На этом уроке мы начнем характеризовать электрический ток с точки зрения его практического применения. Будут выведены различные формулы для вычисления работы тока и мощности тока. Также будет введен закон Джоуля-Ленца (тепловое преобразование электрической энергии).
Электрический ток, конечно же, не стал бы так широко использоваться, если бы не одно обстоятельство. Работу тока или же электроэнергию легко преобразовывать в любую нужную нам энергию или работу: тепловую, механическую, магнитную…
Для практического применения тока прежде всего хочется знать, какую работу можно обратить в свою пользу. Выведем формулу для определения работы тока:
Формула для работы электрического поля по перемещению заряда нам уже известна:
Или же 
Узнать, какой заряд переместился полем за промежуток времени t можно из определения силы тока: 
Отсюда: 
Так как все величины, входящие в формулу, можно измерить соответствующими приборами (амперметр, вольтметр, часы), формула является универсальной.
Формулу можно также записать в несколько ином виде, используя закон Ома:
Если в исходную формулу для работы тока подставить силу тока, записанную таким образом, то получим:
Если же из закона Ома выразить напряжение, то тогда:
Использование этих формул удобно, когда в цепи присутствует какое-то одно соединение: параллельное для первого случая и последовательное для второго.
Особое внимание следует уделить тепловому действию тока. При прохождении тока через проводник, проводник нагревается. Почему это происходит? Мы уже затрагивали молекулярное строение проводников в теме о сопротивлении и отмечали, что при протекании тока свободные электроны сталкиваются с узлами кристаллической решетки. При этих столкновениях электроны постоянно придают некоторую скорость узлам решетки (рис. 1).
Рис. 1. Взаимодействие электронов с узлами кристаллической решетки
Так как температура – мера теплового движения, в процессе «расталкивания» температура проводника повышается. В какой-то момент наступает равновесие, когда количество энергии, получаемое проводником вследствие прохождения тока, равно количеству энергии, которое он отдает в окружающую среду.
В том случае, когда работа тока не преобразуется в механическую или же ток не имеет химического действия, работа тока эквивалентна количеству теплоты, высвобождающегося в окружающую среду.
Формулу просчета этого количества теплоты впервые независимо друг от друга открыли двое ученых: русский Эмиль Ленц и англичанин Джеймс Джоуль (рис. 2).
Закон Джоуля-Ленца:
Как видно, правая часть формулы в точности повторяет одну из форм формулы для работы электрического тока.
Всегда следует помнить, что в случае, когда есть какое-либо другое преобразование энергии тока, формула Джоуля-Ленца не выполняется.
Рис. 2. Джеймс Джоуль (Источник) и Эмиль Ленц (Источник) соответственно
Наряду с работой тока очень важно отметить мощность тока, так как эта характеристика является ключевой в бытовом использовании электроэнергии (на всех бытовых приборах указано приемлемое напряжение его мощность).
Определение. Мощность – это работа, выполненная за единицу времени (скорость выполнения током работы):
Единица измерения мощности – ватт:
И теперь, используя наши знания о работе тока, мы без труда найдем формулу для мощности тока:
Или же, если использовать другие виды формулы для работы:
На следующем уроке мы разберем тему «Электродвижущая сила».
Список литературы
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
Домашнее задание
interneturok.ru
· При последовательном включении в электрическую цепь нескольких источников энергии с различным направлением э. д. с. общая э. д. с. равна алгебраической сумме э. д. с. всех источников. Суммирование э. д. с. одного направления берут со знаком плюс, а э. д. с. противоположного направления — со знаком минус. При составлении уравнений выбирают направление обхода цепи и произвольно задаются направлениями токов.
· Обычно замкнутая цепь является частью сложной цепи, как показано, например, на рис. 21. Замкнутая цепь обозначена буквами а, б, в и г. Ввиду наличия ответвлений в точках а, б, в, г токи I1, I2, I3 и I4, отличаясь по силе, могут иметь и различные направления. Для такой цепи в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно написать:
· 
· где r01, r02, r03 — внутренние сопротивления источников энергии,
· r1, r2, r3 — сопротивления приемников энергии.
· В частном случае при отсутствии ответвлений и последовательном соединении проводников общее сопротивление равно сумме всех сопротивлений.
· Если внешняя цепь источника энергии с внутренним сопротивлением r0 состоит, например, из трех последовательно соединенных резисторов с сопротивлениями, соответственно равными r1, r2, r3, то на основании второго закона Кирхгофа можно написать следующее равенство:
· 
· При нескольких источниках тока в левой части этого равенства была бы алгебраическая сумма
· э. д. с. этих источников.
|
|
· При параллельном включении двух или нескольких источников энергии токи, протекающие в них, в общем случае неодинаковы.
· Если два параллельно соединенных источника энергии (рис. 22), имеющих э. д. с. Е1 и Е2 и внутренние сопротивления r1 и r2,. замкнуть на какое-либо внешнее сопротивление r, то силу тока во внешней цепи I и в источниках I1 и I2 можно определить из следующих выражений:
· 
· 
· Отсюда сила тока во внешней цепи
|
|
·
· Сила тока, протекающего через первый и второй источники энергии,:
· 
· Пример 1. В схеме, изображенной на рис. 21, э. д. с. источников энергии и сопротивления приемников энергии имеют следующие значения: Е1=6 в, Е2=12 в, Е3=9 в, r1=8 ом, r2=5 ом, r3=4 ом и r4=10 ом.Решение. Алгебраическая сумма э. д.с. в цепи
· 
· В этом выражении э. д. с. Е1 взята со знаком минус потому, что первый источник энергии включен встречно второму и третьему.
· Общее сопротивление цепи
· 
· Сила тока в цепи
· 
· Напряжение между точками а и г
· 
· Пример 2. Два параллельно соединенных генератора (см. рис. 22), имеющие э. д. с. Е1=Е2=120 в и внутренние сопротивления r1=3 ом и r2=6 ом, замкнуты на сопротивление r=18 ом.
· Определить силу тока во внешней цепи и токи в первом и во втором генераторах.
· Решение. Внутреннее сопротивление двух параллельно соединенных генераторов.
· 
· Сила тока во внешней цепи
· 
· Токи в первом и во втором генераторах обратно пропорциональны внутренним сопротивлениям этих генераторов, т. е.
· 
· Таким образом, I1 + I2 =3I2 = 6 a, откуда I2 = 2 a, I1 = 2I2 = 4 a.
· § 22. РАБОТА И МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
· Способность тела производить работу называется энергию тела. Например, поднятый на высоту какой-либо груз обладает некоторым запасом энергии и при падении производит работу. Энергия тела тем больше, чем большую работу может произвести это тело при своем движении. Энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Например, электрическая энергия может быть превращена в механическую, тепловую, химическую, механическая — в электрическую и т. д.
· Для переноса зарядов в замкнутой цепи источник электрической энергии затрачивает известную энергию, равную произведению э. д. с. источника на количество электричества, перенесенного через эту цепь, т. е. EQ.
· Однако не вся эта энергия является полезной, т. е. не вся работа, произведенная источником энергии, сообщается приемнику энергии, так как часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов. Таким образом, источник энергии производит полезную работу, равную
· 
· где U — напряжение на зажимах приемника.
· Так как количество электричества равно произведению силы! тока в цепи на время его прохождения:
· 
· формулу работы можно представить в следующем виде
· 
· т. е. электрическая энергия или работа есть произведение напряжения, силы тока в цепи и времени его прохождения.
· Если же выразить напряжение на зажимах участка цепи как произведение силы тока на сопротивление этого участка, т. е.
· 
· то формулу работы можно записать и таким образом:
· 
· Однако ни одна из указанных формул не определяет размеров генератора электрической энергии, от которого получена эта работа, так как и большой и малый генераторы могут дать одинаковую работу, но в различные промежутки времени. Поэтому размеры генератора определяются не выполненной работой, а его мощностью. Это относится к любому электротехническому аппарату и машине, хотя бы они были не поставляющими, а потребляющими электрическую энергию (например, электродвигатели, электрические лампы, нагревательные приборы и т. д.).
fiziku5.ru
Способность тела производить работу называется энергией тела. Таким образом, мерой количества энергии является работа. Энергия тела тем больше, чем большую работу может произвести это тело при своем движении. Энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Например, в генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую энергию, а в двигателе – электрическая в механическую. Однако не вся энергия является полезной, т.е. часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов.
