Робота і потужність електричного струму

Електричний струм, проходячи по колу, здійснює роботу, причому U=A/Q. Звідки випливає, що робота електричного струму:

A=QU

Підставивши сюди величину заряду Q=It, матимемо

A=UIt

де А- робота джерела, Дж; U-напруга джерела, B; I-струм у колі, А; t-час проходження струму,с. Одиницею роботи є джоуль(Дж).

Робота, яка здійснюється в електричному колі, дорівнює одному джоулю, якщо при напрузі в один вольт у колі проходить струм в один ампер за секунду:

Дж = В ∙ А ∙с

Застосовуючи закон Ома, з формули, дістаємо:

A=U I t=I R t = t.

Джерело електричної енергії здійснює роботу на зовнішній і внутрішній ділянках кола. Тому повна робота електричного кола:

A= E∙I∙t = (U+U0)∙It = UIt+U0It = UIt+I²Rit

Потужність електричного струму. Потужність електричного струму характеризує швидкість перетворення електричної енергії в інші види і визначається роботою, виконуваною за одиницю часу. Потужність, яка використовується споживачем, називається корисною потужністю і визначається за формулою:

P=A/t=U I t/t=UI

Застосовуючи закон Ома,маємо

P=UI=I²R=U²/R

Одиницею потужності є ват (Вт)

Один ват - це потужність, при якій за одну секунду виконується робота є один джоуль: Вт = В ∙ А ∙ с = Дж.с.

Прилад, яким вимірюється потужність, називається ватметром, він одночасно враховує і струм, і напругу.

Корисною потужністю (Р) називається потужність, яка віддається джерелом на зовнішнє коло споживання.

P=UI=

Баланс потужності визначається за формулою: Повна потужність джерела енергії при будь-якій величині опору навантаження дорівнює сумі потужностей на зовнішньому та внутрішньому опорах:

- потужність втрат всередині ждерела

Внутрішньою потужністю втрат (РВ) називається потужність, витрачена на нагрівання всередині джерела енергії.

Коефіцієнтом корисної дії називають відношення корисної потужності до загальної потужності, витраченої джерелом.

ККД розраховується за формулою:

η=P/Pд = U/E = R/(Ri + R)

Теплові дії електричного струму. Одним з видів перетворення електричної енергії в інші види є перетворення електричної енергії в теплову. Кількість тепла, що виділяється в провідниках, називається законом Джоуля-Ленца:

Q=I²R t

де Q- кількість тепла, Дж; I- струм у провіднику, А; R-опір провідника,Ом; t- час, с. Кількість тепла, що виділяється струмом у провіднику при сталому опорі, прямопропорційна опору провідника, квадрату величини струму і часу його проходження.

Режими роботи джерела електричної енергії.

1. Номінальний – коли всі прилади експлуатують зі своїми номінальними параметрами.

2. Робочий (нормальний) – коли всі прилади експлуатують з допустимими відхиленнями від нормальної величини.

3. Режим генератора- це коли напрями ЕРС та струму, збігаються.

- напруга між точками А і В.

4. Режим споживача – коли напрями ЕРС та струму не збігаються.

- напруга між точками А і В

5. Режим холостого ходу. Якщозмінити опір R та встановити на нескінченність R = ∞, то електричне коло буде розімкнене. Такий режим називають режимом холостого ходу – режим ХХ відповідає положенню розімкненого кола.

Властивості режиму

1. Rн = - опір навантаження.

2. - струм в колі.

3. U=E- зовнішня напруга навантаження, - внутрішня напруга джерела

4. - корисна потужність

5. - ККД

- уявний ККД

6. Режим короткого замикання . Якщо змінити опір R встановити на 0, R = 0, то електричне коло буде включене на внутрішній опір Ri. Такий режим називають режимом короткого замикання – режимом К3.

Властивості режиму

1. - опір навантаження

2. - струм короткого замикання більше номінального

3. - зовнішня напруга в колі

4. - внутрішня напруга джерела

5. - корисна потужність

6. - ККД

7. Режим узгодженого навантаження – режим, при якому внутрішній опір джерела дорівнює опору навантаження, виникає при умові R_н=R_i

1. R_н=R_i - зовнішній та внутрішній опори рівні.

2. - струм в колі дорівнює половині струму короткого замикання.

3. - корисна потужність максимальна.

4. - напруга в колі дорівнює половині ЕРС кола.

5. % - ККД.

6. , .

