Работа и мощность электрического тока

В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рис.1.20). В источниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию.

Например:

· в электрических генераторах 1, приводимых во вращение каким-либо механизмом, происходит превращение в электрическую энергию механической;

· в термогенераторах 2 – тепловой;

· в аккумуляторах 9 при их разряде и гальванических элементах 10– химической;

· в фотоэлементах 11 – лучистой.

Приёмники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии.

Например:

· в электродвигателях 3 электрическая энергия превращается в механическую;

· в электронагревательных приборах 5 – в тепловую;

· в электролитических ваннах 8 и аккумуляторах 7при их заряде – в химическую;

· в электрических лампах 6 – в лучистую и тепловую;

· в антеннах 4 радиопередатчиков – в лучистую.

Рисунок 1.20. Пути превращения энергии из одного вида в другой

Мерой количества энергии является работа. Работа, совершаемая электрическим током за время t при известном напряжении Uи силе тока I, равна их произведению

W=U∙I·t. (Дж)

Работа, совершаемая электрическим током силой в 1А, при напряжении 1В, в течение 1 сек, принята за единицу электрической энергии, джоуль (Дж) или Вт∙с, кВт∙час=3,6∙10⁶Дж

Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение одной секунды, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях UиIравна произведению напряжения U на силу тока I: P=U∙I.

· ЕслиU=I∙R,то P= I^2∙R (Вт) –электрическая мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление.

· Если I=U/R, то Р=U²R -электрическая мощность равна квадрату напряжения, поделённому на сопротивление.

Потери энергии и коэффициент полезного действия.При превращении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот не вся энергия превращается в требуемый вид энергии, часть её непроизвольно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревания проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.

Отношение мощности, отдаваемой источником или приёмником электрической энергии, к получаемой им мощности, называется коэффициентом полезного действия источника или приёмника (к.п.д.).

Р₁ – получаемая мощность;

ΔР – потери мощности.

К.п.д. всегда меньше единицы. Иногда к.п.д. выражают в процентах. Тяговые двигатели электровозов и тепловозов имеют к.п.д. 86-92%, мощные трансформаторы – 96-98%, тяговые подстанции – 94-96%, генераторы тепловозов – 92-94%.

Например:

Генератор 1, питающий цепь, получает от первичного двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность Р_мех.=28,9 кВт, а отдаёт электрическую мощность Р_эл.=26 кВт. Потери мощности в генераторе составляют 2,9 кВт. Поэтому он имеет к.п.д. ƞ_ген=Рэл./Рмех= 26/28,9=0,9.

Мощность Рэл., отдаваемая генератором, расходуется:

· на питание электрических ламп (6 кВт);

· на нагрев электрических плиток (7,2 кВт); 24 кВт

· на питание электродвигателя (10,8 кВт).

Часть мощности ΔР_пр=2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соединяющих генератор с потребителями.

Тепловое действие тока.

При прохождении тока по проводнику в результате столкновения свободных электронов с атомами и ионами проводник нагревается. Количество этого тепла определяется по закону Джоуля-Ленца:

«Количество выделенного тепла равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока через проводник». Q=I²Rt (Дж) Q=0,24I²Rt (кал)

Т.е. количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.

Каждый проводник может пропускать, не перегреваясь, ток определенной силы. Для определения токовой нагрузки пользуются понятием плотность тока:

Сила тока, приходящаяся на 1 мм² площади поперечного сечения проводника. J=I/S

Контрольные вопросы

1. Назовите примеры преобразования энергии из одного вида в другой.

2. Дайте определение мощности.

3. Чему равна работа, совершаемая электрическим током за определённое время при известном напряжении и силе тока?

4. Что принято за единицу электрической энергии?

5. Перечислите причины потери энергии при превращении электрической энергии в другие виды энергии.

6. Дайте определение коэффициента полезного действия.

7. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.

8. Дайте определение плотности тока.

9. В каких случаях нагревается проводник?

10. Есть ли связь между понятиями "электрический заряд" и "количество электричества"?

11. Какое силовое действие оказывает электрическое поле?

12. Какой энергетический смысл вложен в понятие "электрический потенциал поля в данной точке"?

13. Показание вольтметра при включении его между одним из проводов сети постоянного тока и землей равно 55 В, а между другим проводом и землей равно -55 В (стрелка отклоняется в другую сторону от нуля шкалы). Чему равно напряжение сети?

14. Посчитать чему будут равны сопротивления 1 км медного и алюминиевого проводов сечением 35мм².

ρ_м=0,0178Ом/м/мм²; ρ_а=0,0283Ом/м/мм²

15. Подобрать сечение медного провода так, чтобы при длине 3 км его сопротивление равнялось 2,7 Ом.

16. Напряжение у тяговой подстанции 3300 В. Какое напряжение подводится к электровозу, если он находится на расстоянии 4 км от подстанции и имеет ток 1000 А. Сопротивление 1 км провода сети равно 0,04 Ом, а 1км рельсового пути – 0,025 Ом.

17. В каком случае напряжение источника энергии в 2 раза меньше э.д.с.:

R=R₀; R=2R₀; 2R=R₀

18. В трамвайном вагоне 5 электрических ламп включены последовательно в цепь постоянного тока напряжением 600 В, сопротивление каждой лампы 240 Ом. Определить ток, протекающий в цепи.

19. Те же лампы включены параллельно в цепь напряжением 120 В. Определить ток в каждой лампе и общий ток в цепи.

20. Определить эквивалентное сопротивление цепи.

R1=R5=0,5 Ом; R2=R3=10 Ом;

R4=20 Ом; U=110 В

21. В цепь включено четыре одинаковых резистора с сопротивлением R. Определить эквивалентное сопротивление цепи.