Работа электрического тока численно равна произведению напряжения, силы тока в цепи и времени его прохождения. Единица измерения – Джоуль.
Для измерения работы или энергии электрического тока используется электроизмерительный прибор − счетчик электрической энергии.
Электрическая энергия помимо джоулей измеряется в ватт-часах или киловатт-часах:
1 Вт·ч = 3 600 Дж, 1 кВт·ч = 1 000 Вт·ч.
Мощность электрического тока – это работа, производимая (или потребляемая) в единицу времени. Единица измерения – Ватт.
Для измерения мощности электрического тока используется электроизмерительный прибор − ваттметр.
Кратными единицами измерения мощности являются киловатт или мегаватт:
1 кВт = 1 000 Вт, 1 МВт = 1 000 000 Вт.
В табл. 1 приведена мощность ряда устройств.
Таблица 1
| Название устройства | Мощность устройства, кВт |
| Лампа карманного фонаря | 0,001 |
| Холодильник домашний | 0,11 − 0,16 |
| Лампы осветительные (бытовые) | 0,015 − 0,2 |
| Электрический утюг | 0,3 − 1 |
| Стиральная машина | 0,35 − 0,6 |
| Электрическая плита | 0,6; 0,8; 1; 1,25 |
| Электропылесос | до 0,6 |
| Лампы в звездах башен Кремля | 5 |
| Двигатель электровоза ВЛ10 | 650 |
| Электродвигатель прокатного стана | 6000 − 9000 |
| Гидрогенератор Братской ГЭС | 250 000 |
| Турбогенератор | 50 000 − 1 200 000 |
Соотношения между мощностью, током, напряжением и сопротивлением приведены на рис. 1.
P U
I R
R·I
Рис. 1
Скорость, с которой механическая или другая энергия преобразуется в источнике в электрическую называется мощностью источника:
где Wи– электрическая энергия источника.
Скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в приемнике в другие виды энергии, в частности в тепловую, называется мощностью приемника:
Мощность, определяющая непроизвольный расход энергии, например, на тепловые потери в источнике или в проводниках, называют мощностью потерь:
По закону сохранения энергии мощность источника равна сумме мощностей потребителей и потерь:
Это выражение представляет собой баланс мощностей.
Эффективность передачи энергии от источника к приемнику характеризует коэффициент полезного действия (КПД) источника:
где Р1 или Рист – мощность, отдаваемая источником энергии во внешнюю цепь;
Р2 – мощность, получаемая извне или потребляемая мощность;
∆P или Р0 (Рвн) – мощность, расходуемая на преодоление потерь в источник или приемнике энергии.
Электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц. При столкновении движущихся частиц с молекулами и ионами вещества кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам и молекулам, вследствие чего происходит нагревание проводника. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в тепловую.
В 1844 г. русским академиком Э.Х. Ленцем и английским ученым Джоулем одновременно и независимо друг от друга был открыт закон, описывающий тепловое действие тока.
Закон Джоуля-Ленца: при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекает по проводнику:
где Q– количество теплоты, Дж, I – сила тока, А; R – сопротивление проводника, Ом; t – время, в течение которого электрический ток протекал по проводнику, с.
Закон Джоуля-Ленца используют при расчетах тепловых режимов источников электроэнергии, линий электропередачи, потребителей и других элементов электрической цепи. Преобразование электроэнергии в тепловую имеет очень большое практическое значение. Вместе с тем тепловое действие во многих случаях оказывается вредным (рис. 2).
studfiles.net
Электрическая энергия. В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рис. 30). 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.Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии — тепловую, механическую, химическую, лучистую и пр. Например, в электродвигателях 3 электрическая энергия превращается в механическую, в электронагревательных приборах 5 — в тепловую, в электролитических ваннах 8 и аккумуляторах 7 при их заряде — в химическую, в электрических лампах 6 — в лучистую и тепловую, в антеннах 4 радиопередатчиков — в лучистую.
Рис. 30. Пути превращения энергии из одного вида в другой
Мерой количества энергии является работа. Работа W, совершаемая электрическим током за время t при известном напряжении U силе тока I, равна произведению напряжения на силу тока и на время его действия:
W = UIt (29)
Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется джоулем (Дж). Джоуль, который называют также ватт-секундой (Вт*с), — очень маленькая единица измерения, поэтому на практике для измерения электрической энергии приняты более крупные единицы — ватт-час (1 Вт*ч = 3600 Дж), киловатт-час (1 кВт*ч = 1000 Вт*ч = 3,6*106 Дж), мегаватт-час (1 МВт*ч=1000 кВт*ч=3,6*109 Дж).
Электрическая мощность. Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях U и I равна произведению напряжения U на силу тока I:
P = UI (30)
Используя закон Ома для определения силы тока и напряжения в зависимости от сопротивления R и проводимости G, можно получить и другие выражения для мощности. Если заменить в формуле (30) напряжение U=IR или силу тока I=U/R=UG, то получим
P = I2R (31)
или
P = U2/R = U2G (32)
Следовательно, электрическая мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление, или электрическая мощность квадрату напряжения, поделенному на сопротивление, либо квадрату напряжения, умноженному на проводимость.
Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами: киловаттами (1 кВт =1000 Вт) и мегаваттами (1 МВт=1 000 000 Вт).
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 ее непроизводительно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности, называется коэффициентом полезного действия источника или приемника. Коэффициент полезного действия (к. п. д.)
? = P2/P1 = P2/(P2 + ?P) (33)
где
Р2 — отдаваемая (полезная) мощность;Р1 — получаемая мощность;?Р — потери мощности.
К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии. Иногда к. п. д. выражают в процентах. Так, тяговые двигатели электровозов и тепловозов имеют к. п. д. 86—92 %, мощные трансформаторы — 96—98 %, тяговые подстанции — 94—96 %, контактная сеть электрифицированных железных дорог — около 90 %, генераторы тепловозов — 92—94 %.Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в электрической цепи (рис. 31). Генератор 1, питающий эту цепь, получает от первичного двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность Рmx = 28,9 кВт, а отдает электрическую мощность Рэл = 26 кВт (2,9 кВт составляют потери мощности в генераторе). Поэтому он имеет к. п. д. ?ген = Рэл/Рmx = 26/28,9 = 0,9.
Мощность Рэл = 26 кВт, отдаваемая генератором, расходуется на питание электрических ламп (6 кВт), на нагрев электрических плиток (7,2 кВт) и на питание электродвигателя (10,8 кВт). Часть мощности ?Pпр = 2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соединяющих генератор с потребителями.
Рис. 31. Схема преобразования энергии в электрической цепи
В каждом приемнике электрической энергии также имеют место потери мощности. В электрическом двигателе 3 потери мощности составляют 0,8 кВт (он получает из сети мощность 10,8 кВт, а отдает только 10 кВт), поэтому к. п. д. ?дв = 10/10,8 = 0,925. Из мощности 6 кВт, полученной лампами, лишь незначительная часть идет на Создание лучистой энергии, большая часть ее бесполезно рассеивается в виде тепла. В электрической плитке на нагрев пищи расходуется не вся полученная мощность 7,2 кВт, так как часть созданного ею тепла рассеивается в окружающем пространстве. При рассмотрении электрических цепей наряду с определением токов и напряжений, действующих на отдельных участках, необходимо определять и передаваемую по ним мощность. При этом должен соблюдаться так называемый энергетический баланс мощностей. Это означает, что мощность, получаемая каким-либо устройством (источником тока или потребителем) или участком электрической цепи, должна быть равна сумме отдаваемой ими мощности и потерь мощности, которые возникают в данном устройстве или участке цепи.
electrono.ru
ТОП 10:
Электрическая энергия.В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рис. 30). В источниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Например, в электрических генераторах /, 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 //—лучистой.
Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии — тепловую, механическую, химическую, лучистую и пр. Например, в электродвигателях 3 электрическая энергия превращается в механическую, в электронагревательных приборах 5 — в тепловую, в электролитических ваннах 8 и аккумуляторах 7 при их заряде — в химическую, в электрических лампах 6 — в лучистую и тепловую, в антеннах 4 радиопередатчиков — в лучистую.
Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется джоулем (Дж). Джоуль, который называют также ватт-секундой (Вт-с), — очень маленькая единица измерения, поэтому на практике для измерения электрической энергии приняты более крупные единицы — ватт-час (1 Вт-ч = = 3600 Дж), киловатт-час (1 кВт-ч = 1000 Вт-ч = 3,6-106 Дж), мегаватт-час (1 МВт-ч= 1000 кВт-ч=3,6-109 Дж).
Электрическая мощность.Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях С/ и I равна произведению напряжения V на силу тока I: Используя закон Ома для определения силы тока и напряжения в зависимости от сопротивления /? и проводимости О, можно получить и другие выражения для мощности. Если заменить в формуле напряжение или силу тока
Следовательно, электрическая мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление, или электрическая мощность равна квадрату напряжения, поделенному на сопротивление, либо квадрату напряжения, умноженному на проводимость.
Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами: киловаттами (1 кВт=1000 Вт) и мегаваттами (1 МВт=1 000 000 Вт).
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 ее непроизводительно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.
Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности, называется коэффициентом полезного действия К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии. Иногда к. п. д. выражают в процентах. Так, тяговые двигатели электровозов и тепловозов имеют к. п. д. 86—92 %, мощные трансформаторы — 96—98 %, тяговые подстанции — 94—96%, контактная сеть электрифицированных железных дорог — около 90 %, генераторы тепловозов — 92—94 %.
Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в электрической цепи (рис. 31). Генератор /, питающий эту цепь, получает от первичного двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность Рчх —28,9 кВт, а отдает электрическую мощность Рэл = = 26 кВт (2,9 кВт составляют потери мощности в генераторе). Поэтому он имеет к. п. д. 1]ген = Рэл/Рчч = 26/28,9 = 0,9.
Мощность Рэл = 26 кВт, отдаваемая генератором, расходуется на питание электрических ламп (6 кВт), на нагрев электрических плиток (7,2 кВт) и на питание электродвигателя (10,8 кВт). Часть мощности АЄР= 2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соединяющих генератор с потребителями.
В каждом приемнике электрической энергии также имеют место потери мощности. В электрическом двигателе 3 потери мощности составляют 0,8 кВт (он получает из сети мощность 10,8 кВт, а отдает только 10 кВт), поэтому к. п. д. г|дв= 10/10,8 = 0,925. Из мощности б кВт, полученной лампами, лишь незначительная часть идет на создание лучистой энергии, большая часть ее бесполезно рассеивается в виде тепла. В электрической плитке на нагрев пищи расходуется не вся полученная мощность 7,2 кВт, так как часть созданного ею тепла рассеивается в окружающем пространстве.
При рассмотрении электрических цепей наряду с определением токов и напряжений, действующих на отдельных участках, необходимо определять и передаваемую по ним мощность. При этом должен соблюдаться так называемый энергетический баланс мощностей. Это означает, что мощность, получаемая каким-либо устройством (источником тока или потребителем) или участком электрической цепи, должна быть равна сумме отдаваемой ими мощности и потерь мощности, которые возникают в данном устройстве или участке цепи.
Тепловое действие тока
Выделение тепла при прохождении электрического тока.При
прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.
Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла С} равно произведению квадрата силы тока I2, сопротивления проводника К и времени I прохождения тока через проводник: Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.
Допустимая сила и плотность тока.Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. Оно происходит, например, в различных производственных ибытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электроплитах, электрических паяльниках и пр.), в электрических лампах накаливания, аппаратах для электрической сварки и пр. Однако во многих электрических устройствах, например в электрических машинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превращение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.
Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности тока 1 (сила тока /, приходящаяся на 1 мм2 площади 5 поперечного сечения проводника):
Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь или алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр. Например, допустимая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна превышать 3—6 А/мм2, в нити осветительной электрической лампы — 15 А/мм2. В проводах силовых и осветительных сетей плотность тока может быть различной в зависимости от площади поперечного сечения провода и его изоляции. Например, для медных проводов с резиновой изоляцией и площадью поперечного сечения 4 мм2 допускается плотность тока 10,2 А/мм2, а 50 мм2 — только 4,3 А/мм2; для неизолированных проводов тех же площадей сечения—12,5 и 5,6 А/мм2. Уменьшение допустимой плотности тока при увеличении площади поперечного сечения провода объясняется тем, что в проводах с большей площадью сечения отвод тепла от внутренних слоев затруднен, так как сами они окружены нагретыми слоями. Для неизолированных проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных.
Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электрических сетей обугливается и даже горит, что может привести к короткому замыканию и пожару. Неизолированные же провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.
Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. Для этой цели в технике широко используют плавкие предохранители, автоматические выключатели и другие устройства.
Нагрев в переходном сопротивлении.Повышенный нагрев проводника, как следует из закона Ленца — Джоуля, может происходить не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения отдельных проводников. При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников (рис. 32) электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В результате место неплотного соединения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгоранию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при соединении проводов на э. п. с. и тепловозах концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, которые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопротивления между контактами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.
infopedia.su
При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время Δt по цепи протекает заряд Δq = IΔt. Электрическое поле на выделенном участке совершает работу
| ΔA = (φ1 – φ2)Δq = Δφ12IΔt = UIΔt, |
где U = Δφ12 – напряжение. Эту работу называют работой электрического тока.
Если обе части формулы
выражающей закон Ома для однородного участка цепи с сопротивлением R, умножить на IΔt, то получится соотношение
…
Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи.
Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.
Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца.
Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена:
|
Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).
Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. Закон Ома для полной цепи записывается в виде
Умножив обе части этой формулы на Δq = IΔt, мы получим соотношение, выражающее закон сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:
| RI2Δt + rI2Δt = IΔt = ΔAст. |
Первый член в левой части ΔQ = RI2Δt – тепло, выделяющееся на внешнем участке цепи за время Δt, второй член ΔQист = rI2Δt – тепло, выделяющееся внутри источника за то же время.
Выражение IΔt равно работе сторонних сил ΔAст, действующих внутри источника.
При протекании электрического тока по замкнутой цепи работа сторонних сил ΔAст преобразуется в тепло, выделяющееся во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист).
. |
Следует обратить внимание, что в это соотношение не входит работа электрического поля. При протекании тока по замкнутой цепи электрическое поле работы не совершает; поэтому тепло производится одними только сторонними силами, действующими внутри источника. Роль электрического поля сводится к перераспределению тепла между различными участками цепи.
Внешняя цепь может представлять собой не только проводник с сопротивлением R, но и какое-либо устройство, потребляющее мощность, например, электродвигатель постоянного тока. В этом случае под R нужно понимать эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, выделяемая во внешней цепи, может частично или полностью преобразовываться не только в тепло, на и в другие виды энергии, например, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Поэтому вопрос об использовании энергии источника тока имеет большое практическое значение.
Полная мощность источника, то есть работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равна
 |
Во внешней цепи выделяется мощность
 |
Отношение 
равное
|
называетсякоэффициентом полезного действия источника.
На рис. 1.4.13 графически представлены зависимости мощности источника Pист , полезной мощности P, выделяемой во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением r. Ток в цепи может изменяться в пределах от I = 0 (при 
) до 
(при R = 0).
 |
| Рисунок 1.4.13 Зависимость мощности источника Pист, мощности во внешней цепи P и КПД источника η от силы тока. |
Из приведенных графиков видно, что максимальная мощность во внешней цепи Pmax , равная
 |
достигается при R = r. При этом ток в цепи
 |
а КПД источника равен 50 %. Максимальное значение КПД источника достигается при I → 0, то есть при R → ∞. В случае короткого замыкания полезная мощность P = 0 и вся мощность выделяется внутри источника, что может привести к его перегреву и разрушению. КПД источника при этом обращается в нуль
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:
Рис. 2.
Соберите на экране цепь, показанную на рис. 2. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши над кнопкой 
э.д.с. в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен источник э.д.с.
загрузка…
Разместите далее последовательно с источником резистор, изображающий его внутреннее сопротивление (нажав предварительно кнопку 
в нижней части экрана) и амперметр (кнопка 
там же). Затем расположите аналогичным образом резисторы нагрузки и вольтметр 
, измеряющий напряжение на нагрузке.
Подключите соединительные провода. Для этого нажмите кнопку провода 
внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши в местах рабочей зоны экрана, где должны находиться соединительные провода.
4. Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой 
. Затем щелкните на данном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте величину параметра и установите числовое значение, обозначенное в таблице 1 для вашей бригады.
Таблица 1. Исходные параметры электрической цепи
| Номер бригады | ||||||||
| Е, В | 10,0 | 9,5 | 9,0 | 8,5 | 8,0 | 8,5 | 9,0 | 9,5 |
| r, Ом | 4,8 | 5,7 | 6,6 | 7,5 | 6,4 | 7,3 | 8,2 | 9,1 |
5. Установите сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажмите кнопку «Счёт» и запишите показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки таблицы 2.
6. Последовательно увеличивайте с помощью движка регулятора сопротивление внешней цепи на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом и, нажимая кнопку «Счёт», записывайте показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.
7. Вычислите по формулам 
.
.
= I2(R+r) = IE
. (9)
Р1, Р2, Рполн и h для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и запишите рассчитанные значения в табл.2.
8. Постройте на одном листе миллиметровой бумаге графики зависимости P1 = f(R), P2 = f(R), Pполн=f(R), h = f (R) и U = f(R).
9. Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам проведённых опытов.
Таблица 2. Результаты измерений и расчётов
| R, Ом | 2,0 | 2,5 | 3,0 | … | |||
| U, В | |||||||
| I, А | |||||||
| P1, Вт | |||||||
| P2, ВТ | |||||||
| Pполн, ВТ | |||||||
| h |
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Запишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.
2. Что такое ток короткого замыкания?
3. Что такое полная мощность?
4. Как вычисляется к.п.д. источника тока?
5. Докажите, что наибольшая полезная мощность выделяется при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений цепи.
6. Верно ли утверждение, что мощность, выделяемая во внутренней части цепи, постоянна для данного источника?
7. К зажимам батарейки карманного фонаря присоединили вольтметр, который показал 3,5 В.
8. Затем вольтметр отсоединили и на его место подключили лампу, на цоколе которой было написано: Р=30 Вт, U=3,5 В. Лампа не горела.
9. Объясните явление.
10.При поочерёдном замыкании аккумулятора на сопротивления R1 и R2 в них за одно и то же время выделилось равное количество тепла. Определите внутреннее сопротивление аккумулятора.
refac.ru
РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Работа электрического тока показывает, какая работа была совершена электрическим полем при перемещении зарядов по проводнику.
Зная две формулы:I = q/t ..... и ..... U = A/q можно вывести формулу для расчета работы электрического тока:
Работа электрического тока равна произведению силы тока на напряжениеи на время протекания тока в цепи.
Единица измерения работы электрического тока в системе СИ:[ A ] = 1 Дж = 1A. B . c
НАУЧИСЬ, ПРИГОДИТСЯ !
При расчетах работы электрического тока часто применяется внесистемная кратная единица работы электрического тока:1 кВт.ч (киловатт-час).
1 кВт.ч = ...........Вт.с = 3 600 000 Дж
В каждой квартире для учета израсходованной электроэнергии устанавливаются специальныеприборы-счетчики электроэнергии, которые показывают работу электрического тока, совершенную за какой-то отрезок времени при включении различных бытовых электроприборов. Эти счетчики показывают работу электрического тока ( расход электроэнергии) в "кВт.ч".
Необходимо научиться рассчитывать стоимость израсходованной электроэнергии!Внимательно разбираемся в решении задачи на странице 122 учебника (параграф 52) !
МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Мощность электрического тока показывает работу тока, совершенную в единицу времении равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена.
(мощность в механике принято обозначать буквой N, в электротехнике — буквой Р)так как А = IUt, то мощность электрического тока равна:
или
Единица мощности электрического тока в системе СИ:
[ P ] = 1 Вт (ватт) = 1 А . B
КНИЖНАЯ ПОЛКА
ВАУ, ИНТЕРЕСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ !
ИНТЕРЕСНО ?
В свое время в качестве единицы мощности Дж. Уатт предложил такую единицу, как «лошадиная сила». Эта единица измерения дожила до наших дней. Но в Англии в 1882 г. Британская ассоциация инженеров решила присвоить имя Дж. Уатта единице мощности. Теперь имя Джеймса Уаттаможно прочесть на любой электрической лампочке.Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения.С этого случая и началась традиция присвоения собственных имен единицам измерения
Рассказывают, что ...одну из паровых машин Уатта купил пивовар, чтобы заменить ею лошадь, которая приводила в действие водяной насос. При выборе необходимой мощности паровой машины пивовар определил рабочую силу лошади как восьмичасовую безостановочную работу до полного изнеможения лошади. Расчет показал, что каждую секунду лошадь поднимала 75 кг воды на высоту 1 метр, что и было принято за единицу мощности в 1 лошадиную силу.
ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?
Ток, протекающий в спиралях электроламп, нагревает их до очень высокой температуры. Поэтому, чтобы спирали служили дольше, их заключают в стеклянные баллоны, заполненные в лампах большой мощности инертным газом.
В баллонах ламп малой мощности (до 40 Вт) - вакуум. Чтобы лампа работала дольше, температура спирали таких ламп ниже, а свет имеет желтый оттенок.
___
Атмосферное электричество опасно проявлением в виде линейных разрядов (молний), которых возникает на нашей планете примерно 100 каждую секунду. Атмосферные электрические заряды могут иметь напряжение до 1 миллиарда вольт, а сила тока молнии достигать 200 тысяч ампер. Время существования молнии оценивается от 0,1 до 1 секунды.Температура достигает 6-10 тысяч градусов Цельсия. И если предположить, что электрическая энергия одной молнии может составлять 2500 квт/час,а одна семья из трех человек потребляет в месяц 250 квт/час электричества, то энергии одной молнии хватило бы, чтобы удовлетворить потребность этой семьи на 10 месяцев.
СУМЕЕШЬ ЛИ ТЫ РЕШИТЬ ?
Две электрические лампы, мощность которых 40 и 100 Вт, рассчитаны на одно и то же напряжение.Сравните по сопротивлениям нити накала обеих ламп.
Комната освещена с помощью 40 электрических ламп от карманного фонаря, соединенных последовательно и питаемых от городской сети. После того как одна лампа перегорела, оставшиеся 39 снова соединили последовательно и включили в сеть.Когда в комнате было светлее: при 40 или 39 лампах?
___
Последовательно соединенные медная и железная проволоки одинаковых длины и сечения подключены к аккумулятору. В какой из них выделится большее количество теплотыза одинаковое время?
Два проводника различной длины, но одинакового сечения и материала включены параллельно друг другу в цепь электрического тока. В каком из них будет выделяться большее количество теплоты?
ВСЕ БЕЖИМ К ЗАДАЧКАМ !
Другие страницы по темам физики за 8 класс:
К 1 сентября! Проверочный тестТепловое движение. Температура Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии Теплопередача. Теплопроводность Конвекция Излучение Теплопередача в природе и технике Количество теплоты Нагревание и охлаждение телЭнергия топлива Агрегатные состояния вещества Плавление кристаллических тел Отвердевание кристаллических тел Парообразование. Испарение Кипение Конденсация Влажность воздуха Работа газа и пара при расширении. ДВС Паровая турбина. КПД теплового двигателяДва рода зарядов. Электроскоп Проводники и диэлектрикиЭлектрическое поле Источники тока Электрические цепи Действия электрического тока Сила тока Напряжение Измерения силы тока и напряжения Электрическое сопротивление Закон Ома для участка цепи Соединение проводников Работа и мощность электрического тока Короткое замыкание. Предохранители Магнитное полеМагнитное поле прямого проводника. Магнитные линииМагнитное поле катушки с током. ЭлектромагнитПостоянные магнитыМагнитное поле Земли Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатель Плоское зеркало
Смотри еще страницы по теме «Электричество»:А вы об этом знаете? Легенды об янтаре"Круглая" загадкаЗвезды ДиоскуровОгни святого ЭльмаО полярных сиянияхЭлектризатор в сутанеЧудо природы-шаровая молнияЖизнь среди молнийИзобретение лейденской банкиИзобретатель громоотводов Б.ФранклинГальвани-воскреситель из мертвыхА.Вольта и монеты во рту"Лошадиная" аварияЭлектрические фонтаны Гастона Планте
class-fizika.narod.ru
