D.C

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 18 november 2020; kontroller kräver 3 redigeringar .

Likström - elektrisk ström , som inte ändras i storlek och riktning över tiden .

Likström är en sorts enkelriktad ström. Enkelriktad ström ( engelska direct current ) är en elektrisk ström som inte ändrar riktning [1] . Du kan ofta hitta DC-förkortningar från de första bokstäverna i engelska ord, eller en symbol (GOST 2.721-74), eller -

Figuren för den här artikeln visar DC-grafen i rött. Den horisontella axeln är tidsskalan och den vertikala axeln är ström- eller spänningsskalan . Som du kan se är DC-grafen en rät linje parallell med den horisontella axeln (tidsaxeln). $t$ $jag$ $U$

Värdet på likström och elektrisk spänning för varje ögonblick förblir oförändrat . $jag$ $U$

Vid konstant ström strömmar samma mängd elektricitet ( elektriska laddningar ) genom varje tvärsnitt av ledaren per tidsenhet.

Likström är den konstanta riktade rörelsen av laddade partiklar i ett elektriskt fält.

Vid varje punkt av ledaren genom vilken en likström flyter ersätts vissa elementära elektriska laddningar kontinuerligt av andra, helt identiska i totala elektriska laddningar. Trots den kontinuerliga rörelsen av elektriska laddningar längs ledaren förblir deras allmänna rumsliga arrangemang inuti ledaren, så att säga, oförändrad i tid, eller stationär.

Bärarna av elektriska laddningar är:

i metallfria elektroner ; _
i elektrolyter - joner : katjoner och anjoner ;
i gaser - joner och elektroner ;
i vakuum - elektroner som bildas under elektronemission ;
Halvledare har elektroner och hål . _

Den konstanta rörelsen av elektriska laddningar skapas och upprätthålls av yttre krafter , som kan vara kemiska (i galvaniska celler), elektromagnetiska (DC dynamo), mekaniska (elektroformaskiner) eller annan (till exempel radioaktiv i strontiumströmkällor) natur. I alla fall är strömkällan en omvandlare av externa krafters energi till elektrisk energi.

Det elektriska fältet som följer med likströmmen i ledaren och, i enlighet med detta, den stationära fördelningen av elektriska laddningar i den, kallas det stationära (invarianta i tiden) elektriska fältet.

Elektriska laddningar i ett stationärt elektriskt fält ackumuleras inte någonstans och försvinner inte någonstans, eftersom med någon rumslig omfördelning av laddningar, skulle det stationära elektriska fältet oundvikligen behöva förändras och följaktligen skulle strömmen upphöra att vara konstant i tiden.

För fältets och strömmens stationaritet krävs att elektriska laddningar inte ackumuleras någonstans och inte går förlorade någonstans, utan rör sig i ett kontinuerligt och enhetligt flöde längs ledarna. För att göra detta är det nödvändigt att ledarna tillsammans bildar en slinga sluten på sig själv. I detta fall kommer en kontinuerlig cirkulär enhetlig rörelse av elektriska laddningar längs hela kretsen att uppnås.

En konstant elektrisk ström kan endast existera i en krets som är sluten på sig själv, bestående av en uppsättning ledare av elektricitet, i vilken ett stationärt elektriskt fält verkar.

DC-källor

De allra första källorna till likström var kemiska strömkällor : galvaniska celler , sedan uppfanns batterier . Polariteten hos kemiska strömkällor kan inte spontant förändras, det finns inga krusningar.

För att få likström i industriell skala används elektriska maskiner - likströmsgeneratorer , såväl som solpaneler och, i sällsynta fall, termoelektriska generatorer . Lovande industriella likströmskällor inkluderar MHD-generatorer , som ännu inte har lämnat experimentstadiet.

I elektronisk utrustning som drivs av växelström , för att få likström, används strömförsörjning , som är uppdelad i klassisk ("transformator") och pulsad. I en klassisk strömförsörjning reduceras växelströmmen av en transformator till önskat värde, likriktas sedan . Vidare, för att minska rippel , används ett utjämningsfilter och, om nödvändigt, en strömstabilisator eller spänningsregulator eller spänningsregulator .

