Коэффициент полезного действия

Мощность, отдаваемая источником энергии во внешнюю цепь, является полезной Р₂, а мощность, получаемая им извне – потребляемой Р₁. В соответствии с законом сохранения энергии полезная мощность источника или приемника электрической энергии Р₂ меньше мощности Р₁, потребляемой им, т.к. в процессе работы источника или приемника неизбежно происходит потеря энергии. В преобразователях энергии потеря происходит в результате нагревания проводов обмоток протекающими в них токами, перемагничивания стали, вихревых токов и т.д.

Для оценки энергетических показателей служит коэффициент полезного действия, равный отношению полезной мощности источника или приемника энергии Р₂ к мощности, потребляемой им Р₁, т.е.

К.п.д.=Р₂/Р₁=Р₂/(Р₂+ΔР), где

ΔР – мощность, расходуемая на преодоление потерь в источнике или приемнике энергии.

К.п.д. тем выше, чем меньше потери.

Закон Джоуля-Ленца

При прохождении электрического тока через металлический проводник электроны, сталкиваясь с молекулами, теряют энергию, которая превращается в тепло. Любое движение, при котором преодолевается сопротивление, требует затраты определенной энергии. Так, например, для перемещения какого-либо тела преодолевается сопротивление трения, и работа, затраченная на это, превращается в тепло.

Русский ученый Ленц и английский физик Джоуль одновременно и независимо друг от друга установили, что при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику.

Закон Джоуля-Ленца: Q=I²rt, где

Q – количество теплоты, развиваемое током, дж

I – сила тока, протекающего по проводнику, А

r – сопротивление проводника, Ом

t – время, в течение которого ток протекал по проводнику, сек

По закону Ома I=U/r, откуда r = U/I, тогда Q=UIt = U²t/r

Не всегда нагревание проводников полезно. Во избежание чрезмерного нагрева соединительных проводов установлены нормы наибольших допустимых длительных токов.

Электрическая дуга

Электрическая дуга впервые была открыта Петровым в 1802 г.

Если к полюсам источника электрической энергии присоединить угольные стержни и сблизить их, то образуется замкнутая электрическая цепь, по которой начнет протекать ток. В месте контакта, т.е. между поверхностями соприкосновения угольных электродов, сопротивление больше, чем самих электродов и, следовательно, сближенные концы нагреваются до очень высокой температуры и начинают светиться.

Если электроды раздвинуть, то ток в цепи не прекратится и между электродами возникнет электрическая дуга. Возникновение электрической дуги объясняется следующим. При сильном нагреве скорость движения свободных электронов увеличивается настолько, что при раздвижении электродов электроны вылетают в межэлектродное пространство – наступает электронная эмиссия. Электроны обладают большой энергией и, сталкиваясь с нейтральными атомами воздуха, расщепляют их на положительно и отрицательно заряженные ионы. Таким образом, между раздвинутыми электродами создается газовый промежуток, хорошо проводящий электрический ток; возникает дуговой разряд – электрическая дуга. Применение электрической дуги для сварки металлов впервые было предложено в 1882 г. русским ученым Бенардосом. Каждое прикосновение электрода к свариваемому предмету для источника электической энергии ведет к короткому замыканию. Поэтому для питания сварочных установок применяют специальные источники электрической энергии (генераторы, трансформаторы), которые при коротком замыкании не выходят из строя.

Химическое действие электрического тока. Растворы солей и кислот в воде или в каком-либо другом растворителе называются электролитами.

Если в сосуд с электролитом погрузить электрические пластины, называемые электродами, которые при помощи проволочных проводников присоединены к источнику энергии постоянного тока, то вследствие разности потенциалов между электродами через электролит будет протекать ток. Прохождение тока через электролит сопровождается химическими процессами, носящими общее название электролиза. Под действием растворителей соли и кислоты распадаются на ионы (NaCl Na⁺ + Cl^-). Находящиеся в электролите ионы, притягиваясь к электродам, двигаются в противоположных направлениях: положительные ионы – к катоду, а отрицательные – к аноду. Подойдя к катоду, положительные ионы получают от него недостающие им электроны и образуют электрически нейтральные атомы. На аноде происходит обратный процесс: отрицательные ионы отдают аноду свои избыточные электроны.

В результате непрерывного перехода электронов с катода на ионы и поступления их на анод поддерживается движение электронов в проводах, соединяющих источник электрической энергии с электродами.