Робота і потужність електричного струму

Електрична енергія. У природі і техніці безперервно відбуваються процеси перетворення енергії з одного виду в інший (рис. 30). У джерелах електричної енергії різні види енергії перетворюються на електричну енергію. Наприклад, в електричних генераторах 1, що приводяться в обертання яким-небудь механізмом, відбувається перетворення в електричну енергію механічної, в термогенератора 2 – тепловий, в акумуляторах 9 при їх розряді і гальванічних елементах 10 – хімічної, у фотоелементах 11 – променистою.
Приймачі електричної енергії, навпаки, електричну енергію перетворюють на інші види енергії – теплову, механічну, хімічну, променисту та ін. Наприклад, в електродвигунах 3 електрична енергія перетворюється в механічну, в електронагрівальних приладах 5 – у теплову, в електролітичних ваннах 8 і акумуляторах 7 при їх заряді – в хімічну, в електричних лампах 6 – у променисту і теплову, в антенах 4 радіопередавачів – в променисту.

Рис. 30. Шляхи перетворення енергії з одного виду в інший Рис. 30. Шляхи перетворення енергії з одного виду в інший

Мірою кількості енергії є робота. Робота W, здійснюється електричним струмом за час t при відомому напрузі U силі струму I, дорівнює добутку напруги на силу струму і на час його дії:

W = UIt (29)

Робота, що здійснюється електричним струмом силою 1 А при напрузі 1 В протягом 1 с, прийнята за одиницю електричної енергії. Ця одиниця називається Джоулем (Дж). Джоуль, який називають також ват-секундою (Вт * с), – дуже маленька одиниця виміру, тому на практиці для виміру електричної енергії прийняті більші одиниці – ват-година (1 Вт * ч = 3600 Дж), кіловат-годину (1 кВт * год = 1000 Вт * ч = 3,6 * 106 Дж), мегават-годину (1 МВт * год = 1000 кВт * год = 3,6 * 109 Дж).

Електрична потужність. Енергія, що отримується приймачем або віддається джерелом струму протягом 1 с, називається потужністю. Потужність Р при незмінних значеннях U і I дорівнює добутку напруги U на силу струму I:

P = UI (30)

Використовуючи закон Ома для визначення сили струму і напруги в залежності від опору R і провідності G, можна отримати і інші вирази для потужності. Якщо замінити у формулі (30) напруга U = IR або силу струму I = U / R = UG, то отримаємо

P = I2R (31)

або

P = U2 / R = U2G (32)

Отже, електрична потужність дорівнює добутку квадрата сили струму на опір, або електрична потужність квадрату напруги, поділеному на опір, або квадрату напруги, помноженому на провідність.

Потужність, яка створюється силою струму 1 А при напрузі 1 В, прийнята за одиницю вимірювання потужності і називається ват (Вт). У техніці потужність вимірюють більшими одиницями: кіловатами (1 кВт = 1000 Вт) і мегаватами (1 МВт = 1 000 000 Вт).

Втрати енергії і коефіцієнт корисної дії. При перетворенні електричної енергії в інші види енергії або навпаки не вся енергія перетворюється в необхідний вид енергії, частина її непродуктивно витрачається (втрачається) на подолання тертя в підшипниках машин, нагрівання проводів та ін. Ці втрати енергії неминучі в будь-якій машині і будь-якому апараті.
Ставлення потужності, що віддається джерелом або приймачем електричної енергії, до одержуваної ним потужності, називається коефіцієнтом корисної дії джерела або приймача. Коефіцієнт корисної дії (к. П. Д.)

? = P2 / P1 = P2 / (P2 +? P) (33)

де

Р2 – віддається (корисна) потужність;
Р1 – отримувана потужність;
? Р – втрати потужності.

К. п. Д. Завжди менше одиниці, так як в будь-якій машині і будь-якому апараті є втрати енергії. Іноді к. П. Д. Виражають у відсотках. Так, тягові двигуни електровозів і тепловозів мають к. П. Д. 86-92%, потужні трансформатори – 96-98%, тягові підстанції – 94-96%, контактна мережа електрифікованих залізниць – близько 90%, генератори тепловозів – 92- 94%.
Розглянемо як приклад розподіл енергії в електричному ланцюзі (рис. 31). Генератор 1, що живить цей ланцюг, отримує від первинного двигуна 2 (наприклад, дизеля) механічну потужність Рmx = 28,9 кВт, а віддає електричну потужність Рел = 26 кВт (2,9 кВт становлять втрати потужності в генераторі). Тому він має к. П. Д.? Ген = Рел / Рmx = 26 / 28,9 = 0,9.

Потужність Рел = 26 кВт, що віддається генератором, витрачається на харчування електричних ламп (6 кВт), на нагрів електричних плиток (7,2 кВт) і на харчування електродвигуна (10,8 кВт). Частина потужності? Pпр = 2 кВт втрачається на даремний нагрів проводів, що з’єднують генератор зі споживачами.

Рис. 31. Схема перетворення енергії в електричній цепіРіс. 31. Схема перетворення енергії в електричному ланцюзі

У кожному приймачі електричної енергії також мають місце втрати потужності. В електричному двигуні 3 втрати потужності складають 0,8 кВт (він отримує з мережі потужність 10,8 кВт, а віддає тільки 10 кВт), тому к. П. Д.? Дв = 10 / 10,8 = 0,925. З потужності 6 кВт, отриманої лампами, лише незначна частина йде на Створення променевої енергії, більша частина її марно розсіюється у вигляді тепла. В електричній плитці на нагрів їжі витрачається не вся отримана потужність 7,2 кВт, так як частина створеного нею тепла розсіюється в навколишньому просторі. При розгляді електричних ланцюгів поряд з визначенням струмів і напруг, що діють на окремих ділянках, необхідно визначати і передану по ним потужність. При цьому повинен дотримуватися так званий енергетичний баланс потужностей. Це означає, що потужність, одержувана яким-небудь пристроєм (джерелом струму або споживачем) або ділянкою електричного кола, повинна дорівнювати сумі отдаваемой ними потужності і втрат потужності, які виникають в цьому пристрої або ділянці ланцюга.

Посилання на основну публікацію