3 мощность электрической цепи постоянного тока

3 мощность электрической цепи постоянного тока

Электрическая мощность Р (Вт) определяется произведением напряжения на силу тока:

где U — напряжение на токоприемнике, В; I — сила тока через токоприемник, А.

Единица мощности — 1 ватт = 1 вольт х 1 ампер.Принимая во внимание закон Ома (U = IR; I = U/R), равенство (2.28) можно представить следующим образом:

В практике пользуются производной единицей мощности — киловатт (кВт), 1 кВт = 1000 Вт. Как и в механике электрическая энергия, или р а б о т а(Дж), равна произведению мощности на время:

где Р — мощность, Вт; t — время, с. Единица энергии 1 джоуль = 1 ватт х 1 секунду. В практике пользуются значительно более крупной единицей — киловатт-часом (кВт • ч),1 кВт-ч = 1 кВт-1 ч = 1000 Вт-3600 с = 3 600 000 Дж = 3,6 МДж. Если взять значение Р из выражений (2.28), (2.29) и (2.30), то формулу (2.31) можно переписать так:

W= U It = —— •t = I 2 R•t. (2.32)

Пример 1. Нагревательный прибор, включенный в сеть 220 В, потребляет ток 5 А.Сколько энергии расходуется за сутки? Решение. Количество энергии W = 220 ■ 5 • 24 = 26 400 Вт • ч = 26,4 кВт • ч = 95,04 МДж.

Пример 2. Какова мощность нагревательного прибора, если за 5 ч потребляемая имэнергия составила 10 кВт ч?

Решение. Мощность прибора Р = w/t = 10/5 = 2 кВт. Тепловое действие тока. Прохождение электрическоготока через проводник сопровождается выделением тепла. В нагревательных приборах получение тепла — это конечная цель. Но в другихприборах и устройствах выделение тепла представляет собой непроизводительные потери электрической энергии. Количество теплоты измеряют в джоулях, причем 1 Дж = 1 Вт-1 с = 1 Вт·с.

По закону Ленца—Джоуля количество теплоты Q, выделяемой то-ком в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:

где I — сила тока, A; R — сопротивление, Ом; t — время, с.

Пример 3. Найти количество теплоты, которое выделяется на сопротивлении R = 20 Ом в течение t = 1 ч при протекании тока / = 10 А. Решение. Искомое количество теплоты

Q = 100 ■ 20 ■ 3600 = 7200 кДж;

При всяком превращении одного вида энергии в другой наблюдаются потери энергии. Например, при превращении электрической энергии в механическую (в электрическом двигателе) часть электроэнергии, потребляемой электродвигателем из сети, расходуется на нагрев двигателя, на трение в подшипниках и т. д.

Этот процесс количественно характеризует величина, называемая коэффициентом полезного действия (к.п.д.). Под к.п.д понимают отношение полезной мощности Р_пол, отдаваемой машиной, к подведенной мощности P_подв:

Пример 4. Водонагревательный прибор потребляет из сети мощность, равную 1 кВт, причем 50 л воды нагреваются на 80°С в течение 5 ч. Каков к.п.д. водонагревателя?

Решение. Потребляемая из сети за 5 ч электроэнергия W=Pt = 1•5=5 кВтч = 5000-3600 Дж.

Для нагревания 50 л воды на 80°С используется энергия, равная

Мощность постоянного тока

Мощность постоянного тока P – это величина, которая показывает какую работу совершил постоянный ток по перемещению электрического заряда за единицу времени. Измеряется электрическая мощность, как и механическая – в ваттах.

Для того чтобы понять что такое электрическая мощность представим себе электрическое поле, в котором находится свободная частица.

Под действием напряженности E электрического поля, частица перемещается из точки a в точку b.

При перемещении частицы из точки a в точку b электрическое поле совершает работу А. Эта работа зависит от напряженности, заряда и расстояния между a и b.

Так как работа зависит еще и от величины заряда, то энергетической характеристикой электрического поля служит напряжение, которое является отношением работы A по перемещению заряда к величине самого заряда Q.

Если заряд равен единичному (Q=1), то получается, что напряжение это есть работа по перемещению единичного заряда из точки a в точку b.

Мощность определяется как отношение работы к промежутку времени , за который была совершена эта работа.

Выходит, что мощность, затрачиваемая на единичный заряд равна

А на некоторое количество зарядов Q

Если присмотреться ко второму множителю, то можно рассмотреть в нем электрический ток, который выражен как скорость изменения заряда. Таким образом, получаем всем известную формулу

Для того чтобы узнать, какое количество энергии выделилось источником постоянного тока, нужно воспользоваться законом Джоуля –Ленца.

