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直流电

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直流电(红线)。垂直轴显示电流或电压,水平轴表示时间并显示零值。

直流电(DC)是电荷的单向流动。直流电源的一个主要例子是电池。直流电可以流过导线,也可以流过半导体、绝缘体,甚至像电子束或离子束那样流过真空。直流电电流以恒定的方向流动,区别于交流电(AC)。以前用于这种电流的术语是动电电流。[1]

缩写“AC”和“DC”通常用来简单地表示交流和直流,也可以表示电流或电压。[2][3]

直流电可以通过使用整流器从交流电转换而来。以前的整流器包含机电元件,现在的整流器通常包含电子元件。整流器只允许电流沿一个方向流动。直流电可以通过变相器或电动发电机组转换成交流电。

从电池充电到电子系统、电机等的大电源,直流电有许多用途。在生产铝和其他电化学过程中使用了大量的直流电。直流电也用于一些铁路系统,尤其是城市地区。高压直流电被用来从遥远的发电厂输送大量的电力,或者连接交流电网。

1 发展历史编辑

Brush电气公司的中央发电厂,发电机产生直流电,为纽约的公共照明弧光灯供电。该发电厂位于西二十五街133号,于1880年12月开始运行,其运行的高电压允许它为2英里(3.2公里)长的电路供电。[1]

1800年,意大利物理学家亚历山德罗·沃尔特的电池——他的伏打电堆——产生了直流电。[5] 电流流动的性质当时还不清楚。法国物理学家安德烈·玛丽·安培推测电流从正方向流向负方向。[6] 1832年,当法国仪器制造商希波利特·皮克斯(Hippolyte Pixii)建造第一台发电机时,他发现,当所用的磁铁每半圈通过线圈时,就会导致电流反向,产生交流电。[7] 在安培的建议下,皮克斯后来增加了一个换向器,一种“开关”,轴上的触点与“电刷”触点一起工作,产生直流电。

19世纪70年代末和80年代初,电力开始由发电站进行供应。所产生的电最初是为了在较高电压(通常高于3000伏)直流电或交流电下运行的电弧照明(一种流行的街道照明)系统供电。[8] 随后,发明家托马斯·爱迪生于1882年推出基于白炽灯泡的电力“公用事业”,在此之后,低压直流电广泛应用于商业和家庭室内照明。但由于在使用变压器升高和降低电压以允许更长的传输距离方面,交流电比直流电具有显著优势,因此直流电在接下来的几十年中被交流电所取代。在20世纪50年代中期,高压直流输电得到了发展,现在已经成为取代远距离高压交流系统的一种选择。对于长距离海底电缆(国家之间,如挪威-荷兰之间的远距高压海底直流电缆),直流输电是技术上可行的唯一选项。对于需要直流电的设备,例如第三轨道电力系统,交流电被输送到变电站,变电站利用整流器将交流电转换成直流电。

2 一些定义编辑

直流类型

术语“直流电”用于指仅使用一种极性电压或电流的电力系统,以及指恒定、零频率或缓慢变化的电压或电流的局部平均值。[9] 例如,直流电压源上的电压和流经直流电流源的电流都是恒定的。如果电路设计为直流电路,则电路中所有电压和电流都恒定的解。可以看出,任何稳定的电压或电流波形都可以分解为直流分量和零均值时变分量的和;直流分量被定义为期望值,或者电压或电流在所有时间内的平均值。

虽然直流电代表“直流”,但直流电经常与“恒定极性”有关。根据这一定义,直流电压可以随时间变化,如整流器的原始输出或电话线上波动的语音信号。

某些形式的直流电(如电压调节器产生的)电压几乎没有变化,但输出功率和电流可能仍有变化。

3 电路编辑

直流电路是由恒压源、恒流源和电阻的任意组合所组成的电路。在直流电路中,电路电压和电流与时间无关。特定时刻的电路电压或电流值不取决于任何过去时刻的电路电压或电流值。这意味着表征直流电路的方程组不涉及时间积分或相对于时间的导数。

如果在直流电路中增加一个电容或电感,那么严格来说,新的电路不是直流电路。然而,大多数这样的电路都有直流设计方案。当电路处于直流稳态时,该设计方案给出了电路电压和电流。这种电路由微分方程系统表示。这些方程的解通常包含时变或瞬态部分以及恒定或稳态部分。正是这种稳定部分就是直流设计方案。有些电路没有直流设计方案。两个简单的例子是连接到电容器的恒流源和连接到电感器的恒压源。

在电子技术中,通常将由电池等直流电压源供电的电路或直流电源所输出的电路称为直流电路,这意味着该电路是直流供电的。

4 应用领域编辑

4.1 住宅和商业建筑

这个可以用Unicode字符U+2393表示的符号在许多需要或产生直流电流的电子设备上都能找到。

直流电通常存在于许多超低压应用设备和一些低压应用设备中,尤其是由电池或太阳能系统供电的设备(因为两者只能生产直流电)。

大多数电子电路需要直流电源。

适用于交流电的插座、连接器、开关和固定装置基本通用,于此不同的是,国内直流装置通常具有不同类型的插座、连接器、开关和固定装置。这主要是由于使用了较低的电压,从而需要较高的电流来产生相同的功率。

如果一个直流仪器里没有二极管电桥来校正极性,那么用直流仪器来观察极性通常是直流电的一个重要应用。

EMerge Alliance是开发混合住宅和商业建筑中直流配电标准的开放行业协会。

4.2 汽车

大多数汽车使用直流电。汽车电池为发动机起动、照明和点火系统提供电力。交流发电机是一种交流设备,使用整流器产生直流电为电池充电。大多数公路客车名义上使用12V系统。许多重型卡车、农业设备或带有柴油发动机的运土设备使用24V系统。在一些较旧的车辆中,例如在最初的经典大众甲壳虫中,使用6V系统。42V电气系统曾被一度认为是用于汽车的,但这种系统很少应用。为了节省重量和电线,车辆的金属框架通常连接到电池的一个电极上,并用作电路中的回路导体。负极通常是底盘“接地”连接,但正极接地可能用于某些轮式或船用车辆。

4.3 电信

电话交换通信设备使用标准48V直流电源。负极是通过将电源系统的正极和电池组接地来实现的。这样做是为了防止电解沉积。电话安装有电池系统,以确保用户线路在断电时保持供电。

其他设备可以使用直流-直流转换器从电信直流系统供电,以提供任何所需要的电压。

许多电话连接到一对双绞线,并使用偏置三通在内部将两条线之间电压的交流分量(音频信号)与两条线之间电压的直流分量(用于给电话供电)分开。

4.4 高压输电

与更常见的交流输电系统形成对比,高压直流输电系统(HVDC)使用直流进行大容量输电。对于长距离输电,高压直流输电系统价格更低,电力损失也更低。

4.5 其他

使用燃料电池 (将氢和氧与催化剂混合在一起,以副产品的形式产生电和水)也能产生纯粹的直流电。

类似于汽车,轻型飞机电气系统通常为12V或24V直流电。

参考文献

  • [1]

    ^Andrew J. Robinson, Lynn Snyder-Mackler (2007). Clinical Electrophysiology: Electrotherapy and Electrophysiologic Testing (3rd ed.). Lippincott Williams & Wilkins. p. 10. ISBN 978-0-7817-4484-3..

  • [2]

    ^N. N. Bhargava and D. C. Kulshrishtha (1984). Basic Electronics & Linear Circuits. Tata McGraw-Hill Education. p. 90. ISBN 978-0-07-451965-3..

  • [3]

    ^National Electric Light Association (1915). Electrical meterman's handbook. Trow Press. p. 81..

  • [4]

    ^Mel Gorman. "Charles F. Brush and the First Public Electric Street Lighting System in America". Ohio History. Kent State University Press. Ohio Historical Society. 70: 142.[永久失效连结].

  • [5]

    ^Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta – grants.hhp.coe.uh.edu.

  • [6]

    ^Jim Breithaupt, Physics, Palgrave Macmillan – 2010, page 175.

  • [7]

    ^"Pixii Machine invented by Hippolyte Pixii, National High Magnetic Field Laboratory". Archived from the original on 2008-09-07. Retrieved 2008-06-12..

  • [8]

    ^The First Form of Electric Light History of the Carbon Arc Lamp (1800 – 1980s).

  • [9]

    ^Roger S. Amos, Geoffrey William Arnold Dummer (1999). Newnes Dictionary of Electronic (4th ed.). Newnes. p. 83. ISBN 0-7506-4331-5..

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