1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности

Что представляет собой понятие «энергия», которое мы так часто используем? «Энергия» (греч. ενεργια – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи. По большому счету понятие энергии, идея энергии искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия – это плод мысли человека, его «изобретение», построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией. Для этой физической величины долгое время употреблялся термин «живая сила», введенный И. Ньютоном. Впервые в истории в понятие «живая сила» смысл «энергия», не произнося ещё этого слова, вкладывает Роберт Майер в статье «Замечания о силах неживой природы», опубликованной в 1842 году. Специальный термин «энергия» был введен в 1807 г. английским физиком Томасом Юнгом и обозначал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела. В науку термин «энергия» в современном его смысле ввел Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1860 году.

Энергия проявляется в различных формах движения материи, заполняющей все мировое пространство. Свойством, присущим всем видам энергии и объединяющим их, является способность каждого вида энергии переходить при определенных условиях в любой другой ее вид в строго определенном количественном соотношении. Само название этого свойства – «закон сохранения и превращения энергии» – было введено в научное обращение Ф. Энгельсом, что позволило все виды энергии измерять в одних единицах. В качестве такой единицы принят джоуль (1 Дж =1 H · м =1 кг · м 2 /с 2). В то же время для измерения количества теплоты используют «старую» единицу – 1 кал (калория), для измерения механической энергии – величину 1 кГм = 9,8 Дж, электрической энергии – 1 кВт · ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт · с.

Почти все виды энергии, рассматриваемые в технической термодинамике, за исключением тепловой, представляют собой энергию направленного движения. Так, механическая энергия проявляется в непосредственно наблюдаемом движении тел, имеющем определенное направление в пространстве (движение газа по трубе, полет снаряда, вращение вала и т. п.). Электрическая энергия проявляется в скрытом движении электронов по проводнику (электрический ток). Тепловая энергия выражается в молекулярном и внутримолекулярном хаотическом движении, представляя собой энергию хаотического движения атомов и молекул вещества. Тепловая энергия газов проявляется в колебательном, вращательном и поступательном движении молекул, которые постоянно меняют свою скорость по величине и направлению. При этом каждая молекула может беспорядочно перемещаться по всему объему газа. В твердых телах тепловая энергия проявляется в колебаниях молекул и атомов относительно положений, определяемых кристаллической структурой вещества, в жидкостях – в колебании и перемещении молекул или их комплексов. Следовательно, коренным отличием тепловой энергии от других видов энергии является то, что она представляет собой энергию не направленного, а хаотического движения. В результате этого превращение тепловой энергии в любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.

Каждое тело в любом его состоянии может обладать одновременно различными видами энергии, в том числе тепловой, механической, электрической, химической, внутриядерной, а также потенциальной энергией различных физических полей (гравитационного, магнитного, электрического). Сумма всех видов энергии, которыми обладает тело, представляет собой полную его энергию.

Тепловая, химическая и внутриядерная энергии входят в состав внутренней энергии тела. Все прочие виды энергии, связанные с перемещением тела, а также потенциальная энергия внешних физических полей относятся к его внешней энергии. Например, внешней энергией летящего снаряда в зоне действия сил земного притяжения будет сумма его кинетической Е к и потенциальной энергии гравитационного поля E п. г.. Если газ или жидкость движутся непрерывным потоком в трубе, то в их внешнюю энергию дополнительно входит энергия проталкивания, иногда называемая энергией давления Е пр.

Внешняя энергия, следовательно, представляет собой сумму

Е в н = Е к + Σ Е п i +Е п р, где Е п i – потенциальная энергия i -го поля (магнитного, электростатического и т. д.).

Внутренняя энергия тела U может быть представлена как бы состоящей из двух частей: внутренней тепловой энергии U Т и U 0 – внутренней нулевой энергии тела, условно охлажденного до абсолютного нуля температуры:

U=U 0 +U Т .

Внутренней тепловой энергией является та часть полной внутренней энергии тела, которая связана с тепловым хаотическим движением молекул и атомов и может быть выражена через температуру тела и другие его параметры. Поскольку температура реального тела только частично отражает его внутреннюю тепловую энергию, изменение последней может иметь место и при постоянной температуре тела. Примерами этого являются процессы испарения, плавления, сублимации, в которых происходит фазовое превращение и меняется степень хаотичности молекулярного движения.

Таким образом, полная энергия тела в общем случае может быть представлена в виде суммы внутренней нулевой U 0, внутренней тепловой U Т, внешней кинетической Е к энергий, совокупных внешних потенциальных Σ Е п i энергий и энергии проталкивания Е п р :Е=U 0 +U Т +Е к + Σ Е п i +Е п р.

Каждая из этих составляющих полной энергии может при определенных условиях превращаться одна в другую. Например, в химических реакциях имеет место взаимное превращение U 0 вU Т. Если реакция экзотермическая, то часть нулевой энергии превращается в тепловую. Нулевая энергия полученных веществ оказывается меньшей, чем исходных, – происходит «выделение тепла». В эндотермических реакциях отмечается обратное явление: нулевая энергия увеличивается за счет уменьшения тепловой энергии – происходит «поглощение тепла».

В процессах, не связанных с изменением химического состава вещества, нулевая энергия не изменяется и остается постоянной. В этих условиях изменяется только внутренняя тепловая энергия. Это позволяет в различных расчетных уравнениях учитывать изменение лишь внутренней тепловой энергии, которую в дальнейшем будем называть просто внутренней энергией U. Если однородное тело массой m имеет внутреннюю энергию U,то внутренняя энергия 1 кг этого тела u=U/m.

Величину и называют удельной внутренней энергией и измеряют в Дж/кг.

Внешняя кинетическая энергия (Дж) представляет собой энергию поступательного движения тела как целого и выражается формулой

E к =mw 2 /2, где m – масса тела, кг; w – скорость движения, м/с.

Внешняя потенциальная энергия как энергия направленного действия статических полей может быть выражена через возможные работы каждого поля от заданного положения до каких-то нулевых. Так, потенциальная энергия гравитационного поля выражается как произведение силы тяжести mg этого тела на его высоту H над каким-либо нулем отсчета:

E = mgH.

Здесь высота H представляет собой соответствующую координату.

Энергия проталкивания Е п р представляет собой дополнительную энергию вещества, возникающую в системе за счет воздействия на него других частей системы, стремящихся вытолкнуть это вещество из занимаемого сосуда. Так, при течении газа (или пара) по трубе или какому-либо каналу в условиях сплошного потока каждый килограмм этого газа, кроме внутренней и внешних кинетической и потенциальных энергий, обладает еще дополнительной, переносимой на себе энергией проталкивания:

E пр . =p υ,

где p – удельное давление; υ – удельный объем (объем 1 кг массы вещества).

Для газов, паров и жидкостей, находящихся в потоке, величина p υ (или pV для m кг вещества) определяет неотъемлемую часть их

энергии. Поэтому для веществ, находящихся в сплошном потоке, определяющим параметром будет уже не внутренняя энергия U, а сумма U+pV=I, называемая энтальпией. Для 1 кг вещества i =u+ p υ, где i – в Дж/кг.

Такой же энергией i обладает и 1 кг газа, находящийся в цилиндре, при вытеснении его поршнем.

Полная энергия рассматриваемой системы, состоящей из 1 кг газа и действующего на него поршня, будет равна сумме внутренней энергии и газа и энергии p υ его выталкивания, т. е. равна его энтальпии. На этом основании энтальпию часто называют энергией расширенной системы.

Электроэнергетические системы и сети бакалавриат

Направленность

Электроэнергетические системы и сети

Подать заявку

Введите ваше имя

Введите ваш телефон

Введите ваш e-mail

Электроэнергетические системы — это совокупность всех звеньев цепочки получения, преобразования, распределения и использования всех видов энергии.

Электрические сети — это элементы электроэнергетической системы, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии. Они состоят из линий электропередачи, подстанций, распределительных и переключательных пунктов.

Выпускники по специальности «Электроэнергетические системы и сети» — конкурентоспособные специалисты в области производства электрической энергии и способов её доставки до потребителей. Вы получите знания в области конструкций, устройства и эксплуатации объектов электроэнергетических сетей и электростанций.

Проходной балл

Специальность	Предмет	Минимальный проходной балл по ЕГЭ
Электроэнергетические системы и сети	Русский язык Математика Физика/Информатика и ИКТ/Химия	36 27 36/40/36

 

Приобретаемые знания выпускниками:

• Организация производства и передачи распределения электроэнергии
• Проектирование новых электроэнергетических объектов и реконструкции существующих;
• Оперативное управление электроэнергетическими системами и сетями;
• Обслуживание и диагностика электрооборудования;
• Прогнозирование и контроль режимов работы электроэнергетических систем и сетей.

Вы сможете работать как

• Инженер-лаборант
  от 70 000 ₽
• Технический директор
  от 80 000 ₽
• Специалист по энергобезопасности
  от 90 000 ₽

Младшим научным сотрудником, инженером-лаборантом, инженером научно-исследовательских организаций в области «Электротехники», энергодиспетчером, инженером-проектировщиком, инженером-конструктором, инженером по согласованию проектов, инженером-энергетиком, специалистом по электроэнергии и энергетике, специалистом по энергобезопасности, руководителем проекта, техническим директором.

Выпускники работают в области производства, распределения и потребления электрической энергии для добычи, доставки и переработки нефти и газа; на предприятиях лёгкой и пищевой промышленности, в проектных, научно-исследовательских институтах, электромонтажных и пусконаладочных организациях, в сервисе, строительстве, в муниципальном хозяйстве.

В результате обучения Вы:

Сможете заниматься вопросами производства, передачи распределения электроэнергии.

Будете владеть знаниями в области сооружения новых электроэнергетических объектов и реконструкции существующих и их проектирование.

Сможете заниматься оперативным управлением электроэнергетическими системами и сетями.

Сможете заниматься обслуживанием и диагностикой электрооборудования.

Будете уметь прогнозировать и контролировать режимы работы электроэнергетических систем и сетей.

Стоимость обучения

Выберите направление обучения:

Экономические специальности

Технические специальности

Выберите базу для поступления:

На базе среднего общего образования и действующих результатов ЕГЭ

На базе начального профессионального образования,

среднего профессионального образования, высшего образования, при переводе

Восстановление

Заочная с применением ДОТ*

Поступить

Поступить

*Дистанционные образовательные технологии

Заочная с применением ДОТ*

Поступить

Цена действительна при оплате года обучения.

Поступить

*Дистанционные образовательные технологии

Учебный план (ключевые дисциплины)

Электроэнергетические системы и сети

Проектирование электроэнергетических систем и сетей. Расчёт их режимов: теория передачи электрической энергии переменным током, физика процессов, происходящих в электрических сетях и системах, способы моделирования элементов и электрической сети в целом, методы расчётов их эксплуатационных режимов

Проектирование систем электроснабжения

Методы расчёта нагрузок системы электроснабжения. Энергоэффективное электрооборудование при проектировании систем электроснабжения.

