ПОТЕРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

<

081714 2049 1 ПОТЕРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИСлова «электричество», «электрический ток» знакомы сейчас каждому человеку. В наших домах, на транспорте, на заводах и фабриках, в сельском хозяйстве используют электрический ток. Современная жизнь просто немыслима без радио, телефона и телеграфа, всевозможных осветительных и нагревательных приборов, машин и устройств, в основе действия которых лежит использование электрического тока.

Электрическим током называется направленное движение электрически зараженных частиц. Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и силы, вызывающей их упорядоченное движение. Обычно источником такой силы является электрическое напряжение на концах цепи. Если напряжение не меняется во времени, то в цепи протекает постоянный ток, если меняется – переменный ток.

Источник постоянного тока – электрический элемент, в котором в ходе химической реакции на выводах образуется разность потенциалов. В результате соединения проводником выводов электрического элемента возникает электрический ток, зависящий от сопротивления проводника, при этом величина тока измеряется в амперах.

Для получения переменного тока применяют специальные машины – генераторы переменного тока, преобразующие механическую энергию в электрический ток.

В общем же существует множество различных типов источников электрической энергии, получаемой за счет преобразования химической, механической, тепловой и световой энергии. Во всех подобных устройствах происходят различные процессы, связанные с образованием и изменением электромагнитных полей. Общим для всех является то, что в результате происходящих в них процессов между выходными зажимами появляются электродвижущие силы, которые вызывают токи в замкнутых цепях и напряжения на элементах цепи. Для того чтобы использовать энергию электрического тока, нужно, прежде всего, иметь источник тока.

Энергию электрического тока прежде всего используют в потребителях: электродвигатели, лампы, всевозможные приборы.

Электрическую энергию нужно доставить к приемнику. Для этого приемник соединяют с источником электроэнергии проводами. Разнообразны типы приемников электрической энергии: это и электродвигатель, печи, осветительные приборы и т.д. При этом в этих приемниках происходит превращение электрической энергии в различные другие виды энергии: в электродвигателе – в механическую, в электрической печи или в резисторе – в тепловую, в лампе накаливания – в световую. В этих приемниках происходят необратимые преобразования электрической энергии в другие виды энергии.

Источники и приемники соединяются в электрической цепи проводами, которые должны обеспечивать передачу электрической энергии от источников к приемникам с небольшими потерями. То есть чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т.е. состоять только из проводников электричества. Если в каком-нибудь месте провод оборвется, то ток в цепи прекратиться.

Простейшая электрическая цепь состоит из источника тока, его приемника, замыкающих (вспомогающих) устройств (они служат для управления режимом электрической цепи – выключатели, реле, предохранители и т.п.), при этом цепь должны быть замкнутой. В случае размыкания цепи (к примеру вследствие обрыва или выключателем), ток в цепи прекращается.

081714 2049 2 ПОТЕРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Рис. 1. Простейшая электрическая цепь, состоящая из: лампы накаливания RL, проводов с сопротивлением RP и источником электрического тока с э.д.с. e и внутренним сопротивлением r

 

Подобно тому как ни одно механическое устройство не может преобразовать движение без потерь на трение, в результате которого часть механической энергии необратимо превращается в тепловую (то есть теряется), любое преобразование электрической энергии в элементах цепи сопровождается частичным (или полным) преобразованием ее в тепловую энергию. Это имеет место как в источниках, так и в приемниках и соединяющих проводах.

Если приемник не предназначен для использования тепловой действии тока, то преобразование электрической энергии в нем в тепловую, а также нагревание проводников является потерей мощности (потерей электрической энергии в цепи) с бесполезной потерей электрической энергии. Кроме того, в цепи потери энергии на нагревание происходит и в самом источнике электричества, так и он имеет некоторое внутренне сопротивление.

Чтобы понять как происходят потери электрической энергии в электрической цепи обратимся к рассмотрению процесса образования электрического тока в проводниках.

Когда проводник помещается в электрическое поле, подвижные носители зарядов в проводнике перемещаются под действием поля, что приводит к выравниваю потенциалов всех точек проводника. При этом если у двух точек проводника каким-то образом искусственно поддерживать разные потенциалы, (например, с помощью источника электрической энергии), то внутри проводника будет существовать поле, которое и будет создавать непрерывное движение зарядов – возникнет электрический ток, а носителями зарядов являются свободные электроны или ионы.

<

При движении в вакууме свободные носители зарядов одного знака не встречают никакого противодействия и приобретают кинетическую энергию за счет работы сил электрического поля. Когда же ток проходит в веществе, движущиеся заряды встречают противодействие поскольку взаимодействуют с другими зарядами и частицами, сталкиваясь с другими зарядами и частицами, входящими в состав вещества.. При этом увеличивается интенсивность хаотического движения частиц вещества, т.е. происходит нагревание вещества. Таким образом, ток в веществе всегда сопровождается увеличением внутренней энергии вещества. То есть в любом проводнике электрическая энергия частично превращается в тепловую энергию, т.е. происходит потеря энергии.

Определим теперь величину этих потерь.

Как известно, работа сил электрического поля по замкнутому контуру всегда равна нулю. Это означает, что если в замкнутой цепи на заряды действуют одни только электрические силы, то работу с помощью тока получить нельзя. Следовательно, в электрической цепи должен быть хотя бы один такой участок, в котором на подвижные носители зарядов, кроме сил электрического поля действовали бы еще какие-нибудь другие силы, способные совершать работу по перемещению этих зарядов. Такие силы называются сторонними, которые должны быть направлены против сил электрического поля и превышающие их по величине. Тогда на одном участке носители тока будут двигаться под действием сил электрического поля, а на другом участке цепи под действием сторонних сил. При этом в замкнутой цепи будет непрерывно циркулировать поток зарядов, т.е. будет идти электрический ток, а потенциалы проводников не смогут выравниться.

Сторонние силы будут совершать работу по перемещению передвижных носителей зарядов, преодолевая противодействие электрического поля и частиц вещества, из которого сделан проводник.

Участок цепи, в котором заряды движутся в сторону действия сторонних сил, называют источником электрической энергии, а участок, в котором заряды движутся в сторону действия электрических сил, называют потребителем (приемником) электрической энергии.

Величину, характеризующую зависимость электрической энергии, приобретенной зарядом в источнике, от внутреннего устройства последнего, называют электродвижущей силой источника и обозначается э.д.с. (e). Электродвижущую силу источника измеряют работой сторонних сил, выполненной при перемещении единичного положительного заряда:


e = Аст/q (1)

э.д.с. измеряется в СИ в вольтах (В).

Итак, длительный ток может идти в замкнутой цепи только при наличии в ней э.д.с.

Полная работа тока на участке цепи, который является потребителем, можно найти по формуле

АП= Uq, (2)

где U – напряжение на участке цепи, а q – заряд, перенесенный через поперечное сечение проводника за время прохождения t тока. Так как q = It, то

АП= UIt (3)

При этом работа вычисляется независимо орт того, в какой вид энергии превращается электрическая энергия на рассматриваемом участке цепи.

Когда вся электрическая энергия превращается во внутреннюю энергию, т.е. затрачивается на нагревание участка цепи, то справедлива формула: I=U/R.

Отсюда, получим из (2) формулу для работы на участке цепи без э.д.с.:

А= U2t/R (4)

Или иначе:

А= I2Rt (5)

Теперь рассмотрим участок цепи с э.д.с. Если у потребителя имеется противо-э.д.с., то электрическая энергия частично превращается во внутреннюю энергию и частично – в другие виды энергии. ( противо-э.дс. при превращение электрической энергии в другие виды энергии, кроме внутренней) При этом израсходованная электрическая энергия вычисляется по формуле (2). Теперь подсчитаем количество электрической энергии, которое превратилось во внутреннюю энергию на таком участке цепи ( т.е. энергию затраченную на нагревание).

