Работа и мощность

16) Работа и мощность тока

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

ΔA = (φ1 – φ2) Δq = Δφ12 I Δt = U I Δt,

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

Если обе части формулы

RI = U,

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

R I2 Δt = U I Δt = ΔA.

Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи.

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


ΔQ = ΔA = R I2Δt.- (1)


Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца (количество выделившейся в проводнике теплоты пропорционально его сопротивлению , квадрату силы тока и времени ).

Мощность электрического токаравна 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).

Соотношение (1) выражает закон Джоуля-Ленца в интегральной форме. Введем плотность тепловой мощности , равную энергии выделенной за единицу время прохождения тока в каждой единице объема проводника

где S — поперечное сечение проводника, — его длина. Используя (1.13) и соотношение, получим:

Но — плотность тока, а, тогда

с учетом закона Ома в дифференциальной форме , окончательно получаем

(17.14)

Формула (17.14) выражает закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме: объемная плотность тепловой мощности тока в проводнике равна произведению его удельной электрической проводимости на квадрат напряженности электрического поля.

17) Магнитное поле в вакууме

Взаимодействие электрических токов между собой осуществляется через поле, называемое магнитным. В опыте Эрстеда ( первый опыт с магнитным полем ) проволока, по которой шел ток, была натянута над магнитной стрелкой, вращающейся на игле. При включении тока стрелка устанавливалась перпендикулярно к проволоке. Изменение направления тока взывало поворот стрелки в противоположную сторону. Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Магнитное поле в отличии от электрического не оказывает действия на покоящийся заряд. Сила возникает лишь тогда, когда заряд движется. Магнитное поле порождается движущимися зарядами.

Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему на контур с единичным магнитным моментом, и направленная вдоль положительной нормали к контуру.

Модуль магнитной индукции равен

Единицей магнитной индукции в СИ является тесла (Тл).

1 Тл = Н·м/(А·м2) = Н/(А·м) .

1 Тл — магнитная индукция такого однородного поля, в котором на контур с магнитным моментом 1 А·м2 действует вращающий момент 1 Н·м.

Магнитная индукция B⃗ полностью характеризует магнитное поле. В каждой точке может быть найден ее модуль и направление.

Поле, в каждой точке которого модуль и направление магнитной индукции одинаковы ( B⃗ =const) , называется однородным магнитным полем.

Если магнитное поле образовано системой n проводников с токами, то, имеет место принцип суперпозиции магнитных полей: магнитная индукция поля системы токов равна геометрической сумме магнитных индукцией полей каждого из токов в отдельности:

«Работа и мощность электрического тока»

Работа и мощность электрического тока. Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу. В результате электрическая энергия превращается в другие виды энергии: внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля…

Как было рассказано ранее, напряжение (U) на участке цепи равно отношению работы (F), совершаемой при перемещении электрического заряда (q) на этом участке, к заряду: U = A/q. Отсюда А = qU.

Поскольку заряд равен произведению силы тока (I) и времени (t) q = It, то А = IUt. То есть работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.

Единицей работы является джоуль (1 Дж): = 1 Дж = 1В • 1А • 1с.

Для измерения работы используют три измерительных прибора: амперметр, вольтметр и часы. Однако, в реальной жизни для измерения работы электрического тока используют счётчики электрической энергии.

Если нужно найти работу тока, но при этом сила тока или напряжение неизвестны, то можно воспользоваться законом Ома, выразить неизвестные величины и рассчитать работу по формулам: А = U2t/R или А = I2Rt.

Мощность электрического тока

Мощность электрического тока равна отношению работы ко времени, за которое она совершена: Р = A/t или Р = IUt/t => Р = IU. То есть мощность электрического тока равна произведению напряжения и силы тока в цепи.

Единицей мощности является ватт (1Вт): = 1А • 1В = 1Вт.

Используя закон Ома, можно получить другие формулы для расчета мощности тока: Р = U2P/R = I2R.

