Источники и потребители электрической энергии. Электрические цепи. Передача мощности электрического тока от источника к потребителюМощность электрического тока — работа, совершаемая в единицу времени электрическим полем при упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике.Мощность электрического тока — работа, совершаемая в единицу времени электрическим полем при упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике. По определению (см. Ф-10, § 34) средняя мощность тока равна: Р = А =Q t t ' С учетом формул (42, 43) получаем Р = ЛД=^=Я/. (44) MX При последовательном соединении проводников (I = const) мощность, выделяемая в проводниках, пропорциональна их сопротивлению. При параллельном соединении проводников (U = const) мощность, выделяемая в проводниках, обратно пропорциональна их сопротивлению. ВОПРОСЫ
ЗАДАЧ И
Постоянный электрический ток 49 3 Найдите сопротивление R двух одинаковых резисторов, если известно, что при подключении их к источнику тока с внутренним сопротивлением г мощность, выделяемая при их последовательном и параллельном соединении, одинакова. [R = г] 4. Электрический чайник имеет две обмотки. При включении одной из них вода в чайнике закипает за 10 мин, при включении другой — за 15 мин. За какой промежутоквремени закипит вода, если включить обмотки последовательно; параллельно? [25 мин; 6 мин] 5. Электрические лампы, мощность которых Р, = 60 Вт и Рг = 40 Вт (при номинальномнапряжении 110 В), включены последовательно в сеть с напряжением 220 В. Найдите мощность каждой лампы при таком включении. [Р[ = 38,4 Вт; Р'% = 57,6 Вт] §15. Передача мощности электрического тока от источника к потребителю Максимальная мощность, передаваемая потребителю. При передаче электроэнергии от источника тока к потребителю часть энергии идет на нагревание подводящих проводов. Выясним, какая мощность передается потребителю, и найдем мощность, теряемую в проводах. Схему электропередачи можно представить в виде простейшей замкнутой цепи, включающей источник тока с ЭДС £ и внутренним сопротивлением г0, сопротивления нагрузки R и сопротивления подводящих проводов г (рис. 49, а). Такова, например, часть схемы электропитания автомобиля (рис. 49, б). Обычно внутренним сопротивлением источника тока можно пренебречь, так как г0 « г; r0 « R. Сила тока Тогда $ = IR + Ir. ЭДС равна сумме напряжений на сопротивлениях замкнутой цепи. Умножим последнее равенство на силу тока: I$^PR + I2r. (45) Каждое слагаемое в формуле (45) имеет определенный физический смысл. 1$ = Р — мощность сторонних сил, разделяющих разноименные заряды в источнике тока. I2R = Рн — мощность, передаваемая потребителю (нагрузке сопротив-Лением R), или полезная мощность. 50 Электродинамика а) I 49Аккуму лятор б) Звуковой сигнал Фары Габаритные огни Задняя габаритная подсветка Передача электроэнергии от источника к потребителю: а) принципиальная схема электропередачи; б) схема электропитания автомобиля 12г = РП — мощность, теряемая в проводниках (идущая на их нагревание), или потери мощности. Мощность источника тока частично передается в нагрузку и частично теряется в проводах. При передаче электрической энергии важно доставить потребителю максимальную мощность и снизить потери мощности в подводящих проводах. Выясним сначала, при каком сопротивлении нагрузки потребителю передается максимальная полезная мощность от источника тока. Зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки имеет вид: £2Д Pn(R) = I2R(R + г)2 Функция PS(R) имеет максимум, если ее производная по R равна нулю, т. е. р; (R) = о. Вычислим эту производную как производную от отношения двух функций $2R и (R + г)2: Постоянный электрический ток 51 _ (£2Д)'(Д + г)2 - £2Д[(Д + г)Ц' _e4R+r)2-&R-2(R+r)Р^н> (Д + г)4 (Д + г)4 Приравнивая к нулю числитель дроби, получаем: £2(Я + г)(Д + г-2Д) = 0. Так как $*■ Ф О и (J? + г) * 0, то Д + г-2Я = 0. Следовательно, Д = г. Если сопротивление источника тока соизмеримо с сопротивлением подводящих проводов, то R=r0 + r. Потребителю передается максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно суммарному сопротивлению источника тока и подводящих проводов. В этом состоит условие согласования нагрузки и источника. По аналогии движущийся шар при ударе о неподвижный шар передает первому максимальную энергию, если массы шаров равны друг другу (см. Ф-10, рис. 127). Потери мощности в подводящих проводах. Рассмотрим теперь, от чего зависят потери мощности и как можно их уменьшить. Чтобы оценить потери, надо знать силу тока в линии электропередачи. При заданной, известной, мощности Р источника тока в линии электропередачи сила тока равна: Если внутренним сопротивлением источника тока можно пренебречь, то ё = иаЬ, где^аь — напряжение на полюсах источника (так как Uab = $ - Ir0). Значит, (46) V аЬ Потери мощности в подводящих проводах обратно пропорциональны квадрату напряжения на источнике тока. Поэтому уменьшение потерь мощности в линиях электропередачи двигается за счет повышения напряжения в передающей электростанции. 52 *——7 4—^ Электродинамика КПД линии передачи — отношение полезной мощности к мощности источника тока: 1Р £ ВОПРОСЫ
