На что расходуется полная мощность источника

Ответы на вопросы «Постоянный электрический ток. § 15. Передача мощности электрического тока от источника к потребителю»

Мощность источника тока идет на нагревание проводов и к потребителю.

2. Дайте определения полезной мощности и мощности потерь.

Полезная мощность — та, которая идет к потребителю. Мощность потерь — мощность, идущая на нагрев проводов.

3. Приведите формулу зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки.

4. Сформулируйте условие согласования нагрузки и источника.

Потребитель получает максимальную мощность, если сопротивление нагрузки и суммарное сопротивление источника тока и подводящих проводов равны.

5. Почему уменьшение потерь мощности в линиях электропередачи достигается за счет повышения напряжения в передающей электростанции?

Потому что потеря мощности в проводах обратно пропорциональна квадрату напряжения на источнике.

Источник:

Решебник по физике за 11 класс (Касьянов В.А., 2002 год),
задача №15
к главе «Постоянный электрический ток. § 15. Передача мощности электрического тока от источника к потребителю».

На что расходуется полная мощность источника

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.7.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ И КПД ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Фамилия И.О. _____________ Группа ______ Дата ______

Цель данной работы – экспериментально проверить теоретические выводы о зависимости полезной мощности и КПД источника тока от сопротивления нагрузки.

Электрическая цепь состоит из источника тока, подводящих проводов и нагрузки или потребителя тока. Каждый из этих элементов цепи обладает сопротивлением.

Сопротивление подводящих проводов обычно бывает очень мало, поэтому им можно пренебречь. В каждом участке цепи будет расходоваться энергия источника тока. Весьма важное практическое значение имеет вопрос о целесообразном расходовании электрической энергии.

Полная мощность Р, выделяемая в цепи, будет слагаться из мощностей, выделяемых во внешней и внутренней частях цепи: P = I 2 ·R + I 2 ·r = I 2 (R + r). Так как I(R + r) = ε, то Р =I·ε,

где R – внешнее сопротивление; r – внутреннее сопротивление; ε – ЭДС источника тока.

Таким образом, полная мощность, выделяемая в цепи, выражается произведением силы тока на ЭДС элемента. Эта мощность выделяется за счет каких-либо сторонних источников энергии; такими источниками энергии могут быть, например, химические процессы, происходящие в элементе.

Рассмотрим, как зависит мощность, выделяемая в цепи, от внешнего сопротивления R, на которое замкнут элемент. Предположим, что элемент данной ЭДС и данного внутреннего сопротивления r замыкается внешним сопротивлением R; определим зависимость от R полной мощности Р, выделяемой в цепи, мощности Р_а, выделяемой во внешней части цепи и КПД.

Сила тока I в цепи выражается по закону Ома соотношением

Полная мощность, выделяемая в цепи, будет равна

При увеличении R мощность падает, стремясь асимптотически к нулю при неограниченном увеличении R.

Мощность, выделяющаяся во внешней части цепи, равна

Отсюда видно, что полезная мощность Р_а равна нулю в двух случаях – при R = 0 и R = ∞.

Исследуя функцию Р_а = f(R) на экстремум, получим, что Р_а достигает максимума при R = r, тогда

Чтобы убедится в том, что максимум мощности Р_а получается при R = r, возьмем производную Р_а по внешнему сопротивлению

По условию максимума требуется равенство нулю первой производной

r 2 = R 2

R = r

Можно убедиться, что при этом условии мы получим максимум, а не минимум для Р_а, определив знак второй производной .

Коэффициент полезного действия (КПД) η источника ЭДС это величина отношения мощности Р_а, выделяющейся во внешней цепи, к полной мощности Р, развиваемой источником ЭДС.

В сущности КПД источника ЭДС указывает, какая доля работы сторонних сил преобразуется в электрическую энергию и отдается во внешнюю цепь.

Выражая мощность через силу тока I, разность потенциалов во внешней цепи U и величину электродвижущей силы ε, получим

То есть КПД источника ЭДС равен отношению напряжения во внешней цепи к ЭДС. В условиях применимости закона Ома можно далее заменить U = IR; ε = I(R + r), тогда

Следовательно, в том случае, когда вся энергия расходуется на Ленц-Джоулево тепло, КПД источника ЭДС равен отношению внешнего сопротивления к полному сопротивлению цепи.

При R = 0 имеем η = 0. С увеличением R, КПД возрастает, стремится к значению η=1 при неограниченном увеличении R, однако при этом мощность, выделяющаяся во внешней цепи, стремится к нулю. Таким образом, требования одновременного получения максимальной полезной мощности при максимальном КПД невыполнимы.

