lukkede kredsløb er lig med produktet af størrelsen af dens elektromotoriske kraft med størrelsen af den overførte elektriske ladning .
Elektrisk spændingHvis en kilde til elektrisk energi bærer en elektrisk ladning gennem et lukket kredsløb, så gør den noget arbejde . Han udfører en del af dette arbejde, når han overfører ladning langs den indre sektion af kredsløbet (sektionen inde i selve kilden til elektrisk energi), og den anden del - når han overfører ladning langs den eksterne sektion af kredsløbet (uden for kilden).
Derfor, det vil sige, at det arbejde, der udføres af kilden til elektrisk energi, når den overfører en elektrisk ladning gennem et lukket kredsløb, er lig med summen af det arbejde, den udfører, når den overfører denne ladning langs de interne og eksterne sektioner af dette kredsløb.
Hvis vi dividerer venstre og højre del af ligheden med værdien af en enhedsafgift , får vi arbejdet relateret til en enhedsafgift: .
Arbejdet fra kilden til elektrisk energi, udført af den under overførslen af en enhedsladning gennem det lukkede kredsløb, er numerisk lig med dens elektromotoriske kraft, det vil sige hvor er den elektromotoriske kraft af kilden til elektrisk energi.
Værdien , numerisk lig med det arbejde, der udføres af kilden til elektrisk energi, når en enhedsladning overføres langs den indre del af kredsløbet, kaldes spændingsfaldet (spændingen) i den indre del af kredsløbet , det vil sige , hvor er spændingsfald i den indre del af kredsløbet.
Værdien , numerisk lig med det arbejde, der udføres af kilden til elektrisk energi, når en enhedsladning overføres langs den eksterne del af kredsløbet, kaldes spændingsfaldet (spændingen) i den eksterne del af kredsløbet , dvs. hvor er spændingsfald i den eksterne del af kredsløbet.
Derfor kan ligestilling gives følgende form: , dvs.
Den elektromotoriske kraft af en kilde til elektrisk energi, der skaber en strøm i et elektrisk kredsløb, er lig med summen af spændingsfaldene i de indre og ydre sektioner af kredsløbet.Det følger af ligheden , at det vil sige, at spændingsfaldet i den ydre del af kredsløbet er mindre end den elektromotoriske kraft af kilden til elektrisk energi med størrelsen af spændingsfaldet i den indre del af kredsløbet.
Derfor, jo større spændingsfald inde i den elektriske energikilde, jo mindre, alt andet lige, er spændingsfaldet ved terminalerne på den elektriske energikilde.
Da spændingsfaldet har samme dimension som den elektromotoriske kraft , det vil sige, det er udtrykt i joule pr. vedhæng , eller på anden måde i volt, tages en volt som måleenhed for spændingsfaldet ( elektrisk spænding ) .
Den elektriske spænding ved terminalerne på den elektriske energikilde (spændingsfald i den ydre sektion af kredsløbet) er lig med en volt, hvis den elektriske energikilde virker lig med en joule, når en elektrisk ladning af en vedhæng overføres langs den ydre sektion af kredsløbet.Spændingen i sektionerne af kredsløbet måles voltmeter , han slutter sig altid til de punkter i kredsløbet, mellem hvilke han skal måle spændingsfaldet, det vil sige parallelt .
Den udbredte brug af jævnstrøm til transport skyldes, at DC-elektriske motorer med seriemagnetisering har en optimal trækkarakteristik for køretøjer - et stort drejningsmoment ved et lavt antal omdrejninger i minuttet og omvendt et relativt lavt drejningsmoment ved en nominel ankerrotationshastighed. Antallet af omdrejninger justeres nemt ved at seriekoble en reostat eller ved at ændre spændingen på motorklemmerne (ved at skifte flere motorer fra serie- til parallelforbindelse). Rotationsretningen ændres let (som regel skiftes polariteten af excitationsviklingen). På grund af dette er jævnstrømsmotorer med seriemagnetisering meget udbredt på elektriske lokomotiver , elektriske tog [3] , diesellokomotiver , sporvogne , trolleybusser , kraner , hejseværker og så videre.
Historisk set er sporvogns- , trolleybus- og metrolinjerne elektrificeret med jævnstrøm, spændingen er 550-600 volt (sporvogn og trolleybus), metroen 750-900 volt.
På diesellokomotiver indtil 1970'erne var den primære type trækkraftgenerator en jævnstrømsgenerator (lokomotiver TE3 , TE10 , TEP60 , TEM2 osv.), der var samlertraktionsmotorer . Med udviklingen af halvlederteknologi siden 1970'erne, trefasede vekselstrømsgeneratorer (som har bedre vægt- og størrelsesegenskaber sammenlignet med jævnstrømsgeneratorer) med en halvlederensretterinstallation ( AC-DC elektrisk transmission, diesellokomotiver TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 og andre), og siden 1990'erne, med udviklingen af kraftelektronik , er der blevet brugt asynkrone trækmotorer (lokomotiver med vekselstrømstransmission 2TE25A , TEM21 ).
I Rusland og i republikkerne i det tidligere USSR er omkring halvdelen af de elektrificerede sektioner af jernbaner elektrificeret ved en jævnstrøm på 3000 volt.
Elektrificering ved en jævnstrøm på 3 kV er ikke optimal sammenlignet med elektrificering ved en vekselstrøm på 25 kV industriel frekvens (50 Hz), spændingen i kontaktnettet er relativt lav og strømstyrken er høj, dog er de tekniske muligheder af elektrificering ved vekselstrøm dukkede først op i anden halvdel af det 20. århundrede. For eksempel har to elektriske lokomotiver en lige stor effekt på 5000 kilowatt . For et jævnstrøms elektrisk lokomotiv (3 kV) vil den maksimale strøm, der passerer gennem strømaftageren , være 1667 ampere, for et vekselstrøms elektrisk lokomotiv (25 kV) - 200 ampere. I 1990'erne - 2000'erne blev en række sektioner overført fra jævnstrøm til vekselstrøm: Slyudyanka - Irkutsk - Zima , Loukhi - Murmansk , Saratov og Volgograd jernbaneknudepunkter , Mineralnye Vody - Kislovodsk og Beshtau - Zheleznovodsk .
I 1970'erne blev der udført eksperimenter i USSR med 6 kV elektrificering , men af en række tekniske årsager blev dette system ikke vedtaget.
Der produceres også to-system elektriske lokomotiver, der kan køre på både veksel- og jævnstrøm (se VL61 D , VL82 og VL82 M , EP10 , EP20 ).
I langt de fleste tilfælde transmitteres trefaset strøm gennem strømledninger , men der er jævnstrømsledninger , for eksempel Volgograd-Donbass højspændings - DC-linjen, Ekibastuz-Center højspændings-DC-linjen , fastlandet syd Korea - Jeju Island og andre. Brugen af jævnstrøm giver dig mulighed for at øge den transmitterede elektriske effekt , overføre elektricitet mellem strømsystemer ved hjælp af vekselstrøm af forskellige frekvenser, for eksempel 50 og 60 hertz, og heller ikke synkronisere nabostrømsystemer, som det sker på grænsen til Leningrad Region med Finland (se Vyborg DC indstik — Finland ) .