ЗАДАЧИ
*. Линия электропередачи с сопротивлением подводящих проводов 0,2 Ом обеспечивает мощность 10 кВт в мастерской. Напряжение на входе в мастерскую равно250 В. Найдите КПД линии передачи. / [97%] 5. Водитель, оставив машину на стоянке, забыл выключить свет фар. Потеря мощности от их излучения составляет 95 Вт. Через какой промежуток времени разрядитсяаккумулятор с ЭДС 12 В, рассчитанный на 150 А • ч. Можно считать, что сопротивление лампочек фар остается постоянным. [18,9 ч] § 16. Электрический ток в растворах 1 расплавах электролитов Электролиты. Жидкости, как и твердые тела, могут быть проводниками лектрического тока. В жидких металлах носителями электрического за->яда являются электроны, поэтому говорят, что жидкие металлы обладает электронной проводимостью. В растворах и расплавах электролитов (солей, кислот, щелочей) перенос зарядов под действием электрического поля осуществляется положительными и отрицательными ионами, движущимися в противополож-:ых направлениях. Постоянный электрический ток 53 Электролиты — вещества, растворы и расплавы которых облада ют ионной проводимостью. Выясним, почему при растворении в воде твердый полярный диэлектрик превращается в проводник. Для этого рассмотрим процесс растворения в воде кристалла поваренной соли (рис. 50). В таком кристалле в узлах простой кубической решетки располагаются положительные ионы Na+ и отрицательные ионы С1~. При погружении кристалла NaCl в воду отрицательные полюса ОН- молекул воды начинают притягиваться куло-новскими силами к положительным ионам натрия. К отрицательным ионам хлора молекулы воды поворачиваются своим положительным полюсом Н+. Преодолевая силы притяжения между ионами Na+ и С1~, электрическое поле полярных молекул воды (подобно рыбам пираньям, разрывающим свою добычу) отрывает ионы с поверхности кристалла. В растворе появляются свободные носители тока — ионы Na+ и С1~, окруженные полярными молекулами воды. Описанное явление называется электролитической диссоциацией (от лат. dissociatio — разъединение). Электролитическая диссоциация — расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя. лектролитическая диссоциация в растворе NaCl Вследствие теплового движения молекул растворимость существенно зависит от температуры.54 Электродинамика Положительные и отрицательные ионы могут возникать и при плавлении твердых электролитов в результате распада полярных молекул из-за увеличения амплитуды тепловых колебаний. Степень диссоциации — отношение количества молекул, диссоциировавших на ионы, к общему количеству молекул данного вещества. Наряду с процессом диссоциации (распада) молекул в растворах электролитов происходит и обратный процесс. При сближении ионов разных знаков возможна их рекомбинация (объединение) в одну молекулу. Когда число молекул, распадающихся на ионы, становится равным числу молекул, возникающих за это же время вследствие рекомбинации, устанавливается динамическое равновесие. В равновесии процессы диссоциации и рекомбинации компенсируют друг друга, а степень диссоциации остается постоянной. В отсутствие внешнего электрического поля ионы вместе с нераспав-шимися молекулами находятся в хаотическом тепловом движении. Электролиз. При создании в электролите внешнего электрического поля (например, при опускании в раствор хлорида меди СиС12 разноименно заряженных электродов) возникает направленное движение ионов [рис. 51). Хлорид меди в водном растворе диссоциирует на ионы меди и клора: CuCL =t Cu2+ + 2С1- К отрицательному электроду (катоду) притягиваются положительные ионы Си2+ (катионы), к положительному (аноду) — движутся отрицательные ионы С1~ (анионы). Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами, находящимися на катоде: Си2++ 2<г-> Си. (47) 4 51 Направление движения юное в электролите Образовавшиеся в результате реакции (47) нейтральные атомы меди оседают на катоде. Ионы хлора С1~ отдают на аноде по одному избыточному электрону, превращаясь в нейтральные атомы С1. Соединяясь попарно, атомы хлора образуют молекулярный хлор С12: (48) 2С1- - 2е~ -» CL Постоянный электрический ток 55 Он выделяется на аноде в виде пузырьков газа. Таким образом, прохождение тока через электролит сопровождается явлением электролиза. Электролиз — выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор (или расплав) электрического тока. Явление электролиза было открыто в 1800 г. английскими учеными У. Никольсоном и А. Карлейлем, наблюдавшими выделение пузырьков кислорода на аноде и водорода на катоде при погружении электродов в воду. Закон Фарадея. Найдем массу вещества, выделяющегося на электроде за определенный промежуток времени At. Эта масса равна массе всех ионов Np осевших на электроде за это время: т = mflt, (49) где т1 — масса одного иона. Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду qi каждого иона: Q = qtNt. (50) Из отношения левых и правых частей равенств (49), (50) получаем §- = -*, (5D где k — электрохимический эквивалент вещества. Для данного электролита отношение массы иона к его заряду является постоянной величиной. Из формулы (51) следует закон Фарадея. Закон Фарадея Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (расплав) электролита: т = kQ. (52) Этот закон был установлен экспериментально английским ученым Майклом Фарадеем в 1833 г. Им же были введены общепринятые теперь термины: электрод, катод, анод, электролит, электролиз. Из закона Фарадея следует, что электрохимический эквивалент вещества чис- Электродинамика 'нно равен массе вещества, выделившегося на электроде при прохож-'нии через электролит заряда 1 Кл. Единица электрохимического эквивалента — килограмм на кулон кг/Кл). Закон Фарадея можно сформулировать иначе, учитывая, что Q = It. Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока и времени прохождения тока через раствор (расплав) электролита: т ш kit. (53) Фарадей нашел величину электрохимического эквивалента вещества. асса иона выражается через молярную массу М и постоянную Авогадро и. Ф-10, формула (148)). М mi= ТГ • 1 NA Заряд иона кратен заряду электрона: qt = пе, (54) ел — валентность химического элемента. Тогда согласно выражению (51) *=^М- (55) eNA п Иногда соотношение (55) называют вторым законом Фарадея. Произведение заряда электрона на постоянную Авогадро называется стоянной Фарадея: F = eNA = 9,65 • 104 Кл/моль. Подставим значение электрохимического эквивалента в формулу (52) толучим объединенный закон Фарадея: m=F^Q' Как следует из объединенного закона Фарадея, если на электроде вы-пяется моль одновалентного вещества, т. е. т = М, п = 1, то jP = Q. Постоянная Фарадея численно равна заряду, который надо пропус апь через раствор электролита, чтобы выделить на электроде юль одновалентного вещества. Постоянный электрический ток 57 В опытах Фарадея в качестве электролита использовалась соль одновалентного серебра. Электролиз широко применяется в технике. Гальваностегия — декоративное или антикоррозийное покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, омеднение, золочение). Гальванопластика — электролитическое изготовление металлических копий, рельефных предметов. Этим способом, например, были сделаны фигуры для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге. Электрометаллургия — получение чистых металлов (Al, Na, Mg, Be) при электролизе расплавленных руд. Рафинирование металлов — очистка металлов от примесей с помощью электролиза, когда неочищенный металл является анодом, а на катоде оседает очищенный. ВОПРОСЫ
ЗАДАЧ И
5- При электролизе воды, происходившем в течение 1 ч при силе тока 5 А, выделился1 л кислорода при давлении 105Па. Найдите температуру выделившегося кислорода. Электрохимический эквивалент кислорода 8,29 ■ 10-8 кг/Кл. [258 К] refdb.ru Передача электрической энергии и потери мощности в лэпПрактически вся электрическая энергия, вырабатываемая генераторами мощных электростанций, передаётся по линиям электропередачи (ЛЭП) потребителям, находящимся в большинстве случаев достаточно далеко – за сотни и тысячи километров - от места централизованного производства электрической энергии. При производстве электрической энергии и передаче ее потребителю неизбежно возникают тепловые потери электрической энергии, пропорциональные квадрату силы тока (так называемые «джоулевы потери» р = I 2 R ). Поэтому и при производстве электрической энергии, и при передаче ее дальние расстояния большое экономическое значение имеет величина тока в ЛЭП, от которой зависят сечение проводов, расход материалов и стоимость ЛЭП, её экономичность и другие технико-экономические показатели. В современных ЛЭП потери мощности достаточно велики и составляют около 7 – 10 % от передаваемой мощности, поэтому вопросы снижения этих потерь и повышения КПД линий электропередачи имеют большое экономическое значение. Экономичность ЛЭП определяется, в основном, тепловыми (джоулевыми) потерями, которые для трёхфазной ЛЭП можно определить по формуле: р = 3 IЛ2 R , здесь R – сопротивление фазы ЛЭП, I Л - сила тока в линии (фазе) ЛЭП (линейный ток). Из формулы активной мощности трехфазной цепи (трёхфазного потребителя): P = UЛ IЛ сos следует, что сила тока в фазе трёхфазной ЛЭП, обратно пропорциональна линейному напряжению и коэффициенту мощности потребителя сos : . Тогда для тепловых потерь мощности в трехфазной ЛЭП можно записать . Отсюда следует, что при одинаковой передаваемой мощности : 1. Тепловые потери в ЛЭП обратно пропорциональны квадрату линейного напряжения; 2. Тепловые потери в ЛЭП обратно пропорциональны квадрату коэффициента мощности потребителя сos Поэтому при передаче электроэнергии от электростанции к потребителю с целью снижения тепловых потерь в ЛЭП и повышения ее технико-экономических показателей необходимо: 1. Передачу электрической энергии осуществлять при возможно более высоком технико-экономически обоснованном напряжении (обычно 500– 750 кВ). С этой целью производитель (поставщик) электрической энергии устанавливает в начале ЛЭП повышающие трансформаторы. 2. Повышать коэффициент мощности потребителей электрической энергии, т. е. повышать качество использования электрической энергии потребителем.
