Постоянный ток: история открытия и изучения явления, применение в современном мире

Электричество в древнем мире

Еще древнегреческий философ Фалес писал о свойствах янтаря, потертого шерстью, притягивать мелкие предметы. Но достаточно долгое время все знания об электричестве ограничивались этим любопытным опытом. Никто не связывал с этим явлением природные молнии, наблюдаемые во время гроз. Дальнейшее изучение электрического тока, пока без разделения на постоянный и переменный, продолжилось лишь в XVII веке. И за пару сотен лет ученые продвинулись очень далеко.

Открытие явления

В 1600 году был введен термин "электричество", а более чем полвека спустя началось его активное изучение. Изначально разделения на постоянный и переменный ток не существовало, так что исследования были несистематичными. Первая теория, касающаяся природы электричества, была сформулирована в XVIII веке Бенджамином Франклиным, который, впрочем, остался в истории в первую очередь как политический деятель. Чуть позднее был сконструирован первый конденсатор - так называемая Лейденская банка. Тем не менее, считается, что всерьез история исследования постоянного тока началась с опытов Гальвани, касающихся, как ни странно, в первую очередь биологии, а не физики. Знаменитый итальянец буквально перевернул науку.

Изучение постоянного тока

Опыты Гальвани касались в первую очередь физиологии. Пропуская электрический ток через тело лягушки, он заметил, как ее мышцы сокращались. Описание этих опытов заинтересовало не только биологов, но и физиков. Сам же Гальвани, проведя еще серию исследований, счел, что мышцы являются чем-то вроде Лейденской банки, или, если быть точнее, ее батарей. Эти опыты легли в основу современной электрофизиологии. Последователь итальянца, его соотечественник Алессандро Вольта, в 1800 году создал первый источник питания постоянного тока - гальванический элемент. Англичане Карлейл и Николсон повторили опыты своего коллеги, придя к выводу, что в определенных условиях электричество, пропущенное через воду, заставляет ее разлагаться на составные элементы. Подобные эксперименты в конечном итоге дали стимул развитию химии. Русские ученые также приложили руку к исследованиям - уроженец Санкт-Петербурга Василий Петров в 1803 году описал явление электрической дуги. Однако 9 лет спустя это открытие произошло снова и было представлено как случившееся впервые. Дальнейшие исследования уже были направлены на изучение характеристик и законов, управляющих током. Параллельно ученые находили все новые и новые способы применения электричества, изобретая удивительные приборы, которыми человечество пользуется до сих пор.

Характеристики и параметры

Как очевидно из названия, величина постоянного тока и его напряжение в любой момент остаются неизменными. Несмотря на то что движение заряженных частиц происходит непрерывно, их общее пространственное положение остается стационарным. Кстати, как ни удивительно, но с технической точки зрения термин "постоянный ток" является некорректным, ведь неизменным является не он, а напряжение источника питания, его электродвижущая сила (ЭДС). Но понятие настолько прочно вошло в употребление, что его изменение просто невозможно представить. Итак, главным признаком этой разновидности остается отсутствие смены полярности напряжения на источнике питания. Постоянный ток обладает рядом параметров, которые, разумеется, присущи и другим типам:

• Сила или величина (I). Показывает количество тока, протекающего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Измеряется в амперах.
• Плотность (F). Отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника. Единицы измерения - А/мм².
• Напряжение (V). Эта физическая величина показывает работу источника электроэнергии при переносе заряда по отношению к ее величине. Измеряется в вольтах.
• Электрическая мощность (P). Обозначает скорость передачи или преобразования электроэнергии. Единица - ватт.
• Сопротивление (R). Эта величина характеризует свойство проводника препятствовать прохождению тока. Измеряется в омах.

Законы и формулы

Все вышеназванные величины напрямую связаны друг с другом, и практически любая из них может быть выражена через остальные. В школьном курсе физики это подробно изучается, но нелишним будет повторить все снова. Самыми простыми примерами формул могут являться следующие:

• V = I x R = P : I;
• I = V : R = P : V;
• R = V² : P = V : I = P : I²;
• P = V x I = I² x R = V² : R.

Разумеется, многие помнят и о законе Ома, хотя не все смогут его сформулировать. Он применим и к постоянному току и описывает зависимость ЭДС источника или напряжения и силы от сопротивления. На языке формул это выглядит так:

• U = IR. То есть разность потенциалов между началом и концом проводника равна произведению силы тока и сопротивления.

В том числе и с этим законом связана еще одна важная зависимость. Она описывает переход электрической энергии в тепловую при передаче. Иными словами, речь идет о потерях мощности в виде нагрева проводов. Эта зависимость называется законом Джоуля-Ленца и описывается так:

• Q = I²Rt,

где Q - выделяемая теплота, I - сила тока, R - сопротивление, а t - промежуток времени.

Эта формула работает только для постоянной разновидности. То есть она применима только для частного случая, в то время как для переменного она будет выглядеть несколько сложнее.

Отличия от остальных видов

Если рассмотреть графики основных типов электротока, то никаких вопросов не возникнет. Линия постоянного будет прямой, остающейся на одном уровне с течением времени, переменного - пилообразной. В отличие от последнего, первый не обладает таким параметром, как частота, вернее, в этом случае она является нулевой. Кроме того, направление постоянного тока не меняется со временем. Различается и обозначение - DC (direct current) и AC (alternating current). Как нетрудно догадаться, первый - это постоянный, а второй - переменный. К тому же последняя разновидность может быть как одно-, так и трехфазной. В этом и заключаются основные отличия.

Источники и усилители

Разумеется, постоянный ток не берется из ниоткуда. Существуют спеицальные приборы, которые его генерируют. Это обычные батарейки, аккумуляторы и другие современные источники. Первым из них был тот самый гальванический элемент Вольта. Но иногда ток нужно не только генерировать, но и усиливать. Для этого тоже есть специальные устройства - усилители постоянного тока (УПТ). Эти приборы необходимы для того, чтобы повышать напряжение. Усилитель в полном смысле можно назвать УПТ, если его рабочий диапазон включает все частоты, вплоть до самых низких, и нулевую. Эти устройства очень востребованы и широко используются во многих областях электроники, так что их развитие и совершенствование происходит непрерывно.

Применение в современном мире

Он повсеместно. Любые современные приборы, работающие как от сети, так и от аккумуляторов, используют постоянный ток. В первом случае устройство предусматривает специальный элемент, преобразующий электричество из одной разновидности в другую. Во втором же в источнике питания происходит химическая реакция, которая поддерживает напряжение неизменным. Казалось бы, что в этом случае проще было бы, если бы в сети был постоянный, а не переменный ток, но это не так. Вторую разновидность проще вырабатывать, а также его не приходится преобразовывать для работы трансформаторов. А устройства, позволяющие из переменного получать постоянный называются выпрямителями, хотя приборы, проводящие обратное действие, - инверторами. Нашел свое применение этот вид тока и в электрохимии, некоторых видах сварки, обработке металлов, медицине и многих других областях. Он действительно везде, и иногда это кажется настоящим чудом, ведь все начиналось с обычного янтаря.