Работа тока определение и формула. Урок на тему работа и мощность в электрической цепи. Работа и мощность в электрической цепи

Работа и мощность электрической цепи. — КиберПедия

Работа является мерой превращения одного вида энергии в другой.

Ватт-секунда – эта работа электрического тока величиной 1А при напряжении 1В в течение 1с.

1 Ватт ∙ час [Вт ∙ ч] = 3600 Вт ∙ ч = 3600 Дж

1 кВт ∙ ч = 1000 Вт ∙ ч = 3600 000 Дж

Работа электрического тока в одну секунду называется мощностью электрического тока, она характеризует интенсивность работы, совершенной током. За единицу мощности принят Ватт [Вт].

; из закона Ома ,

Ватт – мощность, которую развивает при

1 кВт = 1000 Вт 1 МВт = 1000 000 Вт

Полной называется мощность, развиваемая источником тока , а полезной – мощность, расходуемая во внешней цепи потребителем .

Отношение полезной мощности к полной мощности, развиваемой источником тока, называется коэффициентом полезного действия (КПД), обозначается - «эта».

;

Тепловое действие тока.При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновения электронов с его атомами проводник нагревается.

Закон Джоуля – Ленца.Количество выделенного тепла прямо пропорционально квадрату величины тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока через проводник.

Эта зависимость установлена в 1841 г. Английским физиком Джоулем и несколько позднее (в 1844 г.) русским академиком Ленцем.

Тепловое действие тока применяют: лампы накаливания, нагревательные приборы, электросварка, тепловые реле (биметаллические пластины).

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропустить через себя, не перегреваясь, ток, не превышающий некоторую допустимую величину. Эта величина характеризуется допустимой плотностью тока , т. е. величиной тока I приходящегося на 1 мм площади поперечного сечения s проводника.

- допускаемая плотность тока I на площади поперечного сечения.

- обмотка электрических машин

- нить электрической лампочки

При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников R вместе их соединения (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В итоге это может привести к перегоранию контакта и разрыву электрической цепи.

Вопросы для самоконтроля:

1. Как осуществляется последовательное соединение проводников? Какие действуют законы в данной цепи?

2. Как осуществляется параллельное соединение проводников? Какие действуют законы в данной цепи?

3. Как осуществляется смешанное соединение потребителей?

4. Как определить работу и мощность электрического тока? В каких единицах измеряется мощность и работа?

5. Что такое коэффициент полезного действия?

6. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.

7. Что такое плотность тока и переходное сопротивление?

8. Что такое электрическое поле? Чем характеризуется электрическое поле?

9.Что называется электрическим потенциалом? Разностью потенциалов? В каких единицах измеряется?

10. Что такое ЭДС, и в каких единицах она измеряется?

11. Что такое электрический ток, и в каких единицах он измеряется?

12. Что называется электрическим сопротивлением? От чего зависит сопротивление проводников?

13. Как устроен атом вещества?

14.Что называется проводником и диэлектриком?

15. Как взаимодействуют электрические заряды? Закон Кулона.

16. Что такое электрическое поле? Чем характеризуется электрическое поле?

17. Что такое электрический ток, и в каких единицах он измеряется?

18. Что называется электрическим сопротивлением? От чего зависит сопротивление проводников?

19.Как можно увеличить сопротивление проводника?

20. Как образуется электрическая цепь, и из каких частей она состоит?

21. Сформулируйте закон Ома для электрической цепи и отдельного участка?

22. Что такое падение напряжения и как оно определяется?

23. Охарактеризуйте режимы работы генератора постоянного тока?

24. Что называется коротким замыканием, каковы его последствия?

25.Как формулируется первый закон Кирхгофа?

26. Как формулируется второй закон Кирхгофа?

cyberpedia.su

1). Электрический ток. Сила тока

219

Преимущества электрической энергии. Основные электротехнические понятия. Электрический ток. Электрическая цепь. Сила тока. ЭДС. Напряжение. Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон Джоуля-Ленца.

Ответ: Преимущества электрической энергии.

В настоящее время электрическая энергия – самый распространенный вид энергии и по сравнению с другими видами энергии обладает следующими преимуществами:

1. Электрическая энергия – единственный вид энергии, который можно производить централизованно в больших количествах, что обеспечивает низкую её стоимость;

2. быстро и экономично передается на большие расстояния;

3. легко делится и распределяется между потребителями;

4. легко преобразуется в другие виды энергии, что делает её универсальным энергоносителем;

5. является единственным видом энергии, на использовании которой основана работа телекоммуникационных систем, электронно-вычислительной техники, современных систем управления и автоматики.

6. Потребители электрической энергии отличаются высокой экономичностью и экологической чистотой.

Несмотря на все эти достоинства электрической энергии свойственны и определенные недостатки:

1. Электрическая энергия в промышленном масштабе не может быть запасена впрок в больших количествах;

2. В природе нет естественных источников и запасов электрической энергии, пригодных для практического использования.

3. специфические загрязнения окружающей среды: электромагнитные поля и электромагнитные излучения, действие которых на человека практически не исследованы.

Электрическую энергию в промышленных масштабах получают в основном на тепловых электрических станциях за счет использования энергии первичных источников (уголь, газ, мазут).