Висновок: умовою отримання максимальної корисної потужності є рівність зовнішнього та внутрішнього опорів R_н=R_i..

(використовують в малопотужних пристроях автоматики та телемеханіки).

Потенціальна діаграма

Потенціалом певної точки електричного кола називається напруга між цією точкою, в якій потенціал вважають таким, що дорівнює нулю, оба є початковим. В електричному колі залежно від опорів і джерел потенціали в певних напрямах зменшуються або збільшуються. Потенціал у даній точці можна визначити за формулою:

φn =IRn

де φn- потенціал даної точки кола, I- струм у колі, Rn- опір ділянки кола між даною точкою і точкою з нульовим опором.

Якщо розрахунок виконано правильно,то φ в кінці розрахунку дорівнюватиме нулю. Графічне зображення залежності потенціалів точок електричного кола від його опору називають потенціальною діаграмою.

Для побудови потенціальної діаграми треба:

· визначати електричне коло, величину і напрям струму в ньому;

· буквами або цифрами позначити місця з’єднання елементів кола;

· потенціал однієї з точок прийняти за начальний або нульовий;

· обчислити потенціали всіх точок кола і побудувати їх графічне зображення.

Якщо відбувається перехід через джерело ЕРС з с мінуса на "плюс", то потенціал підвищується, а при переході з "плюса" на "мінус" – відповідно знижується. Щодо нульового потенціалу для вибраної точки на колі потенціали інших точок можуть бути позитивні, негативні і нульові

Приклад 3

Визначити потенціали точок одно контурного електричного кола (мал. 28), і побудувати в масштабі потенціальну діаграму за такими даними: Е₁=60В; Е₂=28В; R_і1=R_і2=0,75 Ом; R₁=6,5 Ом; R₂=5 Ом; R₃=3 Ом.

За потенціальною діаграмою визначити наругу U_БГ.

Розв’язок

1. Струм у колі визначаємо за законом Ома

Напрям струму зберігається з напрямом Е.Р.С. Е1, так як Е1>Е2; напрям струму показуємо на схемі.

Рис.15

1. Для визначення потенціалів точок кола довільно вибираємо напрям обходу контуру: обійдемо контур за годинниковою стрілкою, тобто проти струму.

2. Визначаємо потенціали точок кола, починаючи із заземленої точки А, потенціал якої дорівнює нулю: φ_А=0.

При переході через резистор R₁ від точки А до точки Б проти струму потенціал підвищується на величину спаду напруги на даному резисторі

φ_Б = φ_А + ІR₁ = 0+2·6,5=13В.

При переході із точки Б в точку В через джерело з Е.Р.С. Е₁ від «+» зажима до «-» відбувається зменшення потенціалу на величину Е1 і одночасне збільшення потенціалу на величину ІR_і1

φ_В = φ_Б –Е₁ + ІR_і1 = 13 – 60 + 2 · 0,75 = – 45,5В.

При переході із точки В в точку Г через резистор R2 проти струму потенціал підвищується на ІR₂:

φ_Г = φ_В + ІR₂ = - 45,5 + 2·5 = – 35,5В.

При переході із точки Г в точку Д через джерело з ЕРС. Е₂ від «-» до «+» джерела відбувається підвищення потенціалу на величину Е₂ і на величину падіння напруги на внутрішньому опорі R_і2:

φ_Д = φ_Г + Е₂ + ІR_і2 = - 35,5 + 28 + 2·0,75 = – 6В.

При переході із точки Д в точку А через резистор R3 проти струму відбувається підвищення потенціалу на ІR₃:

φ_А = φ_Д + ІR₃ = - 6 + 2·3 = 0.

Одержаний результат показує правильність підрахунків.

3. За результатами підрахунків будуємо потенціальну діаграму (рис.).

Вибираємо масштаб; по горизонтальній осі в масштабі m_R=2 Ом/см відкладаємо значення опорів в порядку обходу контуру кола; по вертикальній осі в масштабі m_φ=10 В/см відкладаємо значення розрахункових потенціалів точок кола. Початковою точкою побудови діаграми беремо потенціал заземленої точки А: φ_А=0.

На потенціальній діаграмі графічно зображено розподіл потенціалів даного електричного кола. Користуючись діаграмою, можемо в масштабі визначити напругу між любими двома точками кола. Наприклад, U_БГ в масштабі дорівнює 48,5В. Цю напругу можемо визначити аналітично:

φ_БГ = φ_Б – φ_Г = 13 – (-35,5) = 48,5В.

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: