电流一般是交流还是直流「电流为什么要分直流和交流有什么不同呢」
你家墙壁上的电就是交流电,而电池中的电便是直流电。使用直流电的不只是电池供电的设备,几乎所有的电子设备都使用整流器将墙上的交流电转换成直流电。
因为交流电是非常方便传输,而且损耗小,而直流电的恒常性对于电子设备的运行是至关重要的,这些设备需要一个稳定的状态来运行。
电到底是什么?
电是电子通过导体(如金属丝)的流动。电子在长链中相互碰撞,导致电子沿导线的整体运
电被分为两种电流:交流电(AC)和直流电(DC)。交流电的极性在一秒钟内变换多次,而直流电则保持恒定不变。
你家墙壁上的电就是交流电,而电池中的电便是直流电。使用直流电的不只是电池供电的设备,几乎所有的电子设备都使用整流器将墙上的交流电转换成直流电。
因为交流电是非常方便传输,而且损耗小,而直流电的恒常性对于电子设备的运行是至关重要的,这些设备需要一个稳定的状态来运行。
电到底是什么?
电是电子通过导体(如金属丝)的流动。电子在长链中相互碰撞,导致电子沿导线的整体运动。
电子在导体中的运动产生了电和磁场。这种电能通过插头或开关为你生活中的一切提供能量。
电有三个主要属性告诉我们电流有多大。这三个属性分别是电压、电流和电阻。
电压告诉我们电流有多强,电流告诉我们电流有多快,电阻告诉我们电子沿着导体流动有多难。
交流电和直流电的区别
交流电和直流电都有电压、电流和电阻。所以它们的主要区别是电流如何流动。
交流电快速地向前和向后流动,其极性每秒颠倒50到60次。这好像与一个直观的理解有矛盾,如果电子先进入,然后再出来,它们如何为任何东西提供动力呢?
然而,产生能量的并不是电子的积累。电子在产生能量之前是没有目的地的。是电子本身的运动产生了电能。
理想的交流电正弦波
就像水在管道中流动时产生的力与方向无关一样,电子在导线中流动时就会产生电。
而直流电则是完全不交替。在理想的条件下,它是一个稳定的电流,电压随时间不会有变化。
直流电压的线性图
虽然用整流器从交流电转换而来的直流电通常是这条稳定线的近似值,但它绝对不像交流电那样翻转。
交流电和直流电的作用
由于交流电和直流电的性质不同,它们有不同的用途。
世界上大多数电动机都是用交流电驱动的。在这些电机中,电流电的快速电压逆转被用来快速地来回翻转磁铁的极性。
磁极的迅速逆转导致磁铁内部的导线旋转,产生旋转力,为电机提供动力。
具有电枢和磁铁的交流电动机可视化图
交流电也用于电力传输。交流电压相对容易改变,是比直流电更好的远距离传输选择。交流电可以通过电线以极高的电压输送,在输送给客户的过程中损失很小。
到达后,电压从76.5万伏特大幅降低到110-220伏特,并送到你的家中。如果不损耗更大的功率,直流电是不可能实现如此剧烈的电压转换的。
直流电通常用于驱动更小、更精密的设备。从你的手机到你的个人电脑,应该说所有的消费电子产品都是用直流电,任何电池供电的产品也是如此。
这些设备不仅受益于直流电,而且它们根本无法在交流电上工作。在1和0上工作的设备(如计算机)需要一个坚固的电压水平来区分高信号(代表1)和低信号(代表0)。
随着交流电流的不断翻转,电子设备没有一个稳定的状态可供比较。如果没有稳定的电流,这些设备就无法工作。
由于交流电是不断变化的,它无法为电子产品提供稳定的比较水平。
交流和直流电源广泛应用于不同类型的设备中。一些设备甚至可能同时使用这两种方式,如用交流电来驱动电机,用直流来驱动触摸屏。
交流电和直流电没有好坏之分,仅仅只是不同而已。
为何电流分交流电和直流电,两种电有什么不同?
电是静止或者运动的电荷产生的一种现象,电荷在导体中运动时便会形成电流。电流为什么要分交流和直流?这并不是人为主观划分的,而是按照不同电流的自身特性而划分的,最直观的表现就是电流波形的不同。
交流电和直流电的区别
在电路或者导体中,电阻通常是不变的,电流的流动方向以及强度或电压则会随着时间的变化而改变。
交流电是一种电流方向会随着时间而改变的一类电流,通常简称为AC;而直流电的电流方向并不会随着时间的变化而改变,通常简称为DC。
直流电的电流强度和电压也会随着时间的变化而变化,通常叫做脉动直流电;而电流大小和方向都不变的叫做稳恒电流或者恒定电流,这是一种特殊的直流电,最早由爱迪生发现。爱迪生是重要的直流电商用推广者。
形式最普遍的交流电就是正弦波交流电,生活中用的电主要就是它了。对于交流电而言,如果只有方向发生改变,而大小不变,这种交流电被称之为矩形波交流电。1831年,法拉第发现了电磁感应现象,并发现了交流电。交流发电机的发明者是皮克西,特斯拉则为交流电的推广应用做出了很大的技术贡献。
交流电和直流电之间并非存在不可逾越的门槛。交流电经过整流便能输出直流电,再通过滤波便能形成稳恒直流电;而直流电通过逆变便能输出交流电。
注意,电流的方向并不是导体中电子的运动方向。电流的速度与光速相同,但是电子在导体中的运动速度却非常缓慢。
交流和直流各有优点、各有用处
历史上爱迪生和特斯拉就爆发了直流和交流之争,最终以特斯拉支持的交流电胜出而结束。人类最先商用的是直流电,随着技术的进步,后面才大规模推广使用交流电。实际上交流电和直流电没有熟好熟坏之分,各有各的用处。
不管是直流电还是交流电,在输送过程中都会存在损耗,主要是热损耗 ,这与导线中电流的大小有关,即Q=I² R t 。出于成本考虑,电阻很难降低,在电功率(P=UI)恒定的条件下,通过提高电压便能降低导线中电流的强度,从而减少电流传输过程中的发热损耗,提高输电效率。
此外,用户家中的用电设备只能承受很低的电压,还需要维持稳定的电压。电从发电厂经高压(至少上万伏)输电线路输送到千家万户,入户前还需要经过变压器降压至几千伏,用户接入时还需要进行再次降压,这样才能供用户正常使用。
交流电和直流电相比,交流电更容易变压,人们利用电磁互感原理制造的变压器(由法拉第发明)对交流电的电压进行升降。这样既可以进行远距离输电,又能够保证用户的电压不受影响。在当时那种技术条件下,由于使用交流电能够提高输电效率,因此交流电被大范围应用。
现在随着技术的进步,人们已经能够利用变流器对直流电进行升降压,因此直流输电技术又进入了人们的视野。
目前使用的交流电普遍是由三相交流发电机产生的,在电网传输时需要用四根线(三根火线、一根零线),进入用户家中时一般只使用两根线。
而利用直流电进行输电,只需要两根导线。交流电由于存在趋肤效应以及会产生涡流,输送同样功率的电流,交流电所需的导线是直流电所需导线的截面积的1.33倍。如果改用直流输电,则可以大大节省电网的建造成本。此外,直流电不容易产生电磁辐射。
目前我国生活用电采用的是220伏50赫兹的交流电,工业用电则是380伏的。在有些国家,民用电使用的则是110伏或者60赫兹的交流电。在用电过程中除了需要对电压进行改变,有时交流电的频率也需要进行改变。通常会将交流电变为直流电,然后再将直流电转换为所需要频率的交流电。电流为什么要分交流和直流呢?
交流电和直流电的区别是:交流电的大小和方向随时间作周期性的变化,而直流电大小和方向不随时间变化;至于为什么要分交流和直流,要从历史发展中去解释,两种电流也在相互竞争不断完善。
伏特电池
最早的直流电并不是发电机产生的,而是电池产生的,1799年物理学家伏特利用盐水和锡锌金属片做成了一个原电池,两块金属之间会有电子的移动,产生了直流电。
利用原电池的方法,1801年英国化学家汉弗里·戴维给铂丝通上直流电,铂丝发出耀眼白光,虽然这种电灯的成本极高,也没有惰性气体保护非常容易氧化,用不了几分钟就报废了,但电灯的原型已经诞生,这年爱迪生还没有出生。
严格来说,爱迪生并不是第一个发明电灯的人,在爱迪生之前已经有大约20个人发明了早期电灯模型,但由于当时电灯内部抽真空技术并未被发明,灯丝材料的耐久性还有待提高,所以商用电灯迟迟未能上市,百姓只能用煤油灯。等到技术成熟后,爱迪生收购专利再将电灯推广到千家万户,为自己打响了知名度。这和直流电有什么关系呢?
爱迪生为了让居民用上电灯,在城市里建立了很多直流发电站,早期的电灯通的都是直流电,这有一个坏处。假设爱迪生的直流发电站在A位置,以A位置为半径1公里范围内的居民可以保证正常用电,但1公里以外的居民家中的电灯经常是昏暗的,因为直流发电机产生的110V电压,经过几公里的运输,电能都损耗在线路上了,到用户家中可能只有不到60V,这就是直流电的缺点:无法升压,电力损耗太多。但对于爱迪生而言,又有什么办法呢?直流发电机都建好了,出现这种问题!于是,爱迪生在城市里建立了许多发电站,覆盖城市来解决这个问题,这也是无奈之举。
直流电的缺点暴露后,交流电开始崛起了。
交流电配合当时发明的变压器,完美解决了线路上电力损耗的问题,先将110V的电压升压,电压上升,电流就会减小(P=UI),那么电路上产生的热功率P=电流的平方乘以R,就比原先小了很多。也就是说,只需要在城市中心建立一个交流发电站,然后在各小区装上变压器就可以保证电压稳定,不需要满城市建直流发电站。至此,直流电好还是交流电好,高下立判。
对于爱迪生而言,不可能让交流电占据市场,要不然自己的事业会遭到严重打击,爱迪生花了一番功夫抹黑交流电,说交流电会电死大象,对人类有很大的威胁。
实际上,直流电和交流电都会电死大象,但这与电流本身是否安全无关,谁也无法阻挡科学的发展。交流电上位后,直流电一度落寞,在大家印象里或许遥控器和玩具上还用得上电池的直流电,商业场合都是交流电的天下。
但是,早就有科学家注意到,直流电在特定情况下比交流电更有优势。之前将交流电升压是为了防止线路上过多的电能损耗。但随着技术的进步,目前的交流发电机经过换流器后,能够产生超高压的直流电,P=UI发电机功率一定的情况下,电压越大,电流就越小,损耗就越小。之前交流电取代直流电的根本原因是:直流电发电机无法产生超高压的电压。
技术到位了,直流电也能够用于商业,所以1954年世界上第一条商用高压直流输电线路在瑞典建成。目前中国的高压直流技术处于世界第一,超过800千米的远距离输电,高压直流的优势就体现出来了,比交流电的成本更低,例如海底电缆。但缺点是不能沿途供电,只能点对点传输。
从商业角度来说,交流电依然占主导,但直流电也未被遗弃,特定情形下有自己的优势。
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