Доброго 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 ). 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:

• 1. Стеклянная колба.
• 2. Полость колбы (вакуумированная или наполненная газом).
• 3. Нить накаливания (вольфрам или его сплав).
• 4. Первый электрод.
• 5. Второй электрод.
• 6. Крючки-держатели нити накаливания.
• 7. Ножка лампы (выполняет функцию держателя).
• 8. Внешний вывод для подключения (токоввод), имеющий внутри предохранитель, который защищает колбу от разрыва в момент перегорания нити накала.
• 9. Корпус цоколя (держатель лампы в патроне).
• 10. Изолятор цоколя (стекло).
• 11. Второй внешний вывод для подключения (токоввод).

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 ( : 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.

С. Н. Карташов

Мощность, выделяемая во внешней цепи с потребителями. 10–11-й классы

Мощность, выделяемая во внешней цепи с потребителями

С.Н.КАРТАШОВ ,
с. Маис, Пензенская обл.

Мощность, выделяемая во внешней цепи с потребителями

Решение задач на экстремум с компьютерной поддержкой

Предлагаемые задачи рассматриваются с учениками 10-х и 11-х классов на заседании школьного физического кружка. Они требуют знаний по теме «Законы постоянного тока», умения исследовать функции на экстремум при помощи производной, а также навыков программирования на компьютере.

ЗАДАЧА 1. Найдите зависимость мощности, выделяемой во внешней цепи, от числа одинаковых потребителей (лампочек), соединённых параллельно. ЭДС источника , его внутреннее сопротивление r .

Решение

Пусть сопротивления всех лампочек одинаковы R 1 = R 2 = ... = R n , P – мощность, выделяемая во внешней цепи, P 1 – мощность, выделяемая на каждой лампочке. Очевидно, что P = nP 1 ; P 1 = I 1 2 R 1 , где I 1 – ток, проходящий через каждую лампочку.

Сила тока в неразветвлённой цепи:

(1)

Применяя первое правило Кирхгофа, имеем

(2)

С учётом (2) имеем для мощности

Полная мощность, выделяемая во внешней цепи:

(3)

Нетрудно заметить, что если n , то P 0. Это означает, что при неограниченном увеличении количества лампочек мы не достигнем бесконечного увеличения мощности, выделяемой во внешней цепи. Напротив, мощность будет стремиться к нулю.

Из формулы (3) следует также, что если r 0, то P n 2 /R . То есть, если источник тока идеален (r = 0), то мощность возрастает прямо пропорционально числу потребителей в цепи. Но внутреннее сопротивление источника тока не может быть равно нулю, поэтому достигнуть бесконечного увеличения мощности во внешней цепи за счёт увеличения числа потребителей невозможно. Напротив, достигнув максимума, мощность, выделяемая во внешней цепи, начнёт уменьшаться с ростом потребителей.

Для получения полной картины зависимости мощности Р от количества потребителей n , можно предложить учащимся построить график зависимости P (n ) на компьютере ( = 20 В, r = 0,5 Ом, R 1 = 100 Ом). В рубрике «Дополнительные материалы» на сайте газеты приводим авторскую компьютерную программу WATT для построения вышеупомянутой зависимости (среда программирования QBasic , компьютер Celeron 1300).

Изменяя внутреннее сопротивление r при неизменных и R 1 , делаем вывод: мощность P , выделяемая во внешней цепи, убывает с ростом r . Изменяя R 1 при неизменных и r , делаем вывод: от сопротивления одной лампочки максимум мощности P не зависит. Этот максимум сдвигается вправо при увеличении R 1 и сдвигается влево при уменьшении R 1 . Число ламп в цепи, при котором наблюдается максимум мощности, равно n max = R 1 /r . То есть мощность, выделяемая во внешней цепи, максимальна, если внутреннее сопротивление источника тока равно внешнему сопротивлению цепи: r = R 1 / n max . Расчётные результаты отлично согласуются с результатами следующей, похожей, задачи.

ЗАДАЧА 2. При каком значении R мощность, выделяемая во внешней цепи, максимальна? ЭДС источника тока , внутреннее сопротивление r .

Решение

Получим формулу зависимости мощности P , выделяемой во внешней цепи, от внешнего сопротивления R и исследуем функцию P (r ) на экстремум при помощи производной.

По закону Ома для полной цепи, ток I =/(R + r ), мощность, выделяемая во внешней цепи:

Дифференцируем P по R :

Найдём критические точки из условия P" = 0:

(R + r ) 2 – 2R (R + r ) = 0;

(R + r ) · (R + r – 2R ) = 0;

(R + r ) · (r – R ) = 0.

Имеем две критические точки R = –r и R = r . Но т.к. R > 0, то R = –r не имеет смысла. Производная P" меняет знак с «+» на «–» в точке R = r , следовательно, R = r – точка минимума.

Итак, мощность максимальна, если R = r , т.е. внутреннее сопротивление источника тока равно внешнему сопротивлению. Это означает, что применительно к задаче 1 максимум мощности наблюдается при R = r , но т.к. сопротивление n одинаковых ламп равно R = R 1 /n , то r = R 1 /n , или n = n max = R 1 /r .

Рассчитаем максимум мощности, используя формулу (3) и условие r = R 1 /n :

(4)

При = 12 В, r = 0,4 Ом и R 1 = 20 Ом имеем n max = R 1 /r = 50 ламп.

Согласно формуле (4), P max = 90 Вт. Всё это очень хорошо согласуется с результатами компьютерного эксперимента. Кроме того, из этой формулы следует, что максимум мощности зависит от внутреннего сопротивления обратно пропорционально, в чём легко убедиться, используя компьютерную программу WATT , приведённую на сайте газеты .

В заключение необходимо сказать, что все выше приведённые выкладки, а также результаты, полученные с помощью компьютерной программы для цепей постоянного тока, справедливы и для цепей переменного тока.

Возможен более современный подход, если использовать для моделирования таблицу МicrosoftExcel . Если R – внешнее сопротивление цепи, то Построим график для тех же данных: 1 = 20 В, r = 0,5 Ом, меняя R от 0,1 до 2,7 Ом с шагом 0,1 Ом. Для этого в ячейку B4 введём формулу =$B$1^2*A4/(A4+$B$2)^2 и скопируем её в ячейки В5–В30. Графики, построенные с помощью таблицы Excel и программы WATT, совпадают (максимум мощности 200 Вт получается, если внешнее сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению источника тока). В рубрике «Дополнительные материалы» к № 9/2008 на сайте газеты приведена программа «Мощность», аналогичная программе WATT , но на более продвинутом языке VisualBasic 6.0, результат расчёта с её помощью, а также таблица МicrosoftExcel.

Сергей Николаевич Карташов – учитель физики высшей квалификационной категории, выпускник физфака МПГУ им. В.И.Ленина 1993 г. Педагогический стаж 14 лет. Ученики Сергея Владимировича занимают призовые места на районных олимпиадах по физике и математике. Педагогическое кредо: моделирование физических процессов на компьютере, индивидуальная работа с сильными детьми. Один закончил физфак МГУ им. М.В.Ломоносова, ещё один учится в университете им. Н.Э.Баумана. В 2002 г. Сергей Владимирович был награждён почётной грамотой МОиН РФ. Женат, сыну 3,5 года. Хобби: шахматы, решение олимпиадных задач по физике и математике, кулинария.

Все устройства, приборы, механизмы и установки, действующие и движущиеся с помощью электричества, называются потребителями электроэнергии. Чем большее количество электроэнергии потребляется за промежуток времени, равный секунде, тем большее количество работы выполняется тем или иным потребителем. Самой главной характеристикой любой установки или машины, предназначенной для выполнения какой либо работы, называют мощность.

Мощность тока это количество электрической энергии, потребляемой за секунду. Для того, чтобы определить мощность, умножаем величину напряжения, при котором работает потребитель на , проходящего через него.

Расчет мощности

Всем известно, что подведенное к потребителю напряжение, означает количество работы, совершаемой электрическим полем, при перемещении через потребителя одного кулона электричества. Количество кулонов, прошедших за одну секунду, выражается силой тока, измеряемой в амперах. При умножении работы, совершенной всеми зарядами, на кол-во этих зарядов, которые прошли за одну секунду, мы получим в итоге всю работу электрического поля за этот промежуток времени. Фактически, это и будет потребленная мощность того или иного прибора. Измерение осуществляется в ваттах и киловаттах.

Единица измерения мощности названа в честь английского механика - изобретателя Джеймса Ватта (Уатта) (1736 - 1819), создателя универсальной паровой машины.

Один ватт - это мощность, выделяемая в проводнике, когда напряжение электрического поля на концах проводника составляет один вольт, а сила тока в проводнике - один . в 1000 ватт называется 1 киловатт (Квт).

Существует два основных вида мощности

• Активная электрическая - преобразуется безвозвратно в другие виды энергии (световую, тепловую, механическую и др.). Измеряется в ваттах, киловаттах, мегаваттах;
• Реактивная электрическая - величина, характеризующаяся такой электрической нагрузкой, создаваемой потребителями колебаниями энергии электромагнитного поля. Характерна для двигателей. Единица измерения - вольт - ампер реактивный (ВАр).

Существует такое понятие, как допустимая суммарная мощность. Она определяет количество потребителей, которые могут быть одновременно подключены к сети и зависит от технических характеристик сети. Недопустимо одновременное подключение суммарной мощностью, превышающей нормативную. Это может привести к увеличению силы тока, перегрузке проводки, .

Как определить мощность тока

В бытовых условиях израсходованную электроэнергию измеряют при помощи электрического счетчика. Во время прохождения тока через счетчик, внутри происходит вращение облегченного алюминиевого диска. Вращение диска происходит со скоростью, пропорциональной напряжению и силе. Число сделанных оборотов за определенное количество времени, показывает работу тока, совершенную за это время. Измерение работы тока производится в киловатт часах (кВт/ч).

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

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

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

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

Работа электрического тока в СИ выражается в Джоулях (Дж), мощность - в Ваттах (Вт).

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

Первый член в левой части ΔQ = R I 2 Δt - тепло, выделяющееся на внешнем участке цепи за время Δt , второй член ΔQ ист = r I 2 Δt - тепло, выделяющееся внутри источника за то же время.

Выражение I Δt равно работе сторонних сил ΔA ст, действующих внутри источника.

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

ΔQ + ΔQ ист = ΔA ст = I Δ

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

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

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

Во внешней цепи выделяется мощность

Отношение равное

называется коэффициентом полезного действия источника .

На рис. 1.11.1 графически представлены зависимости мощности источника P ист, полезной мощности P , выделяемой во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением r . Ток в цепи может изменяться в пределах от I = 0 (при ) до (при R = 0).

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

достигается при R = r . При этом ток в цепи

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