В случае недостаточной эффективности естественного способа повышения коэффициента мощности с помощью мероприятий по оптимизации режима работы электрооборудования необходимо использовать искусственный способ - мероприятия по компенсации реактивной мощности (параллельная компенсация реактивной мощности). Суть этих мероприятий заключается в том, что для получения реактивной мощности, необходимой потребителю (например, асинхронному двигателю), используется собственный местный источник реактивной мощности (компенсирующая установка), который устанавливается непосредственно на предприятии и включается в питающую сеть параллельно с реактивным потребителем электрической энергии. В режиме полной компенсации потребляемой реактивной мощности потребителя (асинхронного двигателя) результирующий коэффициент мощности (асинхронного двигателя и компенсирующей установки) cos = 1 – наступает режим резонанса токов и в этом случае происходит полное разделение потоков электрической энергии получаемой потребителем: 1. активную мощность асинхронный двигатель в полном объеме по-прежнему получает от централизованного источника электроснабжения (генераторов электростанции), 2. реактивную мощность асинхронный двигатель в полном объеме получает от собственной местной компенсирующей установки – местного генератора реактивной мощности. В случае проведения неполной (частичной) компенсации результирующий коэффициент мощности (асинхронного двигателя и компенсирующей установки) cos < 1, поэтому некоторую часть своей реактивной мощности асинхронный двигатель будет по-прежнему получать от питающей сети (генераторов электростанции), а недостающую часть - от местной компенсирующей установки, генерирующей реактивную мощность. studfiles.net Вопрос №2. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца (15 мин.)Способность тела производить работу называется энергией тела. Таким образом, мерой количества энергии является работа. Энергия тела тем больше, чем большую работу может произвести это тело при своем движении. Энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Например, в генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую энергию, а в двигателе – электрическая в механическую. Однако не вся энергия является полезной, т.е. часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов. Работа электрического тока численно равна произведению напряжения, силы тока в цепи и времени его прохождения. Единица измерения – Джоуль.
Для измерения работы или энергии электрического тока используется электроизмерительный прибор − счетчик электрической энергии. Электрическая энергия помимо джоулей измеряется в ватт-часах или киловатт-часах: 1 Вт·ч = 3 600 Дж, 1 кВт·ч = 1 000 Вт·ч. Мощность электрического тока – это работа, производимая (или потребляемая) в единицу времени. Единица измерения – Ватт.
Для измерения мощности электрического тока используется электроизмерительный прибор − ваттметр. Кратными единицами измерения мощности являются киловатт или мегаватт: 1 кВт = 1 000 Вт, 1 МВт = 1 000 000 Вт. В табл. 1 приведена мощность ряда устройств. Таблица 1
Соотношения между мощностью, током, напряжением и сопротивлением приведены на рис. 1. P U I R R·I
Рис. 1 Скорость, с которой механическая или другая энергия преобразуется в источнике в электрическую называется мощностью источника: где Wи– электрическая энергия источника. Скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в приемнике в другие виды энергии, в частности в тепловую, называется мощностью приемника: Мощность, определяющая непроизвольный расход энергии, например, на тепловые потери в источнике или в проводниках, называют мощностью потерь: По закону сохранения энергии мощность источника равна сумме мощностей потребителей и потерь:
Это выражение представляет собой баланс мощностей. Эффективность передачи энергии от источника к приемнику характеризует коэффициент полезного действия (КПД) источника:
где Р1 или Рист – мощность, отдаваемая источником энергии во внешнюю цепь; Р2 – мощность, получаемая извне или потребляемая мощность; ∆P или Р0 (Рвн) – мощность, расходуемая на преодоление потерь в источник или приемнике энергии. Электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц. При столкновении движущихся частиц с молекулами и ионами вещества кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам и молекулам, вследствие чего происходит нагревание проводника. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в тепловую. В 1844 г. русским академиком Э.Х. Ленцем и английским ученым Джоулем одновременно и независимо друг от друга был открыт закон, описывающий тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца: при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекает по проводнику:
где Q– количество теплоты, Дж, I – сила тока, А; R – сопротивление проводника, Ом; t – время, в течение которого электрический ток протекал по проводнику, с. Закон Джоуля-Ленца используют при расчетах тепловых режимов источников электроэнергии, линий электропередачи, потребителей и других элементов электрической цепи. Преобразование электроэнергии в тепловую имеет очень большое практическое значение. Вместе с тем тепловое действие во многих случаях оказывается вредным (рис. 2). studfiles.net § 15. Передача электрической энергии по проводамПотеря напряжения в проводах линии. Передача электрической энергии от источника I (рис. 33) к приемнику 2 происходит по проводам, образующим электрическую линию. При передаче энергии возникает потеря напряжения в проводах линии ?Uл = IRл (36) где Rл, — сопротивление проводов линии.В результате этого напряжение U2 в конце электрической линии оказывается меньше напряжения U1 в начале линии. Потеря напряжения в проводах линии ?Uл не является постоянной величиной, она колеблется в зависимости от силы тока нагрузки от нуля (при I = 0) до наибольшего значения (при максимальной нагрузке). Кроме того, она зависит от сопротивления Rл проводов линии,