Поскольку падение напряжения IR показывает, какое количество электрической энергии превратилось во внутреннюю энергию участка при прохождении единичного заряда, то, если по участку цепи пройдет заряд q, увеличение внутренней энергии будет равно IRq, но поскольку q=It, получаем IRq= I2Rt. Таким образом, работа тока, определяющая действие в данном участке цепи, которая затрачивается на тепловое действие в данном участке цепи, выражается формулой (4):

АТ= I2Rt (6)

Заметим, что эта формула справедлива для любого участка цепи, в том числе и для генератора.

Работа сторонних сил в источнике, которой оценивается полученное в нем количество энергии за счет других видов энергии (механической, химической и т.д.), находится на основе формулы (1). Так как q=It:

А =eIt (7)

Формулу (6) можно применять и к потребителю.

Поясним вышесказанное примером. В рассматриваемой электрической цепи на рис. 1 источник тока имеет э.д.с e численно равный электрической энергии, приобретенной единичным зарядом. При этом полное сопротивление всей цепи составит: R=RL+RP+r, U- напряжение на источнике, то при протекании тока I выполняться соотношение

U=e — IR,

где IR– есть энергия тепловых потерь единичного заряда на участке цепи при получении энергии, равной e. То есть энергия потерь для единичного заряда составит:

WП=e — U= IR

Теперь определим мощность тока на участке цепи.

Известно, что

Р= А/t. (8)

Подставляя в (8) значения из формул (2)– (7) получим мощность на участке без э.д.с.:

P= UI=U2/R=I2R

Полная мощность тока в случае, когда потребитель имеет э.д.с. равна

Pп = UI

А мощность тока, затрачиваемое на тепловое действие равно:

P= I2R

Мощность тока в подводящих проводах называют потерей мощности.

Тепловое действие тока на опытах было изучено английским ученым Дж. Джоулем и русским ученым Э. Ленцем. Количество тепла, выделенного в проводнике, равно работе электрического поля по преодолению сопротивления проводника:

Q=A=I2Rt

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Энергия потерь в электрической цепи, определяется затратами энергии на нагревание элементов цепи – самого источника тока, соединительных проводов, и приемника энергии (если, конечно, тепловое действие в нем вызывает бесполезные потери энергии).

При этом мощность, выделяемая соединительными проводами в любом случае является потерей мощности, которая вычисляется по формуле:

P=I2R

 

Потеря электрическая энергии в цепи будет равна

 

Wt= I2Rt

 

Однако, если протекание тока сопровождается какими-либо дополнительными эффектами, то для расчета нагревания (потерь) можно использовать только два последних выражения. Это подтверждается следующим: если в цепи имеется, к примеру, электродвигатель, развивающий механическую мощность Nмех (кончено, за счет работы источника тока), то расходуемая источником мощность равна P= UI=I2R + Nмех и превышает мощность, вычисленную по закону Джоуля-Ленца.

На тепловом действии тока основано устройство электрических печей, электронагревательных приборов. В тех случаях, когда тепловое действие тока вызывает бесполезные потери электрической энергии, его стремятся ослабить. Например, выделение тепла в соединительных проводах – вредное явление. Для уменьшения выделения тепла сопротивление подводящих проводов стремятся сделать как можно меньшим, и по-возможности уменьшают силу ток в них. Так, передачу электроэнергии осуществляют при высоком напряжении, что позволяет при одной и той же передаваемой мощности уменьшить ток и потери на нагрев проводов.

Литература:

 

  1. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Электричество и магнетизм.. Учебное пособие. –М.: Просвещение, 1980.
  2. Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т. 2.: Пер. с англ.– М.: Мир, 1989.
  3. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика: учебник для ССУЗов. –М.1981.
  4. Электротехника: учебное пособие для ВУЗов/Герасимов В.Г., Зайдкель Х.Э. и др.; Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высш. Шк., 1983.
<

Комментирование закрыто.

MAXCACHE: 0.92MB/0.00028 sec

WordPress: 23.3MB | MySQL:115 | 1,320sec