Значение мощности электрического тока в проводнике можно определить с помощью амперметра и вольтметра. Но можно для измерения мощности использовать специальный прибор — ваттметр. В нем объединены амперметр и вольтметр.

Робота електричного струму

Размещено на http://www.allbest.ru/

Робота електричного струму

При проходженні електричного струму через електричне коло можуть проходити різні явища. Крім нагрівання провідників, можуть мати місце хімічні зміни в них (провідники другого роду). Теплову дію струму в провіднику вперше дослідили та описали Емілій Християнович Ленс (1804-1865) (в 1842р. встановив закон теплової дії електричного струму) та незалежно від нього, англійський фізик Джоуль Джеймс — Прескотт (1818-1889) (встановив залежність кількості теплоти, що виділяється в провіднику при проходженні струму від інших фізичних величин).

При проходженні електричного струму через будь-яке тіло, електрична енергія перетворюється в теплову (провідник нагрівається), механічну (електродвигун приводить у рух машини і механізми), хімічну (заряджається акумулятор) тощо, а будь яке перетворення енергії з одного виду в інший характеризується виконанням роботи.

У дослідах Джоуля і Ленца струм проходив через нерухомі металеві провідники. Тому єдиним результатом проходження струму було нагрівання цих провідників і, відповідно, за законом збереження енергії, вся робота, виконана струмом, перетворювалась в теплову енергію. Роботу електричних сил в цьому випадку легко підрахувати. Відомо, що напруга на кінцях ділянки кола дорівнює роботі, яка виконується при перенесенні зарядженими частинками в цій ділянці заряду в 1Кл:

(1.1.)

де — напруга , -робота , -електричний заряд.

З формули 1.1. отримаємо

. (1.2.)

Електричний заряд , що переноситься при проходженні струму, можна визначити, якщо відомі сила струму та час, протягом якого проходив струм .

Підставивши останню формулу в 1.2., отримаємо вираз, який визначає роботу, виконану струмом

. (1.3.)

Одиницею вимірювання роботи електричного струму, як і будь-якого іншого виду роботи, є джоуль, який дорівнює роботі, що виконується електричним струмом силою в 1 А при напрузі в 1 В протягом 1с.

В розглянутому випадку вся робота перетворюється в теплоту, тобто , — кількість теплоти, відповідно .

Слід звернути увагу на те, що робота струму повністю переходить в теплову енергію лише у випадку нерухомих провідників першого роду. Якщо струм, крім нагрівання, виконує механічну роботу (двигун), то робота, виконана струмом, лише частково перетворюється в теплоту, інша частина іде на виконання зовнішньої роботи (двигун).

В такому випадку , тобто використання формули 1.3. при теоретичних розрахунках для оцінки кількості теплоти, що виділяється, можливе лише у випадках, коли вся ця робота перетворюється у теплоту, тобто коли на досліджуваній ділянці електричного кола відсутні процеси, що супроводжуються виконанням роботи іншого виду.

Потужність електричного струму

Потужність електричного струму — фізична величина, що характеризує швидкість виконання струмом роботи й дорівнює відношенню роботи А струму до часу t, за який цю роботу виконано.

Для вимірювання роботи електричного струму потрібно мати прилад, який би враховував напругу, силу струму і час його проходження. Прикладами таких приладів є лічильники електричної енергії. Які, як відомо, найчастіше бувають індукційної системи. В основі принципу дії приладів індукційної системи використовується дія змінних магнітних полів, створюваних електромагнітами, на вихрові струми, які індукуються цими полями в алюмінієвому диску. На диск діє обертаючий момент. Знаючи роботу, що виконується струмом за деякий проміжок часу, можна розрахувати і потужність струму, під якою розуміють роботу, що виконується за одиницю часу. В загальному випадку:

,

де -потужність. Використовуючи 1.3. отримаємо формулу для потужності струму

. (1.4.)