Узнать какое количество энергии получит резистор от источника за 10 секунд, если его сопротивление равно 100 Ом, а ЭДС источника равно 12 В. Сопротивление источника принять равным нулю.

Найдем силу тока по закону Ома

Такое количество энергии получает резистор за секунду, а за десять секунд он получит в десять раз больше

Мощность постоянного тока

Мощность – это работа, произведенная за единицу времени. Электрическая мощность равна произведению тока на напряжение: P=U∙I. Отсюда можно вывести другие формулы для мощности:

Единицу измерения мощности получим, подставив в формулу единицы измерения напряжения и тока:

Единица измерения электрической мощности, равная 1 ВА, называется ватом (Вт). Название вольт-ампер (ВА) используется в технике переменного тока, но только для измерения полной и реактивной мощности.

Единицы измерения электрической и механической мощности связаны следующими соотношениями:

1 Вт =1/9,81 кГ•м/сек ≈1/10 кГ•м/сек;

1 кГ•м/сек =9,81 Вт ≈10 Вт;

1 л.с. =75 кГ•м/сек =736 Вт;

1 кВт =102 кГ•м/сек =1,36 л.с.

Если не учитывать неизбежных потерь энергии, то двигатель мощностью 1 кВт может перекачивать каждую секунду 102 л воды на высоту 1 м или 10,2 л воды на высоту 10 м.

1. Нагревательный элемент электрической печи на мощность 500 Вт и напряжение 220 В выполнен из проволоки высокого сопротивления. Рассчитать сопротивление элемента и ток, который через него проходит (рис. 1).

Ток найдем по формуле электрической мощности P=U∙I,

откуда I=P/U=(500 Bm)/(220 B)=2,27 A.

Сопротивление рассчитывается по другой формуле мощности: P=U^2/r,

откуда r=U^2/P=(220^2)/500=48400/500=96,8 Ом.

2. Какое сопротивление должна иметь спираль (рис. 2) плитки при токе 3 А и мощности 500 Вт?

Для этого случая применим другую формулу мощности: P=U∙I=r∙I∙I=r∙I^2;

отсюда r=P/I^2 =500/3^2 =500/9=55,5 Ом.

3. Какая мощность превращается в тепло при сопротивлении r=100 Ом, которое подключено к сети напряжением U=220 В (рис. 3)?

4. В схеме на рис. 4 амперметр показывает ток I=2 А. Подсчитать сопротивление потребителя и электрическую мощность, расходуемую в сопротивлении r=100 Ом при включении его в сеть напряжением U=220 В.

P=U∙I=220∙2=440 Вт, или P=U^2/r=220^2/110=48400/110=440 Вт.

5. На лампе указано лишь ее номинальное напряжение 24 В. Для определения остальных данных лампы соберем схему, показанную на рис. 5. Отрегулируем реостатом ток так, чтобы вольтметр, подключенный к зажимам лампы, показывал напряжение Uл=24 В. Амперметр при этом показывает ток I=1,46 А. Какие мощность и сопротивление имеет лампа и какие потери напряжения и мощности возникают на реостате?

Мощность лампы P=Uл∙I=24∙1,46=35 Вт.

Ее сопротивление rл=Uл/I=24/1,46=16,4 Ом.

Падение напряжения на реостате Uр=U-Uл=30-24=6 В.

Потери мощности в реостате Pр=Uр∙I=6∙1,46=8,76 Вт.

6. На щитке электрической печи указаны ее номинальные данные (P=10 кВт; U=220 В).

Определить, какое сопротивление представляет собой печь и какой ток проходит через нее при работе P=U∙I=U^2/r;

r=U^2/P=220^2/10000=48400/10000=4,84 Ом; I=P/U=10000/220=45,45 А.

7. Каково напряжение U на зажимах генератора, если при токе 110 А его мощность равна 12 кВт (рис. 7)?

Так как P=U∙I, то U=P/I=12000/110=109 В.

8. На схеме на рис. 8 показана работа электромагнитной токовой защиты. При определенном токе электромагнит ЭМ, который удерживается пружиной П, притянет якорь, разомкнет контакт К и разорвет цепь тока. В нашем примере токовая защита разрывает токовую цепь при токе I≥2 А. Сколько ламп по 25 Вт может быть одновременно включено при напряжении сети U=220 В, чтобы ограничитель не сработал?

Защита срабатывает при I=2 А, т. е. при мощности P=U∙I=220∙2=440 Вт.

Разделив общую мощность одной лампы, получим: 440/25=17,6.

Одновременно могут гореть 17 ламп.

9. Электрическая печь имеет три нагревательных элемента на мощность 500 Вт и напряжение 220 В, соединенных параллельно.

