58. Энергия электрического тока. Энергия магнитного поля.
58. Энергия электрического тока. Энергия магнитного поля.
То что электрический ток обладает энергией не вызывает сомнений − он способен разогреть воду в чайнике, осветить улицы, двигать электропоезда и.д. Настало время разобраться, что это за энергия и где она локализована.
Из-за чрезвычайно малой массы носителей электрического тока (например, электронов в металлах) и малой скорости их направленного движения энергия электрического тока не может быть связана с кинетической энергией носителей тока.
Нельзя также связать энергию тока с потенциальной энергией взаимодействия зарядов с электрическим полем. Мы показали, что в цепи постоянного тока уменьшение этой энергии в точности равно количеству теплоты, выделяющейся в проводнике.
При изменении электрического тока изменяется создаваемое им магнитное поле, следовательно, изменяется и его энергия. Так как других видов энергии участвующих в процессе протекания тока нет, то следует предположить, что фактически энергия электрического тока есть энергия, создаваемого им магнитного поля
Рассмотрим с энергетической точки зрения переходные процессы установления тока. Пусть катушка, обладающая индуктивностью L, подключается к источнику тока, ЭДС которого равна E (рис. 560). Полное электрическое сопротивление цепи обозначим R.
рис. 560
Строго говоря, индуктивностью обладают все элементы цепи (в том числе соединяющие провода и источник), поэтому под L следует понимать полную индуктивность цепи.
При замыкании цепи под действием источника тока в проводниках возникает электрическое поле, приводящее к появлению электрического тока. Этот ток создает магнитное поле. При изменении силы электрического тока магнитное поле также изменяется, что приводит к появлению вихревого электрического поля, которое в свою очередь влияет на силу электрического тока в цепи, в соответствии с правилом Ленца, препятствуя нарастанию тока. Тем самым источник должен совершать дополнительную работу по преодолению сил со стороны вихревого электрического поля. Эта работа увеличивает энергию электромагнитного поля. Таким образом, изменяющийся электрический ток влияет на самого себя − мы очередной раз встречаемся с «зацикленной» математической задачей: «следствие» (магнитное поле) влияет на «причину» (электрический ток).
В этом уравнении учтено, что ЭДС в цепи создается не только источником, но и вихревым электрическим полем, которая выражена через индуктивность цепи.
Уравнение (1) позволяет получить зависимость силы тока в цепи от времени. Для этого запишем его в виде
С уравнением такого типа мы встречались неоднократно − оно описывает монотонный переход к стационарному режиму.
рис. 561
Для определения параметров этого перехода перепишем его в стандартной форме (М13)
Из вида этого уравнения следует, что сила тока стремится к стационарному значению
В стационарном режиме, когда сила тока постоянная ЭДС самоиндукции равна нулю, в этом режиме соленоид не влияет на протекание тока в цепи. Чем и объясняется формула (4). Характерное время перехода к стационарному режиму также определяется уравнением (3)
Для рассмотрения процессов преобразования энергии в данной цепи перепишем уравнение (2) в виде
и умножим его на малую величину заряда Δq = IΔt, протекающего по цепи за малый промежуток времени Δt:
В этом уравнении каждое слагаемое имеет явный физический смысл:
работа, совершенная источником по перемещению рассматриваемой порции заряда;
количество теплоты, выделившейся в цепи при перемещении этого же заряда.
Последнее слагаемое отлично от нуля, только если сила тока и создаваемое им магнитное поле изменяются. Следовательно, именно оно описывает изменение энергии магнитного поля ΔWM! В этом случае смысл уравнения (4) становится очевидным и показан на рис. 562:
рис. 562
работа, совершенная источником Aист, равна сумме энергии созданного магнитного поля WM количества выделившейся теплоты
Преобразуем последнее слагаемое к виду (с учетом неоднократно использованного нами соотношения для малых изменений Δ(x2) = 2xΔx):
Таким образом, энергия магнитного поля, созданного током в цепи, описывается формулой
где L − полная индуктивность цепи. Полученная формула справедлива магнитного поля электрического тока в любой электрической цепи.
Рассмотрим теперь ее частный случай − когда в цепь включен соленоид − длинная катушка. В этом случае можно считать, что магнитное поле полностью локализовано внутри катушки, и пренебречь индуктивностью остальных элементов цепи.
рис. 563
Индуктивность такой катушки определяется формулой
а индукция магнитного поля внутри ее равна
С учетом этих формул преобразуем выражение (5)
Теперь энергия магнитного поля выражена через величину индукции и объем, занимаемым полем. В рассматриваемом случае магнитное поле является однородным, поэтому его энергия пропорциональна объему, следовательно, величина
описывает энергию, приходящуюся на единицу объема, занимаемого однородным магнитным полем. Эта физическая величина называется плотностью энергии магнитного поля.
Если магнитное поле не является однородным, то под плотностью энергии следует понимать отношение энергии ΔW, заключенной в малом объеме ΔV, к величине этого объема
В этом случае плотность энергии можно рассматривать как «точечную» характеристику поля, определенную в каждой пространственной точке, со всеми оговорками присущими подобным характеристикам, таким как «обычная» плотность, плотность энергии электрического поля и т.д. При таком, более строгом определении плотность энергии магнитного поля также определяется формулой (6).
Рассмотрим теперь процесс убывания электрического тока в соленоиде.
Для этого представим следующую цепь (рис. 564).
рис. 564
Пусть первоначально ключ замкнут в положении 1, после установления тока в цепи, быстро перебросим ключ в положение
и выражение для ЭДС самоиндукции
В результате получим уравнение, описывающее динамику изменения силы тока в контуре
Мы получили уже неоднократно изученное нами уравнение затухания, в котором скорость изменения тока пропорциональна силе тока. В этом случае сила тока монотонно убывает от начального значения до нуля с характерным временем затухания
которое совпадает со временем установления тока в этой же цепи.
Чтобы описать энергетические характеристики процесса, умножим уравнение (8) на величину малого заряда
и просуммируем по всему времени исчезновения тока. Рассмотрим смысл, получающихся сумм, для чего преобразуем их следующим образом: Выражение в левой части
есть изменение энергии магнитного поля. При вычислении последней суммы учтено, что начальное значение силы тока равно Io, а конечное равно нулю. Сумма в правой части уравнения (10) есть количество выделившейся теплоты, которое равно
что совпадает с начальной энергией магнитного поля. Таким образом, при исчезновении электрического тока энергия магнитного поля полностью выделяется в виде теплоты (переходит в тепловую энергию окружающей среды).
fizportal.ru
формулы тоэ продолжение | энергетик
В разделе: электрический ток (I, ампер), электродвижущая сила (ЭДС, E=A/q=Дж/Кл=В, вольт), электрическое напряжение (U, вольт), электрическая энергия и мощность (Eq, Дж, джоуль) и ватт (Р, Вт, ватт).
Величина электрического тока (I) определяется как количество заряда q переносимое через какую-либо поверхность в единицу времени, при одинаковых промежутках времени t переносимого заряда q, где I = q/t, то такой ток постоянный. I = q/t = Кл/с = А (ампер):
2. Электродвижущая сила (ЭДС). Участок цепи, на котором действует ЭДС, является источником электрической энергии (энергии движущихся носителей электрических зарядов). Единицу ЭДС можно получить как E = A/q = Дж/Кл = В (вольт):
3. Электрическое напряжение (U). На участках электрической цепи, где отсутствует ЭДС, движение носителей зарядов сопровождается расходом полученной ранее энергии путём преобразования её в другие виды. Этот процесс можно охарактеризовать падением напряжения или просто напряжением U, где U = A/q. В случае движения зарядов в безвихревом электрическом поле это определение идентично понятию разности потенциалов участков электрической цепи, т.е. Uab = φа − φb, где , φа, φb, – потенциалы границ участка. Единица измерения напряжения и разности потенциалов такая же, как и ЭДС.
4. Электрическая энергия и мощность. Из понятия ЭДС следует, что она является работой, совершаемой при перемещении единичного заряда между полюсами источника электрической энергии Wи = Eq = EIt, где требуется совершить работу в q раз большую для перемещения всех зарядов, т.е. затратить энергию.
Напомним для тех кто знал но забыл, что такое Электрическая цепь:
Электрическая цепь представляет собой совокупность технических устройств и физических объектов, по которым протекает электрический ток, т.е. происходит упорядоченное направленное движение электрических зарядов.
Для того чтобы заряды перемещались им необходимо передать некоторую энергию и устройство, выполняющее эту функцию, называется источником электрической энергии. Источник электрической энергии является составным элементом электрической цепи. Энергия, передаваемая источником движущимся зарядам, может быть получена только путём преобразования других видов энергии (тепловой, химической, механической, световой) или путём воздействия на электрические заряды магнитным полем, возбуждаемым другим источником.
Создаваемый источником электрический ток может вызывать различные явления: нагревать элементы, по которым он протекает, вызывать свечение веществ, создавать механические усилия. Технические устройства, в которых получают требуемый эффект от протекания электрического тока называют приёмниками электрической энергии, т.к. в них происходит преобразование электрической энергии в другие виды.
Иными словами электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определенные функции и называемых элементами цепи. Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов). Электротехнические устройства, производящие электрическую энергию, называются генераторами или источниками электрической энергии, а устройства, потребляющие ее – приемниками (потребителями) электрической энергии, о чём собственно и сказано в формулах тоэ выше.
energetik.com.ru
Энергия и мощность электрического тока
В замкнутой электрической цепи источник затрачивает электрическую энергию WИСТ на перемещение единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, т. е. на внутреннем и внешнем участках ((1.3) и рис. 2.3).
ЭДС источника определяется выражением . Из этого выражения следует, что энергия, затраченная источником, равна
(1.13)
так как , что вытекает из определения величины тока .
Энергия источника расходуется на потребителе (полезная энергия)
(1.14)
и на внутреннем сопротивлении источника (потери)
(1.15)
Потерей энергии в проводах, при незначительной их длине, можно пренебречь.
Из закона сохранения энергии следует
(1.16)
Во всех элементах электрической цепи происходит преобразование энергии (в источниках различные виды энергии преобразуются в электрическую, в потребителях — электрическая в другие виды энергии).
Скорость такого преобразования энергии определяет электрическую мощность элементов электрической цепи
(1.17)
Обозначается электрическая мощность буквой Р, а единицей электрической мощности является ватт, другими словами, [Р] = Вт (ватт)
Таким образом, мощность источника электрической энергии определяется выражением
(1.18)
Мощность потребителя, т. е. полезная, потребляемая мощность, будет равна
(1.19)
Если воспользоваться законом Ома для участка электрической цепи, то полезную мощность можно определить следующим выражением:
(1.20)
Потери мощности на внутреннем сопротивлении источника
(1.21)
Для любой замкнутой цепи должен сохраняться баланс мощностей
(1.22)
Так как электрическая мощность измеряется в ваттах, то единицей измерения электрической энергии является [W] = [P·t ] = Вт·с.
Коэффициент полезного действия электрической цепи η определяется отношением полезной мощности (мощности потребителя) ко всей затраченной мощности (мощности источника)
(1.23)
Похожие статьи:
poznayka.org
Constant-Current — Электрический ток в физике
Электрическая энергия легко преобразуется в другие виды энергии — механическую, химическую, световую, внутреннюю энергию вещества, что широко применяется в промышленности и в быту.
Мерой изменения энергии электрического тока служит работа источника тока, создающего и поддерживающего электрическое поле в цепи.
Стационарное электрическое поле, перемещающее заряды по проводнику, совершает работу. Эту работу называют работой тока. Работа электрического тока на участке цепи, как следует из определения напряжения,
где q — электрический заряд, проходящий по участку цепи, а U — напряжение на участке.
Учитывая, что q = It, где I — сила тока в проводнике, а t — время прохождения электрического тока, для работы тока получим
Если R — сопротивление однородного участка цепи, то, используя закон Ома для участка цепи, можно получить формулу для расчета работы тока:
Если участок цепи не является однородным, то работу совершает не только стационарное электрическое поле, но и сторонние силы, и полная работа определяется по формуле
По вышеприведенным формулам можно рассчитать полную работу тока на данном участке цепи.
Если в цепи есть электродвигатель, то энергия электрического тока, во-первых, расходуется на совершение механической работы — полезная работа Ameh, во-вторых, затрачивается на нагревание обмоток электродвигателя и соединительных проводов — теряемая энергия. В этом случае коэффициент полезного действия можно рассчитать как
Говоря о коэффициенте полезного действия источника тока, под полезной работой подразумевают работу, совершаемую во внешней цепи постоянного тока:
Затраченная же работа источника тока равна работе сторонних сил:
где .
Тогда .
КПД источника , где U — напряжение во внешней цепи (напряжение на полюсах источника тока). Графическая зависимость η = f(R) при r = const приведена на рис. 1.
Рис. 1
Единица работы электрического тока в СИ — джоуль (Дж). 1 Дж представляет работу тока, эквивалентную механической работе в 1 Дж. 1 Дж = Кл·В = А·В·с.
Измеряют работу электрического тока счетчиками.
Скорость совершения работы тока на данном участке цепи характеризует мощность тока. Мощность тока определяют по формуле или P = IU.
Используя закон Ома для участка цепи, можно записать иначе формулу для мощности тока: . В этом случае речь идет о тепловой мощности.
Единица мощности тока — ватт: 1 Вт = Дж/с. Отсюда Дж = Вт·с.
Кроме того, применяют внесистемные единицы: киловатт-час или гектоватт-час: 1 кВт·ч = 3,6·106 Дж = 3,6 МДж; 1 гВт·ч = 3,6·105 Дж = 360 кДж.
Для измерения мощности тока существуют специальные приборы — ваттметры.
constant-current.narod.ru
Электричество — Основные формулы
1. Электростатика
1.1 Закон Кулона
q1, q2 — величины точечных зарядов,
r — расстояние между зарядами.
1.2 Напряженность поля уединенного точечного заряда
q — величина уединенного точечного заряда,
r — расстояние от заряда.
1.3 Потенциал точки в поле точечного заряда
q — величина уединенного точечного заряда,
r — расстояние от заряда.
1.4 Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле
φ — потенциал,
q1 — величина заряда.
1.5 Потенциальная энергия заряда q1 в поле точечного заряда
q — величина уединенного точечного заряда, который создает поле,
r — расстояние между зарядами.
1.6 Теорема Гаусса
N — поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность,
q — полный заряд, находящийся внутри замкнутой поверхности.
1.7 Напряженность электрического поля вблизи от поверхности проводника
σ — поверхностная плотность заряда.
1.8 Емкость плоского кондесатора
q — заряд конденсатора,
U — модуль разности потенциалов между обкладками.
1.9 Энергия плоского кондесатора
q — заряд конденсатора,
U — модуль разности потенциалов между обкладками.
2. Постоянный электрический ток
2.1 Закон Ома для участка однородной цепи
U — напряжение на концах участка,
R — сопротивление участка цепи.
2.2 Закон Ома для замкнутой цепи с источником тока
— ЭДС (электродвижущая сила),
r — внутреннее сопротивление источника ЭДС.
2.3 Работа постоянного тока
U — напряжение на концах участка цепи,
t — время, за которое совершается работа.
2.4 Закон Джоуля-Ленца
Q — теплота,
R — сопротивление проводника,
t — время, за которое выделяется теплота.
2.5 Полная мощность, развиваемая источником тока
— ЭДС источника тока,
R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.
2.6 Полезная мощность
— ЭДС источника тока,
R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.
2.7 Коэффициент полезного действия источника тока
R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.
2.8 Первое правило Кирхгофа
n — число проводников, сходящихся в узле;
Ik — сила тока в k-м проводнике.
2.9 Второе правило Кирхгофа
n — число неразветвленных участков в контуре;
m — число ЭДС в контуре.
fizikazadachi.ru
Электрический ток — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи
Оглавление:
Основные теоретические сведения
Электрический ток. Сила тока. Сопротивление
К оглавлению…
В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:
Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.
Средняя сила тока находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):
Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I1 до значения I2, то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:
Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:
При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:
где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.
Сопротивление проводника зависит и от его температуры:
где: R0 – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.
Диод в цепи постоянного тока
Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:
Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.
Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников
К оглавлению…
Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R, пропорциональна напряжению U на концах проводника:
Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно. У каждого способа есть свои закономерности.
1. Закономерности последовательного соединения:
Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0 находится по формуле:
2. Закономерности параллельного соединения:
Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0 находится по формуле:
Электроизмерительные приборы
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RB. Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.
ЭДС. Закон Ома для полной цепи
К оглавлению…
Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:
Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).
Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника):
Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.
Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:
Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
Несколько источников ЭДС в цепи
Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно, то:
1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:
Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.
2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:
В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.
При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:
В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.
Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца
К оглавлению…
Работа A электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в теплоту Q, выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):
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 A к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:
Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).
Энергобаланс замкнутой цепи
К оглавлению…
Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:
Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:
Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R1 и R2 на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:
Мощность потерь или мощность внутри источника тока:
Полная мощность, развиваемая источником тока:
КПД источника тока:
Электролиз
К оглавлению…
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.
Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза.
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:
Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Он может быть рассчитан по формуле:
где: n – валентность вещества, NA – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:
Электрический ток в газах и в вакууме
К оглавлению…
Электрический ток в газах
В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов — электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов.
Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием — ионизатором. Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α-частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов — электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).
Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.
Электрический ток в вакууме
Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.
Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.
educon.by
§ 13. Работа и мощность электрического тока
Электрическая энергия. В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рис. 30). В источниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Например, в электрических генераторах 1, приводимых во вращение каким-либо механизмом, происходит превращение в электрическую энергию механической, в термогенераторах 2 — тепловой, в аккумуляторах 9 при их разряде и гальванических элементах 10 — химической, в фотоэлементах 11 — лучистой.
Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии — тепловую, механическую, химическую, лучистую и пр. Например, в электродвигателях 3 электрическая энергия превращается в механическую, в электронагревательных приборах 5 — в тепловую, в электролитических ваннах 8 и аккумуляторах 7 при их заряде — в химическую, в электрических лампах 6 — в лучистую и тепловую, в антеннах 4 радиопередатчиков — в лучистую.
Рис. 30. Пути превращения энергии из одного вида в другой
Мерой количества энергии является работа. Работа W, совершаемая электрическим током за время t при известном напряжении U силе тока I, равна произведению напряжения на силу тока и на время его действия:
W = UIt (29)
Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется джоулем (Дж). Джоуль, который называют также ватт-секундой (Вт*с), — очень маленькая единица измерения, поэтому на практике для измерения электрической энергии приняты более крупные единицы — ватт-час (1 Вт*ч = 3600 Дж), киловатт-час (1 кВт*ч = 1000 Вт*ч = 3,6*106 Дж), мегаватт-час (1 МВт*ч=1000 кВт*ч=3,6*109 Дж).
Электрическая мощность. Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях U и I равна произведению напряжения U на силу тока I:
P = UI (30)
Используя закон Ома для определения силы тока и напряжения в зависимости от сопротивления R и проводимости G, можно получить и другие выражения для мощности. Если заменить в формуле (30) напряжение U=IR или силу тока I=U/R=UG, то получим
P = I2R (31)
или
P = U2/R = U2G (32)
Следовательно, электрическая мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление, или электрическая мощность квадрату напряжения, поделенному на сопротивление, либо квадрату напряжения, умноженному на проводимость.
Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами: киловаттами (1 кВт =1000 Вт) и мегаваттами (1 МВт=1 000 000 Вт).
Потери энергии и коэффициент полезного действия. При превращении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот не вся энергия превращается в требуемый вид энергии, часть ее непроизводительно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.
Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности, называется коэффициентом полезного действия источника или приемника. Коэффициент полезного действия (к. п. д.)
? = P2/P1 = P2/(P2 + ?P) (33)
где
Р2 — отдаваемая (полезная) мощность;
Р1 — получаемая мощность;
?Р — потери мощности.
К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии. Иногда к. п. д. выражают в процентах. Так, тяговые двигатели электровозов и тепловозов имеют к. п. д. 86—92 %, мощные трансформаторы — 96—98 %, тяговые подстанции — 94—96 %, контактная сеть электрифицированных железных дорог — около 90 %, генераторы тепловозов — 92—94 %.
Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в электрической цепи (рис. 31). Генератор 1, питающий эту цепь, получает от первичного двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность Рmx = 28,9 кВт, а отдает электрическую мощность Рэл = 26 кВт (2,9 кВт составляют потери мощности в генераторе). Поэтому он имеет к. п. д. ?ген = Рэл/Рmx = 26/28,9 = 0,9.
Мощность Рэл = 26 кВт, отдаваемая генератором, расходуется на питание электрических ламп (6 кВт), на нагрев электрических плиток (7,2 кВт) и на питание электродвигателя (10,8 кВт). Часть мощности ?Pпр = 2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соединяющих генератор с потребителями.
Рис. 31. Схема преобразования энергии в электрической цепи
В каждом приемнике электрической энергии также имеют место потери мощности. В электрическом двигателе 3 потери мощности составляют 0,8 кВт (он получает из сети мощность 10,8 кВт, а отдает только 10 кВт), поэтому к. п. д. ?дв = 10/10,8 = 0,925. Из мощности 6 кВт, полученной лампами, лишь незначительная часть идет на Создание лучистой энергии, большая часть ее бесполезно рассеивается в виде тепла. В электрической плитке на нагрев пищи расходуется не вся полученная мощность 7,2 кВт, так как часть созданного ею тепла рассеивается в окружающем пространстве. При рассмотрении электрических цепей наряду с определением токов и напряжений, действующих на отдельных участках, необходимо определять и передаваемую по ним мощность. При этом должен соблюдаться так называемый энергетический баланс мощностей. Это означает, что мощность, получаемая каким-либо устройством (источником тока или потребителем) или участком электрической цепи, должна быть равна сумме отдаваемой ими мощности и потерь мощности, которые возникают в данном устройстве или участке цепи.
electrono.ru