Когда Р_а достигает максимума, то η = 50%. Когда же КПД η близок к единице, полезная мощность мала по сравнению с максимальной мощностью, которую мог бы развивать данный источник. Поэтому для увеличения КПД необходимо по возможности уменьшать внутреннее сопротивление источника ЭДС, например, аккумулятора или динамо-машины.

В случае R = 0 (короткое замыкание) Р_а = 0 и вся мощность выделяется внутри источника. Это может привести к перегреву внутренних частей источника и выводу его из строя. По этой причине короткие замыкания источников (динамо-машины, аккумуляторные батареи) недопустимы!

На рис. 1 кривая 1 дает зависимость мощности Р_а, выделяемой во внешней цепи, от сопротивления внешней части цепи R; кривая 2 дает зависимость от R полной мощности Р; кривая 3 – ход КПД η от того же внешнего сопротивления.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со схемой на стенде.

2. Установить с помощью магазина сопротивление R = 100 Ом.

3. Замкнуть ключ К.

4. Произвести измерения силы тока в цепи последовательно для различных девяти сопротивлений на магазине сопротивлений, начиная от 100 Ом и выше. Внести в таблицу результаты измерений силы тока, выразив их в амперах.

5. Выключить ключ К.

6. Вычислить для каждого сопротивления Р, Р_а (в ваттах) и η.

7. Построить графики Р, Р_а и η от R.

Контрольные вопросы

1. Что называется КПД источника ЭДС?

2. Вывести формулу КПД источника ЭДС.

3. Что такое полезная мощность источника ЭДС?

4. Вывести формулу полезной мощности источника ЭДС.

5. Чему равна максимальная мощность, выделяемая во внешней цепи (Ра)max?

6. При каком значении R полная мощность Р, выделяющаяся в цепи, максимальна?

7. Чему равен КПД источника ЭДС при (Ра)max?

8. Произвести исследование функции (Ра) = f(R) на экстремум.

9. Зарисовать график зависимости Р, Ра и η от внешнего сопротивления R.

10. Что такое ЭДС источника?

11. Почему сторонние силы должны быть не электрического происхождения?

12. Почему недопустимо короткое замыкание для источников напряжения?

I·10 -3 , A

, Вт

, Вт

Что такое активная, реактивная и полная мощность нагрузки стабилизатора?

В отличии от вычисления мощности при постоянном токе, формулы для вычисления мощности в цепях переменного тока достаточно сложны. В общем случае электрическая мощность в этом случае имеет интегральные зависимости.

Для определения полной мощности нагрузки необходимо вычислить активную и реактивную мощность. Полная мощность определяется как векторное сложение этих величин.

Активная мощность — это полезная часть мощности, та часть, которая определяет прямое преобразования электрической энергии в другие необходимые виды энергии. Для каждого электрического прибора вид преобразования энергии свой: в электрической лампочке электроэнергия преобразуется в свет и тепло, в утюге электроэнергия преобразуется в тепло, в электродвигателе электроэнергия преобразуется в механическую энергию. Фактически, активная мощность определяет скорость полезного потребления энергии.

Реактивная мощность — мощность определяемая электромагнитными полями, образующимися в процессе работы приборов. Реактивная мощность, как правило, является «вредной» или «паразитной». Реактивная мощность определяется характером нагрузки. Для такого прибора как лампочка она равна нулю, в процессе горения лампы электромагнитные поля практически не образуются. В процессе работы электродвигателя реактивная мощность может достигать больших значений. Понятие реактивной мощности тесно связано с понятием «пусковые токи».

При выборе стабилизатора напряжения необходимо определять полную мощность потребителей. Самый точный способ — найти значение полной мощности прибора в его паспорте. Если такой возможности нет, то для определения полной мощности приборов с большими «пусковыми токами» принято использовать повышающий коэффициент «4».

Следует также учитывать, что номинальная мощность стабилизатора напряжения может указываться разными производителями стабилизаторов и ИБП в различных диапазонах входных параметров тока. Китайские производители часто завышают реальную мощность устройства в два и более раз.

Особое внимание при выборе подходящего стабилизатора напряжения или источника бесперебойного питания следует обратить на возможность использования стабилизатора при реактивной нагрузке. Часто производители указывают, что номинальная мощность стабилизатора или ИБП указана без учета реактивной нагрузки. В паспортных данных стабилизаторов и источников питания можно найти фразу «устройство не может использоваться для реактивной нагрузки».

Для работы с приборами, имеющими большую реактивную мощность мы рекомендуем использовать специальные стабилизаторы напряжения и ИБП компании «Бастион». Эти приборы характеризуются большой перегрузочной мощностью и хорошей защитой от помех в сети по нагрузке. Узнайте подробнее об оборудовании здесь

Подробные ответы вы можете найти в следующих статьях:

Как определить мощность источника тока

Источники питания используются повсеместно. Их основная задача — преобразование параметров электроэнергии, поступающей из сети, в такие, которые необходимы для конкретного электротехнического устройства. Способность ИП выполнять данную задачу зависит от его мощности. Она является главной характеристикой любого блока питания. Чтобы оценить эффективность устройства, необходимо понимать, как найти мощность, если известны различные характеристики электрической цепи.

Виды мощности

При вычислении мощности возможны следующие ситуации:

• Мгновенная мощность вычисляется для очень малого промежутка времени. Это значение важно знать в тех случаях, когда в разные моменты времени эта величина меняется. Проведение замеров позволит мастеру получить целостное представление об используемой мощности. Для постоянного тока данная характеристика постоянна.
• Активное значение мощности применяется для определения постоянной величины, которая фактически является средним значением при наличии переменного тока. При этом мгновенные значения будут изменяться, а активная мощность будет в среднем характеризовать происходящие процессы. Активная мощность — это показатель выполнения полезной работы электрическим оборудованием.
• Реактивная мощность относится к работе индуктивных и емкостных элементов электрических приборов. Она циклически переходит из одной формы в другую. При этом происходит перемещение зарядов, то есть, осуществляется электрическая работа, которая обычно не является полезной.

Активная и реактивная мощность

При работе электрического оборудования следует рассматривать полную мощность. Она показывает работу, которая проводится в единицу времени (в СИ в этом качестве рассматривается 1 секунда). При этом нужно помнить, что полная мощность складывается из активной и реактивной мощности.

Это разделение связано с используемым сопротивлением. Если электрические заряды преодолевают активное сопротивление, мощность также является активной. Она, как правило, относится к выполнению полезной работы.

При наличии переменного тока в электрической цепи присутствует реактивное сопротивление. Оно связано с работой электромагнитного поля и фактически сводится к периодическим изменениям, при которых энергия регулярно перетекает из одной формы в другую, практически не расходуясь.

В бытовых приборах и промышленном оборудовании в большинстве случаев присутствуют оба вида мощности. Активная играет основную роль при использовании постоянного тока или в тех случаях, когда её доля в общей мощности относительно высока.

Обычно в технической документации указывается параметр cosφ. Он может принимать значения от 0 до 1 включительно. Его величина показывает долю активной мощности в полной. Она будет высокой, например, в электронагревательных приборах, где значительная часть энергии тратится на выполнение полезной работы по обогреву помещения.

Надо учитывать, что наличие реактивной мощности оказывает разрушительное действие на прибор. Это может быть, например, связано с разрушением изоляции проводов и кабелей, с повышением риска возникновения короткого замыкания или с порчей оболочек электроприводов или трансформаторов.

Для получения полной мощности применяется векторное сложение активной и реактивной мощности. Её величину вычисляют по теореме Пифагора как длину гипотенузы прямоугольного треугольника, в котором катетами являются активная и реактивная мощности.

Как определяется мощность

Эта величина определяется на основе работы, выполненной при перемещении заряда. Мощность равна частному от деления её величины на потраченное для этого время. Из курса физики известно, что работу можно выразить как произведение разности потенциалов на перемещаемый заряд. Для вычисления заряда можно применить следующую формулу:

На основе сказанного можно привести такое равенство:

Из формулы видно, что мощность можно выразить как произведение напряжения и силы тока. Её можно преобразовать с использованием закона Ома:

Подставив это выражение в формулу мощности, выводят эквивалентные формы, которые могут быть более удобными в некоторых ситуациях.

Например, при рассмотрении последовательного соединения удобной будет формула с использованием силы тока и напряжения. Это связано с тем, что сила электротока на рассматриваемом участке является одинаковой.

При параллельном соединении одинаковым на различных участках будет электронапряжение. В данном случае производить вычисления проще с использованием формулы, которая выражает мощность через разницу потенциалов и сопротивление.

В международной системе измерений для мощности используется ватт. Иногда применяют эквивалентную единицу вольт*ампер. Широко используются значения, которые выражаются в единицах, кратных ваттам. В качестве примера можно привести киловатт и мегаватт, которые соответствуют тысяче и миллиону ватт соответственно.

У большинства электроприборов, используемых в быту, мощность находится в определённых пределах, которые примерно соответствуют значениям, указанным в следующей таблице:

В прошлом в качестве единицы измерения мощности активно использовалась лошадиная сила. Для ее выражения через ватты нужно применять следующую формулу:

Хотя классической единицей измерения энергии или выполненной работы является джоуль, для электрических приборов чаще используется ватт*час.

При описании электрических устройств или деталей часто указывают предельную мощность. В технической документации также может быть указана номинальная мощность оборудования. Режим работы устройства в этом случае считается оптимальным. Если реальная мощность будет выше, то это означает, что прибор эксплуатируется очень интенсивно.

Сказанное можно пояснить на следующем примере. Допустим, речь идёт о резисторе на 500 Ом. Пусть в технической документации сказано, что предельно допустимая мощность при его использовании составляет 10 Вт. В этом случае предельно допустимое напряжение определяется по формуле:

Из этого выражения можно найти напряжение. Для него будет правильным следующее равенство:

Подставляя конкретные значения, получаем, что квадратный корень нужно извлечь из произведения 500 * 10 = 5000. Он будет примерно равен 70.7. Таким образом, предельно допустимым напряжением для этого резистора будет 70.7 В.

Иногда возникает необходимость практически измерить мощность. Это можно сделать с помощью ваттметра.

Для определения мощности также используют амперметр и вольтметр. Первый присоединяют последовательно, второй — параллельно. Получив значения силы тока и напряжения, на их основе производят вычисления для определения мощности.

Мощность источника питания

В предыдущем разделе было рассмотрено понятие мощности и относящиеся к ней характеристики в применении к различным электрическим узлам или приборам. При рассмотрении источника элетротока потребуется учитывать имеющиеся в этом случае особенности.

Используемый ИП должен соответствовать параметрам электрической цепи, которую он питает. При этом необходимо обратить внимание на следующее:

• Значение полной мощности электрической цепи.
• ЭДС источника.
• Внутренне сопротивление ИП.
• Потери энергии внутри источника питания.
• Значение полезной мощности.

Мощность источника тока должна превосходить мощность электроприбора не меньше, чем на 5-10%. Это позволит обеспечить электропитание даже в условиях интенсивного использования прибора. Энергия источника питания будет расходоваться на совершение полезной работы, а также на потери.

Для понимания особенностей работы источника питания важно знать разницу между электронапряжением на клеммах и электродвижущей силой. Практически в работающей цепи электроны перемещаются по замкнутому пути. Они переходят от отрицательной клеммы через электрическую цепь к положительной. Попадая внутрь батареи под воздействием электродвижущей силы, электроны будут вновь перемещаться на отрицательную клемму.

Нужно учитывать, что величина ЭДС не является независимой от нагрузки. Её точное значение можно узнать при измерении на холостом ходу. Чтобы вычислить мощность источника питания, можно воспользоваться формулой, которая выражает её через ЭДС и сопротивление. Для этого потребуется выполнить следующие действия:

1. Нужно определить величину электродвижущей силы (E) источника питания. Для этого замеряют разность потенциалов на клеммах на холостом ходу.
2. Далее требуется подключить нагрузку, которая имеет известное сопротивление (R).
3. Затем в электрической цепи измеряют силу тока (I), а также напряжение (U).
4. Теперь есть возможность узнать падение напряжения (U₀) внутри источника тока. Оно представляет собой разность между электродвижущей силой и напряжением в цепи.
5. Внутреннее сопротивление (R₀) вычисляется по формуле R₀ = U₀ / I.

Подставив полученные значения в формулу, выраженную через напряжение и сопротивление, можно определить мощность источника тока.

Полную мощность ИП можно представить как Р_полн = Р_полезн + Р_потерь.

Для определения полезной мощности используется одна из трех формул:

Мощность потерь, возникающая во внутренней цепи, то есть, в источнике тока, расходуется лишь на процессы, происходящие в самом ИТ и не может использоваться для каких-либо других целей. Ее вычисляют по формуле:

Для определения полной мощности можно воспользоваться одной из трех формул:

Используя приведённый здесь алгоритм, можно определить полезную мощность, которая создаётся рассматриваемым источником тока. Чтобы составить представление о зависимости полезной мощности и той, которая расходуется на нагрев ИТ, можно воспользоваться графиком. Из него видно, что полезная мощность сначала возрастает, а затем начинает убывать. Максимума она достигает в точке, в которой сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника электротока, то есть, R = r.

КПД при таком условии будет равен 50%. В общем случае коэффициент полезного действия находят по формуле:

Максимальная полезная мощность равняется половине полной. Следовательно

Из сказанного видно, что при подборе наиболее подходящего источника питания для электрического устройства нужно стремиться к тому, чтобы внутреннее сопротивление источника питания было равно сопротивлению нагрузки. Если оно значительно меньше, то существенная часть мощности в процессе эксплуатации будет рассеиваться в виде тепла. Приведённое требование соответствия величин называют условием согласования.

Важно отметить, что в качестве устройства питания не обязательно может использоваться батарея или аккумулятор. Отмеченная здесь закономерность будет действовать и в том случае, если речь идёт об использовании усилителя.

В качестве примера использования указанного правила можно привести подключение акустической системы к усилителю. В этом случае выходной импеданс последнего должен подбираться таким образом, чтобы быть примерно равным входному импедансу подключённых динамиков. На практике в технической документации усилителя указывают границы, в которых должна находиться соответствующая характеристика подключённых устройств.