Упорядоченное направленное движение свободных электрических зарядов в пространстве под действием силы электрического поля называют электрическим током. Количественной мерой электрического тока является сила тока I [A]. Сила тока в электрической цепи определяется количеством электричества dQ [ Кл ], проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени (с): I = dQ /dt [ Кл/с ], [A]. При измерении количества электричества часто пользуются единицей измерения - Ампер-секунда (Q = 1 Кл = 1 А-с), а при измерении больших количеств – Ампер-час (1А-час = 3600 А-с ).

2). Электрическая цепь

Электрическая цепь – это совокупность соединённых между собой электротехнических устройств, обеспечивающих прохождение электрического тока и предназначенных для производства электрической энергии, а также её передачи, распределения и преобразования в требуемый вид энергии (работу).

Чтобы по электрической цепи протекал электрический ток, эта цепь должна быть «замкнута». «Разрыв» электрической цепи в любом месте, т.е. появление в цепи непроводящего участка, приводит к прекращению электрического тока.

Простейшая электрическая цепь содержит следующие элементы:

1. Источник электрической энергии (генерирующее устройство) - преобразует какой-либо вид первичной энергии в электрическую;

2. Соединительные провода – соединяют зажимы источника электрической энергии и потребителя и служат для передачи электрической энергии;

3. Потребитель электрической энергии - служит для преобразования электрической энергии в требуемый вид энергии, т.е. в работу.

Кроме этих устройств электрическая цепь обычно содержит электроизмерительные приборы, различные сигнальные, регулирующие, коммутирующие, защитные и другие электротехнические устройства.

3.) Электродвижущая сила (ЭДС) и напряжение

При протекании электрического тока по электрической цепи совершается работа (механическая, тепловая и др.), на выполнение которой источник электрической энергии затрачивает некоторую энергию. Количественной мерой этой энергии источника является электродвижущая сила [Е] - ЭДС источника электрической [В] – это его полная энергия, которую он может израсходовать на получение работы, совершаемой при перемещении единицы количества электричества по замкнутому контуру электрической цепи (а - а): E аа = dW аа /dQ [B].

Для характеристики работы, совершаемой источником электрической энергии на некотором участке электрической цепи, используется понятие разность потенциалов или напряжение [U]. Напряжение [U] характеризуется работой, совершаемой источником электрической энергии на некотором участке цепи (c - d): Ucd = dWcd /dQ [B].

4). Закон Ома

закон Ома : I = Y U ,здесь Y [1/ Ом ], [Сименс], [См] – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от свойств и параметров проводника и называется проводимостью.

Для цепи постоянного тока закон Ома записывается в виде формулы: I = U/R , а для цепи переменного тока: I = U/Z , где Z - полное сопротивление электрической цепи переменного тока.

studfiles.net

РАБОТА И МОЩНОСТЬ ТОКА

Практическое использование электрической энергии связано с явлением электрического тока, который служит средством передачи, распределения и преобразования электроэнергии.

Электрический ток — это направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за положительное направление тока принимают направление движения положительных зарядов.

Различают электрический ток проводимости в проводниках и электрический ток поляризации (смещения) в диэлектриках.

В проводниках первого рода (металлах) электрический ток проводимости создается направленным (упорядоченным) движением электронов. В проводниках второго рода — электролитах (водные растворы солей, кислот, щелочей) электрический ток обусловлен движением заряженных атомов и молекул (положительных и отрицательных ионов).

Электрический ток можно создать также в ионизированном газе (в результате ионизации молекул газа возникают свободные носители заряда: электроны и ионы).

В электронно-лучевых трубках (кинескоп телевизора), электронных лампах и других устройствах электрический ток_создается за счет движения электронов в вакууме. В диэлектриках ток проводимости незначительный - и им, как правило, пренебрегают. Однако в установках переменного тока за счет непрерывного изменения направления электрического поля в диэлектриках происходит интенсивное движение связанных заряженных частиц (диполей), обусловливающих ток поляризацию.

Значение тока проводимости определяется совокупным электрическим зарядом q всех частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени:

I = q/t (2.1)

Единица тока [А] – ампер

Электрический ток можно сравнить с током водыв трубе. Заряды в проводнике, подобно воде в трубе,перемещаются одновременно во всех сечениях. Поэтому значение тока во всех сечениях проводника одинаково (1).

Однако в различных сечениях проводника разная плотность тока. Она равна отношению тока в проводнике к площади его поперечного сечения

j = I/S. J=[А/м2]

Различают постоянный и переменный ток.

Постоянным называется ток, который не изменяется во времени (прямая 1 на рис. 2.2), а переменным — ток, изменяющийся с течением времени (кривые 2, 3).

Единицей тока является ампер (А). Применяют также:

1 килоампер (кА) = 103А — для измерения больших токов, 1 миллиампер (мА) = 10 -3 А и 1 микроампер (мкА) = 10 -6 А — для измерения малых токов.

Диапазон токов, применяемых на практике, очень велик. Ток в электронных схемах бывает равным 10-10 — 10-12А, ток лампы накаливания 100 Вт при напряжении 127В равен 0,79А, токи двигателей средней мощности достигают десятков и сотен ампер, токи в цепях электролизных ванн — десятков тысяч ампер.

