Постоянный ток

Мерой интенсивности движения электрических зарядов в проводниках является величина тока или просто ток ${\displaystyle (I,~i)}$.

Величина тока — это количество электрических зарядов (электричества), протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Общепринято, что вместо терминов «ток» и «величина тока» часто применяется термин «сила тока».

Термин «сила тока» является некорректным, так как сила тока не есть какая-то сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника. В проводах нет никаких сил. Мы с вами не будем нарушать эту традицию.

Если при равномерном движении электрических зарядов по проводнику за время ${\displaystyle t}$ протекло количество электричества ${\displaystyle Q}$, то ток в проводнике можно выразить формулой ${\displaystyle I={\frac {Q}{t}}}$.

В проводнике ток равен одному амперу ${\displaystyle A}$, если через площадь поперечного сечения его за одну секунду протекает один кулон электричества.

Ампер — единица измерения силы тока, названа в честь Андре-Мари Ампера.

Кулон — единица измерения электрического заряда (количества электричества), названа в честь Шарля Кулона. В тех случаях, когда приходится иметь дело с большими токами, количество электричества измеряется более крупной единицей, называемой ампер-часом, 1 ампер-час равен 3 600 кулонам.

Сила тока измеряется амперметром, он включается в цепь так, чтобы через него проходил весь измеряемый ток, то есть последовательно.

В электротехнике часто бывает важно знать не только силу тока в проводнике, но и плотность тока, так как плотность тока является мерой допустимой нагрузки проводов.

Плотностью тока называют ток ${\displaystyle (j}$ или ${\displaystyle \delta )}$, приходящийся на единицу площади проводника: ${\displaystyle j={\frac {I}{S}}}$, где

${\displaystyle I}$ — сила тока, в Амперах;

${\displaystyle S}$ — площадь поперечного сечения проводника, в квадратных метрах,

${\displaystyle j}$ — плотность тока, выражается в амперах на квадратный метр: ${\displaystyle \left[{\frac {A}{m^{2}}}\right]}$.

Так как провода с поперечным сечением, исчисляемым квадратными метрами, встречаются крайне редко, то плотность тока обычно выражается в амперах на квадратный миллиметр ${\displaystyle \left[{\frac {A}{mm^{2}}}\right]}$.

Разность потенциалов между точками, между которыми протекает постоянный ток, могут охарактеризовать электродвижущая сила и электрическое напряжение.

Каждый первичный источник электрической энергии создаёт стороннее электрическое поле. В электрических машинах (генераторах постоянного тока) стороннее электрическое поле создаётся в металлических проводниках якоря, вращающегося в магнитном поле, а в гальванических элементах и аккумуляторах — в месте соприкосновения электродов с электролитом (растворами солей или кислот) при их химическом взаимодействии.

Стороннее электрическое поле, имеющееся в источнике электрической энергии постоянного тока, непрерывно взаимодействует на электрические заряды проводников, образующих вместе с ним замкнутую цепь, и создаёт в ней постоянный электрический ток.

Перемещая электрические заряды по замкнутой цепи, силы стороннего электрического поля преодолевают сопротивление противодействующих сил, например вещественных частиц проводников. Это приводит к тому, что силы стороннего электрического поля совершают работу за счёт энергии этого поля. По мере расхода энергии стороннее электрическое поле пополняет её за счёт механической или химической энергии.

В результате работы сил стороннего электрического поля энергия этого поля переходит в электрической цепи в какие-либо иные виды энергии, например в тепловую энергию в металлических проводниках, тепловую и химическую в электролитах, тепловую и световую энергию в электрических лампах и так далее.

Выражение «работа сил стороннего электрического поля» источника электрической энергии ради краткости обычно заменяют выражением «работа источника электрической энергии».

Если известна работа, совершаемая источником электрической энергии при перемещении единичного электрического заряда по всей замкнутой электрической цепи, то легко определить работу, совершаемую им при переносе некого электрического заряда ${\displaystyle Q}$ по этой цепи, так как величина работы пропорциональна величине заряда.

Величина, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой ${\displaystyle E}$.

Следовательно, если источник электрической энергии при переносе заряда ${\displaystyle Q}$ по всей замкнутой цепи совершил работу ${\displaystyle A}$, то его электродвижущая сила ${\displaystyle E}$ равна ${\displaystyle E={\frac {A}{Q}}}$.

В Международной системе единиц (СИ) за единицу измерения электродвижущей силы принимается один вольт ${\displaystyle (~v,~V~)}$. Единица названа в честь итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта.

Электродвижущая сила источника электрической энергии равна одному вольту, если при перемещении одного кулона электричества по всей замкнутой цепи им была совершена работа, равная одному джоулю : ${\displaystyle 1~volt={\frac {1~joule}{1~coulomb}}}$.

Например, если электродвижущая сила какого-либо источника электрической энергии ${\displaystyle E=220~volt}$, то это надо понимать так, что источник электрической энергии, перемещая один кулон электричества по всей замкнутой цепи, совершит работу ${\displaystyle A=220~joule}$, так как ${\displaystyle E={\frac {A}{Q}}={\frac {220~joule}{1~coulomb}}}$.

Из формулы ${\displaystyle E={\frac {A}{Q}}}$ следует, что ${\displaystyle A=EQ}$, то есть работа источника электрической энергии при переносе его электрического заряда по всей замкнутой цепи равна произведению величины электродвижущей силы ${\displaystyle E}$ его на величину переносимого электрического заряда ${\displaystyle Q}$.

Если источник электрической энергии переносит электрический заряд ${\displaystyle Q}$ по всей замкнутой цепи, то он совершает некоторую работу ${\displaystyle A}$. Часть этой работы ${\displaystyle A_{0}}$ он совершает при переносе заряда ${\displaystyle Q}$ по внутреннему участку цепи (участок внутри самого источника электрической энергии), а другую часть ${\displaystyle A_{1}}$ — при переносе заряда ${\displaystyle Q}$ по внешнему участку цепи (вне источника).

Следовательно, ${\displaystyle A=A_{0}+A_{1}}$, то есть работа ${\displaystyle A}$, совершаемая источником электрической энергии при переносе электрического заряда ${\displaystyle Q}$ по всей замкнутой цепи, равна сумме работ, совершаемых им при переносе этого заряда по внутреннему и внешнему участкам этой цепи.

Если разделить левую и правую часть равенства ${\displaystyle A=A_{0}+A_{1}}$ на величину единичного заряда ${\displaystyle Q}$, получим работу, отнесённую к единичному заряду: ${\displaystyle {\frac {A}{Q}}={\frac {A_{0}}{Q}}+{\frac {A_{1}}{Q}}}$.

Работа источника электрической энергии, совершаемая им при переносе единичного заряда по всей замкнутой цепи, численно равна его электродвижущей силе, то есть ${\displaystyle E={\frac {A}{Q}}}$, где ${\displaystyle E}$ — электродвижущая сила источника электрической энергии.

Величина ${\displaystyle {\frac {A_{0}}{Q}}}$, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного заряда по внутреннему участку цепи, называется падением напряжения (напряжением) на внутреннем участке цепи, то есть ${\displaystyle U_{0}={\frac {A_{0}}{Q}}}$, где ${\displaystyle U_{0}}$ — падение напряжения на внутреннем участке цепи.

Величина ${\displaystyle {\frac {A_{1}}{Q}}}$, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного заряда ${\displaystyle Q}$ по внешнему участку цепи, называется падением напряжения (напряжением) на внешнем участке цепи, то есть ${\displaystyle U_{1}={\frac {A_{1}}{Q}}}$, где ${\displaystyle U_{1}}$ — падение напряжения на внешнем участке цепи.

Следовательно, равенству ${\displaystyle {\frac {A}{Q}}={\frac {A_{0}}{Q}}+{\frac {A_{1}}{Q}}}$ можно придать такой вид: ${\displaystyle E=U_{0}+U_{1}}$, то есть

Электродвижущая сила источника электрической энергии, создающего ток в электрической цепи, равняется сумме падений напряжения на внутреннем и внешнем участке цепи.

Из равенства ${\displaystyle E=U_{0}+U_{1}}$ следует, что ${\displaystyle U_{1}=E-U_{0}}$, то есть падение напряжения на внешнем участке цепи меньше электродвижущей силы источника электрической энергии на величину падения напряжения на внутреннем участке цепи.

Следовательно, чем больше падение напряжения внутри источника электрической энергии, тем меньше при всех прочих равных условиях падение напряжения на зажимах источника электрической энергии.

Так как падение напряжения имеет одинаковую размерность с электродвижущей силой, то есть выражается в джоулях на кулон, или, иначе, в вольтах, то за единицу измерения падения напряжения (электрического напряжения) принят один вольт.

Электрическое напряжение на зажимах источника электрической энергии (падение напряжения на внешнем участке цепи) равно одному вольту, если источник электрической энергии совершает работу, равную одному джоулю, при переносе электрического заряда в один кулон по внешнему участку цепи.

Напряжение на участках цепи измеряется вольтметром, он всегда присоединяется к тем точкам цепи, между которыми он должен измерить падение напряжения, то есть параллельно.

Характеристика электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.
При пуске (малое число оборотов ${\displaystyle n_{1}}$) через якорь и обмотку возбуждения протекает большой ток ${\displaystyle I_{1}}$, вращающий момент ${\displaystyle M_{1}}$ большой.
При большом числе оборотов ${\displaystyle n_{2}}$ сила тока ${\displaystyle I_{2}}$ уменьшается, уменьшается и вращающий момент ${\displaystyle M_{2}}$.
Двигатели внутреннего сгорания имеют противоположную характеристику, поэтому для преобразования крутящего момента нуждаются в коробке передач, вариаторе или АКПП.

Российский пассажирский электровоз постоянного тока ЭП2К, выпускается на Коломенском заводе.

Широкое применение постоянного тока на транспорте обусловлено тем, что электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением имеют оптимальную для транспортных средств тяговую характеристику — большой крутящий момент при малом числе оборотов в минуту, и наоборот, относительно малый крутящий момент при номинальной скорости вращения якоря. Число оборотов легко регулируется последовательным включением реостата или изменением напряжения на зажимах двигателя (путём переключения нескольких двигателей с последовательного на параллельное соединение). Направление вращения легко меняется (как правило, переключается полярность обмотки возбуждения). В силу этого электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением нашли широкое применение на электровозах, электропоездах[3], тепловозах, трамваях, троллейбусах, подъёмных кранах, подъёмниках и так далее.

Исторически сложилось, что линии трамвая, троллейбуса и метрополитена электрифицированы на постоянном токе, электрическое напряжение составляет 550—600 вольт (трамвай и троллейбус), метрополитен 750—900 вольт.

• В железнодорожной и трамвайной контактной сети «плюс» подаётся на контактный провод, а на метрополитене — на контактный рельс. Общим (обратным) проводом служат рельсы («минус»). (Подробности в статье Электрификация железных дорог#Полярность).

На тепловозах до 1970-х годов основным типом тягового генератора был генератор постоянного тока (тепловозы ТЭ3, ТЭ10, ТЭП60, ТЭМ2 и др.), стояли коллекторные тяговые электродвигатели. С развитием полупроводниковой техники с 1970-х годов на магистральных тепловозах начали устанавливаться трёхфазные генераторы переменного тока (которые имеют лучшие массо-габаритные показатели по сравнению с генераторами постоянного тока) с полупроводниковой выпрямительной установкой (электрическая передача переменно-постоянного тока, тепловозы ТЭ109, ТЭ114, ТЭ129, ТЭМ7, ТЭМ9 и другие), а с 1990-х гг, с развитием силовой электроники, применяются асинхронные тяговые двигатели (тепловозы с электропередачей переменно-переменного тока 2ТЭ25А, ТЭМ21).

В России и в республиках бывшего СССР около половины электрифицированных участков железных дорог электрифицированы на постоянном токе 3000 вольт.

• Электрификация железных дорог Советского Союза началась на постоянном токе (Баку—Сабунчи и Сурамский перевал). В довоенные годы ряд участков был электрифицирован напряжением 1,5 кВ, затем они были переведены на 3 кВ.
• Армянская железная дорога практически полностью электрифицирована на постоянном токе.
• Грузинская железная дорога практически полностью электрифицирована на постоянном токе.

Электрификация на постоянном токе 3 кВ не является оптимальной по сравнению с электрификацией на переменном токе 25 кВ промышленной частоты (50 Гц), сравнительно мало́ напряжение в контактной сети и велика сила тока, однако технические возможности электрификации на переменном токе появились только во второй половине XX века. Например, два электровоза имеют равную мощность 5000 киловатт. У электровоза постоянного тока (3 кВ) максимальный ток, проходящий через токоприёмник составит 1667 ампер, у электровоза переменного тока (25 кВ) — 200 ампер. В 1990-е — 2000-е годы ряд участков переведён с постоянного на переменный ток: Слюдянка—Иркутск—Зима, Лоухи—Мурманск, Саратовский и Волгоградский железнодорожные узлы, Минеральные Воды—Кисловодск и Бештау—Железноводск.

В 1970-е годы в СССР проводились эксперименты с электрификацией на напряжение 6 кВ, однако по ряду технических причин эта система не была принята.

Также выпускаются двухсистемные электровозы, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (см. ВЛ61^Д, ВЛ82 и ВЛ82^М, ЭП10, ЭП20).