т. е. от их удельной проводимости ?, площади поперечного сечения s и длины линии lл. На электрифицированных железных дорогах одним из проводов, соединяющих источник питания — тяговую подстанцию с потребителем — электровозом, является контактный провод, а другим — рельсы. Поэтому под потерей напряжения в проводах ?Uл этом случае понимается суммарная потеря напряжения в контактной сети и рельсах. Потеря напряжения в линии увеличивается по мере удаления электровоза от тяговой подстанции, в соответствии с этим уменьшается и напряжение на его токоприемнике. Потери мощности в линии и ее к. п. д. При прохождении по линии тока I часть мощности Р1, поступающей от источника, теряется в линии вызывая нагрев проводов, эти потери мощности ?Pл = I2Rл = I?Uл (37) Следовательно, приемник электрической энергии включенный на конце линии, будет получать меньшую мощность P2 = P1 – ?Pл (38) При увеличении тока I возрастают потери мощности в проводах линии ?Pл и уменьшаются к.п.д. линии и напряжение U2, подаваемое на нагрузку. Практически электрическую энергию передают по проводам при ? = 0,9- 0,95, при этом сопротивление проводов линии составляет 5—10 % сопротивления нагрузки и потери энергии в них не превышают 5—10 % передаваемой мощности.Рассмотрим теперь, как зависят потери мощности в линии и ее к. п. д. от напряжения U2, при котором осуществляется передача электроэнергии. Потери мощности в проводах линии ?Pл = I2Rл= P22/U22 * 2?lл/sл (39) Следовательно, чем больше передаваемая мощность Р2 и расстояние lл, на которое она передается, тем больше потери мощности и энергии в проводах; чем больше площадь сечения проводов Sл и напряжение U2 в линии передачи, тем меньше эти потери, поэтому выгоднее передавать электрическую энергию при более высоких напряжениях.Принципы расчета проводов. Для правильной работы приемников электрической энергии весьма важно, чтобы подаваемое к ним напряжение поддерживалось по возможности постоянным и было равно их номинальному напряжению. Понижение напряжения вызывает существенное ослабление накала электрических ламп и ухудшение режима работы электродвигателей, а увеличение по сравнению с номинальным — сокращение срока службы ламп и электрических машин.Электрические провода обычно рассчитывают по допустимой потере напряжения. Потеря напряжения в проводах допускается небольшой по сравнению с напряжением сети для экономии электрической энергии и обеспечения малого колебания напряжения на приемниках. В электрических сетях различного назначения допустимые потери напряжения составляют примерно 2—6 %. Исходя из этих условий и проводят расчет электрических проводов, т. е. подбор площади Sл их поперечного сечения. Ее выбирают такой, чтобы при максимальной нагрузке потери напряжения на участке от источника питания до самого удаленного приемника не превышали 2—6 % номинального напряжения. При электрической тяге выбор площади сечения контактных проводов также производят из условия, чтобы на токоприемнике электровоза действовало напряжение U2, достаточное для нормальной работы электрических машин локомотива. Относительная потеря напряжения в линии, %, ?=(?Uл/U2) 100 %. Заменяя в этой формуле ?Uл = IRл = I2?lл/Sл и I = P2/U2, получим, что поперечное сечение проводов линии Sл = (200?/?) (P2iл/U22) (39′) Из формулы (39′) следует: 1) чем больше передаваемая мощность и чем на большее расстояние она передается, тем больше должно быть поперечное сечение проводов линии; 2) увеличение напряжения в линии позволяет в значительнойстепени уменьшить сечение проводов линии и снизить потери мощности в ней. При передаче электрической энергии на дальнее расстояние широко используются выгоды, которые дает повышение напряжения. Чем большую мощность требуется передать и чем больше расстояние, на которое она передается, тем более высокое напряжение применяют в линиях электропередачи. Например, при передаче энергии от мощных электростанций (Куйбышевской, Волгоградской и др.) на расстояние 800—1000 км используют напряжение 500—750 кВ; при передаче энергии на расстояние 100—200 км— 110—220 кВ; при передаче сравнительно небольшого количества энергии на расстояние нескольких километров или десятков километров— 35 кВ. В электрических установках небольшой мощности при расположении электрических приемников вблизи от источниковпитания применяют напряжения 110, 220, 440 В (при постоянномтоке) и 127, 220, 380, 660 В (при переменном токе). При электрической тяге, чем больше напряжение в контактном проводе, тем меньшую площадь сечения он будет иметь и тем на большем расстоянии могут быть расположены источники питания контактной сети (тяговые подстанции). Например, для снабжения электрической энергией трамвая, двигатели которого имеют сравнительно небольшую мощность, а контактная сеть — небольшую протяженность, используют напряжение 600 В, а на магистральных железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе (где эксплуатируются мощные локомотивы),— 3300 В. Электрификация железных дорог на переменном токе дает возможность поднять напряжение в контактной сети до 27500 В что позволяет значительно уменьшить площадь сечения проводов контактной сети и увеличить расстояние между тяговыми подстанциями по сравнению с дорогами постоянного тока. В последнее время ведутся работы по дальнейшему повышению напряжения в контактной сети на дорогах переменного тока до 2*25 кВ. electrono.ru Урок 6. Работа и мощность электрического токаДоброго вам времени суток! Рад снова видеть вас на уроке. Сегодня нас ждёт разговор об одном свойстве электрического тока, которое может быть и полезным, и вредным. Ранее уже упоминалось, что для переноса заряда по проводнику необходимо затратить некоторое количество энергии. Так же мы говорили о том, что источником этой энергии для электрической цепи являются источники тока. А куда же эта энергия девается, ведь электроны только переносят её из точки А в точку В и отдают либо узлам решётки материала, либо, если электрон ну оооочень везучий, возвращают её на противоположный электрод батареи? Стоит сразу заметить, что число таких «везучих» электронов очень близко к нулю, то есть вероятность электрона достигнуть лампочки во Владивостоке, вылетев из розетки в Москве, практически равна нулю (оп-па, какая подсказочка к задаче из Урока 1). Это объясняется очень просто: ЭДС источника всегда уменьшается, значит, энергия пропадает куда-то… Но это нарушало бы закон сохранения энергии. А давайте-ка разберёмся в этих вопросах! Действительно, энергия не может пропадать в никуда, она лишь преобразуется из одного вида в другой. На этом принципе работают источники тока: какой-то вид энергии (химическая, световая, механическая и т.д.) преобразуются в электрическую энергию. Имеет место и обратное преобразование: зарядка аккумулятора приводит к восстановлению электролита, электрическая лампочка излучает свет, а динамик наушников – звук. Эти процессы и характеризуют работу электрического тока. Давайте для наглядности остановимся на обыкновенной лампе накаливания. Известно, что их существует большое количество: разнообразные размеры и формы, рабочее напряжение, некоторые лампы светят ярче, некоторые тусклее. Неизменным остаётся только принцип их работы. Рассмотрим внутреннее строение такой лампы: Рисунок 6.1 – Внутреннее строение лампы накаливания Обычная лампочка, которую сейчас пытаются заменить на так называемую «энергосберегающую», состоит из:
Как легко заметить к электрической части лампы (то есть той части, по которой протекает ток), можно отнести далеко не все составляющие. Можно сказать, что лампа состоит из проводника, который посредством специальной системы может подключаться к электрической цепи. Принцип работы лампы накаливания основан на эффекте электромагнитного теплового излучения. Однако излучение может приходиться на разные области спектра: от инфракрасного до видимого. Чтобы обеспечить излучение в видимой области спектра, согласно закону Планка (зависимость длины волны излучения от температуры), необходимо подобрать температуры, при которой происходит излучение преимущественно белого света. Этому условию удовлетворяет диапазон температур от 5500 до 7000 градусов Кельвина. При температуре 5770К спектр излучения лампы будет совпадать со спектром излучения Солнца, что наиболее привычно человеческому глазу. Однако нагревания до таких высоких температур не выдерживает ни один из известных металлов. Наиболее тугоплавкие металлы вольфрам и осмий имеют температуру плавления 34100С (3683К) и 30450С (3318К), соответственно. Поэтому все лампы накаливания излучают только бледно-желтый свет, однако, реально воспринимаемый цвет может быть искажён адаптацией глаза к условиям освещения. Излучение «холодного» белого света является одним из преимуществ «энергосберегающих» ламп перед лампами накаливания.Колба с газом или вакуумом необходима для защиты нити накала от воздействия атмосферного воздуха. Газовая среда состоит в основном из смеси инертных газов (смесь азота N2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости и большой молярной массы, которая уменьшает потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности). Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений. В такой лампе испарившийся с поверхности тела накала металл вступает в соединение с галогенами, и затем возвращается на поверхность нити за счёт температурного разложения получившегося соединения. Такие лампы имеют большую температуру спирали, больший КПД и срок службы, меньший размер колбы и другие преимущества. Но вернемся к току, который протекает по нити накаливания… Ранее мы говорили, что перенос единичных зарядов в проводнике из точки А в точку В производится под действием электрического напряжения, которое совершает работу. При различных значениях напряжения и величине заряда, выполняется различная работа, следовательно, необходимо оценить величину скорости передачи (преобразования) энергии. Эта величина называется электрической мощностью и характеризует выполненную работу за единицу времени: Работа электрического тока при переносе одного заряда численно равна значению напряжения на участке АВ (см. Урок 3: потенциальная энергия поля равна произведению разности потенциалов на перенесённый заряд), тогда: Умножив значение мощности для одного заряда на число перенесённых зарядов, получим значение мощности электрического тока: Учитывая, что отношение величины заряда ко времени равно величине протекающего тока, получим: Величина электрической мощности измеряется в ваттах (Вт) или в вольт-амперах (ВА), однако, эти величины не являются тождественными. Хотя произведение силы тока, выраженной в амперах на напряжение, выраженное в вольтах, даёт величину вольт-амперы, она используется для характеристики несколько «другой» мощности, которую мы рассмотрим позже, так как она пока не связана с изучаемыми характеристиками.Тогда работа тока равна мощности, умноженной на время: Величина работы электрического тока измеряется в джоулях (Дж).Применяя закон Ома и следствия из него, получим еще два выражения для вычисления электрической мощности: При помощи этих формул и известных значений любых двух величин из четырех (напряжение, ток, сопротивление, мощность) можно найти остальные две величины. Кроме того, эти формулы выражают так называемую постоянную мощность. Кроме неё, можно дать характеристику мгновенной мощности, которая в различные моменты времени может изменять своё значение: Обычно для выделения величины, зависящей от времени (мгновенное значение) используют строчные буквы алфавита, а для выделения величин, характеризующие постоянные или усреднённые значения – прописные. Мгновенной работы, разумеется, не существует. Так же следует запомнить, что электроны, перемещающиеся по проводнику, сталкиваются с узлами кристаллической решётки, отдают им свою энергию, которая выделяется в виде тепла, поэтому практически вся электрическая энергия в проводнике переходит в тепловую, но при высоких температурах нагрева (электрическая лампа) часть энергии расходуется еще и на световое излучение. Кроме того, раз на любом участке проводника существует преобразование мощности в тепло, значит, не вся мощность, выделяемая источником, (а она эквивалентна мощности тока, только вместо значения напряжения в формулу 6.1 необходимо подставить значение ЭДС источника) поступает в нагрузку. Нагрузкой в электротехнике называется потребитель (приемник) электрической энергии, в данном случае – лампа накаливания. Тогда для характеристики эффективности системы (устройства, машины, электрической цепи) в отношении преобразования или передачи энергии вводится коэффициент полезного действия (КПД). Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой, обозначается обычно η («эта»). КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде: где A – работа, выполненная потребителем,Q – энергия, отданная источником. В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии. Разность ∆Q=A-Q называется потерями мощности. Из формулы 6.3 видно, что потери мощности будут возрастать при увеличении сопротивления проводника, поэтому чтобы получить как можно больше теплового излучения в лампах используется тонкая бифилярная (двойная) спираль, сопротивление которой довольно велико. Нить имеет толщину порядка 50 микрон, чтобы компенсировать относительно малое удельное сопротивление металла. Стоит отметить, что КПД ламп накаливания составляет не более 15%, то есть более 85% мощности рассеивается в виде тепла (инфракрасное излучение). На этом наш урок закончен, надеюсь, что он вам понравился, не забывайте подписываться на обновления. До свидания!
Задачки на сегодня.
← Урок 5: Источники питания | Содержание | Урок 7: Составление электрических схем → myblaze.ru Условие передачи максимальной мощности от источника к потребителюКоличество просмотров публикации Условие передачи максимальной мощности от источника к потребителю - 70 Рассмотрим простейшую электрическую сеть, состоящую из источника – Е, имеющего внутреннее сопротивление Rо,потребителя (нагрузки) – Rни соединяющей их линии с сопротивлением Rл. Задача состоит в определении сопротивления нагрузки (или потребителя) Rн,при котором будет обеспечиваться передача максимальной мощности от источника к рассматриваемой нагрузке (или потребителю). Т.е. Rн = ?. Согласно второму закону Кирхгофа можем записать Е= I(Rо+Rл+Rн) ;или Е = IRо+IRл+U,гдеU= IRн –напряжение на потребителе (нагрузке). ОтсюдаU = E - I(Rо+Rл). Мощность электрического тока(P = UI)на потребителе запишется как Р = E I – I2(Rо+Rл). Представим последнюю зависимость в виде графика (перевернутая парабола) зависимости мощности от тока в цепи. Анализируя графическую зависимость можно утверждать, что нулевая мощность на потребителе (нагрузке) будет при нулевом токе в цепи и при токе короткого замыкания - (I к.з.), когда сопротивление нагрузки равно нулю, следовательно равно нулю и напряжение. Из графика видно, чтоPmaxили максимальная мощность, отдаваемая от источника к потребителю будет при токе в цепи I = IК.З./2. Ток в цепи можно выразить из первой формулы как I = E/Rо+Rл+Rн. (*) Ток короткого замыкания, возникающий при сопротивлении нагрузки равном нулю, следовательно, рассчитается как Iк.з. = E/Rо+Rл. Отсюда на можно записать, что условие, при котором будет передаваться максимальная мощность от источника к потребителю I = IК.З./2илиможно записать : I =½Iк.з. = E/(Rо+Rл+ Rо+Rл). Сравнивая эту формулу с формулой (*) можно сделать вывод, что сопротивление нагрузки, при котором будет передаваться максимальная мощность от источника к потребителю определится как Rн = Rо+Rл, ᴛ.ᴇ. сопротивление нагрузки должно равняться сумме сопротивлений Rо –внутреннего сопротивления источника и Rл –сопротивления линии, соединяющей источник с потребителем (нагрузкой). referatwork.ru Источники и потребители электрической энергии. Электрические цепи Разделы: Технология Цель урока: Образовательная: повторить и обобщить знания по теме. Развивающая:
Воспитательная: привитие познавательного интереса к электротехнике, воспитание культуры труда, самостоятельности и творчества в коллективно-трудовой деятельности; Оборудование:
На демонстрационном столе: монтажная планшетка, гальванические элементы, аккумулятор, генератор велосипедный, элекрофорная машина и бытовые приборы - (утюг, лампа настольная, электрочайник, электродрель, электрический звонок, гирлянда и др.) Образец изделия: - Фонарик из пластиковых бутылок Ход урока I. Организационный момент (проверка отсутствующих и готовности класса к уроку). Учитель: Здравствуйте ребята! Присаживайтесь. II. Проверка знаний и умений. На прошлом уроке мы изучали условные обозначения элементов электрических схем. Ребята, как вы думаете, для чего нужно знать эти условные обозначения? Ответ: (Чтобы составить электрическую схему и собрать электрическую цепь). Правильно! Это и будет целью нашего урока, научиться по схемам, собирать простейшие электрические цепи. Поэтому сегодня от вас, ребята, потребуются внимание, настойчивость и культура труда в достижении этой цели. А сейчас, мы проверим ваши знания по графическому обозначению элементов электрических схем. Задание 1 Выполнить условные обозначения, применяемые на схемах электрической цепи. Ученики с места задают поочерёдно вопросы двум отвечающим одноклассникам у доски. Ответ выполняется графическим обозначением с помощью мела на классной доске. Перед вами находятся две кнопки звукового экзаменатора опережения ответа. Кто после заданного вопроса первым нажмет кнопку, имеет право на ответ. Если ответ не верный, то право ответа на вопрос переходит второму отвечающему. Условные обозначения электрической цепи
Задание 2 Вопросы: 1. Назовите известные вам виды энергии. ( Атомная, механическая, световая, химическая и электрическая) 2.Какие типы электростанций вам известны? (Гидроэлектростанция, атомная, тепловая, ветровая, приливная, солнечная и дизельная) 3. Какие виды энергии в перечисленных электростанциях преобразуются в электрическую энергию? II. Новый материал. В рабочей тетради записываем тему урока: " Источники и потребители электрической энергии. Электрические цепи." Ребята! Что означает по смыслу слово "источник"?... воды, тока - То, что даёт начало чему-то или откуда исходит что-то. А что подразумевается под словом "потребитель электрического тока"? - Это все электрические приборы, бытовая техника и производственное оборудование. Если взять источник тока, потребитель, выключатель и соединить всё проводами, получится электрическая цепь. Электрическая цепь состоит из отдельных устройств или элементов, которые по их назначению можно разделить на 3 группы. Первую группу составляют элементы, предназначенные для выработки электроэнергии - это источники тока. Источники тока - это устройства, которые преобразуют какой-либо вид энергии в электрическую энергию. К ним относятся: генераторы электростанций, гальванические элементы, аккумуляторы, фотоэлементы и др.
1. Солнечная батарея 2. Гальванический элемент 3. Электрофорная машина Вторая группа - элементы, преобразующие электрическую энергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, и т. д.). Эти элементы называют потребителями электрической энергии. К ним относятся: электродвигатели, нагревательные и осветительные приборы и др. В третью группу входят элементы, предназначенные для передачи электроэнергии от источника питания к потребителям (провода, выключатели и другие устройства)
Электрическая схема - это графическое изображение электрической цепи с помощью условных знаков. Задание: Начертите в тетрадях схему простой электрической цепи (рис.6) Схема простой электрической цепи
Потребители электрической энергии могут быть присоединены к источнику тока различными способами. Способы соединения потребителей электрической энергии:
Начертить в тетрадях схему последовательного соединения (рис.7) Схема последовательного соединения потребителей электрической энергии. Начертить в тетрадях схему параллельного соединения потребителей электрической энергии (рис.8) Схема параллельного соединения потребителей электрической энергии Психологическая пауза. (звучит инструментальный музыкальный фон) Сейчас мы все вместе выполним следующее упражнение. Сядьте свободно, не напрягая мышц рук и ног. Дайте вашему телу расслабиться. Глубоко вдохните, втягивая воздух медленно, через нос, пока лёгкие не наполнятся и также плавно, тоже через нос, выдохните, пока полностью не освободите лёгкие. Давайте все разом. "Плавный вдох - плавный выдох. Вдох - выдох:" Прислушивайтесь к своему дыханию. Постарайтесь вообразить волны, их плеск, запах морской воды и солнца. Вы чувствуете себя легко и свободно. Вы готовы к работе! Тогда в путь. Лабораторно-практическая работа "Монтаж электрических цепей"Работа № I Сборка электрической цепи, состоящей из источника тока, лампочки, выключателя, соединительных проводов.(простая электрическая цепь). Порядок выполнения работы 1. Начертите в тетради схему простой электрической цепи.(рис1.) 2. Соедините с помощью выключателя, проводов, батарейки и лампочки в соответствии со схемой. 3. Поверните рычажок выключателя, замкните цепь. 4. Проверьте работу цепи. 5. Разомкните цепь. 6. Разберите цепь. Рис 1 Работа №2 Сборка электрической цепи, состоящей из источника тока, 2-х лампочек, выключателя, соединительных проводов. (соединение потребителей электроэнергии последовательное). Порядок выполнения работы 1. Начертите в тетради схему последовательного соединения потребителей электроэнергии из 2-х лампочек. 2. Соедините с помощью выключателя, электрической лампы, проводов и батареи в соответствии со схемой. 3. Поверните рычажок выключателя, замкните цепь. 4. Проверьте работу цепи. 5. Разомкните цепь. 6. Вывернуть одну лампочку. 7. Поверните рычажок выключателя, замкните цепь. 8. Проверьте работу цепи, будет ли гореть другая лампочка? 9. Разомкните цепь. 10.Разберите цепь. Вопросы
В отчете укажите:
Работа № 3 Сборка электрической цепи, состоящей из источника тока, 3-х лампочек, переключателя, соединительных проводов. Порядок выполнения работы 1. Начертите в тетради схему электрической цепи. 2. Соедините лампы накаливания с батареей и переключателем в соответствии со схемой. 3. Передвигая контактный рычаг, поочередно включите лампочки, 4. Разберите цепь.
Работа №4 Сборка электрической цепи, состоящей из источника тока, 2-х лампочек, переключателя, соединительных проводов. (соединение потребителей электроэнергии параллельное). Порядок выполнения работы 1. Начертите в тетради схему параллельного соединения потребителей электроэнергии из 2-х лампочек 2. Соедините через выключатель лампы накаливания с батареей в соответствии со схемой. 3. Поверните рычажок выключателя, замкните цепь. 4. Проверьте работу цепи. 5. Разомкните цепь. 6. Вывернуть одну лампочку. 7. Поверните рычажок выключателя, замкните цепь. 8. Проверьте работу цепи, будет ли гореть другая лампочка? 9. Разомкните цепь. 10.Разберите цепь. Вопросы
В отчете укажите:
Подведение итогов. Домашнее задание: Индивидуальные задания: собрать простейшую цепь на батарейке и оформить ее в виде фонарика из пластиковых бутылок (образец демонстрируется учителем)- Подготовить сообщение "Людям, каких профессий нужны знания по электричеству". xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Рис. 33. Схема передачи электрической энергии от источника к приемнику
измеряется в джоулях (Дж).
КПД характеризует степень полезности системы и определяется количество потерь мощности в ней.
