Работа и мощность электрического тока

Электрическая енергия. В природе и технике непрерывно проис­ходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рис. 32). В источниках электрической энергии различные виды энергии пре­вращаются в электрическую энергию. Например, в электрических генераторах 1, приводимых во вращение каким-либо механизмом, про­исходит превращение в электрическую энергию механической, в термогенераторах 2 — тепловой, в аккумуляторах 9 при их разряде и гальванических элементах 10 — химической, в фотоэлементах 11— лучистой.

Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энер­гию превращают в другие виды энергии — тепловую, механическую, химическую, лучистую и пр. Так, например, в электродвигателях 3 электрическая энергия превращается в механическую; в электронагре­вательных приборах 5 — в тепловую; в электролитических ваннах 8 и аккумуляторах 7 при их зарядке — в химическую; в электрических лампах 6 — в лучистую и тепловую; в антеннах 4 радиопередатчиков — в лучистую.

Мерой количества энергии является работа. Работа А, совершае­мая электрическим током за время t при известном напряжении U и силе тока I, равна произведению напряжения на силу тока и на вре­мя его действия

А = UIt.

Работа,совершаемая электрическим током силой 1 А при напря­жении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется джоулем (Дж). Джоуль, который называют также ватт-секундой (Вт·с) — очень маленькая единица измерения, поэтому на практике для измерения электрической энергии приняты более крупные единицы — ватт-час (1 Вт·ч = 3600 Дж); киловатт-час (1 кВт·ч = 1000 Вт·ч = 3,6·10⁶ Дж); 1 мегаватт-час (1 МВт·ч = =1000 кВт·ч = 3,6·10⁹ Дж).

Электрическая мощность. Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью.Мощность Р при неизменных значениях U и I равна произведению на­пряжения U на силу тока I:

Р = UI.

Используя закон Ома для определения силы тока и напряжения в зависимости от сопротивления R и проводимости g, можно получить и другие выражения для мощности. Если заменить в формуле напряжение U = IR или силу тока I = U/R = Ug, то получим

Р =I²R

или

P = U²/R = U²g

Следовательно, электрическая мощность равна произведению квад­рата силы тока на сопротивление, или электрическая мощность рав­на квадрату напряжения, поделенному на сопротивление, либо квадра­ту напряжения, умноженному на проводимость.

Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами: киловаттами (1 кВт = 1000 Вт) и мегаваттами (1 МВт = 1 000 000 Вт).

Потери энергии и коэффициент полезного действия. При превра­щении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот не вся энергия превращается в требуемый вид энергии; часть ее непроизводительно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.

Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником элекпрической энергии к получаемой им мощности, называется коэффи­циентом полезного действия источника или приемника. Коэффициент полезного действия (к. п. д)

η = Р₂/Р₁ = Р₂/(Р₂ + ΔР),

где Р₂ — мощность, отдаваемая источником или приемником;

Р₁ — мощность, получаемая источником или приемником;

Δ Р — потери мощности в источнике или приемнике.

К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии. Иногда к. п. д. выражают в процен­тах. Так, тяговые электродвигатели электровозов и тепловозов имеют к. п, д. 86—92%, мощные трансформаторы — 96—98%, тяговые под­станции — 94—96%, контактная сеть электрических железных до­рог — около 90%, генераторы тепловозов — 92—94%.

Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в электри­ческий цепи (рис. 33). Генератор 1, питающий эту цель, получает от первичнога двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность P_мх = 28,9 кВт, а отдает электринескую мощность Р_эл= 26 kBt (2,9 кВт составляют потери мощностей в генераторе). Поэтому он име­ет к. п. д.

η_ген = Р_эл / P_мх = 26/28,9 = 0,9.

Мощность Р_эл = 26 кВт, отдаваемая генератором, расходуется на питание электрических ламп (6 кВт), на нагрев электрических пли­ток (7,2 кВт) и на питание электродвигателя (10,8 кВт). Часть мощности Δ Р _пр = 2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соеди­няющих генератор с потребителями.

В каждом приемнике электрической энергии также имеют место потери мощности. В электрическом двигателе 3 потери мощности со­ставляют 0,8 кВт (он получает из сети мощность 10,8 кВт, а отдает только 10 кВт), поэтому к. п. д. η_дв = 10/10,8 = = 0,925. Из мощности 6 кВт, полученной ламп-ачми, лишь незначительная часть идет на создание лучистой энергии, большая часть ее бесполезно рассеивается в виде тепла. В электрической плитке на нагрев пищи расходубтся невся полученная мощность 7,2 кВт, так как часть созданного ею теп­ла рассеивается в окружающем пространстве.

При рассмотрении электрических цепей наряду с определением токов и напряжений, действующих на отдельных участках, необхо­димо определять и передаваемую по ним мощность. При этом должен соблюдаться так называемый энергетический баланс мощностей. Это означает что мощность, получаемая каким-либо устройством (источ­ником тока или потребителем) или участком электрической цепи, должна быть равна сумме отдаваемой ими мощности и потерь мощно­сти, которые возникают в данном устройстве или участке цепи.