Потужність постійного струму на будь-якій ділянці кола визначається добутком сили струму на напругу між кінцями ділянки струму. Якщо в попередній формулі напруга виражається у вольтах, струм — в амперах, то одиницею вимірювання потужності буде джоуль за секунду (Дж/с) або ватт.

1Вт=1Дж/с звідки 1Дж=1Вт·с

Для означення одного вату використовується формула 1.1., згідно з якою, один ватт — це потужність, яка виділяється в провіднику, між кінцями якого прикладена напруга один вольт і через який протікає струм в один ампер. В енергетиці та на практиці часто використовується при вимірюванні потужності кВт (1кВт=1000Вт).

Також зручно використовувати позасистемну одиницю вимірювання роботи електричного струму — кВт-год,

1кВт-год=103 Вт·3600 с=3,6·106 Вт с=3,6·106 Дж.

Для вимірювання потужності електричного струму використовують ватметри, що враховують напругу і силу струму. Найпоширенішими є ватметри динамічної системи. Ватметр динамічної системи складається з двох котушок: рухомої і нерухомої. Нерухома котушка, що складається з порівняно малої кількості витків достатньо грубого дроту, вмикається послідовно зі споживачем Z, а рухома котушка з більшою кількістю витків, але значно тоншого дроту, разом з додатковим резистором Rо вмикається паралельно до споживача. Біля одного із затискачів нерухомої котушки ставлять позначку І*. Біля другого вказують номінальне значення сили струму цієї котушки Ін. Аналогічно позначають виводи рухомої котушки Uн U*.

Ватметр

Затискачі І* U*. називають генераторами, І* потрібно з’єднувати з провідником, який підводиться до місця вимірювання зі сторони джерела енергії. Ватметр може бути ввімкнений в електричне коло тільки тоді, коли на ділянці з елементом Z діючі значення струму і напруги не перевищують вказаних на приладі. Схематичне зображення ватметра динамічної системи та схема ввімкнення подані на малюнку

Розрахунок коштів на споживання за одну добу

Електролічильник 13.12.14 — 14.12.14 (доба)

За одну добу було використано 1290 кВт/год. — 1281 кВт/год. = 9 кВт/год.

Вартість одиниці роботи ( тарифу) дорівнює 41,94 коп., Із цього випливає, що за 1 добу було використано 9 кВ/год. Рахуємо: 9 кВт х 41,94 коп. = 377,4 = 3 грн.77,4 коп.

Розрахунок коштів побутових дій з використанням електричних пристроїв

Прилади

Напруга,

U (B)

Потужність,

P (Вт)

Час,

год.

Сила струму,

I (А)

Робота струму,

А (Квт/год)

Ціна,коп.

10 ламп

70х10=700

3,1

3,4

142,6

пилосос

0,5

2,7

0,3

12,6

телевізор

0,6

0,4

16,8

пральна машина

13,6

251,6

електрочайник

0,1

10,5

0,23

9,6

мікрохвильова піч

0,2

3,9

0,17

7,1

10,5

440,3

Робота струму: A=UIt

Потужність струму: P=UI

Тариф: 41,94 коп.за 1 кВт

Вирахуємо, скільки буде спожито електроенергії при роботі цих електроприладів за добу. А=А1+А2+А3+А 4+А5+А6=10,5 кВт/год, тобто загальна вартість:

10,5 кВт/год х 41,94 коп. = 440,3 = 4 грн.40,3 коп.

Враховуючи неточність часу роботи приладів, значення роботи струму за добу і коштовності спожитої електроенергії за добу, є близьким до значення, визначеного прямим методом за допомогою електролічильника.

За допомогою цих експериментальних завдань я навчився обчислювати роботу електричного струму шляхом прямого вимірювання за допомогою електролічильника, та непрямого — за допомогою формул. Зрозумів, що таке потужність електричного струму (це фізична величина, що характеризує швидкість виконання струмом роботи й дорівнює відношенню роботи А струму до часу t, за який цю роботу виконано). Крім того, вміючи розраховувати кількість спожитої електроенергії та знаючи тариф, я можу розрахувати коштовність електроенергії, вжитої за добу. Завдяки цьому зрозумів, як необхідно економити електроенергію, а тим самим і кошти.

