Постоя́нный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.
Постоянный ток () является разновидностью однонаправленного тока. Однонаправленный ток () — это электрический ток, не изменяющий своего направленияГОСТ Р 52002-2003.. Часто можно встретить сокращения DC от первых букв английских слов, или символом (ГОСТ 2.721-74), или —.
На рисунке к этой статье красным цветом изображён график постоянного тока. По горизонтальной оси отложен масштаб времени , а по вертикальной — масштаб тока или электрического напряжения . Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси времени).
Величина постоянного тока и электрического напряжения для любого момента времени сохраняется неизменной.
При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов).
Постоянный ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.
В каждой точке проводника, по которому протекает постоянный ток, одни элементарные электрические заряды непрерывно сменяются другими, совершенно одинаковыми по сумме электрическими зарядами. Несмотря на непрерывное перемещение электрических зарядов вдоль проводника, общее пространственное их расположение внутри проводника как бы остаётся неизменным во времени, или стационарным.
Переносчиками электрических зарядов являются: в металлах — свободные электроны; в электролитах — ионы: катионы и анионы; в газах — ионы и электроны; в вакууме — электроны, образовавшиеся при электронной эмиссии; в полупроводниках — электроны и дырки.
Постоянное движение электрических зарядов создаётся и поддерживается сторонними силами, которые могут иметь химическую (в гальванических элементах), электромагнитную (динамо-машина постоянного тока), механическую (электрофорная машина) или иную (например, радиоактивную в стронциевых источниках тока) природу. Во всех случаях источник тока является преобразователем энергии сторонних сил в электрическую.
Электрическое поле, сопутствующее постоянному току в проводнике и в соответствии с этим стационарное распределение в нём электрических зарядов, называется стационарным (неизменным во времени) электрическим полем.
Электрические заряды в стационарном электрическом поле нигде не накапливаются и нигде не исчезают, так как при всяком пространственном перераспределении зарядов неизбежно должно было бы измениться стационарное электрическое поле и соответственно ток перестал бы быть постоянным по времени.
Для стационарности поля и тока требуется, чтобы электрические заряды нигде не накапливались и нигде не терялись, а перемещались непрерывным и равномерным потоком вдоль проводников. Для этого необходимо, чтобы проводники совместно образовывали замкнутый на себя контур. В этом случае будет достигнуто непрерывное круговое равномерное движение электрических зарядов вдоль всего контура.
Постоянный электрический ток может существовать только в замкнутом на себя контуре, состоящем из совокупности проводников электричества, в котором действует стационарное электрическое поле.
Источники постоянного тока
Самыми первыми источниками постоянного тока являлись химические источники тока: гальванические элементы, затем были изобретены аккумуляторы. Полярность химических источников тока самопроизвольно измениться не может, пульсации отсутствуют.
Для получения постоянного тока в промышленных масштабах используют электрические машины — генераторы постоянного тока, а также солнечные батареи и в редких случаях термоэлектрогенераторы. К перспективным промышленным источникам постоянного тока относятся обратный электродиализ и МГД-генераторы, которые в настоящее время пока не вышли из стадии экспериментальных.
В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения постоянного тока используют блоки питания, которые подразделяются на классические («трансформаторные») и импульсные. В классическом блоке питания переменный ток понижается трансформатором до нужного значения, затем выпрямляется. Далее для уменьшения пульсаций используется сглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор тока или стабилизатор напряжения или регулятор напряжения.
В современной радиоэлектронной аппаратуре получили распространение импульсные блоки питания, которые имеют большее количество электронных компонентов по сравнению с классическим БП, но обладают существенно лучшими массо-габаритными показателями.
Электрическую энергию могут накапливать электрические конденсаторы. В общем случае, при разряде конденсатора во внешней цепи протекает переменный ток. Если конденсатор разряжается через резистор, то появляется однонаправленный переменный ток (постепенно уменьшающийся). Однако, если конденсатор разряжается через катушку индуктивности, то в цепи появляется двунаправленный переменный ток, это устройство называется колебательный контур. Электролитические конденсаторы могут иметь очень большую электрическую ёмкость (сотни и тысячи микрофарад и более). При разряде таких конденсаторов через большое сопротивление ток уменьшается медленнее, и для короткого времени можно считать, что во внешней цепи протекает постоянный ток.
Ионисторы — гибрид конденсатора и химического источника тока, способны накапливать и отдавать довольно большое количество электрической энергии, например, чтобы электромобиль с ионисторами проехал некоторое расстояние.
Направление постоянного тока и обозначения на электроприборах и схемах
Условно принято считать (общепринято), что электрический ток в электрическом поле имеет направление от точек с бо́льшими потенциалами к точкам с меньшими потенциалами. Это значит, что направление постоянного электрического тока всегда совпадает с направлением движения положительных электрических зарядов, например положительных ионов в электролитах и газах. Там же, где электрический ток создаётся только движением потока отрицательно заряженных частиц, например, потока свободных электронов в металлах, за направление электрического тока принимают направление, противоположное движению электронов.
Точки с бо́льшими потенциалами (например, на зажимах батареек и аккумуляторов) носят название «положи́тельный по́люс» и обозначаются знаком («плюс»), а точки с меньшими потенциалами называются «отрица́тельный по́люс» и обозначаются знаком («минус»).
Исторически сложилось, что электрическая изоляция положительного провода окрашена в красный цвет, а отрицательного провода — в синий или чёрный.
Условное обозначение на электроприборах: или . Однонаправленный ток (в том числе постоянный) обозначается латинскими буквами . Для однонаправленного тока может быть также использован символ Юникода ⎓ (U+2393).
В ряде случаев можно встретить другие символы, например на малогабаритных штекерах, предназначенных для подключения к электронному устройству сетевого блока питания (или на корпусе самого электронного устройства, возле разъёма для подключения штекера) с указанием полярности.
Электроды каких-либо устройств или радиодеталей (диодов, тиристоров, вакуумных электронных приборов), подключаемые к положительному проводу, носят название «анод», а электроды, подключаемые к отрицательному проводу, называются «катод»Вышесказанное относится к наиболее распространённому режиму прямого включения, когда прибор открыт (или же может быть открыт при подаче соответствующего напряжения на управляющий электрод), то есть имеет малое сопротивление и пропускает электрический ток. Однако существует ряд приборов, требующих обратного включения (стабилитроны, варикапы, защитные диоды, подавляющие выбросы обратного напряжения), при котором анод подключается к отрицательному, а катод к положительному полюсу источника напряжения..
Параметры постоянного тока
Величина постоянного тока (сила тока) Мерой интенсивности движения электрических зарядов в проводниках является величина тока или просто ток .
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 протекло количество электричества , то ток в проводнике можно выразить формулой .
В проводнике ток равен одному амперу , 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.
Плотность тока 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 или , приходящийся на единицу площади проводника: , где — сила тока, в Амперах; — площадь поперечного сечения проводника, в квадратных метрах, — плотность тока, выражается в амперах на квадратный метр: . Так как провода с поперечным сечением, исчисляемым квадратными метрами, встречаются крайне редко, то плотность тока обычно выражается в амперах на квадратный миллиметр .
Электродвижущая сила и электрическое напряжение Разность потенциалов между точками, между которыми протекает постоянный ток, могут охарактеризовать электродвижущая сила и электрическое напряжение.
Электродвижущая сила 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 по этой цепи, так как величина работы пропорциональна величине заряда.