Энергосбережение и энергоэффективность

Применение типовых мероприятий, современных технологий и решений по повышению энергоэффективности систем электроэнергетики.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Нетрадиционные и альтернативные источники энергии в системах энергоснабжения. Системы преобразования солнечной радиации в электрическую и тепловую энергию. Использование энергии ветра, морских течений и теплового градиента температур для получения электрической энергии. Возможности применения биомассы и твердых бытовых отходов для производства электрической и тепловой энергии.

Системы учета и управления энергопотреблением

Принципы выбора оптимального способа энергосбережения, коммерческого учета электроэнергии и тепла. Основы законодательно-нормативной документации по энергосбережению.

Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения

Передача электрической энергии по магистральным протяженным линиям переменного тока сверхвысокого напряжения. Анализ режимных характеристик. Линии переменного тока как элементы сложной энергетической системы.

Современные технологии в проектировании электротехнических систем и комплексов

Современные технологии проектирования электроэнергетических объектов. Общие принципы и порядок проектирования электроэнергетических объектов. Системы автоматизирования проектирования. Проектно-сметная документация. Вопросы экспертизы проектной документации.

Как поступить

1

Отправьте заявку на консультацию о поступлении в Приёмную комиссию, нажав кнопку «Поступить»

2

Предоставьте

в приемную комиссию документы о текущем уровне образования

3

Узнайте возможные варианты и условия поступления

4

Оформите пакет документов и оплатите обучение

5

Получите документы о зачислении и студенческий билет

1

Отправьте заявку на консультацию о поступлении в Приёмную комиссию, нажав кнопку «Поступить»

2

Представьте в Приемную комиссию документы о текущем уровне образования

3

Узнайте о сокращении срока своего обучения

4

Оформите пакет документов и оплатите обучение

5

Получите документы о зачислении и студенческий билет

1

Отправьте заявку на консультацию о поступлении в Приёмную комиссию, нажав кнопку «Поступить»

2

Предоставьте

в приемную комиссию документы о текущем уровне образования и документ, подтверждающий гражданство другого государства

3

Узнайте преимущества поступления граждан других государств в российские вузы

4

Оформите пакет документов и оплатите обучение

5

Получите документы о зачислении и студенческий билет

Вас будут ждать:

государственные структуры

• главный специалист
• ведущий специалист
• специалист
• аудитор
• руководители и специалисты отделов администраций и министерства

предприятия электро- и теплоэнергетики, нефтегазовой промышленности, металлургии, транспорта и машиностроения

• диспетчер энергосистемы
• специалист по энергобезопасности
• защитник прав потребителей 
• электроэнергии
• инженер-электрик
• инженер-электротехник
• инженер-энергетик
• маркетолог энергетических рынков
• менеджер по модернизации систем энергогенерации
• разработчик систем энергопотребления
• проектировщик высоковольтных линий электропередач

электростанции различных типов, энергораспределяющие компании

• метеоэнергетик
• наладчик/контролер энергосетей для распределенной энергетики
• инженер-электротехник
• инженер-энергетик
• проектировщик высоковольтных линий электропередач

Подать заявку на обучение

Позвонить

Развитие технологий накопления электрической энергии



В этой статье рассмотрены различные виды энергии. Особое внимание уделено электрической, механической и химической энергии. Представлены основные методы хранения энергии каждого типа, а также преобразования одного вида в другой. Сравнивается производительность трех технических решений для хранения электрической энергии: маховик, суперконденсаторы и литий-ионные батареи. Если электричество станет энергоносителем будущего, необходимо будет иметь системы хранения, которые будут соответствовать параметрам сети и потребителей. При этом эти системы хранения должны отвечать требованиям по энергоээфективности и энергобезопасности.

Ключевые слова: энергия, хранение энергии, аккумуляторная батарея, суперконденсаторы, сверхпроводники

Электрическая энергия является энергетическим вектором. Это означает, что электричество можно производить, передавать и хранить. Физически электричество определяется перемещением электронов в проводнике. В силу динамической природы, его хранение затруднительно. Существует два пути хранения электрической энергии. Первым вариантом является применение некоторого технологического решения, позволяющего сохранить энергию в электростатическом или электродинамическом виде. Вторым путем является преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Единицей измерения энергии является или Джоуль, или Ватт час. Известно, что один Ватт час составляет 3600 Джоулей.

Различные классы энергии представлены на рисунке 1. Помимо электрической энергии существуют механическая, химическая, тепловая и лучистая энергия. Кроме этого, можно добавить шестой класс — ядерную энергию.

Описывая эти различные виды энергии и их компоненты, в данной работе описываются основные методы хранения энергии. Затем в статье рассмотрены принципы хранения электрической энергии. В заключении приведено сравнение эффективности различных видов хранения энергии и дан прогноз энергетического баланса завтрашнего дня.

Рис. 1. Классы энергий и виды перехода из одного типа в другой

1 Классы энергии

1. 1. Механическая энергия

Механическая энергия существует в двух формах — кинетическая и потенциальная. Все движущиеся объекты обладают кинетической энергией, пропорциональной массе объекта m и квадрату его скорости.

Любой неподвижный объект на Земле может прийти в движение, особенно из-за силы тяжести. Иными словами, он содержит потенциальную механическую энергию, пропорциональную массе m, ускорению свободного падения g (9,81 м/с² на поверхности Земли) и высоте h между его центром тяжести и расстоянием до поверхности Земли:

1.2. Химическая энергия

Химическая энергия — это энергия, проявляющаяся при химических реакциях. Она обеспечивает связь между атомами материала, состоящего из молекул. Так как химическая реакция разрушает эти связи, энергия высвобождается. Например, при горении, часть этой энергии переходит в тепло.

1.3. Тепловая энергия

Этот виды энергии обусловлен броуновским движением в веществе. Чем выше температура, чем больше пространства между атомами, тем дальше они могут передвигаться и тем большим запасом кинетической энергии они обладают. Эта тепловая энергия пропорциональна массе m, разности температур ΔT и коэффициенту С, зависящему от свойств материала. Этот коэффициент называется теплоемкость материала.

Таким образом, охлажденный объект (соответственно нагретый) будет терять (набирать) определенное количество тепловой энергии, значение которой дается уравнением (3).

1.4. Лучистая и ядерная энергия

Лучистая энергия включает в себя все формы энергии, передаваемой излучением. Если фотоны, переносящие эту энергию обладают длиной волны видимого спектра, то эта энергия называется видимым излучением. Для упрощения, энергия и длина волны связаны соотношением:

где h — это постоянная Планка, равная 6,626*10^–34 Дж/с.

Наконец, ядерная энергия представляет собой силу, содержащуюся в атомах. В случае деления атома или спонтанно (радиоактивные материалы) испускаются различные виды частиц (альфа-частицы, состоящие из двух нейтронов и двух протонов, бета-частиц, состоящих из электрона, гамма-излучения, испускаемые по длинам нанометровые и пикометрические волны).

2. Хранение электрической энергии, преобразованной в другие виды энергии

Поскольку существует множество видов энергии, которые могут храниться. Поэтому электрическую энергию возможно хранить в преобразованном виде. На рисунке 1 описаны основные технические решения для преобразования энергии из одной формы в другую. В этой статье рассмотрено только хранение энергии в электрических, механических и химических формах.

2.1. Механическая энергия

С помощью электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Одной из самых древних систем накопления энергии в механической форме, еще со времен Античной Греции, является маховик.

Маховик представляет собой вращающуюся массу, которая приводится в движение электродвигателем или вручную. Его кинетическая энергия определяется как функция массы, ее угловой скорости ω и момента инерции J:

Когда источник энергии отключается, маховик продолжает вращение по инерции. Если к маховику подводится электрическая энергия, то он возвращает ее обратно в сеть в силу обратимости электродвигателя. Самые маленькие маховики позволяют накапливать несколько киловатт часов, тогда как самые большие маховики накапливают сотни мегаватт часов [1].

Кроме этого, существует второй способ хранения механической энергии — в потенциальной форме. Такой метод используется в гидроаккумулирующих электростанциях [2]. В частности, необходимо наличие двух резервуаров с водой, располагающихся на различной высоте H. Для того чтобы запасать электрическую энергию воды, из резервуара 1, находящегося на меньшей высоте, закачивается воду с помощью насосов в другой резервуар 2. Для высвобождения энергии этот запас воды сбрасывается в резервуар 1, при этом проходя через турбину, генерирующую электрическую энергию за счет сброса воды. Мощность, вырабатываемая в Ваттах пропорциональная напору воды H, расхода воды Q и коэффициенту полезного действия турбины (0,93–0,96 %):

Этот метод иногда используется для накопления избыточной энергии тепловых или атомных электростанций. Другие решения включают в себя хранение сжатого воздуха в естественных полостях или старых шахтах, как в Хунторфе в Германии, который имеет емкость 290 МВт. Это хранилище сжатого воздуха (CAES) работает с конца 1970-х годов [3].

2.2. Химическая энергия

Хранение энергии в химической форме является наиболее естественным способом хранения на Земле. В зависимости от массовой плотности энергии — количества энергии, накопленной на единицу массы, химическое соединение может содержать более или менее эквивалентную энергию для той же массы. Ископаемые виды топлива имеют очень высокие массовые энергии, что объясняет их нынешнее господство. Например, массовая энергия бензина составляет 13,13 кВтч/кг. Водород можно использовать не только в качестве топлива вместо бензина, но также и в топливных элементах. Наиболее эффективными для этого являются углеводородные виды топлива. Сжатый при 700 бар, водород имеет плотность энергии 36,79 кВтч/кг, в то время как древесина составляет всего 4,5 кВтч / кг.

Для того чтобы преобразовать химическую энергию в другую, более легко используемую форму, самым простым решением является сжигание материала для получения энергии в тепловой форме. Затем эта тепловая энергия может быть преобразована в другой вид энергии, а затем в электрическую энергию. Химическая энергия также может быть преобразована в электрическую энергию непосредственно, когда хранение выполняется электрохимически в батареях или аккумуляторах.

3. Прямое хранение электрической энергии

Чаще всего электрическая энергия преобразуется в химическую энергию для хранения. Однако она может быть запасена в своей первоначальной форме в потенциальном или кинетическом виде.

3.1. Электрохимическая форма

Электрохимический накопитель предусматривает накопление положительных и отрицательных электрических зарядов посредством химической реакции (окисление и восстановление). В упрощенной форме в химии окисление представляет собой потерю электрона в атоме. Эта форма хранение применяется в аккумуляторах, формирующих аккумуляторные батареи. Это объясняется тем, что величины напряжения и тока единичного аккумулятора могут не отвечать требованиям специфики потребителя, который будет получать накопленную электрическую энергию. В аккумуляторе или ячейке электрические заряды накапливаются на обкладках двух электродов, которые разделены электролитом, как показано на рисунке 2. Мембрана служит для того, чтобы предотвратить перемещение ионов с одного электрода на другой, при этом пропуская беспрепятственно электроны.

