Dobar vam dan! Drago mi je što te opet vidim u razredu. Danas ćemo govoriti o jednom svojstvu električna strujašto može biti i korisno i štetno. Već je ranije spomenuto da je za prijenos naboja duž vodiča potrebno utrošiti određenu količinu energije. Također smo razgovarali o izvoru te energije za strujni krug su trenutni izvori. Ali kamo ide ta energija, jer je elektroni samo prenose od točke A do točke B i predaju je čvorovima rešetke materijala ili, ako elektron ima puno sreće, vraćaju je suprotnoj elektrodi baterije? Vrijedi odmah napomenuti da je broj takvih “sretnih” elektrona vrlo blizu nule, odnosno vjerojatnost da elektron stigne do žarulje u Vladivostoku nakon što izleti iz utičnice u Moskvi je praktički nula (ups, kakva trag problema). To se može objasniti vrlo jednostavno: EMF izvora uvijek opada, što znači da energija negdje nestaje... Ali to bi prekršilo zakon održanja energije. Pogledajmo ove probleme!

Doista, energija ne može nestati nigdje, samo se transformira iz jedne vrste u drugu. Izvori struje rade na ovom principu: neka vrsta energije (kemijska, svjetlosna, mehanička itd.) se pretvara u električnu energiju. Događa se i obrnuta transformacija: punjenje baterije dovodi do obnavljanja elektrolita, žarulja emitira svjetlost, a zvučnik slušalica emitira zvuk. Ovi procesi karakteriziraju rad električne struje. Radi jasnoće, usredotočimo se na običnu žarulju sa žarnom niti. Poznato je da postoje veliki broj: razne veličine i oblici, radni napon, neke lampe svijetle jače, neke slabije. Samo princip njihovog rada ostaje nepromijenjen. Razmotrimo unutarnju strukturu takve svjetiljke:

Slika 6.1 – Unutarnja strukturažarulje sa žarnom niti

Obična žarulja, koju sada pokušavaju zamijeniti takozvanom “štednom”, sastoji se od:

• 1. Staklena tikvica.
• 2. Šupljina tikvice (evakuirana ili ispunjena plinom).
• 3. Žarna nit (volfram ili njegova legura).
• 4. Prva elektroda.
• 5. Druga elektroda.
• 6. Kuke sa žarnom niti.
• 7. Noga svjetiljke (služi kao držač).
• 8. Vanjska priključna stezaljka (strujni vod), koja u sebi ima osigurač, koji štiti žarulju od puknuća kada žarna nit pregori.
• 9. Kućište baze (držač svjetiljke u utičnici).
• 10. Izolator baze (staklo).
• 11. Drugi vanjski priključni kontakt (strujni vod).

Kao što lako možete primijetiti, ne mogu se sve komponente klasificirati kao električni dio žarulje (odnosno dio kroz koji teče struja). Možemo reći da se svjetiljka sastoji od vodiča, koji se putem posebnog sustava može spojiti u električni krug. Princip rada žarulje sa žarnom niti temelji se na učinku elektromagnetskog toplinskog zračenja. Međutim, zračenje može dolaziti iz različitim područjima spektar: od infracrvenog do vidljivog. Da bi se osiguralo zračenje u vidljivom području spektra, prema Planckovom zakonu (ovisnost valne duljine zračenja o temperaturi), potrebno je odabrati temperaturu pri kojoj se emitira pretežno bijela svjetlost. Ovaj uvjet zadovoljava temperaturni raspon od 5500 do 7000 stupnjeva Kelvina. Na temperaturi od 5770 K, spektar zračenja lampe će se podudarati sa spektrom zračenja Sunca, koji je najpoznatiji ljudskom oku.

Međutim, nijedan od poznatih metala ne može izdržati zagrijavanje do tako visokih temperatura. Najvatrostalniji metali, volfram i osmij, imaju talište od 34100C (3683K), odnosno 30450C (3318K). Stoga sve žarulje sa žarnom niti emitiraju samo blijedožutu svjetlost, međutim, stvarna percipirana boja može biti iskrivljena prilagodbom oka uvjetima osvjetljenja. Emisija “hladne” bijele svjetlosti jedna je od prednosti “štednih” žarulja u odnosu na žarulje sa žarnom niti.
Boca s plinom ili vakuumom potrebna je za zaštitu žarne niti od izlaganja atmosferskom zraku. Plinska okolina sastoji se uglavnom od mješavine inertnih plinova (smjesa dušika N2 s argonom Ar je najčešća zbog niske cijene i velike molarne mase, što smanjuje gubitak topline koji nastaje zbog toplinske vodljivosti). Posebna skupina su halogene žarulje sa žarnom niti. Njihovo temeljno svojstvo je uvođenje halogena ili njihovih spojeva u šupljinu tikvice. U takvoj žarulji, metal koji je ispario s površine žarne niti spaja se s halogenima, a zatim se vraća na površinu žarne niti uslijed toplinske razgradnje dobivenog spoja. Takve žarulje imaju višu temperaturu žarne niti, veću učinkovitost i vijek trajanja, manju veličinu žarulje i druge prednosti. Ali vratimo se na struju koja teče kroz žarnu nit...

Rekli smo ranije taj transfer pojedinačne naboje u vodiču od točke A do točke B provodi se pod utjecajem električni napon, koji obavlja posao. Na različita značenja napona i količine naboja razni radovi Stoga je potrebno procijeniti brzinu prijenosa (pretvorbe) energije. Ova količina se zove električna energija i karakterizira rad obavljen po jedinici vremena:

Rad električne struje pri prijenosu jednog naboja brojčano je jednak vrijednosti napona u odsječku AB (: potencijalna energija polja jednaka je umnošku razlike potencijala s prenesenim nabojem), tada:

Množenjem vrijednosti snage za jedno punjenje s brojem prenesenih naboja dobivamo vrijednost snage električne struje:

Uzimajući u obzir da je omjer veličine naboja i vremena jednak veličini struje koja teče, dobivamo:

Vrijednost električne energije mjereno u vatima(W) ili u volt-amperima(VA), međutim, te količine nisu identične. Iako umnožak struje, izražene u amperima, i napona, izraženog u voltima, daje vrijednost volt-ampera, koristi se za karakterizaciju malo "drugačije" snage, koju ćemo razmotriti kasnije, budući da još nije povezana s karakteristike koje se proučavaju.
Tada je rad struje jednak snazi ​​pomnoženoj s vremenom:

Količina rada koju izvrši električna struja mjeri se u džul (J).
Primjenom Ohmovog zakona i njegovih posljedica dobivamo još dva izraza za izračunavanje električne snage:

Koristeći ove formule i poznate vrijednosti bilo koje dvije od četiri veličine (napon, struja, otpor, snaga), možete pronaći preostale dvije veličine. Osim toga, ove formule izražavaju tzv. konstantnu snagu. Osim toga, možete karakterizirati trenutna snaga, koji može promijeniti svoju vrijednost u različito vrijeme:

Tipično, za izolaciju veličine ovisne o vremenu ( trenutna vrijednost) koristiti mala slova slova abecede i za isticanje veličina koje karakteriziraju konstantne ili prosječne vrijednosti - prijestolnice. Instant posao, naravno, ne postoji.

Također treba imati na umu da se elektroni koji se kreću duž vodiča sudaraju s čvorovima kristalne rešetke, dajući im svoju energiju, koja se oslobađa u obliku topline, stoga se gotovo sva električna energija u vodiču pretvara u toplinu, ali pri visokom zagrijavanju temperature (električna svjetiljka) dio energije se troši i na svjetlosno zračenje.

Osim toga, budući da na bilo kojem dijelu vodiča postoji pretvorba snage u toplinu, to znači da nije sva snaga koju oslobađa izvor (i ona je ekvivalentna trenutnoj snazi, samo umjesto vrijednosti napona u Formuli 6.1 to potrebno je zamijeniti vrijednost emf izvora) ide na opterećenje. U elektrotehnici se opterećenje naziva potrošač (prijamnik). električna energija, u ovom slučaju – žarulja sa žarnom niti. Zatim, za karakterizaciju učinkovitosti sustava (uređaja, stroja, električnog kruga) u odnosu na pretvorbu ili prijenos energije, uvodimo koeficijent korisna radnja (učinkovitost). Određuje se omjerom korisno upotrijebljene energije prema ukupnoj količini energije koju sustav primi, obično se označava η ("ovo"). Učinkovitost je bezdimenzijska veličina i često se mjeri u postocima. Matematički, definicija učinkovitosti može se napisati kao:

gdje je A rad koji je izvršio potrošač,
Q je energija koju daje izvor.

Zbog zakona održanja energije, učinkovitost je uvijek manja ili jednaka jedinici, odnosno nemoguće je dobiti više korisnog rada od utrošene energije.

Razlika ∆Q=A-Q naziva se gubici snage. Iz formule 6.3 jasno je da će se gubici snage povećavati s povećanjem otpora vodiča, stoga, kako bi se dobilo što više toplinskog zračenja, svjetiljke koriste tanku bifilarnu (dvostruku) spiralu, čiji je otpor prilično visok. Nit je debela oko 50 mikrona kako bi se kompenzirala relativno niska otpornost metala. Važno je napomenuti da učinkovitost žarulja sa žarnom niti nije veća od 15%, odnosno više od 85% snage se rasipa u obliku topline (infracrveno zračenje).

Ovim završavamo našu lekciju, nadam se da vam se svidjela, ne zaboravite se pretplatiti na ažuriranja. Doviđenja!

Zadaci za danas.

S. N. Kartashov

Snaga oslobođena u vanjskom krugu s potrošačima. 10.–11. razreda

Snaga oslobođena u vanjskom krugu s potrošačima

S.N.KARTASHOV,
S. Mais, regija Penza.

Snaga oslobođena u vanjskom krugu s potrošačima

Rješavanje ekstremnih problema uz računalnu podršku

O predloženim zadacima razgovara se s učenicima 10. i 11. razreda na sastanku školskog kluba fizike. Zahtijeva znanje o temi "Zakoni" istosmjerna struja“, sposobnost istraživanja funkcija do ekstrema pomoću derivata, kao i vještine računalnog programiranja.

ZADATAK 1. Odredite ovisnost snage oslobođene u vanjskom strujnom krugu o broju paralelno spojenih istih potrošača (žarulja). EMF izvora, njegov unutarnji otpor r.

Riješenje

Otpor svih žarulja neka bude isti R 1 = R 2 = ... = Rn, P– snaga oslobođena u vanjskom krugu, P 1 – snaga koju oslobađa svaka žarulja. Očito je da P = nP 1 ; P 1 = ja 1 2 R 1 gdje ja 1 – struja koja prolazi kroz svaku žarulju.

Jačina struje u nerazgranatom krugu:

(1)

Primjenjujući Kirchhoffovo prvo pravilo, imamo

(2)

Uzimajući u obzir (2), imamo za snagu

Ukupna snaga oslobođena u vanjskom krugu:

(3)

Lako je vidjeti da ako n, To P 0. To znači da s neograničenim povećanjem broja žarulja nećemo postići beskonačno povećanje snage koja se oslobađa u vanjskom strujnom krugu. Naprotiv, snaga će težiti nuli.

Iz formule (3) također slijedi da ako r 0, dakle P n 2 /R. To jest, ako je izvor struje idealan ( r= 0), tada snaga raste proporcionalno broju potrošača u krugu. Ali unutarnji otpor izvora struje ne može biti nula, stoga je nemoguće postići beskonačno povećanje snage u vanjskom krugu povećanjem broja potrošača. Naprotiv, dosegnuvši maksimum, snaga oslobođena u vanjskom krugu počet će se smanjivati ​​s rastom potrošača.

Da biste dobili potpunu sliku ovisnosti o snazi R na broj potrošača n, možete zamoliti učenike da naprave grafikon ovisnosti P(n) na računalu ( = 20 V, r= 0,5 Ohma, R 1 = 100 Ohma). U odjeljku "Dodatni materijali" na web stranici novina navodimo autorove kompjuterski program VAT za izgradnju gornje ovisnosti (programsko okruženje QBasic, Računalo Celeron 1300).

Promjena unutarnjeg otpora r uz stalne i R 1, zaključujemo: snaga P, oslobođen u vanjskom krugu, smanjuje se s povećanjem r. Mijenjanje R 1 s konstantnim i r, zaključujemo: maksimalnu snagu iz otpora jedne žarulje P ne ovisi. Ovaj se maksimum pomiče udesno s povećanjem R 1 i pomiče se ulijevo kada se smanjuje R 1 . Broj svjetiljki u krugu pri kojem se opaža najveća snaga jednak je n max = R 1 /r. To jest, snaga oslobođena u vanjskom krugu je najveća ako je unutarnji otpor izvora struje jednak vanjskom otporu kruga: r = R 1 / n max. Izračunati rezultati izvrsno se slažu s rezultatima sljedećeg, sličnog problema.

ZADATAK 2. Kod koje vrijednosti R Je li snaga oslobođena u vanjskom krugu najveća? EMF izvora struje, unutarnji otpor r.

Riješenje

Dobivamo formulu ovisnosti o snazi P oslobođen u vanjskom krugu od vanjskog otpora R i istražite funkciju P(r) do ekstrema koristeći izvod.

Prema Ohmovom zakonu za cijeli strujni krug struja ja =/(R + r), snaga oslobođena u vanjskom krugu:

Razlikujmo P Po R:

Pronađimo kritične točke iz uvjeta P" = 0:

(R + r) 2 – 2R(R + r) = 0;

(R + r) · ( R + r – 2R) = 0;

(R + r) · ( r – R) = 0.

Imamo dvije kritične točke R = –r I R = r. Ali zbog R> 0, dakle R = –r nema smisla. Izvedenica P" mijenja predznak iz “+” u “–” u točki R = r, stoga, R = r– minimalni bod.

Dakle, snaga je maksimalna ako R = r, tj. Unutarnji otpor izvora struje jednak je vanjskom otporu. To znači da se, u odnosu na problem 1, najveća snaga promatra na R = r, ali zbog otpornost n identične lampe su jednake R = R 1 /n, To r = R 1 /n, ili n = n max = R 1 /r.

Izračunajmo maksimalnu snagu pomoću formule (3) i uvjeta r = R 1 /n:

(4)

Na = 12 V, r= 0,4 Ohma i R 1 = 20 Ohma imamo n max = R 1 /r= 50 lampi.

Prema formuli (4), Pmax= 90 W. Sve se to vrlo dobro slaže s rezultatima računalnog eksperimenta. Osim toga, iz ove formule slijedi da najveća snaga ovisi o unutarnjem otporu u obrnutom razmjeru, što je lako provjeriti pomoću računalnog programa VAT, objavljeno na stranicama lista.

Zaključno treba reći da svi navedeni proračuni, kao i rezultati dobiveni računalnim programom za krugove istosmjerne struje, vrijede i za krugove izmjenične struje.

