日常生活中,我们经常会碰到两种类型的电流,交流电(alternating current ,简称AC)和直流电(Direct Current,简称DC)。
虽然一些家用电器用的是直流电,但电厂传输入户的电却是交流电。交流电输电需要通过变电站、变压器,诸多中间环节会耗掉不少电能。直流电则不存在这些问题。那么,为什么世界一百多年来使用交流输电?当年爱迪生在美国开创的直流输电方式为什么在和交流输电方式的大战中失败了,而且一败就是百多年?
时至今日,世界大多数地方还是采用交流输电,直流输电暂时还不是主流。这主要是由两者的特点决定的。
说到这里,有必要通俗地解释一下直流电和交流电的区别。
想一想我们人是怎么交流的?一个人说话,众人听那不叫交流,那是演讲。有问有答、有来有往才叫交流。交流电就是如此,流出去再流回来有来有往,所以交流电有两个方向,且没有正负之分(其实是无法分辨,只能在瞬时说出其极性来)。而直流电呢,顾名思义,径直地流,一去不回头。直流电只从正极流向负极,所以只有一个方向。设想渠水在流动的时候,水量的多少是不是随时间而变化呢?一会儿多,一会儿少,其实电在流动的过程中也是这样。
归纳起来就是:交流电是指大小(幅度)和方向都发生周期性变化的电流;而直流电,是指方向不随时间发生改变的电流,但电流大小可能不固定。
既然交流电的方向不断变化(流出去又流回来),那么它一秒钟要流回来几次呢?每秒多少次就是频率,电学中用Hz(赫兹)来表示。比如,50赫兹的意思是,导线中的交流电每秒要流出再流回50次。日常生活中交流电的频率,一般为50赫兹(中国等国)或60赫兹(日本等国)。“频率”表示交流电方向改变的快慢,“相位”则表示交流电输电的起始时间。所以电学中把幅度、频率、相位称做交流电三要素。通常我们的照明用电、工厂用电是交流电,而干电池、蓄电瓶等是直流电。直流电因为电流没有周期性的规律变化,所以理论上直流电没有频率,或者说频率为零。
那么,我们身边的一些电现象,如静电、闪电等,哪些是直流电?哪些是交流电呢?
静电是一种静止不动的电荷,静止电荷所建立的电场称为静电场,是指不随时间变化的电场,因此从定义上来看既不是直流电也不是交流电。
至于闪电是直流电还是交流电,这个看似简单的问题曾引起激烈的争论。对此,美国阿贡国家实验室(美国政府的历史最悠久和最大的科学与工程研究实验室之一)官网上给出如下答复:“闪电是直流电——可以这么说。闪电有好几种形态:云地之间、云云之间、地云之间。在高速摄影照片中,经常可见从云端向地面发出的‘第一击’,但随后会发生沿着开辟出的电离通道从地面再到云端的‘回击’。如此却又形成了仅有一个周期的交流电。”
我们家庭入户的电线中传输的是交流电,很多人就以为家用电器都用的是交流电,这是个常识性误区。其实IT产品(如电脑)和绝大多数家电内部均使用直流电。大家认真观察可以发现,空调、冰箱等电器中都有整流器,是它们将入户的交流电转化成直流电,电器才能工作。
也就是说,电网公司一般是用交流电方式将电力从发电厂传送到城乡各地,再经过变压器转为220伏特的电流入户,最后经过家用电器中的整流设备变成直流电,再供低电压直流电源使用。但是这样一来,电能在诸多中间环节被“层层克扣”,大量电能被白白浪费。
在交流电和变压器被人们可靠地使用了百多年后,在科技高度发展的今天,直流输电系统又呈现出卷土重来的趋势。激增的用电需求、日益普及的环保意识,使得科学家开始重新审视直流电在“高效、节能、环保”方面的价值。
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