Рис. 2. Процесс разряда батареи

На рисунке 2, иллюстрирующем процесс разряда батареи, медный электрод собирает положительные заряды — ионы Cu +. Когда внешняя нагрузка потребляет ток, аккумулятор разряжается. Это приводит к уменьшению числа ионов Cu + за счет восстановления, окислению другого электрода, происходящему из-за возникновения ионов Zn + на этом электроде из цинка. Батарея будет полностью разряжена, если в ней больше не останется ионов Cu +.

Работа аккумулятора основана на том же принце. Однако, разряжаясь (извлечение энергии, содержащейся в нем в электрохимической форме) аккумулятор также может быть перезаряжен подачей внешнего тока. Поэтому химические реакции должны быть обратимыми. Это достигается путем выбора материалов электродов. Сочетание этих материалов дает конкретную разность потенциалов для каждого типа аккумулятора — напряжение холостого хода (U_xx).

Существует три основных типа аккумуляторов: свинцовый, щелочной или литий-ионный. Для свинцового аккумулятора напряжение холостого хода U_xx составляет 2.1 В. Это обусловлено электродами аккумулятора данного типа — оксид свинца (IV) для отрицательного электрода PbO₂ и Pb свинец или Pb3O₄ для положительного электрода. Электролитом является серная кислота H₂SO₄. Щелочные батареи реализованы из никеля или кадмия, или из комбинации редкоземельных металлов и металлов переходной группы. Из этих металлов выполнены электроды. В качестве электролита выступает гидроксид калия (KOH). Напряжение холостого хода U_xx для данного типа составляет 1.2 В. Наконец, литий-ионные батареи используют ионы лития для переноса зарядов от одного электрода к другому. В данном типе аккумуляторов отрицательный электрод выполнен из графита, положительный электрод и электролит могут быть разной природы. Согласно положительному электроду, напряжение холостого хода U_xx варьируется от 3.2 до 3.8 В.

3.2. Электростатическая форма

Существует возможность напрямую хранить электрическую энергию за счет положительных и отрицательных электрических зарядов, не прибегая к химической реакции. Этот принцип реализован в суперконденсаторах.

Суперконденсатор представляет собой специфический технологический конденсатор, который может обладать емкостью в несколько тысяч Фарад в объеме, сравнимом с аккумулятором. Он состоит из двух электродов, разделенных электролитом. Электроды изготовлены из проводящего полимера, оксида металла или активированного угля. В отличие от обычного конденсатора, электролит суперконденсатора имеет проводящий и недиэлектрический характер, причем изоляционная функция возникает на границе раздела электролита-электрода. Активированный уголь обладает свойством адсорбции — увеличение концентрации молекул вещества у поверхности раздела двух фаз вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз. Поэтому достаточно приложить энергию слабой величины, разрушающую эти связи, и, таким образом, освободить накопленную энергию.

3.3. Электродинамическая форма

Наконец, существует возможность накапливать электрическую энергию в кинетической форме с помощью применения технологии хранения энергии в магнитном поле сверхпроводников (проводники в которых отсутствуют электрические потери). Суть метода заключается в протекании постоянного тока через катушку, выполненную из сверхпроводящего провода, которая охлаждена до критической температуры. Затем производится режим короткого замыкания. Это приводит к тому, что закрытая сама по себе магнитная цепь становится источником постоянного магнитного потока. Критическая температура — это такая температура, при которой сверхпроводник имеет нулевое удельное сопротивление. Только сверхпроводники, критическая температура которых близка к температуре окружающей среды, могут быть использованы в данном методе. Например, диборид магния MbB₂ становится сверхпроводящим ниже -39 ° К (-234 ° C). Однако эта технология должна в первую очередь рассматриваться как источник импульсного тока, а не для массового хранения электрической энергии.

4. Применение

Плотность энергии батарей в настоящее время невысока: порядка 35 Втч / кг для свинцовых аккумуляторов и до 250 Втч / кг для литий-ионных. Текущие исследования направлены на повышение эффективности этих систем хранения, поскольку, по сравнению с ископаемым топливом, они имеют неоспоримое преимущество обратимости. Действительно, когда литр бензина или дизельного топлива сжигается, для перемещения автомобиля примерно на 15 километров, обратный процесс невозможен — бензобак не заполнится. Когда потребляется киловатт-час электрической энергии от батареи, можно перезарядить батарею, изменив направление электрического тока.

4.1. Сравнение основных характеристик

Классическим методом представления и сравнения характеристик различных режимов хранения энергии в зависимости от их плотности энергии и плотности мощности является диаграмма Рагона [4]. Согласно этому методу при одинаковой мощности маховики имеют в среднем плотность энергии в четыре раза выше, аккумуляторы в сорок и углеводороды в восемьсот раз выше, чем у суперконденсаторов. Это отчасти объясняет, почему сегодня производители приступили к технологическому прорыву и замене бензина электрохимическими батареями в качестве источника энергии транспортных средств.

Также возможно сравнить альтернативные методы хранения энергии. На рисунке 3 сравниваются механический режим (маховик), электрохимический режим (литий-ионный аккумулятор) и электростатический режим (суперконденсатор) [5].

Для каждого вида максимальная производительность изображена выделенной сплошной линией, минимальная — пунктирной линией. Значение 1 объясняется лучшей производительностью. Цикличность соответствует количеству циклов перезарядки разряда, которые может обеспечить устройство хранения. Суперконденсатор можно использовать до миллиона раз, маховик может поддерживать более 100 000 циклов, в то время как батарея может выдерживать только несколько тысяч циклов [6]. Ожидаемая продолжительность жизни также учитывает так называемое «старение» (естественное старение, происходящее даже в состоянии покоя). Для аккумуляторов оно составляет порядка 5 лет, в три-четыре раза меньше, чем в двух других методов. Саморазряд позволяет определить потери. Батарея теряет менее 3 % заряда в месяц, конденсатор может потерять до трети своего заряда в день, а маховик остановится через несколько часов из-за трения. Маховик может работать при более высоких температурах, в то время как батареи и суперконденсаторы не применяются при температуре выше шестидесяти градусов по Цельсию. В целом общая энергетическая эффективность зависит в основном от того, как устройство перезаряжается. Во всех случаях она составляет выше 90 %.

Рис. 3. Сравнение параметров методов хранения энергии

Таким образом, маховик подходит только для кратковременного хранения энергии. Это, может быть случай для трамваев или троллейбусов, штанги которых отсоединены от контактных воздушных линий, когда транспортное средство проезжает перекресток. Суперконденсатор возможно использовать дольше и чаще, чем батареи. Однако батареи являются наиболее эффективными для хранения электрической энергии в течение длительного времени.

4.2. Аккумулирование электроэнергии

Сегодня стационарные аккумуляторы применяются как встроенные источники питания: в электромобилях и во всевозможные мобильных электронных устройствах (телефоны, смартфоны, ноутбуки и др.). При этом развитие таких систем хранения электрической энергии продолжится по двум причинам. Во-первых, производство электроэнергии движется в направлении большей децентрализации, а именно применению микро энергетических систем — автономных электрических сетей, объединяющих несколько локальных потребителей и источников энергии. Такие сети возможно использовать для производства, хранения и потребления электроэнергии в труднодоступных географических зонах и в зонах, в которых подключение к сети труднореализуемого [7]. Это приведет к повышенному спросу систем хранения электроэнергии. Во-вторых, чтобы лучше управлять сетями и микросетями, внедрение систем хранения данных может минимизировать или даже устранить пики ежедневного потребления [8]. Кроме этого, ожидается, что доля электрической энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии (солнечная энергия, ветер…), с каждым годом будет возрастать. Однако пики производства электроэнергии солнечными электростанциями не соответствуют пикам потребления, которые соответствуют вечернему времени. Таким образом, необходимо хранить избытки выработанной электроэнергии в течение дня, для того чтобы потреблять ее ночью и вечером.

4.3. Взлет электрической энергии

В настоящее время принято считать, что образ жизни человечества в глобальном формате не может продолжаться устойчиво. В целях сохранения окружающей среды крайне важно сократить выбросы CO₂в атмосферу, которые способствует увеличению парникового эффекта, путем резервирования в долгосрочной перспективе использования ископаемого топлива для других целей.

Для этого необходимо воспользоваться всеми потенциальными энергиями, которые находятся в пределах нашей досягаемости, свободными, универсальными, экологически чистыми и возобновляемыми: солнечной энергией, ветром, приливным потоком, приливами, геотермальной энергией и др. Генерируемая такими источниками энергия в виде постоянного тока (DC), а не AC (AC). Проект Super-grid нацелен на изучение того, как энергосистема может в более или менее короткие сроки переключиться на DC, разрешив все технические проблемы, связанные с использованием DC [9]. В качестве примера, появление больших токов короткого замыкания происходит гораздо быстрее в сети DC, чем в AC [10], важно определить их внешний вид и отключить потребителей от сети до того, как авария распространится по всей сети.

Использование электричества в качестве основного вектора энергии не возможно, если электричество, о котором идет речь, не производится без использования углеводородного топливо. Было бы не разумно производить электрическую энергию из углеводорода для того, чтобы зарядить батареи электромобиля. Не говоря уже о потерях при переходе из одного режима энергии в другой. Действительно, поскольку энергия является так называемой глобальной величиной (в отличие от так называемых локальных величин, таких как электрический потенциал или температура, например, которые существуют только в локальном контексте), она остается инвариантной. Это означает, что количество исходной электрической энергии E₁ будет преобразовано в количество запасенной энергии E₂, сопровождающееся потерями, чаще всего эффектом Джоуля, количества E₃:

Таким же образом, если потребителю поставляется некоторое количество электрической энергии E₄, последний фактически будет использовать только количество энергии E₅, так как часть E₆ подаваемой энергии будет потеряна.

Ограничивая преобразования между энергетическими формами, потери уменьшаются. Поэтому, поскольку энергия будет потребляться в будущем в основном в виде электричества, представляется целесообразным производить ее также в ее электрической форме.

5. Заключение

В ближайшем будущем для аккумулирования электроэнергии электрическим операторам придется прибегать к банку хранилищ, содержащему устройства различной природы, чтобы использовать преимущества каждого отдельного решения. Действительно, если накопитель энергии в магнитном поле со сверхпроводниками может быть эффективным в связи с его очень низкими потерями и быстродействию. Другие решения, не представленные здесь, такие как единичные накопители большой мощности, установленные в непосредственной близости с потребителем. В дополнение к существующим гидроаккумулирующим электростанциям [11] необходимо разработать олеопневматические хранилища. Наконец, на объектах, где источниками электроэнергии служат возобновляемые ресурсы, целесообразно применять аккумуляторы для дальнейшего распределения энергии в сеть [12].

Таким образом, предполагается, что энергетический микс в будущем будет состоять в основном из источников, не содержащих углерода, возобновляемых источников, регулируемых системами хранения как на производственных площадях, так и в местах потребления.

Литература:

1. M. Farhadi and O. Mohammed, Energy storage technologies for high-power applications, IEEE Transactions on Industry Applications, 52 pp. 1953–1961 (2016).
2. K. H. Tseng, C. K. Shum, J. W. Kim, X. Wang, K. Zhu and X. Cheng, Integrating landsat imageries and digital elevation models to infer water level change in hoover dam, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, (2016).
3. Zschocke, Compressed Air Energy Storage, one promising technology in the future energy storage business, E.ON Innovation Center Energy Storage, IPHE Workshop, Sevilla (2012).
4. Lièvre, Développement d’un système de gestion de batterie lithium-ion à destination de véhicules mild-hybrid, détermination des indicateurs d’état SoC, SoH, SoF, Université Claude Bernard de Lyon 1, 2015, French.
5. L. Lu, X. Han, J. Li, J. Hua and M. Ouyang, A review on the key issues for lithium-ion battery man-agement in electric vehicles, Journal of Power Sources (2013).
6. C.Savard, PhD Thesis, Amélioration de la disponibilité opérationnelle des systèmes de stockage de l’énergie électrique multicellulaires, INSA de Lyon, Université de Lyon 1, november 2017, French.
7. S. Ci, N. Lin and D. Wu, Reconfigurable battery techniques and systems: a survey, IEEE Access, 4, pp. 1175–1189 (2016).
8. S. Whittingam, History, evolution and future status of energy storage, Proceedings of the IEEE, 100, pp. 1518–1534 (2012).
9. M. Laly, E. Cheriyan and A. Mathew, Soft computing optimization based optimal operation of po-wergrid with renewable energy sources and storage systems, 2016 IEEE International Conference on In-dustrial Technology (ICIT), Taipei, pp. 564–569, 2016.
10. W. Leon-Garcia, P.Tixador and B. Raison, Full-selective protection strategy for MTDC grids based on R-type superconducting FCLs and mechanical DC circuit breakers, RGP 2016, London.
11. Silver, 4 new ways to store renewable energy with water, IEEE Spectrum, p.11 (2017).
12. T. Thang, A. Ahmed, C. Kin and J. Park, Flexible system architecture of stand-alone pv power generation with energy storage device, IEEE Transactions on Energy Conversion, 30, pp. 1386–1396 (2015).

Основные термины (генерируются автоматически): электрическая энергия, химическая энергия, батарея, система хранения, энергия, аккумулятор, вид энергии, механическая энергия, тепловая энергия, холостой ход.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

2.1. Оценка энергетических процессов в электрических цепях с постоянным и с синусоидальным током

Для оценки энергетических процессов в электрических цепях применяются общепринятые понятия электротехники. Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов, которые являются носителями электрического тока. Электроны, положительные и отрицательные ионы внутри проводника создают ток проводимости, а противодействие проводника упорядоченному движению зарядов называется электрическим сопротивлением. Замкнутая электрическая цепь, в которой возможен ток, содержит источник энергии и элементы внешней электрической цепи. Работа сторонних сил, по перемещению положительных зарядов в источнике электрической энергии от вывода с низким потенциалом к выводу источника энергии с высоким потенциалом, называется электродвижущей силой (ЭДС). Положительные заряды через элементы внешней электрической цепи (провода, коммутационные аппараты, измерительные приборы и приемники электрической энергии) перемещаются под действием электростатических сил в электрической цепи от вывода источника энергии высокого потенциала к выводу источника энергии низкого потенциала. Работа сторонних сил в источнике энергии расходуется на работу тока в электрической цепи, а его величина пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению всех элементов замкнутого контура. Напряжение между двумя точками в электрической цепи возникает, если совершается работа по перемещению электрических зарядов из одной точки в другую.

Электрические величины характеризуются мгновенным, средним и действующим значениями ЭДС, напряжения и тока, а заводами изготавливаются измерительные приборы для количественной и качественной оценки. Мгновенные значения электрических величин записываются в виде аналитических выражений e(t), u(t), i(t) или изображаются графически линиями, которые являются геометрическим местом точек электрической величины в моменты времени t. На экране электронного осциллографа линия мгновенных значений электрических величин в функции времени вычерчивается электронным лучом. На экране осциллоскопа мгновенные значения электрических величин отмечаются точками пропорционально сигналам с датчиков или с вычислительных блоков аналитического формирования электрического сигнала в функции времени t.

Средние значения электрических величин E₀, U₀, I₀ рассчитываются или измеряются на интервале времени Т, например

(2. 1)

Устройством и принципом действия приборов для измерения средних значений E₀, U₀, I₀ обеспечивается реализация аналитической зависимости (2.1), а на шкале приборов или на переключателе мультиметра указывается условное обозначение «–» в виде прямой линии. Средние значения электрических величин соответствуют постоянной составляющей ряда Фурье.

Действующие значения электрических величин E, U, I рассчитываются или измеряются на интервале времени Т, например

(2.2)

Устройством и принципом действия приборов для измерения действующих значений E, U, I обеспечивается реализация аналитической зависимости (2.2), а на шкале приборов или на переключателе мультиметра указывается условное обозначение «~» в виде волнообразной линии. Действующее значение электрических величин в математике принято называть среднеквадратичной величиной функции за время Т.

Если ток не меняется во времени и одинаковый во всех сечениях проводника, то такой ток принято называть постоянным или стационарным током. Мгновенные значения постоянного тока находятся на прямой линии, параллельной оси времени. Расстояние от оси времени до прямой линии мгновенных значений умноженное на масштаб тока является средним и действующим значением электрической величины.

В электротехнике широко применяются периодические величины, которые изменяются во времени по величине и по направлению, которые принято называть переменными величинами. Широко применяются на практике переменные электрические величины, изменения которых повторяются через равные промежутки времени Т, называемые периодом.

Рис.2.1. Переменные периодические электрические величины

Источники энергии переменного тока генерируют ЭДС, которая изменяется по синусоидальному закону. С помощью полупроводниковых преобразователей формируются прямоугольные, прямоугольно-ступенчатые формы переменного напряжения. Широтно-импульсной модуляцией формируется огибающая прямоугольного напряжения, которая приближается к синусоидальной форме переменного напряжения. Переменные электрические величины характеризуются амплитудой E_m, U_m, I_m – максимальной величиной мгновенного значения переменных электрических величин. Циклическая частота периодических функций f = 1/T позволяет рассчитать их угловую частоту ω = 2πf, которая применяется для аналитического выражения периодической величины.

(2.3)

С помощью начальной фазы ψ (2.3), которая является составляющей аргумента синуса ωt + ψ – фазы, можно задать мгновенное значение синусоидальной функции при t= 0.

Способность тока нагревать проводник, по которому он протекает, позволяет использовать это свойство для характеристики переменного тока с любой формой кривой мгновенных значений. Действующее значение переменного тока численно равно постоянному току, если при прохождении переменного тока и постоянного тока за одно и то же время Т в проводнике выделяется одинаковое количество тепловой энергии.

Кривые мгновенных значений переменных периодических электрических величин обычно симметричны относительно оси времени за период повторения. Действующим значением несинусоидальных электрических величин учитываются действующие значения спектра нечетных гармонических составляющих ряда Фурье.

На практике получили широкое применение электрические цепи, в которых электрический ток имеет постоянное направление и изменяется по величине.

Рис.2.2. Пульсирующие периодические электрические величины

Такие цепи, контуры и устройства называют электрическими цепями, контурами и устройствами с импульсными, пульсирующими токами. В электротехнике изменения во времени пульсирующих величин повторяются через равные промежутки времени Т. Для анализа электрических величин применяется принцип суперпозиции. Пульсирующие периодические электрические величины аналитически выражают составляющими ряда Фурье, состоящего из постоянной и спектра синусоидальных гармонических функций с различными амплитудами, частотами и начальными фазами.

Оценку энергетического процесса можно получить в электрической цепи синусоидального тока с активно-индуктивным сопротивлением.

Рис. 2.3. Схема участка электрической цепи с элементами R и L.

К участку электрической цепи (рис. 2.3) прикладывается синусоидальное напряжение

(2.4)

Под действием напряжения (2.4) в электрической цепи протекает ток

(2.5)

Умножением выражения (2.4) на (2.5) можно получить значения мгновенной мощности

(2.6)

В электрической цепи (рис. 2.3), если мгновенные значения напряжения и тока на интервале времени одновременно положительные или отрицательные, то мгновенная мощность s(t) положительна (рис. 2. 4). В это время электрическая энергия необратимо преобразуется в иной вид энергии и накапливается в реактивном элементе в виде энергии магнитного поля. На интервале времени, когда u(t) и i(t) имеют разные знаки, мгновенная мощность имеет отрицательный знак (рис. 2.4), а энергия магнитного поля преобразуется в электрическую энергию и возвращается к источнику.

Рис. 2.4. Временные диаграммы мгновенных значений u, i, s в электрической цепи с элементами R и L

Постоянную составляющую в выражении (2.6), среднее значение мгновенной мощности за период Т на рисунке 2.4. принято называть активной мощностью Р. Активная мощность характеризует ту часть электрической энергии, которая передается от источника к приемнику и необратимо преобразована в другой вид энергии

(2.7)

где U, I – соответственно действующее значение напряжения, тока;

φ – угол сдвига по фазе мгновенных значений тока относительно мгновенных значений напряжения.

Преобразование электрической энергии в иной вид энергии и процесс энергообмена в электрической цепи выполняются за счет работы сторонних сил источника энергии. Сокращается время работы сторонних сил (рис. 2.4) источника энергии для преобразования электрической энергии в иной вид энергии на время φ за период мгновенной мощности и снижается энергетическая эффективность системы в целом.

Произведение действующих значений напряжения и тока (2.6, 2.7), то есть амплитуду колебаний мгновенной мощности s(t) на рисунке 2.4 относительно средней мощности Р, в электротехнике принято называть полной мощностью S

(2.8)

Полной мощностью характеризуется вся электрическая энергия в электрической цепи.

Частота переменной составляющей мгновенной мощности в выражении (2.6) в два раза выше частоты напряжения и тока, а ее положительные и отрицательные значения свидетельствуют о процессах обмена энергией в электрической цепи между источником и приемником электрической энергии. Левую и правую части выражения (2.8) возведем в квадрат и умножим на cos²φ + sin²φ= 1, тогда

(2. 9)

Или

(2.10)

где Q = U·I·sinφ – реактивная мощность, применяется для характеристики электрической энергии, которая расходуется на энергообмен в электрической цепи.

Если работа сторонних сил в источнике энергии, направленная на генерирование, передачу энергии и на выполнение работы в приемнике электрической энергии выполняется при минимально необходимом для этого токе, то потери энергии в системе минимальны. Таким образом, условие обеспечения минимального тока в электрической цепи и высокой эффективности энергетических процессов в системе выполняется, если электрическая энергия источника постоянно преобразуется в иной вид энергии, то есть когда φ = 0, а S = P.

Для оценки эффективности преобразования электрической энергии в иной вид энергии в электрических цепях синусоидального тока применяется коэффициент мощности

(2.11)

Для электрических цепей переменного несинусоидального напряжения и тока, для электрических цепей с пульсирующими напряжениями и токами равенство (2. 10) не выполняется.

В электрических цепях с полупроводниковыми приборами время работы сторонних сил источников энергии для преобразования электрической энергии в иной вид энергии может сокращаться не только из-за времени работы сторонних сил источников на энергообмен, но и по другим причинам, поэтому .

пред. стр.

след. стр.

2.Электрическая энергия как форма проявления материи

1.Области применения электротехники.

Электротехника есть область техники, которая базируется на физике, как научно-технической основе.

Электротехтка служит человечеству для изменения окр.среды,с целью удовлетворения его потребностей.Особое значение имеет производство электроэнергии и её преобразование в др.виды энергии.

Электротехника силовых целей

Включает в себя:

-получение электроэнергии их других видов энергии

-передачу электроэнергии

-распределение электроэнергии

-проебразование электроэнергии в другие виды энергии

-накопление электроэнегрии

Служит для снабжения электроэнегрией необходимых объектов в установленные сроки

Промышленная электроника

Вкл. в себя:

-генерирование электр.сигналов

-передачу эл-ких сигналов

-обработку эл.сигналов

Служит для обмена информацией в определенные сроки через любые расстояния

Области применения электротехники:

Материя-единство независимых от человека (его мыслей и желаний) объективно существующих вещей явлений

Материя имеет бесконечно большое число форм проявлений как,например:

-твёрдые,жидкие,газообразыне вещества

-молекулы,атомы,элементарные частицы

-силовые поля

-энегрия

-свет

Энергия есть способность физических систем совершать работу. Энергия представляет собой форму проявления материи; характеризует ее состояние.

Потенциальная энергия(Wn): есть способность тел, находящихся в определенном положении или под напряжением совершать работу. Wn=F*S , F –sila, S-dlina puti

Кинетическая энергия. Тело обладает кин. Энергией Wk при своем движении

Wk=m*V^2/2, m-масса тела, V-скорость тела

Энергия состояния. В замкнутой системе общая сумма энергий отдельных элементов есть величина постоянная

Превращение энергии. Энергия не может ни появиться, ни исчезнуть, происходят лишь превращения одних форм энергии в другую.

Формы проявлении энергии: 1)электр.энергия 2)электромагнитная 3)механическая 4)тепловая 5)световая 6)атомная

Формы электроэнергии в электротехнике:

Основными являются:

• Энергия неподвижных эл. Зарядов

• Энергия движущихся эл. Зарядов

• Электромагнитная энергия

3. Проводники, полупроводники, диэлектрики

в проводниках число свободных электронов велико, в полупр.-мало , в диэл-ничтожно

Электронные проводники(проводники 1-ого класса):

Носителями заряда в проводнках явл. Свободно движущиеся электроны, которые отрываются от атомов.Эти электроны как бы «кипят» в зигзагообразном движении между положительными ионами кристаллических решеток, т. е как и молекулы газов, находятся в хаотичном движении. Они образуют так называемый электронный газ

К электронным проводникам относят:

• Все металлы

• Сплавы металлов

Ионные проводники(проводники 2-ого класса):

Носителями зарядов в ионных проводниках явл. Положит. Ионы(катионы) и отрицат. Заряды(анионы)

К Ионным проводникам относят:

• Электролиты

• Ионизированные газы

При движении ионов происходит перенос в-ва

Сверхпроводимость

У многих металлов,сплавов неметаллических соединений электрическая проводимость возрастает скачкообразно до очень высоких значений при температурах , близких к абсолютному нулю. Это явление носит название сверхпроводимости, и оно используется для передачи энергии.

Диэлектрики

Не содержат или же содержат крайне мало свободных носителей заряда.

Важнейшими диэлектриками являются:

• Вакуум и газы при определенных условиях

• Масла, жиры, бензин

• Слюда, кварц, мрамор

Полупроводники

Носителями заряда в полупроводниках явл. Электроны и дырки. По числу свободных электронов полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Важнейшими полупроводниками являются:

• Германий

• Соединения индия

• Соединения галлия

4.Ток и плотность тока, действие электрического тока.

Действие тока

Движущиеся в определенном направлении кол-во эл-ких зарядов называются током.

Он вызывает электрические явления в проводниках.Носителями движущихся зарядов могут быть электроны или ионы.

В полупроводниковых материалах носителями электрического заряда являются также дырки.

Электрический ток есть единство всех движущихся через проводник в одном направлении зарядов. Ход силовых линий, траектории движущихся зарядов.

Численное значение тока равно количеству заряда ΔQ, проходящего в промежуток времени Δt. I= ΔQ/ Δt

Кол-во электричества, которое проходит в течении 1 сек. , при неизменном токе 1А через поперечное сечение проводника, называется кулоном.

Положительное направление тока совпадает с направлением движения носителя положительного заряда.

Электрический ток представляет собой:

• Пространственную форму проявления материи

• Причинную величину различных электрических явлений в проводнике

• Наблюдаемую только в своих направлениях физическую величину

• Связано с нагревом проводника

• Перемещение вещества в ионных проводниках

• Явление, сопровождаемое возникновением магнитного поля

Плотность тока:

Определяет отношение приращения тока ΔI к определенному проницаемому током поперечному сечению ΔS. J= ΔI/ΔS

Плотность тока есть величина, характеризующая пространственное расположение силовых линий поля.

Если ток распределяется равномерно по сечению, то: J =I/S

Действие электрического тока:

1. Тепловое.

При движении через проводник носители заряда сталкиваются с атомами металлических решеток и при этом передают им часть своей кинетической энергии.

2. Магнитное действие.

Движущиеся электрические заряды создают в окружающей среде магнитное поле.

3. Химическое действие.

С помощью электрического тока могут быть реализованы различные химические реакции.

4. Световое действие.

При поглощении энергии, энергия поля молекулы или ионы способны выделять световую энергию в виде электромагнитных излучений. Различают тепловые, люминесцентные.

Правила оказания первой помощи пострадавшему от электрического тока

Вы смотрите информацию
для

Все филиалыАрхангельская областьВологодская областьМурманская областьНовгородская областьПсковская областьРеспублика КарелияРеспублика Коми

Расширенный поиск

При оказании первой помощи пострадавшему от электрического тока дорога каждая секунда. Чем больше времени человек находится под действием тока, тем меньше шансов на его спасение.

 

• 1.    Признаки поражения электрическим током: судороги, неожиданное падение человека на улице.

  2.    Прежде чем приблизиться к пострадавшему, проверьте на расстоянии 8 м. от пострадавшего наличие оборванного или провисшего провода,  касающегося земли, строений, деревьев, забора.  Поражение электрическим током со стороны может быть принято за обморок или сердечный приступ.

  Во время наводнения 2012 г. в Геленджике пятеро человек погибло от поражения электрическим током. Мужчина переходил глубокую лужу рядом с трансформаторной будкой, его ударило током и он скончался на месте. На помощь поспешили две женщины и мужчина. Как только они приблизились к трупу, их тоже поразил сильный электрический разряд. Увидев это, еще один мужчина решил помочь пострадавшим, которые были уже мертвы, и также получил смертельную электротравму.

  3.    Если у Вас есть подозрения, что травма прохожего может иметь электрическую природу, не приближайтесь к пострадавшему. Известны случаи, когда неравнодушные люди погибали при попытке приблизиться к пораженному электрическим током.
  Оказывать первую помощь пострадавшему вблизи оборванного провода можно только после отключения питания высоковольтной линии электропередачи.

  4.    Немедленно сообщите о несчастном случае по телефону службы спасения 112, вызовите скорую помощь по телефону 03.

  5.    Предупредите прохожих об опасности:

  • Организуйте охрану места повреждения;
  • Обращайтесь к прохожим с предупреждением;

•  

  Признаки поражения электрическим током:  судороги, падение, невозможность отпустить источник напряжения (провод, ручка или иная деталь электроприбора). Если человек взялся за находящуюся под напряжением часть оборудования, он может попасть под неотпускающий ток — электрический ток, вызывающий непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, в которой зажат проводник. Пострадавший не может разжать руку, в которой зажата токоведущая часть, и оказывается как бы прикованным к ней.

  1.    Человека, попавшего под напряжение, надо немедленно освободить от действия электрического тока —  обесточить квартиру (отключить автоматический выключатель, рубильник и т.п.)

  2.    Если быстро  обесточить помещение невозможно:

  • Принять меры предосторожности: надеть резиновые перчатки или обернуть свои руки сухой материей, надеть резиновые сапоги или положить себе под ноги сухие доски, стопку книг, резиновый коврик, в крайнем случае, свернутую сухую одежду.
  • Оттянуть пострадавшего от провода или же отбросить сухой палкой оборвавшийся конец провода от пострадавшего.   Оттягивать пострадавшего от провода рекомендуется за концы одежды одной рукой, вторую руку при этом держать за спиной, чтобы не допустить замыкания электрической цепи спасателем. К открытым частям тела прикасаться запрещается.
  • Взять в руки деревянный (без металлических деталей!) стул и ударить пострадавшего так, чтобы оторвать его руки от источника напряжения либо кинуть  в него стулом. Данный способ травмоопасен, но в критической ситуации, когда спасатель не может обезопасить себя, может спасти человеку жизнь.

•  

  Первую медицинскую помощь можно оказывать ТОЛЬКО когда пострадавший освобожден от действия электрического тока.

  1.    Проверьте пульс, положив два пальца на сонную артерию. Для спасения жизни дорога каждая секунда: не тратьте время на проверку реакции зрачков на свет или поиск зеркала для проверки дыхания.

  А) Если пульса нет, пострадавший находится в состоянии клинической смерти.  Длительность клинической смерти определяется временем с момента прекращения сердечной деятельности и дыхания до начала гибели клеток коры головного мозга; в большинстве случаев это 4—6 мин. Если в этот период оказать реанимационные мероприятия: непрямой массаж сердца и искусственное дыхание,  можно сохранить человеку жизнь.  Даже если время упущено, не прекращайте попыток реанимации до приезда скорой помощи.\

   

  Б) Если пульс присутствует, но дыхания нет, необходимо очистить носоглотку и провести искусственное дыхание.

  2.   Попросите находящихся рядом вызвать скорую помощь. Оператору необходимо сообщить:

  • Контакты звонящего, адрес, где произошел несчастный случай.
  • Характер несчастного случая (электротравма), его серьезность (отсутствие пульса и/или дыхания, обморок).
  • Количество, возраст и пол пострадавших.
  • Спросить номер наряда скорой помощи.

  • 3.1. Положите пострадавшего на жесткую поверхность спиной;

    
    3.2. Расстегните или снимите стесняющую тело одежду: галстук, рубашку, бюстгалтер;

    
    3.3. Поднимите ноги на 25–30 сантиметров – положите под ноги сумку или свернутую одежду (если есть возможность)

    
    3.4. Максимально запрокиньте голову пострадавшего назад, освободите полость рта от рвотных масс, слизи двумя согнутыми пальцами, обмотанными платком  Если запал язык – положить его в нормальное положение.

  • Непрямой массаж сердца поможет наладить в организме кровообращение и тем самым снабжение клеток организма кислородом. Его можно проводить ТОЛЬКО при полностью  остановившемся сердцебиении.

     
    Встаньте на колени сбоку от пострадавшего.

     

    4.1. Нащупайте мечевидный отросток (солнечное сплетение) в нижней части грудной клетки. Отступите от него вверх на ширину двух пальцев. Положите на нижний конец грудины основание правой ладони. Если помощь оказывается полному человеку, можно пальцами «подняться» по ребрам, чтобы нащупать солнечное сплетение.

     

    4.2. Накройте правую ладонь левой. Большие пальцы должны располагаться на одной прямой и быть слегка подняты кверху. Наклонитесь вперед, чтобы ваши плечи находились над грудиной. Руки держите прямыми. Детям раннего возраста надавливайте на грудину двумя пальцами;

     

    4.3. энергично нажимайте на грудину вертикально вниз толчками с частотой 60-80 разв минуту  (чаще 1 удара в секунду), используя свой вес, чтобы она уходила вниз на 4-5 см (у взрослого), 2,5-4 см (у ребенка).
    При сочетании непрямого массажа сердца с искусственным дыханием вдувайте воздух после 15 надавливаний на грудину;  Отсчитывайте нажатие, быстро произнося вслух «раз, два, три» и нажимая на каждом «раз».

     

    Цикл:  15 нажатий – 2 вдоха рот в рот. (см. Искусственное дыхание). При искусственном дыхании запрещено проводить надавливания на грудину!

     

    Повторяйте цикл до тех пор, пока у пострадавшего не появятся признаки улучшения, пока не прибудет «скорая помощь» или пока у вас не кончатся силы. Через каждые 3 минуты проверяйте наличие пульса на сонной артерии.

  •  

    Искусственное дыхание  обеспечит обогащение крови пострадавшего кислородом.
    Если  реанимацию делают двое,  один делает массаж, другой в паузе вдувание воздуха в легкие.

    Запрещено проводить искусственное дыхание, если полость рта пострадавшего не очищена от рвотных масс. Запрещено проводить искусственное дыхание одновременно с надавливаниями на грудину в ходе непрямого массажа сердца.

     

    5.1. Выдвиньте нижнюю челюсть вперед до тех пор, пока нижний ряд зубов не окажется впереди верхнего ряда;

     

    5.2. Второй рукой, помещенной на лоб, запрокиньте голову назад как можно дальше, чтобы воздух вместо легких не попал в желудок.

     

    5.3. Левой рукой крепко зажмите пострадавшему  нос.

     

    5.4. Правой рукой придерживайте челюсть, сохраняя запрокинутое положение головы.

     

    5.5. Сделайте глубокий вдох, широко откройте рот и обхватите им рот пострадавшего. Желательно для защиты использовать носовой платок или салфетку. Сделайте сильный выдох через рот с усилием (как при надувании воздушного шарика)

     

    Наблюдайте за грудной клеткой пострадавшего – если она не поднимается либо  поднимается  живот, воздух уходит в желудок. Необходимо сильнее запрокинуть голову. Периодически освобождайте желудок от воздуха, надавливая на эпигастральную (подложечную) область (сразу под солнечным сплетением).

•  

  Если пострадавший  остается без сознания — переверните его на правый бок, чтобы исключить западание языка. Переворачивать на левый бок запрещено из-за нагрузки на сердце.

  • Вызовите скорую медицинскую помощь (тел. 03).
  • Наложите стерильную повязку на место электротравмы.
  • Откройте все окна и форточки (пострадавшему нужен свежий воздух)
  • Согрейте пострадавшего —  накройте его пледом или одеждой.

   

•  

  Человека, получившего электротравму, нужно обязательно доставить в лечебное учреждение. Последствия от воздействия электрического тока могут проявиться через несколько часов и привести к осложнениям, вплоть до гибели. Нередки случаи, когда после удара током первые 10-30 минут пострадавший находится в сознании и чувствует себя хорошо, после чего наступает фибрилляция и смерть от «сердечного  приступа»

 

Электрическая энергия Примеры в действии

Когда вы включаете выключатель, свет, который наполняет вашу комнату, не волшебный — это энергия! Электрическая энергия производится движением электронов вдоль электрического тока. Продолжайте читать, чтобы узнать больше о том, как электрическая энергия питает вашу жизнь и какие примеры электрической энергии вы можете найти дома.

ряд электрических лампочек

Реклама

Виды электрической энергии

Существует два типа электрической энергии:

• Статическое электричество возникает в результате трения, например, когда вы шаркаете ногами по ковру и касаетесь металлической дверной ручки.
• Текущее электричество получается из электрического заряда, проходящего через ток. Текущее электричество питает большинство бытовых приборов.

Как и все формы энергии, электрическую энергию нельзя создать — ее можно только преобразовать из других форм энергии и в них. Ознакомьтесь с этими видами использования электрической энергии и примерами способов преобразования других форм энергии в электрическую энергию.

Предметы, использующие электроэнергию

Электричество сохраняет вашу еду холодной, дом теплым и свет включенным. Скорее всего, ваша повседневная жизнь использует электрическую энергию несколько раз в час. Вот несколько примеров предметов повседневного обихода, которые используют электрическую энергию.

• Стиральная машина
• Сушка для белья
• Телевизор
• Мобильный телефон
• Ноутбук
• Кондиционер
• Фонарик
• Система отопления
0014
• Автомобильная батарея
• Лампочка
• Нависные часы
• Беспроводные наушники
• Калькулятор
• Электрическая плита
• Микроволновая печь
• Vacuum Completer

9001 Многие из этих предметов — AC/DCAUM CUMPUREDER 9001 Многие из этих предметов

Vacuum Completer

9001 Многие из этих предметов

(Chipred Complete

9002 Многие из этих пунктов — AC/DC. DICREADITION 9001 9 0002 Многие из этих предметов. означает, что они получают электроэнергию от стенных розеток. Другие используют электричество от аккумуляторов. Хотя эти источники производят электричество, они преобразуют различные виды энергии в электрическую энергию.

Объекты, преобразующие электрическую энергию

Откуда берется электрическая энергия? Другие формы энергии, в том числе механическая энергия (от движения), лучистая энергия (от световых волн), звуковая энергия (от звуковых волн) и тепловая энергия (от тепла), могут быть преобразованы в электрическую энергию для производства электричества. Некоторые примеры включают:

• Электрогенераторы (механическая энергия в электричество)
• Ветряные мельницы (механическая энергия в электричество)
• Гидроэлектростанции (механическая энергия в электричество)
• Паровые электростанции (тепловая энергия в электричество)
• Атомные электростанции (тепловая энергия в электричество)
• Солнечные панели (лучистая энергия в электричество)
• Батареи (химическая энергия в электричество) )

Некоторые из этих примеров более эффективны или рациональны, чем другие, когда речь идет о производстве электроэнергии. Другие более безопасны для окружающей среды. Задачей 21 века является выявление и разработка устойчивых источников энергии, которые одновременно эффективны и безопасны для окружающей среды.

Реклама

Потенциальная и кинетическая электрическая энергия

Каждый тип энергии бывает двух видов:

• Потенциальная энергия указывает на то, что объект хранит тип энергии, готовый к работе. Потенциальная энергия объекта зависит от его материала и положения.
• Кинетическая энергия возникает, когда объект активно использует энергию для выполнения работы.

При использовании электроэнергии полезно подумать о выключателе. Когда переключатель выключен, электрическая энергия сохраняется в виде потенциальной энергии. Когда переключатель включен, электрическая энергия используется в качестве кинетической энергии. Вы также можете подумать о батарее: когда она не используется, это потенциальная энергия. Когда он питает предмет, это кинетическая энергия.

Дополнительные ресурсы по физике

Теперь, когда лампочка над вашей головой зажглась, найдите минутку, чтобы узнать больше о физических понятиях. Ознакомьтесь с полезным списком электрических сокращений, которые могут помочь с любым домашним заданием. Вы также можете взглянуть на примеры химической энергии, которые вы найдете в повседневной жизни.

Штатный писатель

• 9 класс
• 10 класс
• 11 класс
• 12 класс
• средняя школа
• College

Статьи по теме

• Примеры кинетической энергии

  Вообще говоря, всю энергию во Вселенной можно разделить на потенциальную или кинетическую энергию. Потенциальная энергия — это энергия, связанная с положением, подобно мячу, подвешенному в воздухе. Когда вы отпускаете этот мяч и позволяете ему упасть, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, или энергию, связанную с движением.

• Различные виды энергии на повседневных примерах

  Что общего между включением выключателя и бегом на милю? Оба вида деятельности требуют энергии. Энергия — это способность выполнять работу, а виды используемой энергии зависят от объекта, выполняющего эту работу. Итак, каковы различные виды энергии? Продолжайте читать, чтобы узнать о 10 различных типах энергии в физическом мире, разделенных на потенциальные и кинетические формы.

Что такое электрическая энергия? Примеры и пояснения

Электричество — важная концепция, которая помогает управлять миром, каким мы его знаем. Только в США средняя семья использует 10 649 киловатт-часов (кВтч) в год, что достаточно для приготовления более 120 000 чашек кофе!

Но понять, что такое электрическая энергия и как она работает, может быть непросто. Вот почему мы составили эту статью, чтобы помочь вам просветить! (Простите за шутку отца. ) 

Продолжайте читать, чтобы узнать все об электрической энергии, , включая:

• Определение электрической энергии
• Как работает электрическая энергия
• Если электрическая энергия является потенциальной или кинетической
• Примеры электроэнергии

 К тому времени, когда вы закончите читать эту статью, вы будете знать основы электрической энергии и сможете видеть ее влияние повсюду вокруг себя.

Нам многое предстоит рассказать, так что приступим!

 

через MEME

Лучшим предметом Дэнни Зуко определенно была физика… особенно когда речь шла о законах притяжения. #DadJoke (Мем/Я.Я)

 

Определение электрической энергии

Итак, что такое электрическая энергия? В двух словах, электрическая энергия — это энергия (как кинетическая, так и потенциальная) заряженных частиц атома, которую можно использовать для приложения силы и/или выполнения работы. Это означает, что электрическая энергия способна переместить объект или вызвать действие .

Электрическая энергия окружает нас во многих различных формах. Одними из лучших примеров электрической энергии являются автомобильные аккумуляторы, использующие электрическую энергию для питания систем, настенные розетки, передающие электрическую энергию для зарядки наших телефонов, и наши мышцы, использующие электрическую энергию для сокращения и расслабления!

Электрическая энергия, безусловно, важна для нашей повседневной жизни, но есть и много других видов энергии . Тепловая энергия, химическая энергия, ядерная энергия, световая энергия и звуковая энергия — это лишь некоторые из других основных видов энергии. Хотя может быть некоторое перекрытие типов энергии (например, настенная розетка обеспечивает светом лампу, которая производит небольшое количество тепла), важно отметить, что типов энергии действуют по-разному , хотя они могут быть преобразованы в другие виды энергии.

 

Это видео с краткими пояснениями об электричестве является отличным примером того, что такое электрическая энергия и как она работает.

 

Как работает электроэнергия?

Теперь, когда вы знаете, что такое электрическая энергия, мы расскажем, откуда берется электрическая энергия.

Если вы раньше изучали физику, то знаете, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Хотя может показаться, что результаты электрической энергии появляются из ниоткуда, энергия молнии или бег трусцой исходит из ряд изменений на молекулярном уровне. Все начинается с атомов.

Атомы состоят из трех основных частей: нейтронов, протонов и электронов. Ядро, или центр атома, состоит из нейтронов и протонов. Электроны вращаются вокруг ядра в оболочках. Электронные оболочки выглядят как кольца или орбитальные траектории, огибающие ядро.

 

(AG Caesar/Wikimedia)

 

Количество оболочек атома зависит от многих факторов, в том числе от типа атома и от того, заряжен ли он положительно, отрицательно или нейтрально. Но вот что важно, когда дело доходит до электрической энергии: электроны в ближайшей к ядру оболочке имеют сильное притяжение к ядру, , но эта связь ослабевает по мере продвижения к самой внешней оболочке. Самая внешняя оболочка атома известна как валентная оболочка… а электроны в этой оболочке известны как валентные электроны!

Поскольку валентные электроны лишь слабо связаны с атомом, они могут фактически орбиты вытеснить со своих орбит, когда они вступают в контакт с другим атомом. Эти электроны могут «прыгать» с внешней оболочки своего родного атома на внешнюю оболочку нового атома. Когда это произойдет, производит электроэнергию.

Итак, как узнать, когда атом готов приобрести или потерять электроны для создания электрической энергии? Только взгляните на валентные электроны. Атом может иметь только восемь валентных электронов на своей внешней оболочке, также известной как октет. Если атом имеет три или меньше валентных электронов, он, скорее всего, отдаст электроны другому атому. Когда атом теряет электроны до такой степени, что количество его протонов превышает число электронов, он становится положительно заряженным .0138 катион .  

Аналогично, атомы, которые имеют почти полную валентную оболочку (с шестью или семью валентными электронами), с большей вероятностью получат электрон, чтобы иметь полный октет. Когда атом получает электроны до такой степени, что электронов становится больше, чем протонов атома, он становится отрицательно заряженным анионом .  

Независимо от того, приобретает или теряет атом электроны, действие 0171 движения электрона от одного атома к другому приводит к электрической энергии . Эта электрическая энергия может быть использована в виде электричества для таких вещей, как питание электроприборов в вашем доме или запуск кардиостимулятора. Но ее также можно преобразовать в другие виды энергии, например, в тепловую энергию тостера, подключенного к розетке.

 

Думаете, электрическая энергия и электричество — одно и то же? Не совсем! Электричество — это всего лишь один из результатов электрической энергии.

 

Электрическая энергия и электричество

Хотя эти термины звучат похоже, электрическая энергия и электричество — это не одно и то же. Хотя все электричество является результатом электрической энергии, не вся электрическая энергия является электричеством.

Согласно Академии Хана, энергия определяется как измерение способности объекта выполнять работу. В физике «работа» — это энергия, передаваемая объекту для его перемещения. Как мы говорили в предыдущем разделе, электрическая энергия возникает в результате движения электронов между атомами, что создает передачу энергии… также известную как работа. Эта работа производит электрическую энергию, которая измеряется в джоулях.

Имейте в виду, что электрическая энергия может быть преобразована во все виды энергии, например, в тепловую энергию тостера, подключенного к розетке. Эта тепловая энергия создает тепло, которое превращает ваш хлеб в тост! Таким образом, хотя электрическая энергия может стать электричеством, это не .0170 есть !

Когда электронный поток электрической энергии направляется по проводнику, подобно проводу, он становится электричеством. Это движение электрического заряда называется электрическим током (и измеряется в ваттах). Эти токи, проходящие через электрические цепи, могут питать наши телевизоры, плиты и многое другое, и все потому, что электрическая энергия была направлена ​​на выполнение определенного желаемого действия, например, на включение экрана или кипячение воды.

 

Является ли электрическая энергия потенциальной или кинетической?

Если вы раньше изучали энергию, то знаете, что энергия может делиться на две основные категории: потенциальную и кинетическую. Потенциальная энергия — это, по сути, накопленная энергия. Когда валентные электроны атомов не прыгают, этот атом способен удерживать и накапливать потенциальную энергию.

С другой стороны, кинетическая энергия — это, по существу, энергия, которая перемещает или перемещает что-то еще. Кинетическая энергия передает свою энергию другим объектам, чтобы воздействовать на них силой. В кинетической энергии электроны могут свободно перемещаться между валентными оболочками, чтобы создавать электрическую энергию. Таким образом, потенциальная энергия, запасенная в этом атоме, преобразуется в кинетическую энергию… и, в конечном счете, в электрическую энергию.

Итак, электрическая энергия является потенциальной или кинетической? Ответ оба! Однако электрическая энергия не может быть одновременно и потенциальной, и кинетической. Когда вы видите, как электрическая энергия совершает работу над другим объектом, это кинетическая энергия, но прямо перед тем, как она смогла выполнить эту работу, это была потенциальная энергия.  

Вот пример. Когда вы заряжаете свой телефон, электричество, поступающее из розетки в аккумулятор телефона, представляет собой кинетическую энергию. Но батарея предназначена для хранения электроэнергии, чтобы использовать ее позже. Эта удерживаемая энергия является потенциальной энергией, которая может стать кинетической энергией, когда вы будете готовы включить свой телефон и использовать его.

 

через GIPHY

Электромагниты, подобные приведенному выше, работают, потому что электричество и магнетизм тесно связаны.
(Amazing Science/Giphy)

 

Какое отношение электрическая энергия имеет к магнетизму?

Вы, вероятно, играли с магнитом в какой-то момент своей жизни, поэтому вы знаете, что магниты — это объекты, которые могут притягивать или отталкивать другие объекты с помощью магнитного поля.

Но вы можете не знать, что магнитных полей вызваны движущимся электрическим зарядом. Магниты имеют полюса, северный полюс и южный полюс (они называются диполями). Эти полюса заряжены противоположно, поэтому северный полюс заряжен положительно, а южный — отрицательно.

Мы уже знаем, что атомы могут быть заряжены положительно и отрицательно. Оказывается, магнитных полей генерируются заряженными электронами, которые выровнены друг с другом! В этом случае отрицательно заряженные атомы и положительно заряженные атомы находятся на разных полюсах магнита, который создает как электрическое , так и магнитное поле.

Поскольку положительные и отрицательные заряды являются результатом электрической энергии, это означает, что магнетизм тесно связан с системами электрической энергии. На самом деле, так происходит и с большинством взаимодействий между атомами, вот почему у нас есть электромагнетизм. Электромагнетизм – это взаимосвязанные отношения между магнитными и электрическими полями.

 

через GIPHY

Ознакомьтесь с приведенными ниже примерами электрической энергии, от которых волосы встают дыбом. #AnotherDadJoke
(Gifbin/Giphy)

 

Примеры электрической энергии

Возможно, вы до сих пор задаетесь вопросом: «Что такое электрическая энергия в реальном мире?» Не бойся! У нас есть четыре отличных примера использования электроэнергии из реальной жизни , чтобы вы могли больше узнать об электроэнергии на практике.

 

Пример 1. Воздушный шар прилип к вашим волосам

Если вы когда-нибудь были на дне рождения, вы, вероятно, пробовали трюк, когда вам нужно потереть воздушный шарик о голову и приклеить его к волосам. . Когда вы уберете шарик, ваши волосы будут летать за ним, даже если вы держите его в нескольких дюймах от головы! Студенты-физики знают, что это не просто волшебство… это статическое электричество.

Статическое электричество является одним из видов кинетической энергии, производимой электрической энергией. Статическое электричество возникает, когда два вещества удерживаются вместе противоположными силами. Он называется «статическим», потому что притяжение удерживает два объекта вместе до тех пор, пока электронам не будет позволено вернуться на свои исходные места. Используя то, что мы уже узнали, давайте подробнее рассмотрим, как работает этот трюк.

Мы знаем, что для притяжения двух атомов они должны иметь противоположные заряды. Но если и воздушный шар, и ваши волосы сначала имеют нейтральный заряд, то как они приобретут противоположные заряды? Проще говоря, когда вы трёте шарик о волосы, некоторые из свободных электронов перепрыгивают с объекта на объект , в результате чего ваши волосы приобретают положительный заряд, а воздушный шар — отрицательный.

Когда вы отпускаете шарик, он так притягивается к вашим волосам, что пытается удержаться на месте. Если вы попытаетесь разделить притягивающие заряды, ваши положительно заряженные волосы все равно будут пытаться оставаться прикрепленными к отрицательному воздушному шару, поднимаясь вверх, используя эту кинетическую электрическую энергию!

Однако этот аттракцион не будет длиться вечно. Поскольку притяжение между воздушным шаром и вашими волосами относительно слабое, молекулы вашего волоса и воздушного шара будут пытаться найти равновесие, восстанавливая исходное количество электронов, в конечном итоге заставляя их терять свои заряды по мере того, как они приобретают или теряют электроны.

 

Пример 2: кардиодефибрилляторы

Если вы ищете хорошие электрические примеры как потенциальной, так и кинетической энергии, обратите внимание на дефибриллятор. Дефибрилляторы спасли тысячи жизней, исправив нерегулярное сердцебиение в экстренных ситуациях , таких как остановка сердца. Но как они это делают?

Неудивительно, что дефибрилляторы получают свои спасительные способности от электрической энергии. Дефибрилляторы содержат много потенциальной электрической энергии, которая хранится в двух пластинах конденсатора дефибриллятора. (Иногда их называют лопастями.) Одна из пластин заряжена отрицательно, а другая — положительно.

Когда эти пластины размещаются в разных местах на теле, создается электрический разряд, который прыгает между двумя пластинами. Потенциальная энергия становится кинетической энергией, когда электронов с положительной пластины устремляются к отрицательной. Этот разряд проходит через человеческое сердце и останавливает его электрические сигналы в мышце в надежде, что его нерегулярная электрическая схема вернется к норме.

Дефибрилляторы содержат чрезвычайно мощную электрическую энергию, поэтому будьте осторожны, если вы когда-либо оказываетесь рядом с ними!

 

 

Пример 3. Ветряные турбины

Часто размещаемые в труднодоступных местах, ветряные турбины превращают естественный ветер в энергию, которую можно использовать для питания наших домов, технологий и многого другого. . Но как турбина превращает что-то, казалось бы, неэлектрическое, как ветер, в полезную, устойчивую энергию?