Suvremeniji pristup moguć je ako koristite stol za modeliranje Microsoft Excel. Ako R je vanjski otpor kruga, dakle Izgradimo grafikon za iste podatke: 1 = 20 V, r= 0,5 Ohma, varira R od 0,1 do 2,7 Ohma u koracima od 0,1 Ohma. Da biste to učinili, unesite formulu =$B$1^2*A4/(A4+$B$2)^2 u ćeliju B4 i kopirajte je u ćelije B5–B30. Grafikoni izgrađeni pomoću tablice Excel i programa VAT podudaraju (maksimalna snaga od 200 W dobiva se ako je vanjski otpor kruga jednak unutarnjem otporu izvora struje). U rubrici Dodatni materijali za broj 9/2008 na stranicama novina nalazi se emisija Moć, slična emisiji VAT, ali na naprednijem jeziku VisualBasic 6.0, rezultat izračuna pomoću njega, kao i tablica MicrosoftExcel.

Sergej Nikolajevič Kartašov– učitelj fizike najviše kvalifikacijske kategorije, diplomirao na Odsjeku za fiziku Moskovskog državnog pedagoškog sveučilišta. V.I.Lenjin 1993. Nastavno iskustvo 14 godina. Učenici Sergeja Vladimiroviča osvajaju nagrade na regionalnim olimpijadama iz fizike i matematike. Pedagoški kredo: modeliranje fizičkih procesa na računalu, individualni rad s jakom djecom. Jedan je diplomirao na odsjeku za fiziku Moskovskog državnog sveučilišta. M.V. Lomonosov, drugi studira na Sveučilištu. N.E. Bauman. Godine 2002. Sergeju Vladimiroviču dodijeljena je diploma časti Ministarstva obrazovanja i znanosti Ruske Federacije. Oženjen, sin 3,5 godine. Hobiji: šah, rješavanje olimpijadnih zadataka iz fizike i matematike, kuhanje.

Svi uređaji, instrumenti, mehanizmi i instalacije koji rade i kreću se uz pomoć električne energije nazivaju se potrošačima električne energije. Što je veća količina električne energije potrošena u vremenskom razdoblju jednakom sekundi, to je veća količina rada koju obavlja jedan ili drugi potrošač. Najviše glavna karakteristika svaka instalacija ili stroj dizajniran za obavljanje bilo kakvog rada naziva se snaga.

Trenutna snaga Ovo je količina električne energije potrošene u sekundi. Da bismo odredili snagu, množimo napon na kojem potrošač radi s naponom koji kroz njega prolazi.

Proračun snage

Svima je poznato da napon doveden do potrošača označava količinu rada električnog polja kada prođe jedan kulon električne energije kroz potrošač. Broj kulona proteklih u jednoj sekundi izražava se strujom, mjereno u amperima. Kada pomnožimo rad svih punjenja s brojem ovih punjenja koja su prošla u jednoj sekundi, na kraju imamo sav rad električno polje za ovo vremensko razdoblje. Zapravo, to će biti potrošnja energije ovog ili onog uređaja. Mjerenje se provodi u vatima i kilovatima.

Jedinica za napajanje nazvan po engleskom mehaničaru - izumitelju Jamesu Wattu (Watt) (1736. - 1819.), tvorcu univerzalnog parnog stroja.

Jedan vat je snaga koja se oslobađa u vodiču kada je napon električnog polja na krajevima vodiča jedan volt, a struja u vodiču jedan volt. 1000 vata se naziva 1 kilovat (kW).

Postoje dvije glavne vrste moći

• Aktivna električna - nepovratno se pretvara u druge vrste energije (svjetlosnu, toplinsku, mehaničku itd.). Mjereno u vatima, kilovatima, megavatima;
• Jalova elektrika je veličina koju karakterizira takvo električno opterećenje koje stvaraju potrošači fluktuacijama energije elektromagnetskog polja. Tipično za motore. Mjerna jedinica je reaktivni volt-amper (VAr).

Postoji nešto poput dopuštene ukupne snage. Određuje broj potrošača koji se mogu istovremeno priključiti na mrežu i ovisi o tehničke karakteristike mreže. Istodobno spajanje ukupne snage veće od standarda nije dopušteno. To može dovesti do povećanja struje, preopterećenja ožičenja.