Каковы общее сопротивление, ток и мощность при работе печи (рис.91)?

Общая мощность печи P=3∙500 Вт =1,5 кВт.

Результирующий ток I=P/U=1500/220=6,82 А.

Результирующее сопротивление r=U/I=220/6,82=32,2 Ом.

Ток одного элемента I1=500/220=2,27 А.

Сопротивление одного элемента: r1=220/2,27=96,9 Ом.

10. Подсчитать сопротивление и ток потребителя, если ваттметр показывает мощность 75 Вт при напряжении сети U=220 В (рис.10).

Так как P=U^2/r, то r=U^2/P=48400/75=645,3 Ом.

Ток I=P/U=75/220=0,34 А.

11. Плотина имеет перепад уровней воды h=4 м. Каждую секунду через трубопровод на турбину попадает 51 л воды. Какая механическая мощность превращается в генераторе в электрическую, если не учитывать потерь (рис. 11)?

Механическая мощность Pм=Q∙h=51 кГ/сек ∙4 м =204 кГ•м/сек.

Отсюда электрическая мощность Pэ=Pм:102=204:102=2 кВт.

12. Какую мощность должен иметь двигатель насоса, перекачивающего каждую секунду 25,5 л воды с глубины 5 м в резервуар, расположенный на высоте З м? Потери не учитываются (рис. 12).

Общая высота подъема воды h=5+3=8 м.

Механическая мощность двигателя Pм=Q∙h=25,5∙8=204 кГ•м/сек.

Электрическая мощность Pэ=Pм:102=204:102=2 кВт.

13. Гидроэлектростанция получает из водохранилища на одну турбину каждую секунду 4 м3 воды. Разница между уровнями воды в водохранилище и турбине h=20 м. Определить мощность одной турбины без учета потерь (рис. 13).

Механическая мощность протекающей воды Pм=Q∙h=4∙20=80 т/сек•м; Pм=80000 кГ•м/сек.

Электрическая мощность одной турбины Pэ=Pм:102=80000:102=784 кВт.

14. У двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением обмотка якоря и обмотка возбуждения соединены параллельно. Обмотка якоря имеет сопротивление r=0,1 Ом, а ток якоря I=20 А. Обмотка возбуждения имеет сопротивление rв=25 Ом, а ток возбуждения равен Iв=1,2 А. Какая мощность теряется в обеих обмотках двигателя (рис. 14)?

Потери мощности в обмотке якоря P=r∙I^2=0,1∙20^2=40 Вт.

Потери мощности в обмотке возбуждения

Общие потери в обмотках двигателя P+Pв=40+36=76 Вт.

15. Электроплитка на напряжение 220 В имеет четыре переключаемые ступени нагрева, что достигается путем различных включений двух нагревательных элементов с сопротивлениями r1 и r2, как это показано на рис. 15.

Определить сопротивления r1 и r2, если первый нагревательный элемент имеет мощность 500 Вт, а второй 300 Вт.

Так как мощность, выделяемая в сопротивлении, выражается формулой P=U∙I=U^2/r, то сопротивление первого нагревательного элемента

а второго нагревательного элемента r2=U^2/P2 =220^2/300=48400/300=161,3 Ом.

В положении ступени IV сопротивления соединяются последовательно. Мощность электроплитки в этом положении равна:

P3=U^2/(r1+r2 )=220^2/(96,8+161,3)=48400/258,1=187,5 Вт.

В положении ступени I нагревательные элементы соединены параллельно и результирующее сопротивление равно: r=(r1∙r2)/(r1+r2)=(96,8∙161,3)/(96,8+161,3)=60,4 Ом.

Мощность плитки в положении ступени I: P1=U^2/r=48400/60,4=800 Вт.

Эту же мощность получим, сложив мощности отдельных нагревательных элементов.

16. Лампа с вольфрамовой нитью рассчитана на мощность 40 Вт и напряжение 220 В. Какие сопротивление и ток имеет лампа в холодном состоянии и при рабочей температуре 2500 °С?

Мощность лампы P=U∙I=U^2/r.

Отсюда сопротивление нити лампы в горячем состоянии rt=U^2/P=220^2/40=1210 Ом.

Сопротивление холодной нити (при 20 °С) определим по формуле rt=r∙(1+α∙∆t),

откуда r=rt/(1+α∙∆t)=1210/(1+0,004∙(2500-20) )=1210/10,92=118 Ом.

Через нить лампы в горячем состоянии проходит ток I=P/U=40/220=0,18 А.

Ток при включении равен: I=U/r=220/118=1,86 А.

При включении ток примерно в 10 раз больше, чем ток горячей лампы.

17. Каковы потери напряжения и мощности в медном контактном проводе электрифицированной железной дороги (рис. 16)?

Провод имеет сечение 95 мм2. Двигатель электропоезда потребляет ток 300 А на расстоянии 1,5 км от источника тока.

Потеря (падение) напряжения в линии между точками 1 и 2 Uп=I∙rп.

Сопротивление контактного провода rп=(ρ∙l)/S=0,0178∙1500/95=0,281 Ом.

Падение напряжения в контактном проводе Uп=300∙0,281=84,3 В.

Напряжение Uд на зажимах двигателя Д будет на 84,3 В меньше, чем напряжение U на зажимах источника Г.

Падение напряжения в контактном проводе во время движения электропоезда меняется. Чем дальше электропоезд удаляется от источника тока, тем длиннее линия, а значит, больше ее сопротивление и падение напряжения в ней. Ток по рельсам возвращается к заземленному источнику Г. Сопротивление рельсов и земли практически равно нулю.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Мощность постоянного тока

Работа электрического тока, как и любая работа, может совершаться с разной скоростью. Скорость совершения работы характеризуется такой величиной, как мощность. Кратко рассмотрим это понятие и порядок его определения.

Работа электрического тока

Электрический ток – это упорядоченное движение носителей заряда по проводнику. Такое движение возможно в результате совершения электрическим полем работы. Чему равна эта работа ?

Интуитивно понятно, что работа электрического поля тем больше, чем дольше и быстрее движутся носители заряда, и чем их больше. Действительно, носители движутся от точки с более высоким потенциалом $\varphi_1$ к точке с более низким потенциалом $\varphi_2$ (разность потенциалов в этом случае составляет $U=\varphi_1 – \varphi_2$).

Электрический потенциал точки равен работе поля по переносу единичного заряда из бесконечности в эту точку:

Электрическое поле потенциально. Следовательно, работа поля по переносу заряда из первой точки во вторую равна произведению разности потенциалов на величину перенесенного заряда:

$$A_ = (\varphi_1 – \varphi_2) q = Uq$$

Напомним, что при силе тока через проводник $I$ за время $Δt$ через поперечное сечение проводника проходит заряд $IΔt$.

Следовательно, работа электрического тока за время $Δt$ составит:

Вся эта работа совершается электрическим полем, переносящим заряды по проводнику. Согласно закону сохранения энергии, вся энергия поля при этом должна выделиться на рассматриваемом участке цепи. Выделение происходит в двух видах. Во-первых, носители заряда взаимодействуют с веществом проводника, и их энергия переходит во внутреннюю энергию проводника (в нагрев).

Так работают электронагревательные приборы. Во-вторых, движение зарядов по проводнику порождает вокруг проводника магнитное поле, которое может взаимодействовать с другими внешними магнитными полями, совершая при этом механическую работу. На этом принципе работают электродвигатели.

Мощность электрического тока

Зная величину работы электрического тока, несложно получить значение мощности. Любая мощность равна отношению совершенной работы за время совершения:

Подставив в данную формулу выражение для работы, полученное выше, имеем:

Полученное выражение – это универсальная формула мощности постоянного тока. Электрическая мощность равна произведению тока через электрическую цепь на напряжение на концах этой цепи. При этом предполагается, что внутри цепи нет дополнительных источников ЭДС, которые бы могли влиять на величину тока.

Часто в задачах вместо тока через нагрузку или напряжения на ней известно сопротивление нагрузки $R$. В этом случае неизвестная величина вычисляется из закона Ома. Например, если известен ток, то мощность постоянного тока равна:

На практике чаще бывает случай, когда неизвестен ток. Так бывает, когда спираль с известным сопротивлением подключается к известному источнику напряжения. Находя ток с помощью закона Ома, получаем выражение для мощности:

Из последней формулы следует важный вывод. При уменьшении сопротивления нагрузки – ее мощность возрастает. То есть, если часть нагревательной спирали сгорит, а оставшиеся части будут соединены и подключены к тому же источнику напряжения, мощность спирали увеличится. В пределе, когда сопротивление нагрузки очень мало (выводы источника напряжения соединяются коротким проводником), а источник напряжения способен дать большую мощность – на нагрузке выделяется вся возможная мощность источника, как правило, в виде сильного нагрева. Такая ситуация называется коротким замыканием. Чтобы короткое замыкание не привело к пожару, в источнике напряжения должна быть защита, отключающая источник в случае короткого замыкания.

Что мы узнали?

Мощность электрического тока равна произведению тока через электрическую цепь на напряжение на концах этой цепи. При этом предполагается, что внутри цепи нет дополнительных источников ЭДС, которые бы могли влиять на величину тока.