I modern radio-elektronisk utrustning har växlande strömförsörjningar blivit utbredda , som har ett större antal elektroniska komponenter jämfört med den klassiska PSU, men har betydligt bättre vikt- och storleksindikatorer.

Elektrisk energi kan lagras i elektriska kondensatorer . I allmänhet, när en kondensator är urladdad, flyter en växelström i den externa kretsen . Om kondensatorn urladdas genom motståndet, finns det en enkelriktad växelström (avtagande gradvis). Men om kondensatorn laddas ur genom en induktor , uppträder en dubbelriktad växelström i kretsen , denna enhet kallas en oscillerande krets . Elektrolytiska kondensatorer kan ha en mycket stor elektrisk kapacitans (hundratusentals mikrofarader eller mer). När sådana kondensatorer urladdas genom ett stort motstånd, minskar strömmen långsammare, och under en kort tid kan det anses att en likström flyter i den externa kretsen.

Jonistorer - en hybrid av en kondensator och en kemisk strömkälla, kan ackumulera och avge en ganska stor mängd elektrisk energi, till exempel, så att en elbil med jonistorer färdas en bit.

Riktningen för likström och beteckningar på elektriska apparater och kretsar

Det är konventionellt accepterat ( allmänt accepterat ) att den elektriska strömmen i ett elektriskt fält har en riktning från punkter med högre potential till punkter med lägre potential . Detta innebär att riktningen för likström alltid sammanfaller med rörelseriktningen för positiva elektriska laddningar, till exempel positiva joner i elektrolyter och gaser . När en elektrisk ström skapas endast av rörelsen av en ström av negativt laddade partiklar, till exempel en ström av fria elektroner i metaller , tas den motsatta riktningen till elektronernas rörelse som riktningen för den elektriska strömmen.

Punkter med högre potential (till exempel på klämmorna på batterier och ackumulatorer ) kallas " positiv pol " och indikeras med ett tecken ("plus"), och punkter med lägre potential kallas " negativ pol " och indikeras med en tecken ("minus"). $+$ $-$

Historiskt sett är den elektriska isoleringen av den positiva ledningen färgad röd , och den negativa ledningen är blå eller svart .

Symbol på elektriska apparater: eller . Enkelriktad ström (inklusive likström) anges med latinska bokstäver . För enkelriktad ström kan Unicode-tecknet ⎓ (U+2393) också användas . ${\mathbf-}$ ${\mathbf =}$ $DC$

I vissa fall kan du hitta andra symboler, till exempel på små pluggar som är utformade för att anslutas till en elektronisk enhet med en strömförsörjningsenhet (eller på själva den elektroniska enhetens kropp, nära kontakten för att ansluta kontakten) anger polariteten. $\odot$

Elektroderna för alla enheter eller radiokomponenter ( dioder , tyristorer , vakuumelektroniska enheter ) som är anslutna till den positiva ledningen kallas " anod ", och elektroderna som är anslutna till den negativa ledningen kallas " katod " [2] .

DC-parametrar

Storleken på likströmmen (strömmen)

Ett mått på intensiteten av rörelse av elektriska laddningar i ledare är storleken på ström eller helt enkelt ström . $(I,~i)$

Storleken på strömmen är mängden elektriska laddningar (elektricitet) som strömmar genom ledarens tvärsnitt per tidsenhet.

Det är allmänt accepterat att istället för termerna "ström" och "strömstyrka" används ofta termen " strömstyrka " .

Termen " strömstyrka " är felaktig, eftersom strömstyrkan inte är någon form av kraft i ordets bokstavliga mening, utan endast intensiteten av rörelsen av elektriska laddningar i ledaren, mängden elektricitet som passerar per tidsenhet genom ledarens tvärsnittsarea. Det finns inga krafter i ledningarna . Vi kommer inte att bryta mot denna tradition.

