Работа которую совершает источник тока в единицу времени по перемещению определенного электрического

Параметры потребителей электроэнергии

Параметры потребителей электроэнергии

Описание:

При поддержке проекта http://videouroki.net

Задание 1

Вопрос:

Сопротивление измеряется в

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) В 2) А 3) Вт 4) Ом

Задание 2

Вопрос:

Под проводимостью понимают

Выберите один из 3 вариантов ответа:

1) работу, которую совершает источник электрического тока по перемещению единицы электрического заряда через нагрузку с сопротивлением R

2) величину, которая обратна сопротивлению проводника

3) работу, которую совершает источник тока в единицу времени, по перемещению определённого электрического заряда через потребитель

Задание 3

Вопрос:

Мощность оборудования зависит от действующих значений …

Выберите несколько из 4 вариантов ответа:

1) силы тока 2) напряжения

3) сопротивления 4) проводимости

Задание 4

Вопрос:

Работа, которую совершает источник тока в единицу времени, по перемещению определённого электрического заряда через потребитель, называется

Запишите ответ: __________________________________________

Задание 5

Вопрос:

На принципиальных схемах проводник, обладающий электрическим сопротивлением, принято изображать в виде прямоугольника и обозначать латинской буквой

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) P 2) R 3) I 4) U

Задание 6

Вопрос:

Мощность измеряется в единицах измерения, которые названы в честь

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) Джеймса Уатта 2) Андре Ампера

3) Георга Ома 4) Алессандро Вольта

Задание 7

Вопрос:

Как называют устройство, в котором происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии для её использования.

Составьте слово из букв:

ТЕЬОПТИРЛЕБ -> __________________________________________

Задание 8

Вопрос:

Противодействие всей электрической цепи или отдельных её участков прохождению электрического тока — это …

Выберите один из 5 вариантов ответа:

1) проводимость 2) сила тока

3) напряжение 4) мощность

5) сопротивление

Задание 9

Вопрос:

Источник электрической энергии, нагрузка и соединительные провода — всё вместе это …

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) электрическая схема

2) электрический ток

3) электрическая энергия

4) электрическая цепь

Задание 10

Вопрос:

Какой буквой принято обозначать напряжение?

Выберите один из 3 вариантов ответа:

1) I

2) U

3) R

Ответы:

1) (3 б.) Верные ответы: 4;

2) (4 б.) Верные ответы: 2;

3) (4 б.) Верные ответы: 1; 2;

4) (4 б.) Верный ответ: «мощность».

5) (5 б.) Верные ответы: 2;

6) (5 б.) Верные ответы: 1;

7) (3 б.) Верные ответы: «ПОТРЕБИТЕЛЬ».

(3 б.) Верные ответы: 5;

9) (5 б.) Верные ответы: 4;

10) (4 б.) Верные ответы: 2;

Источник

Но
прежде, чем мы приступим к рассмотрению новой темы, давайте вспомним, что
называют потребителем электрической энергии.

Итак,
мы с вами уже говорили, что приёмник или потребитель
– это устройство, в котором происходит преобразование электрической энергии в
другие виды энергии для её использования – например, осветительные лампы,
электрические обогреватели, двигатели.

В
электротехнике такие устройства называют нагрузкой.

Также
напомним, что источник электрической энергии, нагрузка и соединительные
провода – всё вместе это называется электрической цепью.

В
основном все электрические цепи состоят из нескольких потребителей
электроэнергии.

Но
некоторые из этих потребителей, например, провода, выключатели и устройства
защиты, потребляют совсем небольшое количество энергии, если сравнивать с
главным потребителем, который выполняет некоторую работу. Именно этот главный
потребитель и определяет режим работы электрической цепи.

Источник
электроэнергии предоставляет потребителю энергию с определёнными параметрами.
Эти параметры обязательно должны соответствовать параметрам потребителя, иначе
потребитель не будет работать и в скором времени выйдет из строя.

Важно
понимать, что систематическое, даже самое небольшое, превышение допустимых
параметров может привести к преждевременной поломке электрического устройства в
процессе эксплуатации.

Первым
самым важным параметром потребителя электрической цепи является его электрическое
сопротивление.

Давайте
попробуем разобраться, что же это такое – сопротивление.

Проводники
могут иметь одинаковый размер, но быть изготовлены из разных металлов.

И
при подключении к одному и тому же источнику тока такие проводники будут
совершенно по-разному себя вести, по-разному сопротивляться движению зарядов, и
проводить разной силы ток.

Итак,
электрическое сопротивление – это не что иное, как
противодействие всей электрической цепи или отдельных её участков прохождению
электрического тока.

Сопротивление
измеряется в омах – в честь немецкого учёного Георга Ома.

Отсюда
получаем, что величина сопротивления напрямую зависит от размеров и материала
проводника. Вообще, сопротивление электрического проводника тем больше, чем он
длиннее, чем меньше его поперечное сечение и чем хуже материал проводит
электрический ток.

На
принципиальных схемах проводник, обладающий электрическим сопротивлением,
принято изображать в виде прямоугольника и обозначать латинской буквой R.

Напомним,
что соединение проводников может быть последовательным или параллельным.

При
последовательном соединении проводников с разным сопротивлением общее
электрическое сопротивление будет равно сумме их электрических сопротивлений.

Что
касается параллельного соединения проводников, кстати, именно этим соединением
подключают потребителей электроэнергии в быту и на производстве, то здесь надо
знать, что общее сопротивление всех потребителей уменьшается, а сила тока
источника увеличивается. При этом возрастает опасность перегрузки сети, что
может привести к пожару.

Следующим
не менее важным параметром нагрузки электрической цепи является проводимость.

Вообще,
под проводимостью принято понимать величину, которая обратна
сопротивлению проводника. При параллельном соединении проводников общая
проводимость будет равна сумме их проводимостей.

Ещё
одним параметром потребителей электрической энергии является напряжение.

Вообще,
под напряжением понимают работу, которую совершает источник
электрического тока по перемещению единицы электрического заряда через нагрузку
с сопротивлением R.
Обозначается напряжение латинской буквой U и измеряется в вольтах
– в честь итальянского физика АлессАндро Вольта.

Со
школьного курса физика вам хорошо знаком закон Ома. Из него вытекает,
что протекающий через проводник или потребитель ток тем сильнее, чем больше
напряжение и чем меньше сопротивление.

Именно
этим законом руководствуются при передаче электричества по линиям
электропередач, так как одним из важнейших требований к линиям электропередачи
является уменьшение потерь при доставке энергии потребителю.

И
последним параметром, о котором мы сегодня поговорим, будет мощность.

Вообще,
мощностью называют работу, которую совершает источник тока в
единицу времени, по перемещению определённого электрического заряда через
потребитель. Мощность измеряется в ваттах – в честь английского
изобретателя Джеймса Уатта. Мощность оборудования зависит как при постоянном
токе, так и при переменном токе от действующих значений напряжения и силы тока.

Во
всех параметрах потребителей электроэнергии, которые мы сегодня назвали: а это
сопротивление, проводимость, напряжение и мощность, обязательно нужно
разбираться. Ведь эти знания помогут вам грамотно пользоваться электроэнергией
и сохранить вашу жизнь и здоровье в безопасности.

Вы
должны были слышать, что проводник в электрической цепи из-за действия
электрического тока может нагреваться. При нагревании проводника из любого
металла происходит его окисление, при этом его сопротивление начинает
увеличиваться, что впоследствии приводит к плавлению проводника и его
разрушению. Поэтому для любого потребителя, для провода или любого другого
элемента электрической цепи существует максимально допустимая мощность.
При такой мощности проводник может довольно долго работать без каких-либо
осложнений.

Если
произойдёт превышение максимально допустимой мощности, то со временем любой
элемент электрической цепи начинает разрушаться.

Все
основные параметры потребителя обязательно наносят на корпус изделия: это
рабочее напряжение, потребляемая мощность или сила тока.

Зная
их, можно сразу же понять соответствует ли электроприбор параметрам остальных
элементов электрической цепи.

Так,
например, параметром проводов и вспомогательных элементов (выключателей,
розеток, вилок, ламповых патронов) является максимально допустимая мощность,
которую обязательно указывают на корпусе этих элементов. В техническом паспорте
на провод обязательно будет записана величина его площади сечения и допустимая
сила тока.

Итоги
урока

На
этом уроке мы обсудили основные параметры потребителей электроэнергии. Узнали,
что к этим параметрам относятся электрическое сопротивление, проводимость,
напряжение и мощность. В параметрах потребителей электроэнергии, которые мы
сегодня рассмотрели обязательно нужно разбираться. Так как эти знания помогут
сделать пользование электроэнергией грамотным и безопасным для вашей жизни и
здоровья.

Источник

1
Войти
Зарегистрироваться / Создать сайт

СДЕЛАЙТЕ СВОИ УРОКИ ЕЩЁ ЭФФЕКТИВНЕЕ, А ЖИЗНЬ СВОБОДНЕЕ

Благодаря готовым учебным материалам для работы в классе и дистанционно

Скидки до 50 % на комплекты
только до

Готовые ключевые этапы урока всегда будут у вас под рукой

Был в сети 05.12.2022 10:02

Никитин Алексей Александрович

учитель технологии

55 лет

1 616
25 091

Параметры потребителей электроэнергии.

Внимание! Все тесты в этом разделе разработаны пользователями сайта для собственного
использования.
Администрация сайта не
проверяет возможные ошибки,
которые могут встретиться в тестах.

При поддержке проекта http://videouroki.net
Максимальное количество баллов — 50.
45-50 баллов (90-100%) — 5 (отлично) 35-44 баллов (70-89%) — 4 (хорошо) 25-34 баллов (50-69%) — 3 (удовлетворительно)

Список вопросов теста

Вопрос 1

Сопротивление измеряется в

Варианты ответов

В
А
Вт
Ом

Вопрос 2

Под проводимостью понимают

Варианты ответов

работу, которую совершает источник электрического тока по перемещению единицы электрического заряда через нагрузку с сопротивлением R
величину, которая обратна сопротивлению проводника
работу, которую совершает источник тока в единицу времени, по перемещению определённого электрического заряда через потребитель
работу, которую совершает источник тока в единицу времени, по перемещению определённого электрического заряда через потребитель

Вопрос 3

Мощность оборудования зависит от действующих значений …

Варианты ответов

силы тока
напряжения
сопротивления
проводимости

Вопрос 4

Вопрос 5

Вопрос 6

Мощность измеряется в единицах измерения, которые названы в честь

Варианты ответов

Джеймса Уатта
Андре Ампера
Георга Ома
Алессандро Вольта

Вопрос 7

Как называют устройство, в котором происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии для её использования

Вопрос 8

Противодействие всей электрической цепи или отдельных её участков прохождению электрического тока — это …

Варианты ответов

проводимость
сила тока
напряжение
мощность
сопротивление

Вопрос 9

Источник электрической энергии, нагрузка и соединительные провода — всё вместе это …

Варианты ответов

электрическая схема
электрический ток
электрическая энергия
электрическая цепь

Вопрос 10

Какой буквой принято обозначать напряжение?

Источник

Параметры потребителей электроэнергии

Одним из основных параметров нагрузки электрической цепи является её электрическое сопротивление.

Электрическое сопротивление — это противодействие всей электрической цепи или отдельных её участников прохождению электрического тока. Сопротивление измеряется в омах (Ом).

Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, на принципиальных схемах изображается в виде прямоугольника и обозначается латинской буквой R.

при последовательном соединении проводников с разным сопротивлением общее электрическое сопротивление равно сумме их электрических сопротивлений:

R_посл. = R₁ + R₂ +R_3.

В бытy и на производстве все потребители электроэнергии (лампы
накаливания, утюги, электрочайники, электромоторы и др.) подключаются к

сети параллельно. В связи с этим надо запомнить, что при параллельном
включении общее сопротивление всех потребителей уменьшается, а сила
тока источника увеличивается. При этом возрастает опасность перегрузки
сети, что может привести к пожару.

Величина, обратная сопротивлению проводника (1 / R), называется
проводимостью.

При параллельном соединении проводников общая проводимость
ровна сумме их проводимостей:

1/ R_пар.= 1/ R₁+ 1/ R₂+ 1/ R₃.

Напряжение — это работа, которую совершает источник электрического тока по перемещению единицы электрического заряда через нагрузку
с сопротивлением R. Обозначается оно латинской буквой U и измеряется
в вольтах (В)
— в честь итальянского физика Алессандро Вольта.

Мощностью (Р) называется работа по перемещению через нагрузку
определённого электрического заряда, которую совершает источник тока
в единицу времени. Мощность измеряется в ваттах (Вт) по имени английского изобретателя Джеймса Уатта.

Параметры источника электроэнергии

Как мы уже знаем, электрическая энергия вырабатывается её источником под действием каких-либо внешних сил. При этом в результате действия внешней силы каждый единичный электрический заряд при движении внутри источника приобретает
некоторое количество энергии.

Величина энергии, получаемой от внешних сил единичным электрическим зарядом внутри источника, называется электродвижущей силой
источника (ЭДС). Как и напряжение, ЭДС источника измеряется в вольтах.

Опасным в электротехнике является короткое замыкание. Если соединить электроды источника тока проводом, получим то, что называется
режимом короткого замыкания. Сила тока в режиме короткого замыкания
источника становится непомерно большой, что приводит к вьделению большого количества тепла внутри электромеханического генератора и разрушению в нём обмоток. Сила тока бывает настолько велика, что провод, замыкающий
электроды источника, раскаляется докрасна и даже плавится.

Ток короткого замыкания опасен как для источника электрической
энергии, так и для нагрузки и может привести к возгоранию проводов электрической цепи и пожару.

Для предохранения от короткого замыкания между источником и нагрузкой в разрыв проводов устанавливают защитные устройства в виде плавких предохранителей и автоматов защиты.
Эти устройства предохраняют от повреждения станки, двигатели,
генераторы, линии электропередачи, бытовые электроприборы и т.д. При
отклонениях в работе электрической цепи они отключают потребители
электроэнергии, предотвращая пожары, аварии, травматизм.

Примером защитного устройства электрической цепи служат плавкие предохранители, устанавливаемые для защиты квартирной электропроводки и электробытовых приборов (телевизоров, радиоприёмников и др.).
Предохранитель представляет собой тонкую проволоку из легкоплавкого
металла, вставленную в стеклянную или керамическую трубry . При
неисправностях в электрической цепи, связанных с увеличением тока выше допустимого, проволока нагревается и расплавляется. При этом происходит размыкание электрической цепи.

Параметром предохранителя является максимально допустимая
мощность, которая в этом случае задается в виде допустимой силы рабочего
тока. Нагрузка электрической цепи будет исправно выполнять положенную работy только в том случае, если её электрические параметры соответствуют параметрам источника и другим элементам цепи. Это означает, что
рабочее напряжение нагрузки должно соответствовать рабочему напряжению источника, а мощность, потребляемая нагрузкой, не должна превышать
его допyстимой мощности.

Видео YouTube

Так, все электроприборы, рассчитанные на напряжение 220 В,
в электрической сети с напряжением 127 В практически работать не смогут из-за недостатка энергии. Поэтому нить накала лампы будет едва светиться,
излучающая поверхность электрокамина станет лишь слегка тёплой, а вода
в электрочайнике не вскипит.
И наоборот, в электрической сети с напряжением 220 В все электроприборы, рассчитанные на 127 В, также работать не смогут, но уже по другой причине: они будут получать от источника слишком большyю энергию. Нить
накала лампы ярко вспыхнет и сразу расплавится, нагревательные элементы
будут некоторое время работать, но затем их постигнет та же участь.

Если
потребляемая приборами мощность электрической энергии превысит допустимую мощность источника, то сработают предохранители, защищающие его от возникшей перегрузки, однако нагревательные приборы при
этом работать не смогут.

Источник

1.
Электрическое сопротивление-это:

а)
помощь всей электрической цепи в прохождении электрического тока;

б)
противодействие всей электрической цепи или отдельных её участков прохождению
электрического тока;

в)
Величина обратная сопротивлению проводника;

2.
Сопротивление измеряется в

а)
ОМ (Омах); б) R (сопротивление); в) U (напряжение);

3.
Напряжение-это:

а)
помощь всей электрической цепи в прохождении электрического тока;

б)
работа которую совершает источник электрического тока по перемещению единицы
электрического заряда через нагрузку с сопротивлением R;

в)
противодействие всей электрической цепи или отдельных её участков прохождению
электрического тока;

4.
Мощностью (P) называют

а)
все параметры напряжения, сопротивления и проводимости;

б)
работа по перемещению через нагрузку определенного электрического заряда,
которую совершает источник тока в единицу времени и измеряется в (Вт) ваттах;

в)
противодействие всей электрической цепи или отдельных её участков прохождению
электрического тока;

5.
(ЭДС) Электродвижущая сила-это:

а)
рабочее напряжение и мощность генераторов;

б)
Величина энергии, получаемой от внешних сил единичным электрическим зарядом
внутри источника и измеряется в вольтах;

6.
Короткое замыкание приводит к

а)
превышению максимально допустимой мощности цепи;

б)
к увеличению силы тока в проводниках и может привести к возгоранию
электрических проводов и пожару;

в)
противодействие всей электрической цепи или отдельных её участков прохождению
электрического тока;

7.
Плавкие предохранители и автоматы защиты предназначены для:

а)
для автоматической плавки нагрузки;

б)
отвода электрического тока в другом направлении в целях увеличения
сопротивления, что предотвращает разрыв проводов;

в)
предохранения короткого замыкания между источником и нагрузкой в разрыв
проводов;

8.
Опишите работу плавкого предохранителя.

Ключ
к тесту:

1-б;

2-а;

3-б;

4-б;

5-б;

6-б;

7-в;

8- При
увеличении тока выше допустимого (при перегрузке или коротком замыкании),
проволока нагревается и расплавляется, что приводит к размыканию электрической
цепи.

Источник

При прохождении тока в цепи электрическое поле совершает работу по перемещению заряда. В этом случае работу электрического поля называют работой электрического тока.

При прохождении заряда (q) по участку цепи электрическое поле будет совершать работу: (A=qcdot U), где (U) — напряжение электрического поля, (A) — работа, совершаемая силами электрического поля по перемещению заряда (q) из одной точки в другую.

Для выражения любой из этих величин можно использовать приведённый ниже рисунок.

Рис. (1). Зависимость между работой, напряжением и зарядом

Количество заряда, прошедшее по участку цепи, пропорционально силе тока и времени прохождения заряда:

q=I⋅t

Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна напряжению на её концах и количеству заряда, проходящего по этому участку:

A=U⋅q

Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна силе тока, времени прохождения заряда и напряжению на концах участка цепи:

A=U⋅I⋅t

Чтобы выразить любую из величин из данной формулы, можно воспользоваться рисунком.

Рис. (2). Зависимость между работой, силой тока и временем прохождения заряда

Единицы измерения величин:

работа электрического тока ([A]=1) Дж;

напряжение на участке цепи ([U]=1) В;

сила тока, проходящего по участку ([I]=1) А;

время прохождения заряда (тока) ([t]=1) с.

Для измерения работы электрического тока нужны вольтметр, амперметр и часы. Например, для определения работы, которую совершает электрический ток, проходя по спирали лампы накаливания, необходимо собрать цепь, изображённую на рисунке. Вольтметром измеряется напряжение на лампе, амперметром — сила тока в ней. А при помощи часов (секундомера) засекается время горения лампы.

Рис. (3). Схема и часы для измерения

Например:

I = 1,2 АU = 5 Вt = 1,5 мин = 90 сА = U⋅I⋅t = 5⋅1,2⋅90 = 540 Дж

Обрати внимание!

Работа чаще всего выражается в килоджоулях или мегаджоулях.

(1) кДж = 1000 Дж или (1) Дж = (0,001) кДж;
(1) МДж = 1000000 Дж или (1) Дж = (0,000001) МДж.

Для потребителей электрической энергии существуют приборы, позволяющие в пределах ошибки измерения получать числовые данные о ее расходе в единицу времени.

Рис. (4). Электросчетчик

Механическая мощность численно равна работе, совершённой телом в единицу времени:

N = Аt

. Чтобы найти мощность электрического тока, надо поступить точно также, т.е. работу тока,

A=U⋅I⋅t

, разделить на время.

Мощность электрического тока обозначают буквой (Р):

P=At=U⋅I⋅tt=U⋅I

. Таким образом:

Мощность электрического тока равна произведению напряжения на силу тока:

P=U⋅I

Из этой формулы можно определить и другие физические величины.
Для удобства можно использовать приведённый ниже рисунок.

Рис. (5). Зависимость между мощностью, напряжением и силой тока

За единицу мощности принят ватт: (1) Вт = (1) Дж/с.

Из формулы

P=U⋅I

следует, что

(1) ватт = (1) вольт ∙ (1) ампер, или (1) Вт = (1) В ∙ А.

Обрати внимание!

Используют также единицы мощности, кратные ватту: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт).
(1) гВт = (100) Вт или (1) Вт = (0,01) гВт;
(1) кВт = (1000) Вт или (1) Вт = (0,001) кВт;
(1) МВт = (1 000 000) Вт или (1) Вт = (0,000001) МВт.

Пример:

Измерим силу тока в цепи с помощью амперметра, а напряжение на участке — с помощью вольтметра.

Рис. (6). Схема

Так как мощность тока прямо пропорциональна напряжению и силе тока, протекающего через лампочку, то перемножим их значения:

I=1,2АU=5ВP =U⋅I=5⋅1,2=6Вт

Ваттметры измеряют мощность электрического тока, протекающего через прибор. По своему назначению и техническим характеристикам ваттметры разнообразны.

В зависимости от сферы применения у них различаются пределы измерения.

Аналоговый ваттметр	Аналоговый ваттметр	Аналоговый ваттметр	Цифровой ваттметр

Рис. (7). Приборы для измерения

Подключим к цепи по очереди две лампочки накаливания, сначала одну, затем другую и измерим силу тока в каждой из них. Она будет разной.

Рис. (8). Лампы различной мощности в цепи

Сила тока в лампочке мощностью (25) ватт будет составлять (0,1) А. Лампочка мощностью (100) ватт потребляет ток в четыре раза больше — (0,4) А. Напряжение в этом эксперименте неизменно и равно (220) В. Легко можно заметить, что лампочка в (100) ватт светится гораздо ярче, чем (25)-ваттовая лампочка. Это происходит оттого, что её мощность больше. Лампочка, мощность которой в (4) раза больше, потребляет в (4) раза больше тока. Значит:

Обрати внимание!

Мощность прямо пропорциональна силе тока.

Что произойдёт, если одну и ту же лампочку подсоединить к источникам различного напряжения? В данном случае используется напряжение (110) В и (220) В.

Рис. (8). Лампа, подключенная к источнику тока с различным напряжением

Можно заметить, что при большем напряжении лампочка светится ярче, значит, в этом случае её мощность будет больше. Следовательно:

Обрати внимание!

Мощность зависит от напряжения.

Рассчитаем мощность лампочки в каждом случае:

I=0,2АU=110ВP=U⋅I=110⋅0,2=22Вт

I=0,4АU=220ВP=U⋅I=220⋅0,4=88Вт.

Можно сделать вывод о том, что при увеличении напряжения в (2) раза мощность увеличивается в (4) раза.
Не следует путать эту мощность с номинальной мощностью лампы (мощность, на которую рассчитана лампа). Номинальная мощность лампы (а соответственно, ток через нить накала и её расчётное сопротивление) указывается только для номинального напряжения лампы (указано на баллоне, цоколе или упаковке).

Рис. (9). Маркировка

В таблице дана мощность, потребляемая различными приборами и устройствами:

Таблица (1). Мощность различных приборов

Название	Рисунок	Мощность
Калькулятор		(0,001) Вт
Лампы дневного света		(15 — 80) Вт
Лампы накаливания		(25 — 5000) Вт
Компьютер		(200 — 450) Вт
Электрический чайник		(650 — 3100) Вт
Пылесос		(1500 — 3000) Вт
Стиральная машина		(2000 — 4000) Вт
Трамвай		(150 000 — 240000) Вт

Источники:

Рис. 1. Зависимость между работой, напряжением и зарядом. © ЯКласс.
Рис. 3. Схема и часы для измерения. © ЯКласс.
Рис. 5. Зависимость между мощностью, напряжением и силой тока. © ЯКласс.
Рис. 6. Схема. © ЯКласс.
Таблица 1. Мощность различных приборов. Компьютер. Указание авторства не требуется, 2021-08-14, Pixabay License, https://pixabay.com/ru/photos/яблоко-стул-компьютер-1834328/.

Источник

Макеты страниц

При прохождении тока, т. е. при упорядоченном движении носителей заряда в проводнике, действующее на них электрическое поле, определяемое приложенным к концам проводника напряжением, совершает работу. Эту работу обычно называют работой электрического тока.

Работа сил электрического поля при перемещении носителей заряда равна произведению переносимого заряда на разность потенциалов между теми точками, где перемещается заряд:

При постоянном токе — время, в течение которого переносится заряд Поэтому работа постоянного тока за время на участке цепи, на концах которого поддерживается напряжение определяется соотношением

Мощность Р электрического тока, определяемая работой, совершаемой за единицу времени, равна

Электрический ток, совершая работу, может раскалять нить электролампы, вращать якорь электродвигателя, плавить металлы, вызывать химические превращения, заряжать аккумулятор и т. д. Во всех этих случаях работа тока определяет меру превращения электрической энергии в другие формы — внутреннюю энергию теплового движения, механическую энергию и т. д.

Работа электрического тока измеряется в тех же единицах, что и механическая работа. Это в системе СГСЭ и 1 Дж в

Мощность измеряется в ваттах: . Часто используются кратные единицы (киловатт) (мегаватт) Вт. Для работы тока часто используется внесистемная единица (киловатт-час) — работа, совершаемая за 1 час при развиваемой мощности

Закон Джоуля-Ленца. Прохождение электрического тока через проводник, обладающий сопротивлением, всеща сопровождается выделением теплоты. Количество выделившейся за время теплоты определяется законом Джоуля—Ленца:

В случае однородного участка, коща формулы (2) и (4) совпадают, т. е. количество выделяющейся теплоты равно работе тока, и работу тока можно выразить любым из эквивалентных способов:

В однородном участке цепи, например в резисторе, работа тока сводится только к выделению теплоты.

В качестве примера рассмотрим какой-нибудь электронагревательный прибор, отдающий выделяющуюся теплоту в окружающую среду. Скорость теплопередачи, т. е. количества теплоты, отдаваемой нагретым элементом в единицу времени, пропорциональна разности температур между нацзетым телом и окружающей средой:

Коэффициент к зависит от свойств тела (площади поверхности, размеров и формы). Будем считать его значение известным. Выделяющуюся джоулеву теплоту можно подсчитать по любой из формул (5). Поскольку обычно нагревательный прибор включается в сеть с заданным напряжением, то удобно воспользоваться выражением

Сразу после включения выделяющаяся джоулева теплота превосходит отдаваемую окружающей среде, так как происходит нагревание самого прибора. В конце концов устанавливается такая его температура Т, при которой Р и сравниваются наступает стационарное состояние, в котором разность температур прибора и окружающей среды уже не меняется.

Если сопротивление нагреваемого током элемента не зависит от температуры, то, приравнивая значения Р и немедленно получаем выражение для установившейся разности температур:

Однако в действительности, как правило, сопротивление зависит от температуры. Для металлической проволоки эту зависимость можно считать линейной (см. § 10):

где с хорошей точностью под можно понимать сопротивление при температуре окружающей среды. Если учитывать эту зависимость сопротивления от температуры, то, приравнивая Р и приходим уже к квадратному уравнению для

Имеющий физический смысл корень этого уравнения можно представить в следующем виде:

В условиях, когда мало, т. е. превышение температуры нагревательного элемента прибора над окружающей средой невелико, второй

член в подкоренном выражении мал по сравнению с единицей и можно воспользоваться приближенной формулой При этом получаем прежний результат

В другом предельном случае больших (как, например, у лампочки накаливания, температура нити которой составляет несколько тысяч градусов), можно, наоборот, в подкоренном выражении пренебречь единицей по сравнению со вторым членом. При этом для приближенно получаем

— разность температур теперь пропорциональна не квадрату, а первой степени приложенного напряжения.

В неоднородных участках цепи, где ток определяется формулой выделяющаяся теплота не равна работе тока. Это означает, что протекание тока в таком участке сопровождается не только выделением теплоты, но и другими процессами, связанными с превращением энергии.

Зарядка аккумулятора. В качестве примера энергетических превращений в неоднородной цепи рассмотрим зарядку аккумулятора. Не вдаваясь в детали происходящих в аккумуляторе процессов, а только учитывая, что при зарядке все химические процессы внутри него идут «вспять», легко сообразить, что ток идет в направлении, противоположном току при разрядке, когда аккумулятор является источником питания для внешней цепи. Поэтому аккумулятор включается в цепь так, как показано на рис. 86, а ток в цепи идет в направлении, указанном стрелкой. Так как ЭДС аккумулятора (сумма скачков потенциала внутри него) понижает потенциал в цепи в направлении протекания тока, то, в соответствии с законом Ома для неоднородного участка, ток в цепи равен

Рис. 86. Схема включения аккумулятора на зарядку

В этой формуле — внутреннее сопротивление аккумулятора, а сопротивление включено в цепь для регулировки зарядного тока. Легко видеть, что ток будет положительным и, следовательно, пойдет в указанном направлении только при условии, что подаваемое напряжение больше электродвижущей силы аккумулятора . Только при выполнении этого условия и можно зарядить аккумулятор.

Работа, совершаемая зарядной станцией (т. е. внешним источником напряжения в единицу времени, т. е. работа тока на всем рассматриваемом участке, равна На всех сопротивлениях,

включая внутреннее сопротивление аккумулятора, в единицу времени выделяется джоулева теплота, равная . Кроме зарядки аккумулятора и выделения теплоты других энергетических превращений в рассматриваемой цепи не происходит. Поэтому на основании закона сохранения энергии можно утверждать, что

где Рзар — мощность, идущая непосредственно на зарядку аккумулятора. Подставляя в (7) выражение для силы тока (6), получаем

Таким образом, при зарядке аккумулятор в единицу времени запасает энергию, равную 14. Разумеется, этого результата можно было ожидать из элементарных соображений: ведь процессы в аккумуляторе считаются обратимыми, а при разрядке аккумулятор развивает мощность

Обратим внимание, что, считая известными выражения для полной работы тока, для джоулевой теплоты и для работы зарядки аккумулятора, можно с помощью закона сохранения энергии получить выражение (6) для тока в цепи. Для этого нужно просто подставить в Это значит, что закон Ома для неоднородного участка можно получить как следствие закона сохранения энергии.

Работа источника тока. Источник тока — это устройство, поддерживающее разность потенциалов на концах подключенной к нему электрической цепи. Это происходит благодаря действию сторонних сил — сил неэлектростатической природы. Какие энергетические превращения при этом происходят?

Как мы видели, ЭДС источника равна сумме напряжений во внешнем и внутреннем участках цепи:

Домножим обе части этого равенства на заряд проходящий по цепи за время В левой части получившегося равенства будет стоять сумма работ электрического тока во внешнем и во внутреннем участках цепи. Справа будет стоять произведение

Электрический ток совершает работу за счет действия источника, т. е. сторонних сил. По закону сохранения энергии работа тока в цепи равна работе, совершаемой за это же время источником тока, т. е. работе действующих в нем сторонних сил.

Определение ЭДС. Итак, работа источника тока при перемещении по цепи заряда равна Поэтому электродвижущей силе источника можно дать и такое определение: электродвижущей силой называется величина, равная отношению работы Лстор сторонних сил

при перемещении по цепи заряда к этому заряду:

Поскольку работа источника тока равна то развиваемая им мощность

Мощность и КПД источника тока. Выясним, каким должно быть сопротивление нагрузки для того, чтобы получить максимальную силу тока в цепи, максимальную полезную мощность, максимальный коэффициент полезного действия.

Ток в цепи (рис. 87) определяется законом Ома: Поэтому полная мощность Р, развиваемая источником тока, равна . Полезная мощность т. е. мощность, выделяющаяся на нагрузке дается соотношением

Коэффициент полезного действия источника в этой цепи, определяемый как отношение полезной мощности к полной, зависит от сопротивления нагрузки:

Исследуем полученные выражения. Полная мощность Р и ток в цепи I различаются постоянным множителем поэтому их зависимость от сопротивления нагрузки одинакова (кривая 1 на рис. 88).

Рис. 87. К исследованию условий работы источника тока

Рис. 88. Зависимость мощности и КПД источника тока от сопротивления нагрузки

Максимальным значение этих величин будет при т. е. при коротком замыкании источника. Как видно из формул (12) и (13), при этом равны нулю полезная мощность и коэффициент полезного действия При полная мощность и ток равны половине своего максимального значения, коэффициент полезного действия равен 0,5, а полезная мощность достигает своего максимального значения,

равного половине мощности Р при этой нагрузке. Для того чтобы убедиться, что при равенстве сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника тока полезная мощность максимальна, преобразуем правую часть выражения (12) следующим образом:

Полезная мощность будет максимальной, когда знаменатель правой части выражения (14) минимален. Преобразуем знаменатель:

Функция (15) достигает минимума тогда, когда выражение в скобках равно нулю, т. е. при Этот результат можно, разумеется, получить, приравнивая нулю производную по знаменателя правой части выражения (14).

При неограниченном увеличении сопротивления нагрузки как полная, так и полезная мощность стремится к нулю (кривая 2), а коэффициент полезного действия — к единице (кривая 3).

Из рис. 87 видно, что требования получения максимального тока в цепи, максимальной полезной мощности и максимального КПД противоречивы. Для получения возможно большего тока сопротивление нагрузки должно быть малым по сравнению с внутренним сопротивлением источника, но при этом близки к нулю полезная мощность и КПД: почти вся совершаемая источником тока работа идет на выделение теплоты на внутреннем сопротивлении Чтобы получить от данного источника тока максимальную полезную мощность, следует взять нагрузку с сопротивлением равным внутреннему сопротивлению источника. Значение максимальной полезной мощности но коэффициент полезного действия при этом равен всего лишь 0,5.

Любую полезную мощность меньшую максимальной, можно получить, как свидетельствует ход кривой 2 на рис. 88, при двух значениях сопротивления нагрузки. Практически для получения заданной полезной мощности следует выбирать нагрузку с большим сопротивлением так как КПД при этом выше. Для получения КПД, близкого к единице, следует брать нагрузку с сопротивлением, много большим внутреннего сопротивления источника тока, но при этом выделяющаяся мощность .

• Работа каких сил имеется в виду, когда говорят о работе, совершаемой электрическим током?

• В каких случаях работа электрического тока не равна выделяющейся в цепи джоулевой теплоте

• Для зарядки аккумулятора с ЭДС его включили в сеть с постоянным напряжением Какая доля потребляемой от сети энергии запасается в аккумуляторе?

• Каким образом работа сторонних сил связана с ЭДС источника тока? Аргументируйте свой ответ.

• Какой должна быть нагрузка, чтобы источник тока развивал максимальную полезную мощность? Каким при этом будет его КПД?

• Почему условия получения максимальной полезной мощности и максимального КПД от данного источника тока противоречат друг другу?

• Покажите, что два значения сопротивления нагрузки и при которых в нагрузке выделяется одинаковая джоулева теплота, связаны соотношением где — внутреннее сопротивление источника тока.

• Постройте графики зависимости мощности источника тока, полезной мощности и КПД от силы тока I в цепи.

Поле сторонних сил. Работа, совершаемая электрическим током при прохождении заряда по всей цепи, равна работе действующих в источнике сторонних сил. Поэтому ЭДС можно выразить через эти силы.

Введем новую величину Естор, которую назовем напряженностью поля сторонних сил. Это сила, действующая на единичный положительный заряд, обусловлена любыми причинами, кроме электростатического поля. Тогда полная сила, действующая на заряд, будет складываться из электростатической силы и сторонней силы:

Рассмотрим замкнутую цепь и рассчитаем полную работу, совершаемую всеми действующими на заряд силами при его перемещении по всей цепи. Работа электростатических сил на замкнутом контуре равна нулю, так как эти силы — потенциальные. Поэтому полная работа на замкнутом контуре равна работе только сторонних сил. Именно эта работа и определяет ЭДС источника тока.

Обратим внимание на кажущееся противоречие. Работа тока — это по определению работа сил электрического поля. В то же время, как мы видели, работа тока во всей цепи равна работе источника, т. е. работе сторонних сил. Но как мы только что выяснили, работа электростатического поля равна нулю. Как все это согласовать?

Дело в том, что, говоря о работе электрического тока, мы имели в виду работу электрических сил не на всем замкнутом пути, а только на тех участках цепи, где заряды движутся под действием электрических сил. Мы не включали работу электрических сил в местах скачков потенциала (где и действуют

сторонние силы), т. е. в местах, где электрическое поле направлено противоположно движению положительных зарядов. Именно в этих местах внутри источника тока движение зарядов против сил электрического поля обусловлено действием сторонних сил. Если учесть работу электрических сил и в этих местах, то полная их работа действительно будет равна нулю.

Здесь можно привести следующую механическую аналогию. Лыжник спускается с горы и, сделав круг, возвращается к ее подножию, а затем с помощью подъемника снова поднимается на вершину. Аналогом потенциального электростатического поля здесь является поле силы тяжести. Роль сторонних сил играют силы, поднимающие его наверх в подъемнике. Очевидно, что полная работа силы тяжести на всем замкнутом пути равна нулю. Однако в данном случае она не представляет интереса. Важна лишь та работа сил тяжести, что совершается при движении лыжника от вершины горы до ее основания. Эта работа как раз и равна работе «сторонних» сил, действующих на лыжника в подъемнике.

Работа и теплота в произвольной цепи. В неоднородном участке цепи, содержащем источник с ЭДС и внутренним сопротивлением когда , для работы тока А, работы источника и выделяющейся теплоты имеем

Выделяющаяся теплота равна сумме работы тока и работы источника:

Подчеркнем, что эти формулы справедливы во всех случаях, независимо от того, идет ли ток через источник в «естественном» направлении, когда он отдает энергию во внешнюю цепь, или в противоположном, как это бывает при зарядке аккумулятора, когда он потребляет энергию (в этом случае I и Ч имеют противоположные знаки и Лист При этом теплота окажется во всех случаях положительной.

Как связаны между собой работа сторонних сил и работа сил электрического поля при переносе заряда вдоль всей замкнутой цепи?

Поясните аналогию между работой электрических и сторонних сил и работой силы тяжести и «подъемной» силы при катании лыжника на горе с подъемником.

Оглавление

Введение
I. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
§ 1. Электрический заряд. Закон Кулона
§ 2. Электрическое поле. Напряженность поля
§ 3. Теорема Гаусса
§ 4. Потенциал электростатического поля. Энергия системы зарядов
§ 5. Расчет электрических полей
§ 6. Проводники в электрическом поле
§ 7. Силы в электростатическом поле
§ 8. Конденсаторы. Электроемкость
§ 9. Энергия электрического поля
II. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
§ 10. Характеристики электрического тока. Закон Ома
§ 11. Соединение проводников в электрические цепи
§ 12. Закон Ома для неоднородной цепи
§ 13. Расчет цепей постоянного тока
§ 14. Работа и мощность постоянного тока
§ 15. Магнитное поле постоянного тока
§ 16. Действие магнитного поля на движущиеся заряды
III. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
§ 17. Явление электромагнитной индукции
§ 18. Электрические машины постоянного тока
§ 19. Энергия магнитного поля
§ 20. Основы теории электромагнитного поля
§ 21. Квазистационарные явления в электрических цепях
IV. ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
§ 22. Цепи переменного тока. Закон Ома
§ 23. Работа и мощность переменного тока. Передача электроэнергии
§ 24. Трехфазный ток. Электрические машины переменного тока
V. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
§ 25. Колебательный контур
§ 26. Вынужденные колебания в контуре. Резонанс
§ 27. Незатухающие электромагнитные колебания
§ 28. Электромагнитные волны
§ 29. Свойства и применения электромагнитных волн
VI. ОПТИКА
§ 30. Свет как электромагнитные волны. Интерференция
§ 31. Дифракция света
§ 32. Спектральные приборы. Дифракционная решетка
§ 33. Протяженные источники света
§ 34. Интерференция немонохроматического света
§ 35. Физические принципы голографии
§ 36. Геометрическая оптика
§ 37. Оптические приборы, формирующие изображение

Источник