Робота й потужність постійного струму

2.4.1. Робота електричного струму. При проходженні електричного струму провідником здійснюється робота з переміщення зарядів. З курсу фізики відомо, що робота, виконана електричним струмом на ділянці кола, прямо про­порційна падінню напруги на цій ділянці, силі струму й часу, протягом якого проходить цей струм:

A = U-Et. (2.18)

Одиницею виміру роботи електричного струму є 1 джоуль або ват-секунда:

1 дж = В-А-с = Вт-с.

З формули (2.18), використовуючи різні форми запису закону Ома можна одержати наступні співвідношення:

А = I2-R-t; (2.19)

А = . (2.20)

Залежно від типа споживача процес здійснення роботи електричним струмом супроводжується перетворенням електричної енергії на теплову (у на­грівальних приладах), на механічну (в електродвигунах) або світлову (в освіт­лювальних приладах).

2.4.2. Потужність електричного струму. Потужністю називається вели­чина, що характеризує швидкість, з якою відбувається робота, або швидкість перетворення енергії. Електрична потужність (Р) - це робота, виконана електричним струмом в одиницю часу.

Р = А. (2.21)

З виразу (2.21) можемо записати

Р = ИІ, (2.22)

тобто потужність, що розвивається на ділянці кола електричним струмом, пря­мо пропорційна напрузі й силі струму на цій ділянці.

Одиницею виміру потужності є ват: 1 Вт = 1 В 1 А.

Із співвідношення (2.22) шляхом нескладних перетворень можуть бути отримані наступні формули для розрахунку потужності:

P = I2 • R; (2.23)

И2 P = —

R . (2.24)

Потужність, що розвивається джерелом електричної енергії у всьому колі, називається повною потужністю. Повна потужність (Рп) визначається електрорушійною силою джерела й величиною струму навантаження (рис. 2.1):

Рп = ЕІн. (2.25)

Оскільки ЕРС джерела дорівнює сумі падінь напруг на зовнішній і внут­рішній ділянках кола (рис.2.1), можемо записати

Рп = (И + Ио) Ін = ИІн + Ио Ін . (2.26)

Величина ИІн виражає потужність, що розвивається на зовнішній ділянці кола, тобто потужність, спожиту навантаженням. Вона називається корисною

потужністю (потужність навантаження):

Рн = ИІн. (2.27)

Величина И0 • ІН виражає потужність, що витрачається усередині джерела і називається потужністю втрат:

Рвтр = Ио Ін. (2.28)

У практичних розрахунках у схемі заміщення часто враховують і опір лі­нії У цьому випадку потужність втрат визначають як

Рвтр = Ио Ін + Ил Ін = Ін2 • (Ro + Rл). (2.29)

Таким чином, повна потужність дорівнює сумі корисної потужності й по­тужності втрат:

Рп = Рн + Рвтр . (2.30)

2.4.3. Коефіцієнт корисної дії. У зв'язку з тим, що не вся потужність джерела віддається приймачу електричної енергії, вводять поняття коефіцієнта корисної дії джерела п, що визначається як відношення корисної потужності до повної потужності:

або у відсотках j = —Н 100%.

рг,

(2.31)

(2.32) (2.33)

(2.34)

Коефіцієнт корисної дії (ККД) може бути виражений і через інші величи­ни, що характеризують електричне коло (рис.2.1):

На рис.2.4 показаний графік залежності ККД джерела від струму наван­таження. При холостому ході струм дорівнює нулю і ККД дорівнює 1. При ко­роткому замиканні струм досягає максимального значення, але ККД при цьому до­рівнює нулю, оскільки ніякої корисної роботи джерело не виконує, і вся енергія витрачається усередині джерела.

Рівність ККД при холостому хо­ді одиниці означає, що при набли­женні режиму роботи джерела до режиму холостого ходу його ККД на­ближається до одиниці. Це має місце тоді, коли опір навантаження бага-торазово перевищує внутрішній опір дже-рела. Втрати енергії усередині джерела в цьому випадку значно менші за ко-

рисну потужність. Із графіка видно, що при дотриманні умови одержання мак­симальної корисної потужності від джерела при Ін = Ікз/2 його ККД становить усього 0,5.

Електричні генератори силових установок розраховані на роботу в ре­жимах, що забезпечують максимально високий ККД. У сучасних генераторів він досягає 98 - 99 %.

2.4.4. Теплова дія струму. При проходженні електричного струму прові­дником, останній нагрівається. Тобто в провіднику відбувається перетворення електричної енергії на теплову. Фізична сутність явища полягає в тому, що но­сії зарядів, що рухаються упорядковано, зіштовхуючись з атомами речовини, віддають їм частину своєї енергії. За рахунок цього тепловий рух останніх стає більш інтенсивним. Наприклад, у металах „вільні" електрони співударяються з іонами кристалічних ґрат і віддають їм частину своєї кінетичної енергії, у зв'язку з цим коливальний рух іонів підсилюється і, як наслідок, зростає темпе­ратура провідника.

Якщо при проходженні електричного струму провідником не відбуваєть­ся додаткових перетворень електричної енергії на хімічну, механічну або світ­лову, то вся енергія, що йде на переміщення електричних зарядів, перетворю­ється на теплову. Тоді виділяється певна кількість тепла Q, яка еквівалентна роботі електричного струму:

Q = A =UIt або Q = I2Rt. (2.35) Кількість тепла тут виражається в джоулях.

У технічних розрахунках часто вимірюють теплову енергію в калоріях (1 калорія - це кількість тепла, необхідна для нагрівання 1 грама води на 1 градус Цельсія). Один джоуль становить 0,24 калорії, тому величину 0,24 кало­рії/джоуль називають термічним еквівалентом роботи.

Кількість тепла, що виділяється у провіднику при проходженні ним елек­тричного струму, яка виражена в калоріях, розраховується як

Q =0,24-I2-R-t. (2.36)

Співвідношення (2.37) вперше було отримано дослідним шляхом у 1884 р. незалежно один від одного російським вченим Е.Х.Ленцем і англійсь­ким вченим Д.П.Джоулем і називається закон Джоуля-Ленца - кількість теп­ла, яка виділена електричним струмом у провіднику, прямо пропорційна квадрату сили струму, величині опору провідника і часу, протягом якого проходить струм. Крім формули (2.37) закон Джоуля-Ленца може бути вира­жений наступними формулами:

Q = 0,24 UI-t або Q = 0,24—t. (2.37)

R


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я