Преобразование электрической энергии в тепловую

Если электрическую цепь замкнуть, то в ней возникнет электрический ток. При этом энергия источника будет расходоваться. Найдем работу, которую совершает источник тока для перемещения заряда q по всей замкнутой цепи. Исходя, из определения ЭДС получим

(2.24)

Но так как , или , где — работа, совершаемая источником на внешнем участке цепи; —потеря энергии внутри источника.

Используя закон Ома для участка цепи, можно записать

. (2.25)

Величину, характеризуемую скоростью, с которой совершается работа, называют:

(2.26)

Соответственно мощность, отдаваемая источником,

(2.27)

Мощность потребителей

(2.28)

Мощность потерь энергии внутри источника

(2.29)

Единица мощности — ватт (Вт):

, (2.30)

т. е. мощность равна 1 Вт, если за 1с совершается работа в 1 Дж.

Электрическая работа выражается в джоулях, но согласно формуле P=W/t имеем W = Pt,

откуда

(2.31)

На практике пользуются такими единицами работы, как киловатт-час

Когда в цепи с сопротивлением R существует ток, электроны, перемещаясь под действием поля, сталкиваются с ионами кристаллической решетки проводника. При этом кинетическая энергия электронов передается ионам, что приводит к увеличению амплитуды колебательного движения ионов, и, следовательно, к нагреванию проводника. Количество теплоты, выделенной в проводнике,

Q = I²Rt. (2.32)

Приведенная зависимость носит название закона Ленца — Джоуля: количество теплоты, выделяемой при прохождении тока в проводнике, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Преобразование электрической энергии в тепловую имеет большое практическое значение и широко используется в различных нагревательных приборах как в промышленности, так и в быту. Однако часто тепловые потери являются нежелательными, так как они вызывают непроизводительные расходы энергии, например в электрических машинах, трансформаторах и других электрических устройствах.

 

Режимы работы электрической цепи

Режим работы электрической цепи это электрическое состояние, которое определяется значениями токов, напряжений и мощностей ее отдельных элементов. 

Наиболее характерные режимы электрических цепей рассмотрим на примере простейшей цени с переменным сопротивлением приемника электрической энергии.

Номинальный режим

Источники и приемники электрической энергии, провода, а также вспомогательные аппараты и приборы характеризуются номинальными величинами тока, напряжения, мощности и т. д., на которые эти устройства рассчитаны заводами-изготовителями для нормальной работы. Номинальные величины обычно указываются в паспорте устройства.

Режим работы, при котором действительные токи, напряжения, мощности элементов электрической цепи соответствуют их номинальным величинам, называется номинальным (нормальным).

Отклонения от номинального режима нежелательны, а превышение номинальных величин в большинстве случаев недопустимо, так как при этом не могут быть гарантированы расчетные продолжительность и экономичность работы электрических устройств и установок.

Для обеспечения нормальных условий работы приемников электрической энергии необходимо соблюдать соответствие напряжений: действительное напряжение на зажимах устройства должно быть равно его номинальному напряжению.

Рабочий режим

Режимы электрической цепи по различным причинам могут отличаться от номинального.

Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от номинальных величин ее элементов, но отклонения находятся в допустимых пределах, то режим называется рабочим. Применяя к этой цели закон сохранения энергии, нетрудно составить уравнение энергетического баланса за некоторое время:

,

где — энергия источника; энергия приемника;

— энергия потерь в источнике.

 

По аналогии с энергией приемника энергию потерь выразим в виде ,

где r—внутреннее сопротивление источника.

В этом случае энергетический баланс имеет вид

;

после сокращения на t получим уравнение баланса мощностей

Далее, сокращая на I, получаем уравнение баланса напряжений

где Uo—внутреннее падение напряжения в источнике; U— напряжение на внешних зажимах источника.

Ток в цепи

Эта формула является выражением закона Ома для простейшей цепи.

Напряжение U на внешних зажимах источника, равное в этом случае напряжению на приемнике, меньше ЭДС источника на величину внутреннего падения напряжения 1г:

.

Отношение мощности Рп приемника к мощности Р» источника называется коэффициентом полезного действия источника:

КПД источника можно определить отношением напряжения на зажимах источника к его ЭДС:

Внутреннее сопротивление

Рассматривая уравнение баланса мощностей электрической цепи и схему замещения источника электрической энергии, отметим, что понятие о внутреннем сопротивлении источника можно характеризовать с двух сторон. С одной стороны — это расчетная величина и в этом качестве входит в расчетные схемы (схемы замещения), а численно определяется по формуле:

, где —мощность потерь электрической энергии в источнике при токе Iв нем независимо от причины и очага потерь. С другой стороны, потери электрической энергии обусловлены каким- либо физическим явлением внутри источника, например явлением электрического сопротивления проводника, которое выражает формула (2.8); в частности, в электрической машине внутреннее сопротивление складывается из нескольких слагаемых, в том числе сопротивления проводов обмотки якоря, сопротивления контактов и др.

Аналогичные замечания о внутреннем сопротивлении можно отнести и к приемнику электрической энергии, если процесс преобразования энергии в нем сопровождается потерями электрической энергии.