Kako odrediti trenutnu snagu

U kućnim uvjetima utrošena električna energija mjeri se električnim brojilom. Dok struja prolazi kroz mjerač, lagani aluminijski disk rotira unutra. Disk se okreće brzinom proporcionalnom naponu i sili. Broj okretaja napravljenih u određenom vremenu pokazuje trenutni rad obavljen tijekom tog vremena. Trenutni rad se mjeri u kilovatsatima (kW/h).

Kada struja teče kroz homogeni dio kruga električno polje obavlja posao. Tijekom vremena Δ t naboj Δ teče kroz krug q = ja Δ t. Električno polje u odabranom području djeluje

izražavajući Ohmov zakon za homogeni dio kruga s otporom R, pomnožite sa jaΔ t, tada dobivamo relaciju

Zakon pretvaranja rada struje u toplinu eksperimentalno su neovisno ustanovili J. Joule i Emilius Lenz i naziva se Joule-Lenzov zakon .

Snaga električne struje jednaka je omjeru rada struje Δ A na vremenski interval Δ t za koje je ovaj rad završen:

Rad električne struje u SI izražava se u Joules (J), snaga - u Wattah (W).

Razmotrimo sada kompletan istosmjerni krug koji se sastoji od izvora s elektromotorna sila I unutarnji otpor r a vanjsko homogeno područje s otporom R. Ohmov zakon za kompletan strujni krug zapisan je kao

Prvi član na lijevoj strani je Δ Q = R ja 2Δ t- toplina oslobođena u vanjskom dijelu kruga tijekom vremena Δ t, drugi član Δ Q ist = r ja 2Δ t- toplina oslobođena unutar izvora tijekom istog vremena.

Izraz jaΔ t jednaka radu vanjskih sila Δ A st, djelujući unutar izvora.

Kada električna struja teče kroz zatvoreni krug, rad vanjskih sila Δ A svpretvara u toplinu koja se oslobađa u vanjskom krugu (Δ Q) i unutar izvora (Δ Q ist) .

Δ Q + Δ Q ist = Δ A st = jaΔ

Treba napomenuti da ovaj omjer ne uključuje rad električnog polja. Kada struja teče kroz zatvoreni strujni krug, električno polje ne vrši nikakav rad; Zato toplinu proizvode samo vanjske sile, djelujući unutar izvora. Uloga električnog polja svodi se na preraspodjelu topline između različitih dijelova kruga.

Vanjski krug može biti ne samo vodič s otporom R, ali i svaki uređaj koji troši struju, na primjer, DC motor. U ovom slučaju pod R treba razumjeti otpor ekvivalentnog opterećenja . Energija koja se oslobađa u vanjskom krugu može se djelomično ili potpuno pretvoriti ne samo u toplinu, već iu druge vrste energije, npr. mehanički rad izvodi elektromotor. Stoga je pitanje korištenja energije izvora struje od velike praktične važnosti.

Ukupna snaga izvora, odnosno rad vanjskih sila u jedinici vremena jednak je

Snaga se oslobađa u vanjskom krugu

Omjer jednak

nazvao učinkovitost izvora .

Na sl. 1.11.1 grafički su prikazane ovisnosti snage izvora P ist, korisna moć P, oslobođen u vanjskom krugu, i učinkovitost η od struje u krugu ja za izvor s emf jednakom i unutarnjim otporom r. Struja u krugu može varirati od ja= 0 (na ) do (na R = 0).

Iz gornjih grafikona jasno je da je najveća snaga u vanjskom krugu P max , jednako

postignut na R = r. U ovom slučaju, struja u krugu

a iskoristivost izvora je 50%. Maksimalna vrijednost učinkovitosti izvora postiže se na ja→ 0, tj. kada R→ ∞. U slučaju kratkog spoja, korisna snaga P= 0 i sva snaga se oslobađa unutar izvora, što može dovesti do njegovog pregrijavanja i uništenja. Učinkovitost izvora ide na nulu.