Дослідження ринку побутової техніки

електричний струм ватметр праска

Ми з татом вирішили підібрати матусі праску. Я дізнався які характеристики вона хоче бачити у своєму подарунку на Новий Рік.

Це був перелік параметрів:

1. Повинен бути, обов’язково, парогенератор.

2. Потужність : більше 2000 Вт

3. Автовідключення.

4. Вертикальне відпарювання.

5. Захист від накипу.

6. Система само очищування.

7. Система капля-стоп.

По цим критеріям ми вирішили підібрати праску. Ось що у нас вийшло:

Утюг BOSCH TDS 373117 P

Основные характеристики

Тип

парогенератор

Мощность

3100 Вт

Подошва

CeraniumGlissйe (с отверстиями для подачи пара на 3 зоны для оптимального распределения пара и облегченного глажения)

Паровой удар

320 г/мин

Постоянная подача пара

120 г/мин

Объем резервуара для воды

1,4 мл

Дополнительные характеристики

Автоотключение

есть

Вертикальное отпаривание

есть

Защита от накипи

есть

Система самоочистки

есть

Система «капля-стоп»

есть

Комплектация

съемная подкладка (предотвращает скольжение и крепится как к бойлеру, так и к доске для глажки)

Особенности

Паровое давление: 6 бар с системой безопасности Время разогрева перед глажкой: 2 мин Глубокое проникновение пара для лучшего разглаживания складочек благодаря трем интенсивным паровым ударам Кнопка экономного режима Еco: сбережение до 25% электроэнергии и до 40% воды Система SecureLock Calc’n’Clean Advanced: паровую станцию ??специально оборудовано коллектором извести Программа особо бережной глажки темных и деликатных тканей Система автоматического отключения Auto-Shut-Off Таймер Calc’n clean: напоминание о необходимости очистки прибора Система распределения пара AdvancedSteam System — оптимизированное распределение пара Большое отверстие для удобного хранения парового кабеля и кабеля подключения к электроэнергии Сигнал «готовность пара» и «резервуар пустой» Подсветка кнопки включения/выключения

Длина шнура

1,9 м

Габариты, вес, цвет

Габариты

29х23х39 см

Габариты в упаковке

32х26,5х47 см

Вес

4,87 кг

Вес в упаковке

5,84 кг

Цвет

черный/красный

Утюг ARZUM STEAMART MAXI (AR642) Purple

Основные характеристики

Тип

парогенератор

Мощность

2800 Вт

Подошва

керамика с технологией ионизации

Паровой удар

180 г/мин

Постоянная подача пара

50 г/мин

Объем резервуара для воды

240 мл

Дополнительные характеристики

Автоотключение

есть

Вертикальное отпаривание

есть

Защита от накипи

есть

Система самоочистки

есть

Система «капля-стоп»

есть

Комплектация

бак-подставка, стаканчик

Особенности

118 отверстий распределяют пар идеально и быстро Автоотключение в вертикальном положении: 8-10 м Автоотключение в горизонтальном положении: 25-30 с Большая подставка для утюга формы V Емкость для воды с подсветкой Индикатор низкого уровня воды После автоматического отключения появится соответствующая иконка на LCD-экране и раздастся звуковой сигнал При нажатии на рукоятку срабатывает пусковой механизм и производится пар Система долива воды: 1,4 л Система соединения бака с утюгом позволяет удобно перемещать их на небольшие расстояния LCD-экран обеспечивает легкое использование

Длина шнура

3 м

Габариты, вес, цвет

Габариты

25х33х18 см

Габариты в упаковке

28,5х35х21 см

Вес

3 кг

Вес в упаковке

3,32 кг

Цвет

фиолетовый/черный

Отже, ми з татом вирішили обрати праску BOSCH TDS 373117 P.

У порівнянні з іншими прасками вона виграє по багатьом параметрам. Наприклад: паровий удар у неї 320 грам у хвилину, а в інших прасках 120 і 90 грам у хвилину, обсяг резервуара для води 1400 мл, а у конкурентів 240мл і 1100мл. Головним критерієм вибору праски є її потужність — 3100 Вт, яка необхідна для виконування багатьох функцій : вертикальне відпарювання, паровий тиск, скорочений час розігріву, тощо. Ну і на додаток, до основних характеристик, які мама замовляла, є ще й додаткові, дуже корисні:

· знімна підкладка (запобігає ковзанню та кріпиться як до бойлера, так і до дошки для прасування)

· Паровий тиск: 6 бар з системою безпеки

· Час розігріву перед прасуванням: 2 хв

· Глибоке проникнення пари для кращого розгладження складочок завдяки трьом інтенсивним паровим ударам;

· Кнопка економного режиму Еco: заощадження до 25% електроенергії та до 40% води

· система SecureLock

· Calc’n’Clean Advanced: парова станція спеціально обладнана колектором вапна

· Делікатна програма прасування темних і делікатних тканин

· Система автоматичного відключення Auto-Shut-Off

· Таймер Calc’n clean: нагадування про необхідність очищення приладу

· Система розподілу пари AdvancedSteam System — оптимізоване розподілення пари

· Великий отвір для зручного зберігання парового кабелю та кабелю підключення до електроенергії

· Сигнал «готовність пари» і «резервуар порожній»

· Підсвічування кнопки включення / виключення

Хоча потужність праски велика, аж 3100 Вт, завдяки функціі Еco, вона заощаджує 25% електроенергії. Тому ця праска, хоча має велику потужність, є енергозберігаючою.

Тому ми вирішили придбати цю праску. Є, звичайно, один мінус — це його висока ціна, але хороша річ повинна коштувати дорожче.

Размещено на Allbest.ru

Изучая применение электрического тока, нужно уметь вычислять количество электроэнергии, которое расходуется на то или иное действие тока. Например, подъём лифта, нагревание чайника и тому подобное. Поэтому выведем формулу для подсчёта работы тока.

В предыдущем параграфе
мы узнали формулу:P = I · U
Однако из 7-го класса мы знаем
другую формулу для мощности:N = A / t

В левых частях этих равенств стоят разные символы, но они обозначают одну и ту же физическую величину – мощность. Следовательно, правые части формул можно приравнять: I · U = A / t . Выразим работу:

A = I · U · t A – работа электрического тока, Дж
I – сила электрического тока, А
U – электрическое напряжение, В
t – время наблюдения, с

По этой формуле вычисляется работа тока или, что то же самое, израсходованная электроэнергия. Поясним, что выделенные нами термины – синонимы.

В момент замыкания цепи электрическое поле источника энергии приводит в движение заряженные частицы в проводнике (электроны и/или ионы), и их энергия возрастает. Сумма энергий всех частиц тела является внутренней энергией тела (см. § 7-д), значит, внутренняя энергия проводника в момент возникновения в нём тока возрастает. Согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия может расходоваться на теплопередачу или совершение работы (см. § 6-з). Но, расходуясь, она постоянно пополняется от источника энергии.

Вспомним, что прохождение тока по проводнику всегда сопровождается действиями тока (см. § 8-з). При этом обязательно происходит превращение электроэнергии в другие виды энергии. Например, внутреннюю (утюг или чайник), механическую (пылесос или вентилятор) и так далее. Поэтому под выражением «ток совершает работу» мы будем понимать превращение электроэнергии в другие виды энергии. В таком смысле работа тока и израсходованная электроэнергия – выражения-синонимы.

Для измерения потреблённой электроэнергии служат специальные измерительные приборы – счётчики электроэнергии.

Для учёта электроэнергии вместо джоуля используется более крупная единица – киловатт-час (обозначение: 1 кВт·ч). Например, счётчик на рисунке показывает значение 254,7 кВт·ч. Это может означать, что за всё время учёта потребитель мощностью 254,7 кВт работал 1 час или что потребитель мощностью 2547 Вт работал 100 часов (и так далее, соблюдая пропорцию).

Найдём связь киловатт-часа с более привычной нам единицей для измерения работы – джоулем.

1 кВт · ч = 1000 Вт · 60 мин =
= 1000 Дж/с · 3600 с = 3 600 000 (Дж/с)·с =
= 3 600 000 Дж = 3,6 МДж

Итак, 1 кВт·ч = 3,6 МДж.

Примечание. Формула для работы тока A = I·U·t поможет выяснить физический смысл электрического напряжения. Выразим его:

U = A Следовательно, 1 В = 1 Дж
I·t А·с

Отсюда видно, что 1 вольт – это такое напряжение, при котором ток силой 1 ампер способен за 1 секунду производить 1 джоуль работы. Другими словами, электрическое напряжение показывает работу, которую ежесекундно совершают силы электрического поля для поддержания в цепи тока силой 1 ампер.

Кроме того, из формулы I = q / t  (см. § 9-б)  следует: q = I · t. Тогда:

U = A Следовательно, 1 В = 1 Дж
q Кл

Исходя из этой формулы, 1 вольт может рассматриваться и как такое напряжение, при котором работа сил электрического поля при перемещении заряда в 1 Кл будет равна 1 Дж. Обобщённо мы скажем: электрическое напряжение является одной из характеристик электрического поля, перемещающего заряды по проводнику.

Работа электрического тока

Протекая по цепи электрический ток совершает работу. Опять сравним протекание электрического тока с потоком воды в трубе. Если этот поток направить, например, на лопасти генератора, то поток будет совершать работу, вращая генератор. Таким же образом электрический ток совершает работу, протекая по проводнику. И эта работа тем больше, чем больше сила тока и напряжение в цепи.

Таким образом, работа электрического тока, совершаемая на участке цепи, прямо пропорциональна силе тока в цепи, напряжению на этом участке и времени действия тока. Работа электрического тока обозначается латинской буквой A.

Формула работы электрического тока имеет вид:

A = I*U*t

Произведение I*U есть не что иное, как мощность электрического тока.

Тогда формула работы электрического тока примет вид:

A = P*t

Работа электрического тока измеряется в ваттсекундах или иначе говоря в джоулях.

Поэтому, если мы хотим узнать, какую работу про­извел ток, протекая по цепи в течение нескольких секунд, мы должны умножить мощность на это число секунд.

Например, через реостат с сопротивлением 5 Ом протекает ток си­лой 0,5 А. Нужно определить, какую работу произведет ток в течение 4 часов (14 400 сек.). Так как работа тока в одну секунду будет равна:

P=I2R = 0,52*5= 0,25*5 =1,25 Вт,

то за время t=14400 сек. она будет в 14 400 раз больше. Следователь­но, работа электрического тока А будет равна:

А = Р*t= 1,25*14 400= 18 000 вт-сек.

Ваттсекунда (джоуль) являет­ся слишком малой единицей для измерения работы тока. По­этому на практике пользуются единицей, называемой ваттчас (втч).

Один ваттчас равен 3 600 Дж, так как в часе 3 600 сек.

1втч = 3 600 Дж.

В нашем последнем примере работа тока, выраженная в ваттчасах, будет равна:

А = 1,25*4=5 втч.

В электротехнике для измерения работы тока применяют­ся еще большие единицы, называемые гектоваттчас (гвтч) и киловаттчас (квтч):

1 квтч =10 гвтч =1000 втч = 3600000 Дж,

1 гвтч =100 втч = 360 000 Дж,

1 втч = 3 600 Дж.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *