Большая Энциклопедия Нефти и Газа. На что расходуется мощность источника тока

Мощность электрического тока — работа, совершаемая в единицу времени электрическим полем при упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике.

Мощность электрического тока — работа, совершаемая в единицу времени электрическим полем при упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике.

По определению (см. Ф-10, § 34) средняя мощность тока равна:

Р = А =Q

t t '

С учетом формул (42, 43) получаем

Р = ЛД=^=Я/. (44)

При последовательном соединении проводников (I = const) мощность, выделяемая в проводниках, пропорциональна их сопротивлению.

При параллельном соединении проводников (U = const) мощность, выделяемая в проводниках, обратно пропорциональна их сопротивлению.

ВОПРОСЫ

На что расходуется энергия направленного движения заряженных частиц в проводнике?
Чему равно количество теплоты, получаемое кристаллической решеткой проводника от направленно движущихся заряженных частиц?
Сформулируйте закон Джоуля—Ленца. Запишите его математическое выражение.
Дайте определение мощности электрического тока. Приведите формулу для расчета этой мощности.
Как зависит мощность, выделяемая в проводниках с током, от типа их соединения?

ЗАДАЧ И

Найдите работу, совершенную силами электрического поля при прохождении зарядом 3 мкКл разности потенциалов 220 В. [0,66 мДж]
В проводнике сопротивлением 20 Ом сила тока 15 А. Найдите количество теплоты, выделяемое в проводнике за минуту. [270 кДж]

Постоянный электрический ток

3 Найдите сопротивление R двух одинаковых резисторов, если известно, что при подключении их к источнику тока с внутренним сопротивлением г мощность, выделяемая при их последовательном и параллельном соединении, одинакова. [R = г]

4. Электрический чайник имеет две обмотки. При включении одной из них вода в чайнике закипает за 10 мин, при включении другой — за 15 мин. За какой промежутоквремени закипит вода, если включить обмотки последовательно; параллельно?

[25 мин; 6 мин]

5. Электрические лампы, мощность которых Р, = 60 Вт и Рг = 40 Вт (при номинальномнапряжении 110 В), включены последовательно в сеть с напряжением 220 В. Найдите мощность каждой лампы при таком включении. [Р[ = 38,4 Вт; Р'% = 57,6 Вт]

§15. Передача мощности электрического тока от источника к потребителю

Максимальная мощность, передаваемая потребителю. При передаче электроэнергии от источника тока к потребителю часть энергии идет на нагревание подводящих проводов. Выясним, какая мощность передается потребителю, и найдем мощность, теряемую в проводах. Схему электропередачи можно представить в виде простейшей замкнутой цепи, включающей источник тока с ЭДС £ и внутренним сопротивлением г0, сопротивления нагрузки R и сопротивления подводящих проводов г (рис. 49, а). Такова, например, часть схемы электропитания автомобиля (рис. 49, б).

Обычно внутренним сопротивлением источника тока можно пренебречь, так как г0 « г; r0 « R. Сила тока

Тогда

$ = IR + Ir.

ЭДС равна сумме напряжений на сопротивлениях замкнутой цепи. Умножим последнее равенство на силу тока:

I$^PR + I2r. (45)

Каждое слагаемое в формуле (45) имеет определенный физический смысл.

1$ = Р — мощность сторонних сил, разделяющих разноименные заряды в источнике тока.

I2R = Рн — мощность, передаваемая потребителю (нагрузке сопротив-Лением R), или полезная мощность.

Электродинамика

а) I

Аккуму лятор

б) Звуковой сигнал

Фары

Габаритные огни

Задняя габаритная подсветка

Передача электроэнергии от источника к потребителю:

а) принципиальная схема электропередачи;

б) схема электропитания автомобиля

12г = РП — мощность, теряемая в проводниках (идущая на их нагревание), или потери мощности.

Мощность источника тока частично передается в нагрузку и частично теряется в проводах.

При передаче электрической энергии важно доставить потребителю максимальную мощность и снизить потери мощности в подводящих проводах. Выясним сначала, при каком сопротивлении нагрузки потребителю передается максимальная полезная мощность от источника тока. Зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки имеет вид:

£2Д

Pn(R) = I2R

(R + г)2

Функция PS(R) имеет максимум, если ее производная по R равна нулю, т. е.

р; (R) = о.

Вычислим эту производную как производную от отношения двух функций $2R и (R + г)2:

Постоянный электрический ток 51

_ (£2Д)'(Д + г)2 - £2Д[(Д + г)Ц' _e4R+r)2-&R-2(R+r)Р^н> (Д + г)4 (Д + г)4

Приравнивая к нулю числитель дроби, получаем:

£2(Я + г)(Д + г-2Д) = 0.

Так как $*■ Ф О и (J? + г) * 0, то

Д + г-2Я = 0. Следовательно,

Д = г.

Если сопротивление источника тока соизмеримо с сопротивлением подводящих проводов, то

R=r0 + r.

Потребителю передается максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно суммарному сопротивлению источника тока и подводящих проводов.

В этом состоит условие согласования нагрузки и источника.

По аналогии движущийся шар при ударе о неподвижный шар передает первому максимальную энергию, если массы шаров равны друг другу (см. Ф-10, рис. 127).

Потери мощности в подводящих проводах. Рассмотрим теперь, от чего зависят потери мощности и как можно их уменьшить. Чтобы оценить потери, надо знать силу тока в линии электропередачи. При заданной, известной, мощности Р источника тока в линии электропередачи сила тока равна:

Если внутренним сопротивлением источника тока можно пренебречь, то

ё = иаЬ,

где^аь — напряжение на полюсах источника (так как Uab = $ - Ir0). Значит,

(46)

V аЬ

Потери мощности в подводящих проводах обратно пропорциональны квадрату напряжения на источнике тока.

Поэтому уменьшение потерь мощности в линиях электропередачи двигается за счет повышения напряжения в передающей электростанции.

52 *——7 4—^ Электродинамика

КПД линии передачи — отношение полезной мощности к мощности источника тока:

1Р £

ВОПРОСЫ

На что расходуется мощность источника тока?
Дайте определения полезной мощности и мощности потерь.
Приведите формулу зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки.
Сформулируйте условие согласования нагрузки и источника.
Почему уменьшение потерь мощности в линиях электропередачи достигается за счет повышения напряжения в передающей электростанции?

ЗАДАЧИ

Какую полезную мощность потребляет лампа мощностью 100 Вт, рассчитанная на номинальное напряжение 220 В, если к ней приложено напряжение 200 В? [82,6 Вт]
Л/ одинаковых источников тока с ЭДС £ и внутренним сопротивлением г каждый соединены последовательно и согласованно и замкнуты накоротко. Найдите полную мощность потерь. [N0*/r]
Электрический подъемник, потребляющий силу тока 8 А, работает при напряжении 150 В. При этом он поднимает груз массой 450 кг со скоростью 7 м/мин. Рассчитайте КПД подъемника. [43%]

*. Линия электропередачи с сопротивлением подводящих проводов 0,2 Ом обеспечивает мощность 10 кВт в мастерской. Напряжение на входе в мастерскую равно250 В. Найдите КПД линии передачи. / [97%]

5. Водитель, оставив машину на стоянке, забыл выключить свет фар. Потеря мощности от их излучения составляет 95 Вт. Через какой промежуток времени разрядитсяаккумулятор с ЭДС 12 В, рассчитанный на 150 А • ч. Можно считать, что сопротивление лампочек фар остается постоянным. [18,9 ч]

§ 16. Электрический ток в растворах 1 расплавах электролитов

Электролиты. Жидкости, как и твердые тела, могут быть проводниками лектрического тока. В жидких металлах носителями электрического за->яда являются электроны, поэтому говорят, что жидкие металлы обладает электронной проводимостью.

В растворах и расплавах электролитов (солей, кислот, щелочей) перенос зарядов под действием электрического поля осуществляется положительными и отрицательными ионами, движущимися в противополож-:ых направлениях.

Постоянный электрический ток

Электролиты — вещества, растворы и расплавы которых облада ют ионной проводимостью.

Выясним, почему при растворении в воде твердый полярный диэлектрик превращается в проводник. Для этого рассмотрим процесс растворения в воде кристалла поваренной соли (рис. 50). В таком кристалле в узлах простой кубической решетки располагаются положительные ионы Na+ и отрицательные ионы С1~. При погружении кристалла NaCl в воду отрицательные полюса ОН- молекул воды начинают притягиваться куло-новскими силами к положительным ионам натрия. К отрицательным ионам хлора молекулы воды поворачиваются своим положительным полюсом Н+. Преодолевая силы притяжения между ионами Na+ и С1~, электрическое поле полярных молекул воды (подобно рыбам пираньям, разрывающим свою добычу) отрывает ионы с поверхности кристалла. В растворе появляются свободные носители тока — ионы Na+ и С1~, окруженные полярными молекулами воды. Описанное явление называется электролитической диссоциацией (от лат. dissociatio — разъединение).

Электролитическая диссоциация — расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя.

лектролитическая диссоциация в растворе NaCl

Вследствие теплового движения молекул растворимость существенно зависит от температуры.

Электродинамика

Положительные и отрицательные ионы могут возникать и при плавлении твердых электролитов в результате распада полярных молекул из-за увеличения амплитуды тепловых колебаний.

Степень диссоциации — отношение количества молекул, диссоциировавших на ионы, к общему количеству молекул данного вещества.

Наряду с процессом диссоциации (распада) молекул в растворах электролитов происходит и обратный процесс. При сближении ионов разных знаков возможна их рекомбинация (объединение) в одну молекулу. Когда число молекул, распадающихся на ионы, становится равным числу молекул, возникающих за это же время вследствие рекомбинации, устанавливается динамическое равновесие. В равновесии процессы диссоциации и рекомбинации компенсируют друг друга, а степень диссоциации остается постоянной.

В отсутствие внешнего электрического поля ионы вместе с нераспав-шимися молекулами находятся в хаотическом тепловом движении.

Электролиз. При создании в электролите внешнего электрического поля (например, при опускании в раствор хлорида меди СиС12 разноименно заряженных электродов) возникает направленное движение ионов [рис. 51). Хлорид меди в водном растворе диссоциирует на ионы меди и клора:

CuCL

=t Cu2+ + 2С1-

К отрицательному электроду (катоду) притягиваются положительные

ионы Си2+ (катионы), к положительному (аноду) — движутся отрицательные ионы С1~ (анионы).

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами, находящимися на катоде:

Си2++ 2<г-> Си. (47)

4 51

Направление движения юное в электролите

Образовавшиеся в результате реакции (47) нейтральные атомы меди оседают на катоде. Ионы хлора С1~ отдают на аноде по одному избыточному электрону, превращаясь в нейтральные атомы С1. Соединяясь попарно, атомы хлора образуют молекулярный хлор С12:

(48)

2С1- - 2е~ -» CL

Постоянный электрический ток 55

Он выделяется на аноде в виде пузырьков газа.

Таким образом, прохождение тока через электролит сопровождается явлением электролиза.

Электролиз — выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор (или расплав) электрического тока.

Явление электролиза было открыто в 1800 г. английскими учеными У. Никольсоном и А. Карлейлем, наблюдавшими выделение пузырьков кислорода на аноде и водорода на катоде при погружении электродов в воду.

Закон Фарадея. Найдем массу вещества, выделяющегося на электроде за определенный промежуток времени At. Эта масса равна массе всех ионов Np осевших на электроде за это время:

т = mflt, (49)

где т1 — масса одного иона.

Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду qi каждого иона:

Q = qtNt. (50)

Из отношения левых и правых частей равенств (49), (50) получаем

§- = -*, (5D

где k — электрохимический эквивалент вещества.

Для данного электролита отношение массы иона к его заряду является постоянной величиной.

Из формулы (51) следует закон Фарадея.

Закон Фарадея

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (расплав) электролита:

т = kQ. (52)

Этот закон был установлен экспериментально английским ученым Майклом Фарадеем в 1833 г. Им же были введены общепринятые теперь термины: электрод, катод, анод, электролит, электролиз. Из закона Фарадея следует, что электрохимический эквивалент вещества чис-

Электродинамика

'нно равен массе вещества, выделившегося на электроде при прохож-'нии через электролит заряда 1 Кл.

Единица электрохимического эквивалента — килограмм на кулон кг/Кл).

Закон Фарадея можно сформулировать иначе, учитывая, что Q = It.

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока и времени прохождения тока через раствор (расплав) электролита:

т ш kit. (53)

Фарадей нашел величину электрохимического эквивалента вещества. асса иона выражается через молярную массу М и постоянную Авогадро и. Ф-10, формула (148)).

mi= ТГ •

1 NA

Заряд иона кратен заряду электрона:

qt = пе, (54)

ел — валентность химического элемента. Тогда согласно выражению (51)

*=^М- (55)

eNA п

Иногда соотношение (55) называют вторым законом Фарадея. Произведение заряда электрона на постоянную Авогадро называется стоянной Фарадея:

F = eNA = 9,65 • 104 Кл/моль.

Подставим значение электрохимического эквивалента в формулу (52) толучим объединенный закон Фарадея:

m=F^Q'

Как следует из объединенного закона Фарадея, если на электроде вы-пяется моль одновалентного вещества, т. е. т = М, п = 1, то jP = Q.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который надо пропус апь через раствор электролита, чтобы выделить на электроде юль одновалентного вещества.

Постоянный электрический ток

В опытах Фарадея в качестве электролита использовалась соль одновалентного серебра.

Электролиз широко применяется в технике.

Гальваностегия — декоративное или антикоррозийное покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, омеднение, золочение).

Гальванопластика — электролитическое изготовление металлических копий, рельефных предметов. Этим способом, например, были сделаны фигуры для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.

Электрометаллургия — получение чистых металлов (Al, Na, Mg, Be) при электролизе расплавленных руд.

Рафинирование металлов — очистка металлов от примесей с помощью электролиза, когда неочищенный металл является анодом, а на катоде оседает очищенный.

ВОПРОСЫ

Какие вещества называют электролитами? Почему при растворении в воде твердый полярный диэлектрик превращается в проводник?
Какое физическое явление называют электролитической диссоциацией? Какая величина, характеризующая диссоциацию, остается постоянной при динамическом равновесии?
Какое физическое явление называют электролизом?
Сформулируйте закон Фарадея. Запишите объединенный закон Фарадея.
Каково применение электролиза в технике?

ЗАДАЧ И

В результате электролиза из раствора Ag2N03 выделилось 5,6 г серебра (электрохимический эквивалент серебра 1,12 ■ 10~6 кг/Кл). Рассчитайте электрический заряд, прошедший через раствор. [5 кКл]
При электролизе медного купороса за 1 ч выделилось 10 г меди (электрохимический эквивалент меди 3,28 • 10~7 кг/Кл). Найдите силу тока через электролит. [8,47 А]
Рассчитайте массу алюминия, выделившегося за 8 ч при силе тока 10 А. Молярная масса алюминия 27 ■ 10-3 кг/моль, валентность 3. [26,9 г]
Для серебрения 12 ложек (площадь поверхности каждой 50 см2) через раствор соли серебра пропускается ток. Толщина покрытия должна составить 50 мкм. В течение какого времени должно проходить серебрение, если сила тока 1,3 А? Молярная масса серебра 0,108 кг/моль, валентность 1, плотность 10,5- 103кг/м3. [6 ч]

5- При электролизе воды, происходившем в течение 1 ч при силе тока 5 А, выделился1 л кислорода при давлении 105Па. Найдите температуру выделившегося кислорода. Электрохимический эквивалент кислорода 8,29 ■ 10-8 кг/Кл. [258 К]

refdb.ru

Мощность переменного тока

В § 58 мы разобрали вопрос о мощности постоянного электрического тока. Мы видели, что если напряжение между концами некоторого участка цепи равно , а сила тока в этом участке цепи равна , то мощность, выделяемая током в этом участке цепи, равна

, (163.1)

где – активное сопротивление участка цепи.

В случае переменного тока дело обстоит сложнее, так как сила переменного тока определяется не только активным сопротивлением цепи , но и ее индуктивным или емкостным сопротивлением.

Представим себе, например, что какой-нибудь участок цепи имеет только емкостное сопротивление, т. е. содержит только конденсатор. Процесс прохождения тока через конденсатор, как мы видели в § 158, представляет собой процесс многократно повторяющейся зарядки и разрядки этого конденсатора. В течение той четверти периода, когда конденсатор заряжается, источник расходует некоторую энергию, которая запасается в конденсаторе в виде энергии его электрического поля. Но в следующую четверть периода конденсатор разряжается и отдает обратно в сеть практически всю запасенную в нем энергию. Таким образом, если пренебречь обычно очень малыми потерями энергии на нагревание диэлектрика в конденсаторе, то прохождение тока через конденсатор не связано с выделением в нем мощности.

То же будет иметь место и при прохождении тока через катушку, сопротивление которой можно считать чисто индуктивным. В течение той четверти периода, пока ток нарастает, в катушке создается магнитное поле, обладающее определенным запасом энергии. На создание этого поля расходуется энергия источника. Но в следующую четверть периода, когда ток уменьшается, магнитное поле исчезает, и запасенная в нем энергия в процессе самоиндукции вновь возвращается к источнику.

Мы видим, что наличие емкостного или индуктивного сопротивления цепи хотя и отражается на силе тока в этой цепи, но не связано с расходом мощности в ней. В конденсаторах и катушках с индуктивным сопротивлением энергия то берется «взаймы» у источника, то снова возвращается к нему, но она не уходит из цепи, не тратится на нагревание проводников (джоулево тепло, § 56) или на совершение механической работы и т. п.

163.1. Чтобы не ослеплять зрителей резким переходом от темноты к свету, во многих театрах и кинотеатрах свет после окончания действия или сеанса включают не сразу, а постепенно. Лампы сначала начинают светиться тусклым красным светом и разгораются медленно в течение нескольких секунд. Это можно осуществить либо с помощью реостата, либо с помощью катушки с выдвигающимся железным сердечником. Какой способ выгоднее?

Таким образом, при наличии в цепи индуктивного и емкостного сопротивлений мощность, фактически расходуемая в цепи, всегда меньше, чем произведение , т. е. равна

, (163.2)

где есть некоторый коэффициент, меньший единицы, называемый коэффициентом мощности данной цепи.

Расчет, которого мы приводить не будем, показывает, что для синусоидальных токов этот коэффициент равен , где есть сдвиг фаз между током в цепи и напряжением между концами рассматриваемого ее участка. Таким образом,

. (163.3)

Из формул (162.1) и (162.2) видно, что сдвиг фаз между напряжением и током растет по мере увеличения отношения емкостного или индуктивного сопротивления к активному. Но с ростом уменьшается значение . Поэтому коэффициент мощности прибора, потребляющего переменный ток, тем меньше, чем больше его емкостное или индуктивное сопротивление по сравнению с активным. Он обращается в нуль для чисто индуктивного или чисто емкостного сопротивления и равен единице для чисто активного .

Мы должны в заключение подчеркнуть то чрезвычайно важное народнохозяйственное значение, которое имеет борьба за всемерное увеличение коэффициента мощности электрических цепей. Каждая электрическая машина (генератор), установленная на станциях, характеризуется своим предельным «нормальным» током , при котором нагревание машины вследствие потерь в проводах не превышает допустимых размеров, и своим нормальным напряжением . Произведение называется полной мощностью этой машины. Такую мощность машина могла бы действительно отдавать потребителям, если бы ее нагрузка была чисто активной, т. е. если бы не было сдвига баз между током и напряжением на зажимах машины. В этом случае и . Но если в сети имеются заметные емкостные или индуктивные сопротивления, обусловливающие некоторый сдвиг фаз между током и напряжением, то и машина не может отдать в сеть всю свою полную мощность. При , например, машина с полной мощностью 100 000 кВт может фактически дать потребителю только 80 000 кВт. Ясно, насколько это убыточно для народного хозяйства в целом.

Долг каждого рабочего, техника или инженера, имеющего дело с установками, потребляющими много электрической энергии, заботиться о всемерном повышении коэффициента мощности в тех установках, с которыми он работает.

В следующей главе, разбирая вопрос о работе электродвигателей, мы укажем некоторые конкретные мероприятия, которые нужно для этого проводить.

sfiz.ru

Энергия - источник - ток

Cтраница 1

Энергия источника тока - количество энергии, которое при разряде он отдает во внешнюю цепь. [1]

Энергия источника тока при электролизе тратится, с одной стороны, на перемещение ионов в электролиге, с другой-на разрядку ионов на электродах Работа, затраченная на перемещение ионов-на преодоление вязкости растворителя-превращается в тепло, а энергия, затраченная на разрядку ионов-в химическую энергию полученных при электролизе продуктов. Соотношение этих двух затрат энергии зависит от величины тока, а следовательно, от приложенного напряжения. [2]

Энергия источника тока используется тем более рационально, чем большая часть ее превращается в другие виды во внешнем участке цепи с сопротивлением R. На внутреннем участке цепи с сопротивлением г происходит бесполезное превращение энергии электрического тока во внутреннюю энергию. [3]

Удельная энергия - энергия источника тока, отнесенная к единице массы или объема активного вещества. Эта величина зависит от условий разряда. [5]

На что расходуется энергия источников тока, если все элементы цепи неподвижны. [6]

Таким образом, вся энергия источников тока при коротком замыкании затрачивается на внутреннем сопротивлении источника, что приводит к резкому увеличению тока. [7]

В результате за счет энергии источника тока происходит разогревание газа и электродов. Число заряженных частиц в воздушном промежутке начинает резко возрастать за счет ионизации атомов и молекул и эмиссии заряженных частиц с электродов. Раз начавшийся газовый разряд сам поддерживает себя и не нуждается во внешних источниках ионизации. [8]

Эта работа совершается за счет энергии источника тока, создающего ток в данном проводнике. [9]

Рассмотрим теперь практически важный вопрос об использовании энергии источника тока. [10]

Рассмотрим теперь практически важный вопрос об использовании энергии источника тока. [11]

Как видно из уравнения ( 2), энергия источника тока используется для совершения работы над внешними телами и частично рассеивается в виде джоулевой теплоты. Из формулы ( 3) видно, какую роль играет явление электромагнитной индукции в работе электродвигателя. Именно благодаря этому явлению не вся работа источника превращается в теплоту. [12]

Из закона сохранения энергии следует, что при этом энергия источника тока превращается в энергию магнитного поля тока. [13]

Для осуществления громкоговорящего радиоприема используют ламповые радиоприемники, производящие усиление принимаемых сигналов за счет энергии источника тока, к которому их подключают. [14]

Таким образом, упорядоченное движение электрических зарядов в проводнике при прохождении по нему постоянного электрического тока обеспечивается энергией источника тока. [15]

Страницы: 1 2 3

www.ngpedia.ru

Каталог товаров