В большинстве случаев электрический ток создается и поддерживается в замкнутой электрической цепи.

Электрическая цепь — это совокупность устройств и соединяющих их проводников, образующих путь для электрического тока.

В электрической цепи имеется множество свободных носителей зарядов, например электронов у металлов. Источник питания создает электрическое поле, которое вовлекает эти заряды в движение.

Так, в электрической цепи (рис. 2.3, а) электрическое поле конденсатора при включении цепи создает кратковременный ток.

Рис. 2.3

График этого тока показан на рис. 2.2 (кривая 2). Схема гидравлической модели этой цепи приведена на рис. 2.3,б. Сравните электрическую и гидравлическую цепи. Главными элементами этих цепей являются источники энергии и ее приемники.

Заряды в электрической цепи, подобно воде в гидравлической цепи, начинают двигаться сразу во всех элементах, так как электрическое поле, вовлекающее их в движение, существует на всех участках.

Из этого следует, что в электрической цепи процессы производства, передачи, распределения и преобразования электрической энергии происходят одновременно (2).

Вдоль электрической цепи заряды нигде не ответвляются, из цепи не уходят и проходят одновременно по всем участкам, поэтому на всех участках неразветвленной электрической цепи значение тока одинаково (3).

Конденсатор как источник совершает работу Аи по созданию тока, расходуя на это всю свою энергию. Ток совершает работу А на приемнике и ∆А, которая теряется на нагрев проводов. В соответствии с законом сохранения энергии

Аи = А + ∆А. (2.2)

Конденсатор является несовершенным источником тока, так как быстро иссякает запас его энергии и прекращается ток. Аккумулятор, батарейка, электрический генератор и другие источники способны длительно поддерживать необходимое значение тока за счет непрерывного преобразования других видов энергии (химической, механической) в электрическую энергию тока (рис. 2.4). В свою очередь энергия тока в проводах

и приемниках преобразуется в тепловую, механическую, световую и другие виды энергии, которые рассеиваются в окружающем пространстве или используются для различных практических целей.

Интенсивность преобразования энергии в электрической цепи оценивается мощностью.

Мощность источника — это скорость преобразования в электрическую энергию других видов энергии в источнике:

Ри = Аи/t. (2.3)

Численно мощность источника равна электрической энергии, получаемой в источнике за одну секунду.

Мощность приемника — это скорость преобразования электрической энергии в приемнике в другие виды энергии:

P = A/t. (2.4)

Численно мощность приемника выражается величиной энергии, преобразуемой в приемнике за одну секунду.

Единица мощности — ватт (Вт). Применяют также: 1 киловатт (кВт) = 103 Вт и 1 мегаватт (МВт) = 106 Вт.

В технике имеют дело с мощностями от долей ватта (в электронике и измерительной технике) до тысяч мегаватт (на крупных электростанциях).

Единица электроэнергии — ватт-секунда (Вт•с).

В электротехнике чаще используют единицы ватт-час (Вт • ч) и киловатт-час (кВт • ч). В Международной системе единиц (СИ) энергия выражается в джоулях (1 Дж = 1 Вт • с). Следует иметь в виду, что

1 Вт • ч = 3600 Дж, 1 кВт-ч = 3,6- 106Дж.

Для оценки эффективности работы источников и приемников используют коэффициент полезного действия (КПД).

КПД источника

ηи = (Ри-∆Ри)/Ри,

где ∆РИ — мощность потерь энергии в источнике.

КПД приемника η = (Р-∆Р)/Р,

где ∆Р — мощность потерь энергии в приемнике. Разделив уравнение (2.2) на время t, получим

РИ = Р + ∆Р, (2.5)

где ∆Р — мощность потерь энергии в проводах цепи.

Это уравнение отражает баланс мощностей цепи: сумма мощностей источников цепи равна сумме мощностей приемников и потерь (4).

Из баланса мощностей вытекает, что при изменении мощностей приемников (например, при их включении или отключении) автоматически изменяется мощность источников цепи. Происходит это за счет изменения тока. Ток цепи как средство передачи, распределения и преобразования электроэнергии при изменении числа приемников в цепи и их мощности изменяет свое значение так, чтобы обеспечивалось соблюдение баланса мощности и закона сохранения энергии (5).

2.2. ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПРОВОДИМОСТЬ

Одним из главных элементов электрической цепи является приемник электрической энергии.

Электроприемники служат для преобразования электрической энергии в другие виды энергии: механическую (электродвигатели, электромагниты), тепловую (нагревательные приборы, сварочные аппараты, промышленные печи), световую (лампы электроосвещения), химическую (электролитические ванны) и т.д.

Эти энергетические преобразования (как и любые другие) происходят лишь при условии, что на их пути имеется сопротивление (электрическое сопротивление).

Ранее отмечалось, что ток в электрической цепи создается электрическим полем. Электрическое поле в проводнике при постоянном токе называется стационарным электрическим полем.

Стационарное электрическое поле, как и электростатическое поле, характеризуется напряженностью, потенциалом и разностью потенциалов.

Так как перемещение зарядов по проводнику сопровождается затратой энергии (электроны, сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, возбуждая их к тепловому движению, теряют энергию), то в соответствии с положением (6) § 1.1- на концах проводника имеется разность потенциалов, т. е. напряжение или падение напряжения.

Таким образом, падение напряжения является количественной оценкой энергетических преобразований в цепи (1).

На схемах электрических цепей напряжение обозначают стрелкой в направлении от большего потенциала к меньшему.

На схемах принято показывать направление напряжения в ту же сторону, что и направление тока, внутри участка цепи, как на рис. 2.12. Однако следует помнить, что вне участка цепи падение напряжения на нем направлено навстречу току, оказывая ему противодействие (сопротивление). Это видно из рис. 2.5.

Таким образом, ток создает падение напряжения в проводнике, которое оказывает противодействие току.

Сравнивая падения напряжений на участках неразветвленной цепи при одинаковом токе, можно оценить, какой участок оказывает большее сопротивление току.

Падение напряжения на проводнике зависит от тока, поэтому не может быть характеристикой проводника. Способность проводников сопротивляться току оценивается падением напряжения, приходящимся на единицу тока, которое называется электрическим сопротивлением, обозначается R(r) и является параметром проводника:

R = U/I. (2.6)

Электрическое сопротивление проводника (электроприемника) численно равно падению напряжения на нем, созданному током, 1 А и оказывающему противодействие этому току (2).

За единицу сопротивления ом (Ом) принято сопротивление такого проводника, на котором при токе 1А падает напряжение 1В:

1Ом = 1 В/1 А. Применяют также 1 килоом (кОм) = 103 Ом и

1 мегаом (МОм) = 106 Ом.

Рассматривая сопротивление проводника, важно понимать, от каких факторов оно зависит.

Экспериментально установлено, что падение напряжения на проводнике (электроприемнике) прямо пропорционально току (3). Эта закономерность называется законом Ома для участка цепи:

U = IR, I = U/R. (2.7)

Графическим выражением закона Ома является так называемая вольт-амперная характеристика проводника (рис. 2.6).

Из закона Ома следует, что сопротивление не зависит от тока. Однако это справедливо лишь в случае, если не изменяется температура проводника.

Для металлов зависимость сопротивления от температуры выражается формулой

R2=R1 [1+α(t2 –t1)],

где R1 , R2— сопротивления провода при начальной t1и конечной t2 температурах; α — температурный коэффициент сопротивления, 1/°С.

Из физики известно, что

R = pL/S,

где р — удельное сопротивление проводника, Ом·м, L- длина, S – площадь поперечного

сечения.

Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью.

Единица проводимости — сименс (См),

Значения токов, напряжений, мощностей, сопротивлений и проводим остей, находятся во взаимосвязи. Используя формулы (1.4), (2.1), (2.4) и закон Ома, получаем; P = A/t = Uq/t =UIt =U

P =IU=Il R= I 2 R ; (2.10)

P= UI =UU/R =U2/R =U2g (2.11)

В электротехнике и электронике для преднамеренного создания сопротивления электрическому току применяют резисторы (рис. 2.7), которые характеризуются двумя параметрами: номинальным значением сопротивления (с определенным допуском в процентах) и максимальным значением мощности рассеяния. Указанные параметры приводятся на корпусе резистора. Дляразличных целей изготавливают резисторы в огромном диапазоне сопротивлений: oт сотых долей ома до десятков и сотен мегаом.

Для изготовления токоведущих элементов электрических устройств используются проводниковые материалы (в основном металлы и их сплавь). Различают проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением, большим удельным сопротивлением и сверхпроводники.

Изматериалов с малым удельным сопротивлением наиболее широкое применение получили медь и алюминий (для изготовления проводов, кабелей, обмоток машин и аппаратов и т.д.). Применяются также сплавы меди (бронза, латунь) и сталь.Из материалов с большим удельным сопротивлением, отметим металлические сплавы: нихром (сплав никеля, хрома, железа) и фехраль (сплав железа, хрома, алюминия), применяемые в электронагревательных приборах, а также манганин (медно-марганцевый сплав) и константан (медно-никелевый сплав).

Важным достоинством манганина и константана является то, что их сопротивления практически не зависят от температуры. Это обусловило их применение при изготовлении обмоток измерительных приборов (манганин), образцовых сопротивлений и резисторов (константан),

В электротехнике применяют также угольные материалы (щетки электрических машин), металлокерамику (для контактов выключателей), припои и др.

При глубоком охлаждении некоторых металлов и материалов (ниобия, свинца, ртути, алюминия и др.) до температур, близких к абсолютному нулю (О К или — 273 °С), они переходят в состояние сверхпроводимости, с наступлением которого их сопротивление скачком уменьшается до нуля. Температура, при которой материал переходит в сверхпроводящее состояние, называется критической. Например, для алюминия критическая температура 1,2 К.

В настоящее время найдены материалы (сплавы и химические соединения), критическая температура которых выше 100 К. Их можно использовать в электронике, в частности в электронно-вычислительных машинах (ЭВМ), что позволит уменьшить габариты и стоимость ЭВМ. Возможно, в ближайшем будущем будут созданы сверхпроводники, критическая температура которых будет близкой к температуре окружающей среды.

Перспективными проводниками являются электропроводящие пластики. Обычно пластик является электроизоляционным материалом. Однако ученые нашли такие сорта пластиков, которые при соответствующей обработке меняют свои электрофизические свойства и проводят электрический ток не хуже меди. Изготовленные из такого материала провода значительно дешевле медных и прочнее их.

2.3. ЭДС. ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ.НАПРЯЖЕНИЕ ИСТОЧНИКА

Элемент электрической цепи, предназначенный для получения электроэнергии, принято называть источником электрической энергии. В источнике происходит преобразование в электрическую энергию других: видов энергии.

На практике применяют следующие основные источники: электромеханические генераторы (электрические машины для преобразования механической энергии в электрическую), электрохимические источники (гальванические элементы, аккумуляторы), термоэлектрогенераторы (устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую), фотоэлектрогенераторы (преобразователи лучистой энергии в электрическую).

Принципы преобразования тепловой, лучистой и химической энергии в электрическую изучаются в курсе физики.

Общим свойством всех источников являетсято, что в них происходит разделение положительногои отрицательного зарядов и образуется электродвижущая сила (ЭДС). Что такое ЭДС?

В простейшей электрической цепи на перемещение заряда q по контуру замкнутой цепи (рис. 2.8) затрачивается работа источника Аи.

Источник затрачивает одинаковую работу на перемещение каждой единицы заряда. Поэтому с увеличением q прямо пропорционально растет Аи, а их отношение Aи/q,называемое электродвижущей силой, остается неизменным:

E = Aи/q. (2.12)

ЭДС численно равна работе, которую совершает источник, проводя заряд 1 Кл по замкнутому контуру цепи (1).

Единица ЭДС, как и напряжения,— вольт (В).

Благодаря ЭДС в электрической цепи поддерживается определенное значение тока.

Так как ЭДС не зависит от q, а ток I = q/t,то ЭДС источника не зависит от тока (2).

При изменении тока изменяется мощность источника Ри. Используя выражения Pи =Aи/t , Aи = qE и q = It,

получаем формулу для расчета мощности источника:

Ри = EI. (2.13)

Таким образом, при изменении сопротивления приемника изменяется ток цепи, мощность источника и мощность приемника. При этом соблюдается положение (5) и непрерывно действует постоянная ЭДС, создающая ток.

В соответствии с балансом мощности

Pи=P+Pв,

где Р — мощность приемника; Рв — потери на внутреннем сопротивлении RBисточника (потерями в соединительных проводах пренебрегаем).

Подставляя в это уравнение значение мощности из формул (2.10), (2.13), используя положение (3) получаем:

EI=UI+UJ;

E=U+Uв(2.14)

(действие равно сумме противодействий).

В замкнутой цепи ЭДС встречает противодействие суммы падений напряжений на участках цепи.

Используя выражение (2.14) и закон Ома, получаем

E = IR + IRB. (2.15)

В этом уравнении Е и RBкак параметры источника постоянные. При изменении сопротивления приемника R изменяет свое значение ток. Ток в цепи имеет строго определенное значение, необходимое для создания падений напряжений на участках цепи, уравновешивающих ЭДС (3). Аналогично в механике скорость движения тел такая, при которой вызванное этой скоростью противодействие сил трения уравновешивается действием сил, двигающих тело.

Из уравнения (2.15) ток

I = E/(R + RB). (2.16)

Эта формула отражает закон Ома для всей цепи: сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС источника.

Следует отметить, что уравнение (2.14) является частным случаем второго закона Кирхгофа, который формулируется так: алгебраическая сумма ЭДС любого замкнутого контура электрической цепи равна алгебраической сумме падений напряжений на сопротивлениях контура:

ΣΕ=ΣIR (2.17)

В паспортах устройств (источников, приемников, аппаратов, приборов), в каталогах приводятся значения токов, напряжений, мощностей, на которые устройство рассчитано заводом-изготовителем для нормального, называемого номинальным, режима работы. Источники характеризуются номинальными мощностью PH0M, током Iном и напряжением UH0M.

Для рис. 2.8 напряжение на зажимах источника и приемника одно и то же (так как они подключены к общим зажимам). Это напряжение определим из формулы (2.14):

U = E — IRB, (2.18)

где Rв— внутреннее сопротивление источника.

Напряжение на зажимах источника, работающего генератором, меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника (4).

При номинальном токе напряжение источника номинальное. При изменении режима цепи (изменении тока), в соответствии с формулой (2.18), изменяется напряжение. Если отклонения напряжения, тока, мощности находятся в допустимых пределах, такой режим называют рабочим.

Если же цепь разомкнута, ток равен нулю. Такой режим цепи или ее элементов называется режимом холостого хода (XX).

Из формулы (2.18) следует, что в режиме холостого хода U = Е.

ЭДС источника можно измерить вольтметром (рис. 2.9) как напряжение на его зажимах в режиме холостого хода (5).

Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами, называется режимом короткого замыкания (КЗ).

При КЗ R = 0, поэтому U = IKR=0 и действию ЭДС противодействует только падение напряжения внутри источника E= I кRв (рис. 2.10).

Внутреннее сопротивление источников, как правило, мало. Поэтому ток КЗ IК = Е/RВ большой, опасный для источника и проводов тепловым действием. Для защиты от КЗ источников и проводов тепловым действием. Для защиты от КЗ источников и других элементов цепи нередко применяют плавкие предохранители, вставки которых перегорают от тока КЗ и обрывают цепь.

На практике иногда пренебрегают внутренним сопротивлением источника, считая его равным нулю. В этом случае напряжение источника по формуле (2.18) равно ЭДС при любом токе и на схемах показывают не ЭДС источника (как на рис. 2.8), а напряжение на его зажимах .

Урок на тему Работа и мощность в электрической цепи

П л а н у р о к а № 5 Дата____________

Работа и мощность в электрической цепи. (2 часа)

П 00. Профессиональный цикл

ОПД 13. Основы электротехники

Преподаватель: А.А. Гурьянов

- о соотношении электрических величин между собою;

- об определении работы и мощности в электрической цепи

- о единицах измерения работы и мощности.

Воспитательная цель

Сформировать у учащихся усидчивость, внимательность, аккуратность, ответственность; организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

Развивающая цель

Сформировать у учащихся навыки:

- рассчитывать параметры электрических цепей;

- читать принципиальные, электрические и монтажные схемы;

- подбирать устройства электронной техники, электрические приборы и оборудование с определенными параметрами и характеристиками.

Тип учебного

занятия

изучение нового материала.

Формируемые компетенции

ПК 1.2. Взаимодействовать с о специалистами смежного профиля при разработке методов, средств и технологий применения объектов профессиональной деятельности.

ПК 1.3. Производить модификацию отдельных модулей информационной системы в соответствии с рабочим заданием, документировать произведенные изменеия.

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

Вид учебного

занятия

смешанный

Межпредметные связи

математика, физика

Оснащение,

оборудование

Учебник, компьютер, проектор, экран, интерактивная доска

Структура урока.

Организационный момент.
Актуализация знаний.
Формирование новых понятий и способов действий.
Формирование умений и навыков.
Итог урока.
Домашнее задание.

Ход урока.

1. Организационный момент.

Учет отсутствующих, проверка домашнего задания, сообщение темы и постановка целей урока.

2. Актуализация знаний.

Сформулируйте законы Кирхгофа.

3. Формирование новых понятий и способов действий.

Найдем работу, совершаемую электрическим током, протекающим по участку электрической цепи с напряжением U (см. рис.).

Мы уже отмечали (см. урок 3), что напряжение равно работе совершаемой источником ЭДС при перемещении единичного заряда вдоль рассматриваемого участка цепи. Если перемещается не единичный заряд, а некоторый заряд Q, то совершаемая при этом работа А будет в Q раз большей:

А = UQ.

Выразив заряд через силу тока и время, получим

А = UIt.

За бесконечно малое время dt совершается бесконечно малая работа dA = UIdt.

Определим мощность Р как работу, совершаемую в единицу времени. Тогда

;

Из этих формул определяются единица измерения мощности и единица измерения работы электрического тока:

[Р] = [U] [I] = В·А = Вт.

Единица измерения мощности, равная одному вольту, умноженному на один ампер, называется ваттом (Вт). Единицу мощности, в 1000 раз большую, чем ватт, называют киловаттом (кВт).

Работа электрического тока измеряется в джоулях (Дж):

[A] = [P]·[t] = Вт·с = Дж.

Джоуль или ватт-секунда — сравнительно небольшая единица, поэтому на практике часто применяется единица в 3600 раз большая, которую называют ватт-часом (час содержит 3600 с):

1 Вт·ч = 3600 Дж.

Таким образом, ватт-час (Вт·ч) — это работа, совершаемая источником электрической энергии мощностью один ватт в течение одного часа.

Единицу в 1000 раз большую называют киловатт-часом (кВт·ч).

1 кВт·ч = 1000 Вт·ч = 3,6·106 Дж.

Итак, мощность измеряется в ваттах (вольт-амперах), киловаттах; работа измеряется в джоулях, ватт-часах, киловатт-часах.

Работа и мощность электрического тока (282)

А В

φА = –10 В;

φВ = 5 В.

Из точки А в точку В переместился заряд 10 Кл. Определите величину работы.

50 В·А·с

149

150 В·А·с

500 В·А·с

150

Задача не определяется, так как неизвестно напряжение между точками АВ

Генератор при напряжении 110 В вырабатывает ток силой 10 А. Определите работу электрического тока в течение 1 ч.

1100 В·А·ч

151

110 В·А·ч

110 В·А·с

152

Ток в цепи увеличился в 2 раза, напряжение источника уменьшилось в 2 раза. Как изменилась мощность, отдаваемая источником?

Уменьшилась в 2 раза

Не изменилась

153

Увеличилась в 2 раза

Генератор при напряжении 110 В вырабатывает ток силой 10 А. Определите мощность, развиваемую генератором.

1100 Вт

154

110 кВт

110 Вт·ч

155

В течение 1 мин генератор выработал 3,610б Дж энергии. Определите мощность, развиваемую генератором.

3,6·106 Вт

60 кВт

156

600 кВт

4. Формирование умений и навыков.

77. Заполните таблицу.

55 кВт

1500 Вт

1,5 МВт

0,33 кВт

0,12 МВт

312 кВт

... Вт

... кВт

... Вт

... кВт

... МВт

78. Определите мощность, потребляемую электрическим двигателем, если ток в цепи равен 6 А, а двигатель включен в сеть напряжением 220 В.

79. Электродвигатель, подключенный к сети напряжением 220 В, потребляет ток 6 А. Определите мощность двигателя и количество энергии, которую он потребляет за 8 ч работы.

5. Итог урока.

Проверка выполнения задач, выставление оценок, сообщение домашнего задания.

6. Домашнее задание.

80. В квартире имеются восемь ламп, из которых шесть мощностью по 40 Вт горят 6 ч в сутки, а две мощностью по 60 Вт – 8 ч в сутки. Сколько нужно заплатить за горение всех ламп в течение месяца (30 дней) при тарифе 3,45 р. за 1 кВт·ч?

infourok.ru

Работа и мощность тока | Бесплатные курсовые, рефераты и дипломные работы

При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время Δt по цепи протекает заряд Δq = IΔt. Электрическое поле на выделенном участке совершает работу

ΔA = (φ1 – φ2)Δq = Δφ12IΔt = UIΔt,

где U = Δφ12 – напряжение. Эту работу называют работой электрического тока.

Если обе части формулы

выражающей закон Ома для однородного участка цепи с сопротивлением R, умножить на IΔt, то получится соотношение

…

Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи.

Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена:

Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. Закон Ома для полной цепи записывается в виде

Умножив обе части этой формулы на Δq = IΔt, мы получим соотношение, выражающее закон сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:

RI2Δt + rI2Δt = IΔt = ΔAст.

Первый член в левой части ΔQ = RI2Δt – тепло, выделяющееся на внешнем участке цепи за время Δt, второй член ΔQист = rI2Δt – тепло, выделяющееся внутри источника за то же время.

Выражение IΔt равно работе сторонних сил ΔAст, действующих внутри источника.

При протекании электрического тока по замкнутой цепи работа сторонних сил ΔAст преобразуется в тепло, выделяющееся во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист).

ΔQ + ΔQист = ΔAст = IΔt

Следует обратить внимание, что в это соотношение не входит работа электрического поля. При протекании тока по замкнутой цепи электрическое поле работы не совершает; поэтому тепло производится одними только сторонними силами, действующими внутри источника. Роль электрического поля сводится к перераспределению тепла между различными участками цепи.

Внешняя цепь может представлять собой не только проводник с сопротивлением R, но и какое-либо устройство, потребляющее мощность, например, электродвигатель постоянного тока. В этом случае под R нужно понимать эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, выделяемая во внешней цепи, может частично или полностью преобразовываться не только в тепло, на и в другие виды энергии, например, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Поэтому вопрос об использовании энергии источника тока имеет большое практическое значение.

Полная мощность источника, то есть работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равна

Во внешней цепи выделяется мощность

Отношение равное

называетсякоэффициентом полезного действия источника.

На рис. 1.4.13 графически представлены зависимости мощности источника Pист , полезной мощности P, выделяемой во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением r. Ток в цепи может изменяться в пределах от I = 0 (при ) до (при R = 0).

Рисунок 1.4.13 Зависимость мощности источника Pист, мощности во внешней цепи P и КПД источника η от силы тока.

Из приведенных графиков видно, что максимальная мощность во внешней цепи Pmax , равная

достигается при R = r. При этом ток в цепи

а КПД источника равен 50 %. Максимальное значение КПД источника достигается при I → 0, то есть при R → ∞. В случае короткого замыкания полезная мощность P = 0 и вся мощность выделяется внутри источника, что может привести к его перегреву и разрушению. КПД источника при этом обращается в нуль

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

Рис. 2.

Соберите на экране цепь, показанную на рис. 2. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши над кнопкой э.д.с. в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен источник э.д.с.

загрузка…

Разместите далее последовательно с источником резистор, изображающий его внутреннее сопротивление (нажав предварительно кнопку в нижней части экрана) и амперметр (кнопка там же). Затем расположите аналогичным образом резисторы нагрузки и вольтметр , измеряющий напряжение на нагрузке.

Подключите соединительные провода. Для этого нажмите кнопку провода внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши в местах рабочей зоны экрана, где должны находиться соединительные провода.

4. Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой . Затем щелкните на данном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте величину параметра и установите числовое значение, обозначенное в таблице 1 для вашей бригады.

Таблица 1. Исходные параметры электрической цепи

Номер бригады
Е, В	10,0	9,5	9,0	8,5	8,0	8,5	9,0	9,5
r, Ом	4,8	5,7	6,6	7,5	6,4	7,3	8,2	9,1

5. Установите сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажмите кнопку «Счёт» и запишите показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки таблицы 2.

6. Последовательно увеличивайте с помощью движка регулятора сопротивление внешней цепи на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом и, нажимая кнопку «Счёт», записывайте показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.

7. Вычислите по формулам .

= I2(R+r) = IE

. (9)

Р1, Р2, Рполн и h для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и запишите рассчитанные значения в табл.2.

8. Постройте на одном листе миллиметровой бумаге графики зависимости P1 = f(R), P2 = f(R), Pполн=f(R), h = f (R) и U = f(R).

9. Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам проведённых опытов.

Таблица 2. Результаты измерений и расчётов

R, Ом	2,0	2,5	3,0	…
U, В
I, А
P1, Вт
P2, ВТ
Pполн, ВТ
h

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Запишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.

2. Что такое ток короткого замыкания?

3. Что такое полная мощность?

4. Как вычисляется к.п.д. источника тока?

5. Докажите, что наибольшая полезная мощность выделяется при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений цепи.

6. Верно ли утверждение, что мощность, выделяемая во внутренней части цепи, постоянна для данного источника?

7. К зажимам батарейки карманного фонаря присоединили вольтметр, который показал 3,5 В.

8. Затем вольтметр отсоединили и на его место подключили лампу, на цоколе которой было написано: Р=30 Вт, U=3,5 В. Лампа не горела.

9. Объясните явление.

10.При поочерёдном замыкании аккумулятора на сопротивления R1 и R2 в них за одно и то же время выделилось равное количество тепла. Определите внутреннее сопротивление аккумулятора.

refac.ru

Работа тока определение и формула. Урок на тему работа и мощность в электрической цепи

П л а н у р о к а № 5 Дата____________

Работа и мощность в электрической цепи. ( 2 часа )

П 00. Профессиональный цикл

ОПД 13. Основы электротехники

Преподаватель: А.А. Гурьянов

О соотношении электрических величин между собою;

Об определении работы и мощности в электрической цепи

О единицах измерения работы и мощности.

Воспитательная цель

Развивающая цель

Сформировать у учащихся навыки:

Рассчитывать параметры электрических цепей;

Подбирать устройства электронной техники, электрические приборы и оборудование с определенными параметрами и характеристиками.

Тип учебного

занятия

изучение нового материала.

Формируемые компетенции

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

Вид учебного

занятия

смешанный

Межпредметные связи

математика, физика

Оснащение,

оборудование

Учебник, компьютер, проектор, экран, интерактивная доска

Структура урока.

Организационный момент.

Актуализация знаний.

Формирование новых понятий и способов действий.

Формирование умений и навыков.

Итог урока.

Домашнее задание.

Ход урока.

1. Организационный момент.

Учет отсутствующих, проверка домашнего задания, сообщение темы и постановка целей урока.

2. Актуализация знаний.

Сформулируйте законы Кирхгофа.

3. Формирование новых понятий и способов действий.

Мы уже отмечали (см. урок 3), что напряжение равно работе совершаемой источником ЭДС при перемещении единичного заряда вдоль рассматриваемого участка цепи. Если перемещается не единичный заряд, а некоторый заряд Q , то совершаемая при этом работа А будет в Q раз большей:

А = UQ .

Выразив заряд через силу тока и время, получим

А = UIt .

За бесконечно малое время d t совершается бесконечно малая работа d A = UI d t .

Определим мощность Р как работу, совершаемую в единицу времени. Тогда

;

Из этих формул определяются единица измерения мощности и единица измерения работы электрического тока:

[ Р ] = [ U ] [ I ] = В ·А = Вт.

Работа электрического тока измеряется в джоулях (Дж):

[ A ] = [ P ]·[ t ] = Вт·с = Дж.

Джоуль или ватт-секунда - сравнительно небольшая единица, поэтому на практике часто применяется единица в 3600 раз большая, которую называют ватт-часом (час содержит 3600 с):

1 Вт·ч = 3600 Дж.

Таким образом, ватт-час (Вт·ч) - это работа, совершаема

zgbox.ru

Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

Из формулы определения напряжения ( ) легко получить выражение для расчета работы по переносу электрического заряда ; так как сила тока связана с зарядом соотношением , то работа тока: , или .

Мощность по определению , следовательно, .

Русский ученый X. Ленц и английский учены Д. Джоуль опытным путем в середине XIX в. установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля—Ленца и читается так: при прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:

Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внешние сопротивления и источник тока (рис. 17). Как один из участков цепи, источник тока обладает сопротивлением, которое называют внутренним, .

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщались дополнительная энергия, она появляется за счет работы по перемещению зарядов, которую производят силы неэлектрического происхождения (сторонние силы) против сил электрического поля. Источник тока характеризуется энергетической характеристикой, которая называется ЭДС — электродвижущая сила источника. ЭДС измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к величине этого заряда .

Пусть за время через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд . Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать так: . Согласно определению силы тока, , поэтому . При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых и , выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоуля—Ленца оно равно: . Согласно закону сохранения энергии, . Следовательно, . Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: . Эту зависимость опытным путем получил Георг Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

Работа тока определение и формула. Урок на тему работа и мощность в электрической цепи. Работа и мощность в электрической цепи

Работа и мощность электрической цепи. — КиберПедия

1). Электрический ток. Сила тока

2). Электрическая цепь

4). Закон Ома

РАБОТА И МОЩНОСТЬ ТОКА

Похожие статьи:

Урок на тему Работа и мощность в электрической цепи

Работа и мощность тока | Бесплатные курсовые, рефераты и дипломные работы

Работа тока определение и формула. Урок на тему работа и мощность в электрической цепи

Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

Похожие статьи: