ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ. Электрическая мощность

Электрическая мощность - Википедия

Электри́ческая мо́щность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.

Мгновенная электрическая мощность[ | ]

Мгновенной мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.

По определению, электрическое напряжение — это отношение работы электрического поля, совершенной при переносе пробного электрического заряда из точки A{\displaystyle A} в точку B{\displaystyle B}, к величине пробного заряда. То есть можно сказать, что электрическое напряжение равно работе по переносу единичного заряда из точки A{\displaystyle A} в точку B{\displaystyle B}. Другими словами, при движении единичного заряда по участку электрической цепи он совершит работу, численно равную электрическому напряжению, действующему на участке цепи. Умножив работу на количество единичных зарядов, мы, таким образом, получаем работу, которую совершают эти заряды при движении от начала участка цепи до его конца. Мощность, по определению, — это работа в единицу времени. Введём обозначения:

U{\displaystyle U} — напряжение на участке A−B{\displaystyle A-B} (принимаем его постоянным на интервале Δt{\displaystyle \Delta t}), Q{\displaystyle Q} — количество зарядов, прошедших от A{\displaystyle A} к B{\displaystyle B} за время Δt{\displaystyle \Delta t}, A{\displaystyle A} — работа, совершённая зарядом Q{\displaystyle Q} при движении по участку A−B{\displaystyle A-B}, P{\displaystyle P} — мощность.

Записывая вышеприведённые рассуждения, получаем:

PA−B=AΔt{\displaystyle P_{A-B}={\frac {A}{\Delta t}}}

Для единичного заряда на участке A−B{\displaystyle A-B}:

Pe(A−B)=UΔt{\displaystyle P_{e(A-B)}={\frac {U}{\Delta t}}}

Для всех зарядов:

PA−B=UΔt⋅Q=U⋅QΔt{\displaystyle P_{A-B}={\frac {U}{\Delta t}}\cdot {Q}={U}\cdot {\frac {Q}{\Delta t}}}

Поскольку ток есть электрический заряд, протекающий по проводнику в единицу времени, то есть I=QΔt{\displaystyle I={\frac {Q}{\Delta t}}} по определению, в результате получаем:

PA−B=U⋅I{\displaystyle P_{A-B}=U\cdot I}.

Полагая время бесконечно малым, можно принять, что величины напряжения и тока за это время тоже изменятся бесконечно мало. В итоге получаем следующее определение мгновенной электрической мощности:

мгновенная электрическая мощность p(t){\displaystyle p(t)}, выделяющаяся на участке электрической цепи, есть произведение мгновенных значений напряжения u(t){\displaystyle u(t)} и силы тока i(t){\displaystyle i(t)} на этом участке:

p(t)=u(t)⋅i(t).{\displaystyle p(t)=u(t)\cdot i(t).}

Если участок цепи содержит резистор c электрическим сопротивлением R{\displaystyle R}, то

p(t)=i(t)2⋅R=u(t)2R{\displaystyle p(t)=i(t)^{2}\cdot R={\frac {u(t)^{2}}{R}}}.

Дифференциальные выражения для электрической мощности[ | ]

Мощность, выделяемая в единице объёма, равна:

w=dPdV=E⋅j{\displaystyle w={\frac {dP}{dV}}=\mathbf {E} \cdot \mathbf {j} },

где E{\displaystyle \mathbf {E} } — напряжённость электрического поля, j{\displaystyle \mathbf {j} } — плотность тока. Отрицательное значение скалярного произведения (векторы E{\displaystyle \mathbf {E} } и j{\displaystyle \mathbf {j} } противонаправлены или образуют тупой угол) означает, что в данной точке электрическая мощность не рассеивается, а генерируется за счёт работы сторонних сил.

В случае изотропной среды в линейном приближении:

w=σE2=E2ρ=ρj2=j2σ{\displaystyle w=\sigma E^{2}={\frac {E^{2}}{\rho }}=\rho j^{2}={\frac {j^{2}}{\sigma }}},

где σ=def1ρ{\displaystyle \sigma \,{\overset {\underset {\mathrm {def} }{}}{=}}\,{\frac {1}{\rho }}} — удельная проводимость, величина, обратная удельному сопротивлению.

В случае наличия анизотропии (например, в монокристалле или жидком кристалле, а также при наличии эффекта Холла) в линейном приближении:

w=σαβEαEβ{\displaystyle w=\sigma _{\alpha \beta }E_{\alpha }E_{\beta }},

где σαβ{\displaystyle \sigma _{\alpha \beta }} — тензор проводимости.

Мощность постоянного тока[ | ]

Так как значения силы тока и напряжения постоянны и равны мгновенным значениям в любой момент времени, то мощность можно вычислить по формуле:

P=I⋅U{\displaystyle P=I\cdot U}.

Для пассивной линейной цепи, в которой соблюдается закон Ома, можно записать:

P=I2⋅R=U2R{\displaystyle P=I^{2}\cdot R={\frac {U^{2}}{R}}}, где R{\displaystyle R} — электрическое сопротивление.

Если цепь содержит источник ЭДС, то отдаваемая им или поглощаемая на нём электрическая мощность равна:

P=I⋅E{\displaystyle P=I\cdot {\mathcal {E}}}, где E{\displaystyle {\mathcal {E}}} — ЭДС.

Если ток внутри ЭДС противонаправлен градиенту потенциала (течёт внутри ЭДС от плюса к минусу), то мощность поглощается источником ЭДС из сети (например, при работе электродвигателя или заряде аккумулятора), если сонаправлен (течёт внутри ЭДС от минуса к плюсу), то отдаётся источником в сеть (скажем, при работе гальванической батареи или генератора). При учёте внутреннего сопротивления источника ЭДС выделяемая на нём мощность p=I2⋅r{\displaystyle p=I^{2}\cdot r} прибавляется к поглощаемой или вычитается из отдаваемой.

Мощность переменного тока[ | ]

В цепях переменного тока формула для мощности постоянного тока может быть применена лишь для расчёта мгновенной мощности, которая сильно изменяется во времени и для большинства простых практических расчётов не слишком полезна непосредственно. Прямой расчёт среднего значения мощности требует интегрирования по времени. Для вычисления мощности в цепях, где напряжение и ток изменяются периодически, среднюю мощность можно вычислить, интегрируя мгновенную мощность в течение периода. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.

Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности, удобно обратиться к теории комплексных чисел. Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность — мнимой частью, полная мощность — модулем, а угол φ{\displaystyle \varphi } (сдвиг фаз) — аргументом. Для такой модели оказываются справедливыми все выписанные ниже соотношения.

Активная мощность[ | ]

Единица измерения — ватт (русское обозначение: Вт; международное: W).

P=U⋅I⋅cos⁡φ{\displaystyle P=U\cdot I\cdot \cos \varphi }.

Среднее за период T{\displaystyle T} значение мгновенной мощности называется активной электрической мощностью или электрической мощностью: P=1T∫0Tp(t)dt{\displaystyle P={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}p(t)dt}. В цепях однофазного синусоидального тока P=U⋅I⋅cos⁡φ{\displaystyle P=U\cdot I\cdot \cos \varphi }, где U{\displaystyle U} и I{\displaystyle I} — среднеквадратичные значения напряжения и тока, φ{\displaystyle \varphi } — угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r{\displaystyle r} или её проводимость g{\displaystyle g} по формуле P=I2⋅r=U2⋅g{\displaystyle P=I^{2}\cdot r=U^{2}\cdot g}. В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью S{\displaystyle S} активная связана соотношением P=S⋅cos⁡φ{\displaystyle P=S\cdot \cos \varphi }.

В теории длинных линий (анализ электромагнитных процессов в линии передачи, длина которой сравнима с длиной электромагнитной волны) полным аналогом активной мощности является проходящая мощность, которая определяется как разность между падающей мощностью и отраженной мощностью.

Реактивная мощность[ | ]

Единица измерения — вольт-ампер реактивный (русское обозначение: вар; международное: var)[1].

Q=U⋅I⋅sin⁡φ{\displaystyle Q=U\cdot I\cdot \sin \varphi }.

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U{\displaystyle U} и тока I{\displaystyle I}, умноженному на синус угла сдвига фаз φ{\displaystyle \varphi } между ними: Q=U⋅I⋅sin⁡φ{\displaystyle Q=U\cdot I\cdot \sin \varphi } (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает — отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S{\displaystyle S} и активной мощностью P{\displaystyle P} соотношением: |Q|=S2−P2{\displaystyle |Q|={\sqrt {S^{2}-P^{2}}}}.

Физический смысл реактивной мощности — это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

Необходимо отметить, что величина sin⁡φ{\displaystyle \sin \varphi } для значений φ{\displaystyle \varphi } от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin⁡φ{\displaystyle \sin \varphi } для значений φ{\displaystyle \varphi } от 0 до −90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой Q=UIsin⁡φ{\displaystyle Q=UI\sin \varphi }, реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную — то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например, асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии, возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения.

Полная мощность[ | ]

Единица полной электрической мощности — вольт-ампер (русское обозначение: В·А; международное: V·A)[1].

Полная мощность — величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I{\displaystyle I} в цепи и напряжения U{\displaystyle U} на её зажимах: S=U⋅I{\displaystyle S=U\cdot I}; связана с активной и реактивной мощностями соотношением: S=P2+Q2,{\displaystyle S={\sqrt {P^{2}+Q^{2}}},} где P{\displaystyle P} — активная мощность, Q{\displaystyle Q} — реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q>0{\displaystyle Q>0}, а при ёмкостной Q<0{\displaystyle Q<0}).

Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой: S⟶=P⟶+Q⟶.{\displaystyle {\stackrel {\longrightarrow }{S}}={\stackrel {\longrightarrow }{P}}+{\stackrel {\longrightarrow }{Q}}.}

Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому полная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Комплексная мощность[ | ]

Мощность, аналогично импедансу, можно записать в комплексном виде:

S˙=U˙I˙∗=I2Z=U2Z∗,{\displaystyle {\dot {S}}={\dot {U}}{\dot {I}}^{*}=I^{2}\mathbb {Z} ={\frac {U^{2}}{\mathbb {Z} ^{*}}},} где U˙{\displaystyle {\dot {U}}} — комплексное напряжение, I˙{\displaystyle {\dot {I}}} — комплексный ток, Z{\displaystyle \mathbb {Z} } — импеданс, * — оператор комплексного сопряжения.

Модуль комплексной мощности |S˙|{\displaystyle \left|{\dot {S}}\right|} равен полной мощности S{\displaystyle S}. Действительная часть Re(S˙){\displaystyle \mathrm {Re} ({\dot {S}})} равна активной мощности P{\displaystyle P}, а мнимая Im(S˙){\displaystyle \mathrm {Im} ({\dot {S}})} — реактивной мощности Q{\displaystyle Q} с корректным знаком в зависимости от характера нагрузки.

Измерения[ | ]

Для измерения электрической мощности применяются ваттметры и варметры, можно также использовать косвенный метод, с помощью вольтметра и амперметра.
Для измерения коэффициента реактивной мощности применяют фазометры
Государственный эталон — ГЭТ 153—2012 Государственный первичный эталон единицы электрической мощности в диапазоне частот от 1 до 2500 Гц. Институт-хранитель: ВНИИМ

Мощность некоторых электрических приборов[ | ]

В таблице указаны значения мощности некоторых потребителей электрического тока:

Электрический прибор Мощность,Вт

лампочка фонарика	1
сетевой роутер, хаб	10…20
системный блок ПК	100…1700
системный блок сервера	200…1500
монитор для ПК ЭЛТ	15…200
монитор для ПК ЖК	2…40
лампа люминесцентная бытовая	5…30
лампа накаливания бытовая	25…150
Холодильник бытовой	15…700
Электропылесос	100… 3000
Электрический утюг	300…2 000
Стиральная машина	350…2 000
Электрическая плитка	1 000…2 000
Сварочный аппарат бытовой	1 000…5 500
Двигатель лифта невысокого дома	3 000...15 000
Двигатель трамвая	45 000…50 000
Двигатель электровоза	650 000
Электродвигатель шахтной подъемной машины	1 000 000...5 000 000
Электродвигатели прокатного стана	6 000 000…9 000 000

См. также[ | ]

Примечания[ | ]

Литература[ | ]

ГОСТ 8.417-2002 Единицы величин
ПР 50.2.102-2009 Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации
Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. — М: Высшая школа, 1984.
Гольдштейн Е. И., Сулайманов А. О., Гурин Т. С. Мощностные характеристики электрических цепей при несинусоидальных токах и напряжениях. ТПУ, — Томск, 2009, Деп. в ВИНИТИ, 06.04.09, № 193—2009. — 146 с.

Ссылки[ | ]

encyclopaedia.bid

Электрическая мощность и ее виды

Date 16.03.2012 Author By ipadminka Category Документация

Электрическая мощность Говоря об электрической мощности, большинство людей подразумевают под ней некую силу. Однако еще со школьного курса физики можно вспомнить, что сила и мощность являются хоть и взаимозависимыми, но разными понятиями.

Изначально мощность является характеристикой, относящейся к определенному событию. При этом если оно привязано к какому-либо предмету, то понятие мощности условно соотносят и с ним.

Воздействием силы можно назвать любое физическое действие. А сила, при помощи которой был пройден определенный путь, будет равна совершенной работе. В свою очередь работа, проделанная за определенный временной промежуток времени, приравнивается к мощности. Таким образом, мощность является физической величиной, равной отношению совершенной за определенное время работы к этому же времени. Но учитывая то, что мощность — это еще и мера измерения энергии, то можно утверждать, что она также является и скоростью преобразования энергии в системе. Однако приведенные выше определения в большей мере касаются механической мощности, а ведь в современной жизни, которая изобилует всевозможными электроприборами, просто необходимо иметь понятие о том, что такое ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ. А мощностью электрического тока называют произведение тока на напряжение. И именно потому, что она в равной степени зависит от тока и от напряжения, одна и та же электрическая мощность может быть получена или при большом токе и низком напряжении или, наоборот, при высоком напряжении и малом токе. Это свойство электромощности положено в основу передачи электроэнергии на удаленные расстояния от электростанций при помощи трансформаторного преобразования на повышающих и понижающих электроподстанциях.

Различают два основных вида электрической мощности: активную и реактивную. Активная электромощность характеризуется безвозвратной трансформацией в иные виды энергии, такие как тепло, свет, движение и т. д. Единица измерения этой физической величины – ватты (Вт). В быту электроэнергию, как правило, измеряют в киловаттах, а на электростанциях энергия исчисляется в еще более крупных единицах – мегаваттах. Измерить активную электрическую мощность можно умножив один вольт на один ампер.

Реактивная электрическая мощность характеризует электронагрузку в различного рода электрических устройствах и равняется произведению рабочего тока и падения напряжения на синус угла сдвига фаз между ними. Единицей измерения реактивной мощности является вольт-ампер реактивный (ВАр).

Измеряют электрическую мощность при помощи специального прибора – ваттметра, имеющего 2 обмотки. Одна обмотка состоит из толстого провода и включается вместе с потребителем, фиксируя изменения величины тока. Вторая состоит из тонкого провода и включается параллельно, учитывая напряжение.

b2prom.ru

Как рассчитать электрическую мощность | Синтезгаз

Электрическая мощность

Если появилась необходимость в обеспечении стабильной работы электрооборудования и для этого планируется приобретение источника бесперебойного питания, стабилизатора напряжения, электрогенератора или миниэлектростанции, то сначала нужно рассчитать суммарную мощность одновременно включаемых потребителей (оборудования).

При возникновении такой задачи, не сведущим в электротехнике людям порой довольно сложно разобраться в указанных на оборудовании различных числах, измеряемых в Вт или ВА, и каком-то cosφ. Обозначают эти величины полную и полезную мощность, которые связаны между собой посредством cosφ.

Поскольку основная часть потребители электроэнергии является устройствами переменного тока, то для подсчета их полной мощности используется концепция реактивной и активной мощности, которая не актуальна для для оборудования, использующего постоянный ток. Так же следует помнить, что в момент включения оборудования с электродвигателем потребляемая мощность будет в несколько раз превышать указанною в технических характеристиках, из-за возникновения пусковых (пиковых) токов.

Принципиальное различие между активной и реактивной мощностью заключается в том, что в первом случае практически вся потребляемая электроэнергия используется на выполнение полезной работы, во втором случае часть потребляемой электроэнергии расходуется на создание электромагнитных полей, не связанных с выполнением полезной работы.

Активная мощность P (active power, true power, real power) потребляется электросопротивлением устройства, поэтому ее еще называют резистивная или омическая. Эта мощность преобразуется в полезную световую, тепловую, механическую и другие виды энергии.

Активная нагрузка – это осветительные и электронагревательные приборы: лампы накаливания, теплые полы, утюги, электрочайники, электроплиты и т.д. Единицей измерения активной мощности является ватт (Вт, W). Коэффициент перевода Вт в ВА в данном случае можно считать равным единице, то есть общую мощность потребителей этого типа определяют суммированием паспортных значений в ваттах.

То есть, если, например, необходимо учитывать одновременную работу освещения из четырех ламп накаливания по 60 Вт и электроконвектора паспортной мощностью в 2 кВт выполняем простую операцию: 60 х 4 + 2000 = 2240 Вт или практически 2240 ВА.

Реактивная мощность Q (reactive power) – это понятие обозначает ту часть электроэнергии (реактивная составляющая), которая расходуется на создания переменных электромагнитных полей, возникающих при переходных процессах в оборудовании, имеющем в своем составе индуктивные и/или емкостные составляющие (катушки индуктивности, конденсаторы и т.п.).

Реактивная мощность неизбежно присутствует при работе электродвигателей, трансформаторов и, в то же время, она не выполняет полезной работы, но создает дополнительную нагрузку на электросеть. Единицей измерения реактивной мощности является вольт-ампер реактивной мощности (ВАр, VAr).

Обычно в технических характеристиках электрооборудования с реактивной мощностью (пылесосы, холодильники, микроволновые печи, стиральные машины, кондиционеры, люминесцентные лампы, электродрели, сварочные аппараты и т.д.) указывается его активная мощность в Вт и cosφ – коэффициент мощности (power factor, PF).

Значение cosφ указывает на ту часть потребляемой электроэнергии, которая преобразуется в активную мощность (при cosφ = 0,7, например, 70% «уйдет» на выполнение полезной работы, а оставшиеся 30% составят реактивную мощность). То есть, если в техническом паспорте холодильника указана мощность 700 Вт и cosφ = 0,6, то его полная мощность будет равна 750/0,6 = 1250 ВА.

Помимо активной и реактивной мощности, для оборудования, имеющего в своей конструкции электродвигатель, необходимо принимать во внимание возникающие при его запуске пусковые или пиковые токи, в несколько раз превышающие номинальное значение. Несмотря на кратковременность (от долей до нескольких секунд), они оказывают существенное влияние на работу миниэлектростанций (электрогенераторов), стабилизаторов и источников бесперебойного питания.

Многие производители игнорируют этот параметр в технических характеристиках выпускаемого оборудования и его приходиться уточнять у консультанта при покупке или в сервисном центре. Измерить значение пускового тока бытовым прибором не представляется возможным, поэтому, в крайнем случае, можно использовать усредненные значения коэффициентов пускового тока (ввиду приблизительности эти величины могут не отражать реальной ситуации).

Оборудование	Коэффициентпускового тока	Оборудование	Коэффициентпускового тока
Телевизор, пылесос	1	Циркулярная пила	2
Компьютер	2	Электропила	2
СВЧ-печь	2	Электрорубанок	2
Стиральная машина	3	Болгарка (УШМ)	2
Кондиционер	5	Дрель/Перфоратор	3
Холодильник	4	Бетономешалка	3
Электромясорубка	7	Погружной насос	7

То есть для окончательного определения электрической мощности такого потребителя, как упоминавшийся выше холодильник, необходимо полученное ранее значение 1250 ВА умножить на коэффициент пускового тока и наши скромные паспортные 700 Вт превратятся в 1250 х 4 = 5000 ВА.

Различия в коэффициентах пускового тока обусловлены условиями работы электродвигателя после момента включения. Так двигатель холодильника или погружного насоса помимо выхода на рабочие обороты должен сразу после включения начать качать соответственно хладагент или воду, поэтому сопротивление движению изначально максимально. А у дрели или пылесоса за счет холостого хода при разгоне двигателя сопротивление движению нарастает плавно.

Большие пусковые токи при включении имеют и лампы накаливания, поскольку сопротивление холодной спирали в несколько раз ниже, чем раскаленной. Коэффициент пускового тока в этом случае может равняться 5 – 13, но ввиду кратковременности (0,05 – 0,30 секунд) его можно не учитывать для нескольких ламп, но на производстве, где их количество может достигать сотен, пренебречь возникающими скачками тока уже не удастся. Для люминесцентных ламп с электронным поджигом коэффициент пускового тока равен 1,1 – 2,0.

Работа и мощность электрического тока :: Класс!ная физика

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

Электрическая мощность - это... Что такое Электрическая мощность?

Мгновенная электрическая мощность

По определению, электрическое напряжение — это отношение работы электрического поля, совершенной при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B, к величине пробного заряда. То есть можно сказать, что электрическое напряжение равно работе по переносу единичного заряда из точки А в точку B. Другими словами, при движении единичного заряда по участку электрической цепи он совершит работу, численно равную электрическому напряжению, действующему на участке цепи. Умножив работу на количество единичных зарядов, мы, таким образом, получаем работу, которую совершают эти заряды при движении от начала участка цепи до его конца. Мощность, по определению, — это работа в единицу времени. Введём обозначения: U — напряжение на участке A-B (принимаем его постоянным на интервале Δt), Q — количество зарядов, прошедших от А к B за время Δt. А — работа, совершённая зарядом Q при движении по участку A-B, P — мощность. Записывая вышеприведённые рассуждения, получаем:

Для единичного заряда на участке A-B:

Для всех зарядов:

Поскольку ток есть не что иное, как количество зарядов в единицу времени, то есть по определению, в результате получаем:

мгновенная электрическая мощность p(t), выделяющаяся на участке электрической цепи, есть произведение мгновенных значений напряжения u(t) и силы тока i(t) на этом участке:

Если участок цепи содержит резистор c электрическим сопротивлением R, то

Дифференциальные выражения для электрической мощности

Мощность, выделяемая в единице объёма, равна:

В линейном изотропном приближении:

В линейном анизотропном приближении (например, в монокристалле или жидком кристалле, а также при наличии эффекта Холла):

Мощность постоянного тока

Для пассивной линейной цепи, в которой соблюдается закон Ома, можно записать:

Если цепь содержит источник ЭДС, то отдаваемая им или поглощаемая на нём электрическая мощность равна:

где — ЭДС.

Если ток внутри ЭДС противонаправлен градиенту потенциала (течёт внутри ЭДС от плюса к минусу), то мощность поглощается источником ЭДС из сети (например, при работе электродвигателя или заряде аккумулятора), если сонаправлен (течёт внутри ЭДС от минуса к плюсу), то отдаётся источником в сеть (скажем, при работе гальванической батареи или генератора). При учёте внутреннего сопротивления источника ЭДС выделяемая на нём мощность прибавляется к поглощаемой или вычитается из отдаваемой.

Мощность переменного тока

В переменном электрическом поле формула для мощности постоянного тока оказывается неприменимой. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.

Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности, удобно обратиться к теории комплексных чисел. Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность — мнимой частью, полная мощность — модулем, а угол φ (сдвиг фаз) — аргументом. Для такой модели оказываются справедливыми все выписанные ниже соотношения.

Активная мощность

Единица измерения — ватт (W, Вт).

Среднее за период T значение мгновенной мощности называется активной мощностью: В цепях однофазного синусоидального тока где U и I — среднеквадратичные значения напряжения и тока, φ — угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r или её проводимость g по формуле В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью S активная связана соотношением

Реактивная мощность

Единица измерения — вольт-ампер реактивный (var, вар)

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними: (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает — отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью Р соотношением: .

Необходимо отметить, что величина sin φ для значений φ от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ для значений φ от 0 до −90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой Q = UI sin φ, реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную — то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например, асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения.

Измерительные преобразователи реактивной мощности, использующие формулу Q = UI sin φ, более просты и значительно дешевле измерительных преобразователей на микропроцессорной технике.[источник не указан 124 дня]

Полная мощность

Единица полной электрической мощности — вольт-ампер (V·A, В·А)

Полная мощность — величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах: S = U·I; связана с активной и реактивной мощностями соотношением: где Р — активная мощность, Q — реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q > 0, а при ёмкостной Q < 0).

Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой:

Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Комплексная мощность

Мощность, аналогично импедансу, можно записать в комплексном виде:

где — комплексное напряжение, — комплексный ток, — импеданс, * — оператор комплексного сопряжения.

Модуль комплексной мощности равен полной мощности S. Действительная часть равна активной мощности Р, а мнимая — реактивной мощности Q с корректным знаком в зависимости от характера нагрузки.

Неактивная мощность

Неактивная мощность (пассивная мощность)[источник не указан 172 дня] — это мощность нелинейных искажений тока, равная корню квадратному из разности квадратов полной и активной мощностей в цепи переменного тока. В цепи с синусоидальным напряжением неактивная мощность равна корню квадратному из суммы квадратов реактивной мощности и мощностей высших гармоник тока[источник не указан 172 дня]. При отсутствии высших гармоник неактивная мощность равна модулю реактивной мощности.

Под мощностью гармоники тока понимается произведение действующего значения силы тока данной гармоники на действующее значение напряжения[источник не указан 172 дня].

Наличие нелинейных искажений тока в цепи означает нарушение пропорциональности между мгновенными значениями напряжения и силы тока, вызванное нелинейностью нагрузки, например когда нагрузка имеет реактивный или импульсный характер. При линейной нагрузке сила тока в цепи пропорциональна мгновенному напряжению, вся потребляемая мощность является активной. При нелинейной нагрузке увеличивается кажущаяся (полная) мощность в цепи за счёт мощности нелинейных искажений тока, которая не принимает участия в совершении работы[источник не указан 172 дня]. Мощность нелинейных искажений не является активной и включает в себя как реактивную мощность, так и мощность прочих искажений тока. Данная физическая величина имеет размерность мощности, поэтому в качестве единицы измерения неактивной мощности можно использовать В∙А (вольт-ампер) или вар (вольт-ампер реактивный). Вт (ватт) использовать нежелательно, чтобы неактивную мощность не спутали с активной.

Связь неактивной, активной и полной мощностей

Величину неактивной мощности обозначим N. Через i обозначим вектор тока, через u — вектор напряжения. Буквами I и U будем обозначать соответствующие действующие значения:

Представим вектор тока i в виде суммы двух ортогональных составляющих ia и ip, которые назовём соответственно активной и пассивной. Поскольку в совершении работы участвует только составляющая тока, коллинеарная напряжению, потребуем, чтобы активная составляющая была коллинеарна напряжению, то есть ia = λu, где λ — некоторая константа, а пассивная — ортогональна, то есть Имеем

Запишем выражение для активной мощности P, скалярно умножив последнее равенство на u:

Отсюда находим

Выражение для величины неактивной мощности имеет вид где S = U I — полная мощность.

Для полной мощности цепи справедливо представление, аналогичное выражению для цепи с гармоническими током и напряжением, только вместо реактивной мощности используется неактивная мощность:

Таким образом, понятие неактивной мощности представляет собой один из способов обобщения понятия реактивной мощности для случая несинусоидальных тока и напряжения. Неактивная мощность иногда называется реактивной мощностью по Фризе.

Измерения

Для измерения электрической мощности применяются ваттметры и варметры, можно также использовать косвенный метод, с помощью вольтметра и амперметра.
Для измерения коэффициента реактивной мощности применяют фазометры
Государственный эталон — ГЭТ 153-86 Государственный специальный эталон единицы электрической мощности в диапазоне частот 40-2500 Гц. Институт-хранитель: ВНИИМ

Мощность некоторых электрических приборов

В таблице указаны значения мощности некоторых потребителей электрического тока:

Электрический прибор Мощность,Вт

Лампочка фонарика	1
Лампа люминесцентная бытовая	5…30
Лампа накаливания бытовая	25…150
Холодильник бытовой	15…200
Электропылесос	100…2 000
Электрический утюг	300…2 000
Стиральная машина	350…2 000
Электрическая плитка	1 000…2 000
Сварочный аппарат бытовой	1 000…5 500
Двигатель трамвая	45 000…50 000
Двигатель электровоза	650 000
Электродвигатели прокатного стана	6 000 000…9 000 000

Большинство бытовых приборов рассчитаны на напряжение 220 В, но на разную силу тока. Поэтому мощность потребителей электроэнергии разная.

Литература

ГОСТ 8.417-2002 Единицы величин
ПР 50.2.102-2009 Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации
Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. — М: Высшая школа, 1984.
Гольдштейн Е. И., Сулайманов А. О., Гурин Т. С. Мощностные характеристики электрических цепей при несинусоидальных токах и напряжениях. ТПУ, — Томск, 2009, Деп. в ВИНИТИ, 06.04.09, № 193—2009. — 146 с.

Дополнительная литература

Агунов М. В., Агунов А. В. Об энергетических соотношениях в электрических цепях с несинусоидальными режимами // Электричество, 2005, № 4, С. 53-56.
Агунов М. В., Агунов А. В., Вербова Н. М. Новый подход к измерению электрической мощности // Промышленная энергетика, 2004, № 2, С. 30-33.
Агунов М. В., Агунов А. В., Вербова Н. М. Определение составляющих полной мощности в электрических цепях с несинусоидальными напряжениями и токами методами цифровой обработки сигналов // Электротехника, 2005, № 7, С. 45-48.
Агунов А. В. Неактивные составляющие полной мощности в автономных электротехнических системах судостроения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб., СПбГМТУ, 1997, 20 с.
Агунов М. В. Энергетические процессы в электрических цепях с несинусоидальными режимами и их эффективность. Кишинев-Тольятти: МолдНИИТЭИ, 1997, 84 с.
Агунов М. В., Агунов А. В. Об энергетических соотношениях в электрических цепях с несинусоидальными режимами // Электричество, 2005, № 4, С. 53-56.
Агунов А. В. Управление качеством электроэнергии при несинусоидальных режимах. СПб., СПбГМТУ, 2009, 134 с.
Агунов М. В., Агунов А. В., Вербова Н. М. Новый подход к измерению электрической мощности // Промышленная энергетика, 2004, № 2, С. 30-33.
Агунов А. В. Статический компенсатор неактивных составляющих мощности с полной компенсацией гармонических составляющих тока нагрузки // Электротехника, 2003, № 2, С. 47-50.

Ссылки

См. также

muller.academic.ru

Определение электрической мощности оборудования.

Если для обеспечения надежной работы электрооборудования вы пришли к выводу о необходимости приобретения электрогенератора (миниэлектростанции), стабилизатора напряжения или источника бесперебойного питания (UPS), перво-наперво вам необходимо рассчитать мощность нагрузки, то есть суммарной мощности одновременно включаемого оборудования (потребителей).

При этом не сведущим в электротехнике людям порой довольно сложно разобраться в указанных на оборудовании различных числах, измеряемых в Вт или ВА, и каком-то cosφ. Обозначают эти величины полную и полезную мощность, которые связаны между собой посредством cosφ.

Определение электрической мощности потребителей заключается в расчете общей полной (суммарной) электрической мощности всего подключаемого электрооборудования. Единицей измерения полной мощности выступает вольт-ампер (ВА, VA). Поскольку основная часть потребители электроэнергии является устройствами переменного тока, то для подсчета их полной мощности используется концепция реактивной и активной мощности, которая в силу малости эффектов не актуальна для использующего постоянный ток электрооборудования. Так же не следует забывать, что в момент включения оборудования с электродвигателем потребляемая мощность будет в несколько раз превышать указанное в технических характеристиках значение по причине возникновения пусковых (пиковых) токов.

Активная мощность P (active power, true power, real power) потребляется электросопротивлением устройства, поэтому употребляются также названия резистивная или омическая, и преобразуется в полезную световую, тепловую, механическую и другие виды энергии. Активная нагрузка – это осветительные и электронагревательные приборы: лампы накаливания, теплые полы, утюги, электрочайники, электроплиты и т.д. Единицей измерения активной мощности является ватт (Вт, W).

Коэффициент перевода Вт в ВА в данном случае можно считать равным единице, то есть общую мощность потребителей этого типа определяют суммированием паспортных значений в ваттах. То есть, если, например, необходимо учитывать одновременную работу освещения из четырех ламп накаливания по 60 Вт и электроконвектора паспортной мощностью в 2 кВт выполняем простую операцию: 60 х 4 + 2000 = 2240 Вт или практически 2240 ВА.

Реактивная мощность неизбежна при работе электродвигателей, трансформаторов и, в то же время, она не выполняет полезной работы, но создает дополнительную нагрузку на электросеть. Единицей измерения реактивной мощности является вольт-ампер реактивной мощности (ВАр, VAr).

Как правило, в технических характеристиках электрооборудования с реактивной мощностью (холодильники, микроволновые печи, стиральные машины, кондиционеры, люминесцентные лампы, электроинструменты, сварочные аппараты и т.д.) указывается его активная мощность в Вт и cosφ – коэффициент мощности (power factor, PF). Значение cosφ указывает на ту часть потребляемой электроэнергии, которая преобразуется в активную мощность (при cosφ = 0,6, например, 60% «уйдет» на выполнение полезной работы, а оставшиеся 40% составят реактивную мощность). То есть, если в техническом паспорте холодильника указана мощность 875 Вт и cosφ = 0.7, то его полная мощность будет равна 875/0.7 = 1250 ВА.

Пусковые токи. Помимо активной и реактивной мощности, для оборудования, имеющего в своей конструкции электродвигатель, необходимо принимать во внимание возникающие при его запуске пусковые или пиковые токи, в несколько раз превышающие номинальное значение. Несмотря на кратковременность (от долей до нескольких секунд), они оказывают существенное влияние на работу миниэлектростанций (электрогенераторов), стабилизаторов и источников бесперебойного питания.

Оборудование	Коэффициентпускового тока	Оборудование	Коэффициентпускового тока
Телевизор, пылесос	1	Циркулярная пила	2
Компьютер	2	Электропила	2
СВЧ-печь	2	Электрорубанок	2
Стиральная машина	3	Болгарка (УШМ)	2
Кондиционер	5	Дрель/Перфоратор	3
Холодильник	4	Бетономешалка	3
Электромясорубка	7	Погружной насос	7

То есть для окончательного определения электрической мощности такого потребителя, как упоминавшийся выше холодильник, необходимо полученное ранее значение 1250 ВА умножить на коэффициент пускового тока и наши скромные паспортные 875 Вт превратятся в 1250 х 4 = 5000 ВА.

Большие пусковые токи при включении имеют и лампы накаливания, поскольку сопротивление холодной спирали в несколько раз ниже, чем раскаленной. Коэффициент пускового тока в этом случае может равняться 5 – 13, но ввиду кратковременности (0.05 – 0.30 секунд) его можно не учитывать для нескольких ламп, но на производстве, где их количество может достигать сотен, пренебречь возникающими скачками тока уже не удастся. Для люминесцентных ламп с электронным поджигом коэффициент пускового тока равен 1.1 – 2.0.

komfortnyj-dom.info

Урок 6. Работа и мощность электрического тока

Доброго вам времени суток! Рад снова видеть вас на уроке. Сегодня нас ждёт разговор об одном свойстве электрического тока, которое может быть и полезным, и вредным. Ранее уже упоминалось, что для переноса заряда по проводнику необходимо затратить некоторое количество энергии. Так же мы говорили о том, что источником этой энергии для электрической цепи являются источники тока. А куда же эта энергия девается, ведь электроны только переносят её из точки А в точку В и отдают либо узлам решётки материала, либо, если электрон ну оооочень везучий, возвращают её на противоположный электрод батареи? Стоит сразу заметить, что число таких «везучих» электронов очень близко к нулю, то есть вероятность электрона достигнуть лампочки во Владивостоке, вылетев из розетки в Москве, практически равна нулю (оп-па, какая подсказочка к задаче из Урока 1). Это объясняется очень просто: ЭДС источника всегда уменьшается, значит, энергия пропадает куда-то… Но это нарушало бы закон сохранения энергии. А давайте-ка разберёмся в этих вопросах!

Действительно, энергия не может пропадать в никуда, она лишь преобразуется из одного вида в другой. На этом принципе работают источники тока: какой-то вид энергии (химическая, световая, механическая и т.д.) преобразуются в электрическую энергию. Имеет место и обратное преобразование: зарядка аккумулятора приводит к восстановлению электролита, электрическая лампочка излучает свет, а динамик наушников – звук. Эти процессы и характеризуют работу электрического тока. Давайте для наглядности остановимся на обыкновенной лампе накаливания. Известно, что их существует большое количество: разнообразные размеры и формы, рабочее напряжение, некоторые лампы светят ярче, некоторые тусклее. Неизменным остаётся только принцип их работы. Рассмотрим внутреннее строение такой лампы: электроника лампа 6 1

Рисунок 6.1 – Внутреннее строение лампы накаливания

Обычная лампочка, которую сейчас пытаются заменить на так называемую «энергосберегающую», состоит из:

1. Стеклянная колба.
2. Полость колбы (вакуумированная или наполненная газом).
3. Нить накаливания (вольфрам или его сплав).
4. Первый электрод.
5. Второй электрод.
6. Крючки-держатели нити накаливания.
7. Ножка лампы (выполняет функцию держателя).
8. Внешний вывод для подключения (токоввод), имеющий внутри предохранитель, который защищает колбу от разрыва в момент перегорания нити накала.
9. Корпус цоколя (держатель лампы в патроне).
10. Изолятор цоколя (стекло).
11. Второй внешний вывод для подключения (токоввод).

Как легко заметить к электрической части лампы (то есть той части, по которой протекает ток), можно отнести далеко не все составляющие. Можно сказать, что лампа состоит из проводника, который посредством специальной системы может подключаться к электрической цепи. Принцип работы лампы накаливания основан на эффекте электромагнитного теплового излучения. Однако излучение может приходиться на разные области спектра: от инфракрасного до видимого. Чтобы обеспечить излучение в видимой области спектра, согласно закону Планка (зависимость длины волны излучения от температуры), необходимо подобрать температуры, при которой происходит излучение преимущественно белого света. Этому условию удовлетворяет диапазон температур от 5500 до 7000 градусов Кельвина. При температуре 5770К спектр излучения лампы будет совпадать со спектром излучения Солнца, что наиболее привычно человеческому глазу.

Однако нагревания до таких высоких температур не выдерживает ни один из известных металлов. Наиболее тугоплавкие металлы вольфрам и осмий имеют температуру плавления 34100С (3683К) и 30450С (3318К), соответственно. Поэтому все лампы накаливания излучают только бледно-желтый свет, однако, реально воспринимаемый цвет может быть искажён адаптацией глаза к условиям освещения. Излучение «холодного» белого света является одним из преимуществ «энергосберегающих» ламп перед лампами накаливания.Колба с газом или вакуумом необходима для защиты нити накала от воздействия атмосферного воздуха. Газовая среда состоит в основном из смеси инертных газов (смесь азота N2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости и большой молярной массы, которая уменьшает потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности). Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений. В такой лампе испарившийся с поверхности тела накала металл вступает в соединение с галогенами, и затем возвращается на поверхность нити за счёт температурного разложения получившегося соединения. Такие лампы имеют большую температуру спирали, больший КПД и срок службы, меньший размер колбы и другие преимущества. Но вернемся к току, который протекает по нити накаливания…

Ранее мы говорили, что перенос единичных зарядов в проводнике из точки А в точку В производится под действием электрического напряжения, которое совершает работу. При различных значениях напряжения и величине заряда, выполняется различная работа, следовательно, необходимо оценить величину скорости передачи (преобразования) энергии. Эта величина называется электрической мощностью и характеризует выполненную работу за единицу времени: электрическая мощность формула

Работа электрического тока при переносе одного заряда численно равна значению напряжения на участке АВ (см. Урок 3: потенциальная энергия поля равна произведению разности потенциалов на перенесённый заряд), тогда: формула мощность тока

Умножив значение мощности для одного заряда на число перенесённых зарядов, получим значение мощности электрического тока: мощность электрического тока полная формула

Учитывая, что отношение величины заряда ко времени равно величине протекающего тока, получим: в чем измеряется мощность тока

Величина электрической мощности измеряется в ваттах (Вт) или в вольт-амперах (ВА), однако, эти величины не являются тождественными. Хотя произведение силы тока, выраженной в амперах на напряжение, выраженное в вольтах, даёт величину вольт-амперы, она используется для характеристики несколько «другой» мощности, которую мы рассмотрим позже, так как она пока не связана с изучаемыми характеристиками.Тогда работа тока равна мощности, умноженной на время: работа тока формула

Величина работы электрического тока измеряется в джоулях (Дж).Применяя закон Ома и следствия из него, получим еще два выражения для вычисления электрической мощности: как найти мощность электрического тока

При помощи этих формул и известных значений любых двух величин из четырех (напряжение, ток, сопротивление, мощность) можно найти остальные две величины. Кроме того, эти формулы выражают так называемую постоянную мощность. Кроме неё, можно дать характеристику мгновенной мощности, которая в различные моменты времени может изменять своё значение: мгноменная мощность формула

Обычно для выделения величины, зависящей от времени (мгновенное значение) используют строчные буквы алфавита, а для выделения величин, характеризующие постоянные или усреднённые значения – прописные. Мгновенной работы, разумеется, не существует.

Так же следует запомнить, что электроны, перемещающиеся по проводнику, сталкиваются с узлами кристаллической решётки, отдают им свою энергию, которая выделяется в виде тепла, поэтому практически вся электрическая энергия в проводнике переходит в тепловую, но при высоких температурах нагрева (электрическая лампа) часть энергии расходуется еще и на световое излучение.

Кроме того, раз на любом участке проводника существует преобразование мощности в тепло, значит, не вся мощность, выделяемая источником, (а она эквивалентна мощности тока, только вместо значения напряжения в формулу 6.1 необходимо подставить значение ЭДС источника) поступает в нагрузку. Нагрузкой в электротехнике называется потребитель (приемник) электрической энергии, в данном случае – лампа накаливания. Тогда для характеристики эффективности системы (устройства, машины, электрической цепи) в отношении преобразования или передачи энергии вводится коэффициент полезного действия (КПД). Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой, обозначается обычно η («эта»). КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде: как найти КПД тока формула

где A – работа, выполненная потребителем,Q – энергия, отданная источником.

В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.

Разность ∆Q=A-Q называется потерями мощности. Из формулы 6.3 видно, что потери мощности будут возрастать при увеличении сопротивления проводника, поэтому чтобы получить как можно больше теплового излучения в лампах используется тонкая бифилярная (двойная) спираль, сопротивление которой довольно велико. Нить имеет толщину порядка 50 микрон, чтобы компенсировать относительно малое удельное сопротивление металла. Стоит отметить, что КПД ламп накаливания составляет не более 15%, то есть более 85% мощности рассеивается в виде тепла (инфракрасное излучение).

На этом наш урок закончен, надеюсь, что он вам понравился, не забывайте подписываться на обновления. До свидания!

Мощность электрического тока (P) – характеристика скорости передачи (преобразования) энергии. Измеряется в ваттах (Вт).
Основные формулы вычисления мощности:
Работа электрического тока (A) – произведение мощности на время:измеряется в джоулях (Дж).
Мгновенная мощность зависит от выбранного момента времени; мгновенное значение тока и напряжения также изменяются во времени из-за внешних факторов: изменения температуры, влияния внешнего поля, нестабильности ЭДС источника питания и т.д.
Коэффициент полезного действия (η) – отношение полезной работы (энергии, переданной потребителю) к полной затраченной энергии:КПД характеризует степень полезности системы и определяется количество потерь мощности в ней.
Потери мощности в проводнике образуются преобразованием электрического тока в тепловую энергию, зависят от сопротивления проводника и не входят в величину полезной работы.

Задачки на сегодня.

1.Две электрические лампы, мощность которых 40 и 100 Вт, рассчитаны на одно и то же напряжение. Сравните диаметры нитей накала, если они изготовлены из одинакового материала, а длины их относятся как 1:2.
2.Поселок потребляющий электрическую мощность Р=1200 кВт, находится на расстоянии l=5 км от электростанции. Передача энергии производится при напряжении U=60 кВ. Допустимая относительная потеря напряжения(и мощности) в проводах k=1% Какой минимальный диаметр d могут иметь медные провода линий электропередачи?
3.Повышенная сложность. Сила тока в проводнике сопротивлением R=20 Ом нарастает в течение времени t=2с по линейному закону от I0=0 до Imax=6A(см. рис.). Определить количество теплоты Q1, выделившееся в этом проводнике за первую секунду, и Q2 – за вторую, а также найти отношение этих количеств теплоты. (Считать, что вся мощность выделяется как тепловая энергия).