Om, med en enhetlig rörelse av elektriska laddningar genom en ledare , en mängd elektricitet har flödat över tiden , kan strömmen i ledaren uttryckas med formeln . $t$ $F$ $I={\frac {Q}{t}}$

I en ledare är strömmen lika med en ampere , om en elektricitet strömmar genom dess tvärsnittsarea på en sekund . $A$

Amperen är en enhet av ström , uppkallad efter André-Marie Ampère .

Coulomb är en måttenhet för elektrisk laddning (mängd elektricitet), uppkallad efter Charles Coulomb . I de fall där stora strömmar måste hanteras mäts mängden elektricitet med en större enhet som kallas ampere-timme , 1 ampere-timme är lika med 3 600 coulombs .

Strömstyrkan mäts amperemeter , den ingår i kretsen så att all uppmätta ström passerar genom den, det vill säga i serie .

Strömdensitet

Inom elektroteknik är det ofta viktigt att inte bara känna till strömstyrkan i en ledare utan också strömtätheten , eftersom strömtätheten är ett mått på ledningarnas bärförmåga .

Strömtätheten är strömmen eller per ytenhet av ledaren: , där $(j$ $\delta)$ $j={\frac {I}{S}}$

jag

- strömstyrka, i ampere ;

S

är ledarens tvärsnittsarea, i kvadratmeter ,

j

- Strömtäthet, uttryckt i ampere per kvadratmeter :.

\left[{\frac {A}{m^{2}}}\right]

Eftersom ledningar med ett tvärsnitt beräknat i kvadratmeter är extremt sällsynta uttrycks strömtätheten vanligtvis i ampere per kvadratmillimeter . $\left[{\frac {A}{mm^{2}}}\right]$

Elektromotorisk kraft och elektrisk spänning

Potentialskillnaden mellan de punkter mellan vilka en likström flyter kan karakteriseras av elektromotorisk kraft och elektrisk spänning .

Elektromotorisk kraft

Varje primär källa till elektrisk energi skapar ett elektriskt fält från tredje part . I elektriska maskiner ( DC-generatorer ) skapas ett externt elektriskt fält i metallledarna i ett ankare som roterar i ett magnetfält , och i galvaniska celler och batterier - vid kontaktpunkten mellan elektroderna och elektrolyten ( salter eller syror ) under deras kemiska interaktion .

Ett elektriskt fält från tredje part, tillgängligt i en likströmskälla för elektrisk energi, interagerar kontinuerligt med de elektriska laddningarna från ledarna, som bildar en sluten krets med den, och skapar en elektrisk likström i den.

Genom att flytta elektriska laddningar längs en sluten krets övervinner krafterna från ett externt elektriskt fält motståndet från motsatta krafter, till exempel materialpartiklar av ledare . Detta leder till det faktum att krafterna i ett externt elektriskt fält fungerar på grund av energin i detta fält. När energi förbrukas fyller ett externt elektriskt fält på den på bekostnad av mekanisk eller kemisk energi .

Som ett resultat av kraftarbetet i ett externt elektriskt fält övergår detta fälts energi till en elektrisk krets till alla andra typer av energi , till exempel till termisk energi i metallledare , termisk och kemisk energi i elektrolyter, termisk och ljusenergi i elektriska lampor och så vidare.

Uttrycket " arbete av krafterna från ett externt elektriskt fält " av en elektrisk energikälla, för korthetens skull, ersätts vanligtvis med uttrycket " arbete av en elektrisk energikälla ".

Om arbetet som utförs av en elektrisk energikälla när en enhets elektrisk laddning flyttas genom en sluten elektrisk krets är känt, är det lätt att bestämma det arbete som utförs av den när den överför en viss elektrisk laddning längs denna krets, eftersom mängden arbete är proportionell mot avgiftsbeloppet. $F$

Ett värde numeriskt lika med det arbete som utförs av en elektrisk energikälla när en enhet av positiv laddning överförs genom en sluten krets kallas elektromotorisk kraft .

E

Därför, om källan till elektrisk energi under överföringen av laddning genom den slutna kretsen gjorde jobbet , är dess elektromotoriska kraft lika med . $F$ $A$ $E$ $E={\frac {A}{Q}}$

I International System of Units ( SI ) är enheten för elektromotorisk kraft en volt . Enheten är uppkallad efter den italienske fysikern och fysiologen Alessandro Volta . $(~v,~V~)$

Den elektromotoriska kraften hos en källa till elektrisk energi är lika med en voltif , när man flyttade en pendant av elektricitet genom en sluten krets utförde den arbete lika med en joule :.

1~volt={\frac {1~joule}{1~coulomb}}

Till exempel, om den elektromotoriska kraften hos någon källa till elektrisk energi , då bör detta förstås på ett sådant sätt att källan till elektrisk energi, som flyttar ett hängande av elektricitet genom den slutna kretsen, kommer att göra jobbet , eftersom . $E=220~volt$ $A=220~joule$ $E={\frac {A}{Q}}={\frac {220~joule}{1~coulomb}}$

Det följer av formeln att , det vill säga arbetet hos källan till elektrisk energi under överföringen av dess elektriska laddning genom den slutna kretsen är lika med produkten av storleken på dess elektromotoriska kraft med storleken på den överförda elektriska laddningen . $E={\frac {A}{Q}}$ $A=EQ$ $E$ $F$

Elektrisk spänning

Om en elektrisk energikälla bär en elektrisk laddning genom en sluten krets, så gör den en del arbete . Han utför en del av detta arbete när han överför laddning längs den interna sektionen av kretsen (sektionen inuti själva källan till elektrisk energi), och den andra delen - när han överför laddning längs den externa sektionen av kretsen (utanför källan). $F$ $A$ $A_0$ $F$ $A_{1}$ $F$

Därför, det vill säga det arbete som utförs av källan till elektrisk energi när en elektrisk laddning överförs genom en sluten krets är lika med summan av det arbete som utförs av den när den överför denna laddning längs de interna och externa sektionerna av denna krets. $A=A_{0}+A_{1}$ $A$ $F$

Om vi delar den vänstra och högra delen av jämlikheten med värdet av en enhetsavgift får vi arbetet relaterat till en enhetsavgift: . $A=A_{0}+A_{1}$ $F$ ${\frac {A}{Q}}={\frac {A_{0}}{Q}}+{\frac {A_{1}}{Q}}$

Arbetet för den elektriska energikällan, som utförs av den under överföringen av en enhetsladdning genom den slutna kretsen, är numeriskt lika med dess elektromotoriska kraft, det vill säga där är den elektromotoriska kraften hos den elektriska energikällan. $E={\frac {A}{Q}}$ $E$

Värdet , numeriskt lika med det arbete som utförs av källan till elektrisk energi när en enhetsladdning överförs längs den interna delen av kretsen, kallas spänningsfallet (spänningen) i den interna delen av kretsen , det vill säga var är spänningsfall i den inre delen av kretsen. ${\frac {A_{0}}{Q}}$ $U_{0}={\frac {A_{0}}{Q}}$ $U_{0}$

Värdet , numeriskt lika med det arbete som utförs av källan till elektrisk energi när en enhetsladdning överförs längs den yttre delen av kretsen, kallas spänningsfallet (spänningen) i den externa delen av kretsen , det vill säga var är spänningsfall i den yttre delen av kretsen. ${\frac {A_{1}}{Q}}$ $F$ $U_{1}={\frac {A_{1}}{Q}}$ $U_{1}$

Därför kan jämlikhet ges följande form: , dvs. ${\frac {A}{Q}}={\frac {A_{0}}{Q}}+{\frac {A_{1}}{Q}}$ $E=U_{0}+U_{1}$

Den elektromotoriska kraften hos en elektrisk energikälla som skapar en ström i en elektrisk krets är lika med summan av spänningsfallen i kretsens inre och yttre sektioner.

Det följer av likheten att , det vill säga spänningsfallet i den yttre delen av kretsen är mindre än den elektromotoriska kraften hos källan till elektrisk energi med storleken på spänningsfallet i den inre delen av kretsen. $E=U_{0}+U_{1}$ $U_{1}=E-U_{0}$

Därför, ju större spänningsfallet är inuti den elektriska energikällan, desto mindre, allt annat lika, spänningsfallet vid terminalerna på den elektriska energikällan.

Eftersom spänningsfallet har samma dimension som den elektromotoriska kraften , det vill säga det uttrycks i joule per pendant , eller annars i volt, tas en volt som enhet för att mäta spänningsfallet ( elektrisk spänning ) .

Den elektriska spänningen vid terminalerna på den elektriska energikällan (spänningsfallet i den yttre delen av kretsen) är lika med en volt om den elektriska energikällan fungerar lika med en joule när en elektrisk laddning av ett hängande överförs längs den yttre delen av kretsen.

Spänningen i sektionerna av kretsen mäts voltmeter , han ansluter alltid de punkter i kretsen mellan vilka han måste mäta spänningsfallet, det vill säga parallellt .

Tillämpning av likström

Likström används i stor utsträckning inom teknik : de allra flesta elektroniska kretsar använder likström som kraft.
Likström som genereras av kemiska strömkällor (galvaniska celler, batterier) används för autonom strömförsörjning av många elektriska och elektroniska enheter: ficklampor, leksaker, batteridrivna verktyg, kommunikationsutrustning, etc.
Likström används vid elektrolys : vid industriella elektrolysanläggningar erhålls aluminium , magnesium , natrium , kalium , nickel , koppar , klor och andra ämnen från lösningar eller smälta salter .
Likström används vid galvanisering och elektroformning - en skyddande eller dekorativ metallbeläggning avsätts elektrokemiskt på den elektriskt ledande ytan av ett föremål , till exempel är bronshuset på en klocka täckt med ett tunt lager av guld .
I vissa fall används likström vid svetsning ( elbåge eller elektrisk gassvetsning), till exempel är det möjligt att svetsa en rostfri del med en speciell svetselektrod endast med likström.
I vissa enheter omvandlas likström till växelström av omvandlare ( växelriktare ), till exempel i avbrottsfri strömförsörjning för datorer när de arbetar i fristående läge.
Likström används traditionellt i bilnätverk ombord , för när motorn inte är igång får alla huvudförbrukare ström direkt från bilbatteriet . På gamla bilar ( GAZ-51 , GAZ-69 , GAZ-M-20 "Pobeda" och många andra), annan motorcykel- och jordbruksutrustning installerades DC-generatorer för bilar . Utvecklingen av halvledarteknik har lett till att de sedan 1970 - talet har ersatts av trefasgeneratorer med integrerad likriktare som lättare, mer kompakt och mer pålitlig.
Vissa typer av fartyg använder elektrisk transmission ( diesel-elektriska fartyg , isbrytare , ubåtar ).
Elektrofores - införandet av läkemedel i kroppen med hjälp av likström eller separation av en blandning av ämnen för vetenskapliga eller industriella ändamål, såsom proteinelektrofores .

Likström i transport

Den utbredda användningen av likström i transporter beror på att DC-elmotorer med seriemagnetisering har en optimal dragkarakteristik för fordon - ett stort vridmoment vid ett lågt antal varv per minut och vice versa ett relativt lågt vridmoment vid en nominell ankarrotationshastighet. Antalet varv justeras enkelt genom att seriekoppla en reostat eller genom att ändra spänningen vid motorterminalerna (genom att växla flera motorer från seriekoppling till parallellkoppling). Rotationsriktningen ändras lätt (som regel ändras excitationslindningens polaritet). På grund av detta används likströmsmotorer med seriemagnetisering i stor utsträckning på elektriska lokomotiv , elektriska tåg [3] , diesellok , spårvagnar , trolleybussar , kranar , hissar och så vidare.

Historiskt sett är spårvagns- , trolleybuss- och tunnelbanelinjerna elektrifierade med likström, spänningen är 550-600 volt (spårvagn och trolleybuss), tunnelbanan 750-900 volt.

I järnvägs- och spårvagnskontaktnätet matas "plus" till kontaktledningen , och på tunnelbanan - till kontaktskenan . Skenor ("minus") fungerar som en vanlig (retur) tråd . (Detaljer i artikeln Railway Electrification # Polarity ) .

På diesellokomotiv fram till 1970-talet var den huvudsakliga typen av draggenerator en likströmsgenerator (lok TE3 , TE10 , TEP60 , TEM2 , etc. ), det fanns kollektordrivmotorer . Med utvecklingen av halvledarteknologi sedan 1970-talet, trefas växelströmsgeneratorer (som har bättre vikt- och storleksegenskaper jämfört med DC-generatorer) med en halvledarlikriktarinstallation ( AC-DC elektrisk transmission, diesellokomotiv TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 och andra), och sedan 1990-talet, med utvecklingen av kraftelektronik , har asynkrona dragmotorer använts (lok med växelströmsöverföring 2TE25A , TEM21 ).

I Ryssland och i republikerna i före detta Sovjetunionen är ungefär hälften av de elektrifierade järnvägssektionerna elektrifierade med en likström på 3000 volt.

Elektrifieringen av Sovjetunionens järnvägar började med likström ( Baku-Sabunchi och Suram-passet ). Under förkrigsåren elektrifierades ett antal sektioner med en spänning på 1,5 kV, sedan överfördes de till 3 kV.
Den armeniska järnvägen är nästan helt elektrifierad med likström.
Den georgiska järnvägen är nästan helt elektrifierad med likström.

Elektrifiering vid en likström på 3 kV är inte optimal jämfört med elektrifiering vid en växelström på 25 kV industriell frekvens (50 Hz), spänningen i kontaktnätet är relativt låg och strömstyrkan är hög, dock är de tekniska möjligheterna av elektrifiering vid växelström dök upp först under andra hälften av 1900-talet. Till exempel har två elektriska lok en lika stor effekt på 5000 kilowatt . För ett elektriskt likströmslok (3 kV) kommer den maximala strömmen som passerar genom strömavtagaren att vara 1667 ampere, för ett växelströmslok (25 kV) - 200 ampere. På 1990-talet - 2000-talet överfördes ett antal sektioner från likström till växelström: Slyudyanka - Irkutsk - Zima , Loukhi - Murmansk , Saratov och Volgograd järnvägsknutpunkter , Mineralnye Vody - Kislovodsk och Beshtau - Zheleznovodsk .

På 1970 -talet utfördes experiment i Sovjetunionen med 6 kV elektrifiering , men av ett antal tekniska skäl antogs inte detta system.

Det tillverkas också tvåsystems elektriska lok som kan arbeta på både växel- och likström (se VL61 D , VL82 och VL82 M , EP10 , EP20 ).

Likströmsledningar

I de allra flesta fall överförs trefasström genom kraftledningar , men det finns likströmsledningar , till exempel Volgograd-Donbass högspännings likströmsledning, Ekibastuz-Center högspännings likströmsledning , fastlandet South Korea - Jeju Island och andra. Användningen av likström gör att du kan öka den överförda elkraften , överföra el mellan kraftsystem med växelström av olika frekvenser, till exempel 50 och 60 hertz, och inte heller synkronisera närliggande kraftsystem, som görs på gränsen till Leningrad Region med Finland (se Vyborg DC-bilaga — Finland ) .

Se även

Anteckningar

↑ GOST R 52002-2003.
↑ Ovanstående hänvisar till det vanligaste direkt-på- läget , när enheten är öppen (eller kan öppnas genom att applicera lämplig spänning på kontrollelektroden), det vill säga den har lågt motstånd och passerar elektrisk ström. Det finns dock ett antal enheter som kräver omvänd anslutning ( zenerdioder , varicaps , skyddsdioder som undertrycker omvända spänningsstötar), där anoden är ansluten till den negativa och katoden till den positiva polen på spänningskällan.
↑ I elektriska lok och AC-elektriska tåg används också ofta DC-traktionsmotorer som drivs genom en nedtrappad drivtransformator och en likriktare.

Litteratur

V. E. Kitaev, L. S. Shlyapintokh. Elektroteknik med grunderna i industriell elektronik. - 3:a, reviderad och kompletterad. - M . : Högre skola, 1973. - 358 sid. - 200 000 exemplar.

Länkar

Direktaktuell artikel från Great Soviet Encyclopedia .