電流為什麼要分為交流電和直流電?

2020-12-20 科學探索菌

電是靜止或者運動的電荷產生的一種現象,電荷在導體中運動時便會形成電流。電流為什麼要分交流和直流?這並不是人為主觀劃分的,而是按照不同電流的自身特性而劃分的,最直觀的表現就是電流波形的不同。

交流電和直流電的區別

在電路或者導體中,電阻通常是不變的,電流的流動方向以及強度或電壓則會隨著時間的變化而改變。

交流電是一種電流方向會隨著時間而改變的一類電流,通常簡稱為AC;而直流電的電流方向並不會隨著時間的變化而改變,通常簡稱為DC。

直流電的電流強度和電壓也會隨著時間的變化而變化,通常叫做脈動直流電;而電流大小和方向都不變的叫做穩恆電流或者恆定電流,這是一種特殊的直流電,最早由愛迪生發現。愛迪生是重要的直流電商用推廣者。

形式最普遍的交流電就是正弦波交流電,生活中用的電主要就是它了。對於交流電而言,如果只有方向發生改變,而大小不變,這種交流電被稱之為矩形波交流電。1831年,法拉第發現了電磁感應現象,並發現了交流電。交流發電機的發明者是皮克西,特斯拉則為交流電的推廣應用做出了很大的技術貢獻。

交流電和直流電之間並非存在不可逾越的門檻。交流電經過整流便能輸出直流電,再通過濾波便能形成穩恆直流電;而直流電通過逆變便能輸出交流電。

注意,電流的方向並不是導體中電子的運動方向。電流的速度與光速相同,但是電子在導體中的運動速度卻非常緩慢。

交流和直流各有優點、各有用處

歷史上愛迪生和特斯拉就爆發了直流和交流之爭,最終以特斯拉支持的交流電勝出而結束。人類最先商用的是直流電,隨著技術的進步,後面才大規模推廣使用交流電。實際上交流電和直流電沒有熟好熟壞之分,各有各的用處。

不管是直流電還是交流電,在輸送過程中都會存在損耗,主要是熱損耗 ,這與導線中電流的大小有關,即Q=I R t 。出於成本考慮,電阻很難降低,在電功率(P=UI)恆定的條件下,通過提高電壓便能降低導線中電流的強度,從而減少電流傳輸過程中的發熱損耗,提高輸電效率。

此外,用戶家中的用電設備只能承受很低的電壓,還需要維持穩定的電壓。電從發電廠經高壓(至少上萬伏)輸電線路輸送到千家萬戶,入戶前還需要經過變壓器降壓至幾千伏,用戶接入時還需要進行再次降壓,這樣才能供用戶正常使用。

交流電和直流電相比,交流電更容易變壓,人們利用電磁互感原理製造的變壓器(由法拉第發明)對交流電的電壓進行升降。這樣既可以進行遠距離輸電,又能夠保證用戶的電壓不受影響。在當時那種技術條件下,由於使用交流電能夠提高輸電效率,因此交流電被大範圍應用。

現在隨著技術的進步,人們已經能夠利用變流器對直流電進行升降壓,因此直流輸電技術又進入了人們的視野。

目前使用的交流電普遍是由三相交流發電機產生的,在電網傳輸時需要用四根線(三根火線、一根零線),進入用戶家中時一般只使用兩根線。

而利用直流電進行輸電,只需要兩根導線。交流電由於存在趨膚效應以及會產生渦流,輸送同樣功率的電流,交流電所需的導線是直流電所需導線的截面積的1.33倍。如果改用直流輸電,則可以大大節省電網的建造成本。此外,直流電不容易產生電磁輻射。

目前我國生活用電採用的是220伏50赫茲的交流電,工業用電則是380伏的。在有些國家,民用電使用的則是110伏或者60赫茲的交流電。在用電過程中除了需要對電壓進行改變,有時交流電的頻率也需要進行改變。通常會將交流電變為直流電,然後再將直流電轉換為所需要頻率的交流電。

大型用電設備一般使用的是交流電,而生活中許多家用電器和數碼產品雖然接入的是交流電,但內部電路使用的卻是直流電。在一些電路中,其實兩種電流都有交替使用。沒有誰比誰更重要,各自有不同的用處。交流電和直流電互補長短,方能創造美好生活。

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