По своей сути ветряные турбины превращают энергию движения в электрическую энергию. Хотя объяснение того, как работает ветер, заслуживает отдельного поста в блоге, вам нужно знать, что когда ветер ударяет в лопасти турбины, он вращает ступицу ротора, как ветряная мельница. Эта кинетическая энергия вращает внутренний компонент, называемый гондолой, в которой находится электрический генератор. В свою очередь, этот генератор преобразует эту энергию в электрическую, заставляя электрические заряды, уже имеющиеся в генераторе, двигаться, создавая электрический ток… который также является электричеством.

Поскольку это движение направляется через электрические проводники, в частности, провода, этот поток зарядов может продолжаться к более крупным электрическим сетям, таким как дома, кварталы и даже города.

 

Пример 4: Батарейки в детской игрушке

Точно так же, как ветряная турбина преобразует один вид энергии в другой, батарейка в детской игрушке преобразует энергию, чтобы заставить игрушку работать. Батарейки имеют два конца, положительный и отрицательный. Важно поставить правильные концы в нужные места в игрушке, иначе она не будет работать.

Положительный конец — как вы уже догадались! — имеет положительный заряд, а отрицательный — отрицательный. Это означает, что на отрицательном конце намного больше электронов, чем на положительном, и батарея в целом пытается прийти в равновесие. Они делают это посредством химических реакций, которые начинают , когда батарейки помещаются внутрь включенной игрушки.

Положительный конец не может просто добраться до отрицательного из-за кислоты, которая разделяет их внутри батареи. Вместо этого электроны должны пройти через всю схему игрушки , чтобы достичь отрицательного конца, позволяя кукле плакать или летать игрушечному вертолету.

Когда все электроны на положительном конце достигают равновесия, в проводке больше нет электронов, а это значит, что пришло время для новых батарей!

 

Общие единицы измерения электрической энергии

Хотя изучение основных определений и принципов электрической энергии важно, вам также необходимо знать некоторые формулы и уравнения, поскольку вы продолжаете изучать электрическую энергию. Многие из этих формул используют одни и те же символы для обозначения определенных единиц.

Для справки мы включили в таблицу некоторые из наиболее распространенных единиц измерения электрической энергии, а также то, что означает каждая единица.

Единица измерения	Символ	Определение
Дж	Дж	Объем выполняемой работы
Электрон-вольт	эВ	Энергия, действующая на один электрон через один вольт.
Напряжение	В	Разность потенциалов между двумя точками
Кулон	C, или Q, или q, если они используются в той же формуле, что и емкость.	Количество электрического заряда
Емкость	C (Будьте осторожны, это обычно сбивает с толку!)	Способность проводника накапливать электрическую потенциальную энергию
Ампер	А	Обычно называемый «ампер», ампер — это единица измерения, которая измеряет силу тока в проводнике.
Второй	с	Секунды — единица измерения времени, обычно используемая для определения силы других единиц энергии.
час	ч	Часы — это единица измерения времени, обычно используемая для определения силы других единиц энергии.
Мегаватт	МВт	1 000 000 Вт
Киловатт	кВт	1000 Вт
Вт	Вт	Скорость, с которой энергия производит работу

. ты начал!

 

 

Заключение: вот что нужно помнить об электричестве

Вы прошли ускоренный курс по электричеству и теперь готовы к любому экзамену или курсу, который проверит вашу физику электричества знания. Однако, если вы больше ничего не помните, помните об этом на следующем уроке по электричеству:

• Определение электрической энергии: способность выполнять работу.
• Электрическая энергия возникает в результате притяжения или отталкивания отрицательно и положительно заряженных молекул.
• Электрическая энергия — это как потенциальная, так и кинетическая энергия.
• Несколько примеров электроэнергии: дефибриллятор, аккумулятор и ветряные турбины .

Мы надеемся, что вы получили положительный заряд от всей информации в этом блоге! Продолжайте учиться, и вскоре вы станете профессионалом в области электроэнергетики.

 

Что дальше?

Нужна дополнительная помощь с формулами физики? Тогда эта шпаргалка по уравнениям именно то, что вам нужно.

Вы думаете о том, чтобы посещать больше уроков физики в старшей школе? Сдача AP Physics может помочь вам углубить свои научные навыки  , а заработать кредит колледжа. Узнайте больше об AP Physics — и различиях между AP Physics 1, 2 и C — в этой статье.

Если вы изучаете IB Physics, мы вас тоже предоставим. Вот разбивка программы курса, и вот наш обзор лучших учебных пособий IB Physics.

 

Нужна дополнительная помощь по этой теме? Проверьте Tutorbase!

Наша проверенная база данных репетиторов включает ряд опытных преподавателей, которые могут помочь вам отшлифовать эссе по английскому языку или объяснить, как производные работают для исчисления. Вы можете использовать десятки фильтров и критериев поиска, чтобы найти идеального человека для ваших нужд.

 

У вас есть друзья, которым тоже нужна помощь в подготовке к экзаменам? Поделись этой статьей!

Эшли Робинсон

Об авторе

Эшли Саффле Робинсон имеет докторскую степень. в английской литературе XIX века. Как автор контента для PrepScholar, Эшли стремится предоставить учащимся, направляющимся в колледж, подробную информацию, необходимую им для поступления в школу своей мечты.

Раздел B: Две основные формы энергетики — Энергетическое образование: концепции и практика

University of Wisconsin-Stevens Point > CNR Associated Programs > Wisconsin K-12 Energy Education Program > Energy Education: Concepts and Practices > Раздел B: Два основных Формы энергии

​

Раздел B. Две основные формы энергии

Энергия, которую мы ощущаем вокруг себя, кажется, имеет множество форм. Огонь горит, резинки расстегиваются, фонарики включаются и светят, предметы падают, и вещи кажутся горячими, холодными или просто нужной температуры. Когда происходит так много всего, как мы можем выяснить, какие формы энергии имеют эти вещи и события? После сотен лет наблюдений и экспериментов наука разделила энергию на две основные формы: кинетическую энергию и потенциальную энергию. Кроме того, потенциальная энергия принимает несколько собственных форм.

Кинетическая энергия определяется как энергия движущегося объекта. Брошенный футбольный мяч, мчащийся автомобиль, марафонец или камень, падающий со скалы, являются примерами объектов, обладающих кинетической энергией.

​

Потенциальная энергия определяется как энергия, связанная с расположением системы объектов, которые действуют друг на друга.  Потенциальная энергия сохраняется или высвобождается, когда расположение объектов и/или силы, которые они воздействуют друг на друга, каким-либо образом изменяются. Системы объектов, от атомов до планет, могут быть организованы по-разному, что приводит к множеству форм потенциальной энергии: химической, упругой, электрической (электромагнитной), гравитационной, ядерной и тепловой энергии.

Хотя потенциальную энергию часто называют «запасенной» энергией, при таком упоминании могут возникнуть два заблуждения. Во-первых, высказывание о том, что энергия хранится в чем-то, может подразумевать, что энергия представляет собой некую невидимую субстанцию, которой она таковой не является. Во-вторых, рассмотрим учебник, который держат над полом в классе. Многие скажут, что в учебнике хранится потенциальная энергия, и часто удобно думать, что только учебник обладает потенциальной энергией. Однако у учебника есть потенциальная энергия, потому что он является частью системы, включающей Землю, в которой обе силы гравитации действуют друг на друга. Другими словами, учебник не обладал бы потенциальной энергией, если бы не Земля.

Химическая потенциальная энергия 

Химический состав (расположение молекул) бензина делает его хорошим источником топлива. Все неживые и живые существа, от автомобилей до зебр, состоят из молекул. Требуется энергия, чтобы сделать эти молекулы и удержать их вместе. Энергия, запасенная в молекулах, называется химической потенциальной энергией. Во время сгорания связи разрываются и восстанавливаются, создавая новые продукты. Энергия, запасенная в бензине, высвобождается при его сжигании (сгорании). Во время сгорания химические связи разрываются и преобразуются (превращая бензин в побочные продукты, такие как вода и углекислый газ), высвобождая энергию. Есть много примеров преобразования химической потенциальной энергии в кинетическую для совершения работы. Химическая энергия пищи используется нашим телом для движения. В зажженной петарде химическая энергия используется для создания громкого звука и разбрасывания кусков петарды повсюду.

Упругая потенциальная энергия

Натянутая резинка может выполнять работу или изменять вещи. Эта форма энергии называется упругой потенциальной энергией. Это происходит, когда объект (например, наша кожа, пружина, батут или резиновая лента) сопротивляется растяжению и изменению формы. Потенциальную энергию упругости резинки можно использовать для совершения работы. Например, игрушечные самолетики летают, когда резинка раскручивается и раскручивает пропеллер. Потенциальная энергия упругости в резиновой ленте была преобразована в кинетическую энергию.

Электрическая (электромагнитная) потенциальная энергия

Электрическая потенциальная энергия присутствует, когда положительные и отрицательные электрические заряды отделены друг от друга, как в батарее. Когда вы включаете устройство, работающее от батареи, например фонарик или игрушку, электрическая потенциальная энергия, хранящаяся в батарее, преобразуется в другие формы энергии, такие как звук, механическое движение, тепловая энергия и свет. Для электрического прибора, который вы подключаете, электрическая потенциальная энергия поддерживается вращающимся генератором электростанции, плотины гидроэлектростанции или ветряной мельницы. Солнечная батарея накапливает электрическую потенциальную энергию подобно батарее, пока на нее светит солнце.

Гравитационная потенциальная энергия

Когда что-то поднимается, над объектом совершается работа против силы тяжести. Эта работа преобразуется в форму потенциальной энергии, называемой гравитационной потенциальной энергией. Когда предмет падает на Землю, как яблоко с дерева, потенциальная энергия гравитации преобразуется в кинетическую энергию.

Ядерный потенциал

Потенциальная ядерная энергия или ядерная энергия — это энергия ядер атомов. Протоны в ядре оказывают очень сильное отталкивающее действие друг на друга из-за своего положительного заряда. В свою очередь, нейтроны, составляющие ядро, воздействуют на протоны очень сильными силами, удерживая их от разлета. Расщепление большого ядра (ядерное деление) или объединение маленьких ядер в большее ядро ​​(ядерный синтез) преодолевает эти сильные силы и в результате высвобождает энергию. Энергия, выделяемая отдельным ядром, очень мала, но огромное количество ядер может выделять огромное количество энергии, о чем свидетельствует энергия, производимая ядерными реакторами (деление) и солнцем (ядерный синтез).

Тепловая энергия

Тепловая энергия обусловлена ​​движением и кинетической энергией, связанной с этим движением, молекул, составляющих объект или вещество. Все объекты обладают тепловой энергией (даже холодные), так как имеют температуру выше абсолютного нуля. Доказательства тепловой энергии могут быть обнаружены путем измерения температуры объекта.

Хотя технически это неверно, слово «тепло» часто используется для обозначения тепловой энергии. Строго говоря, между ними есть четкая разница. Тепловая энергия относится к кинетической энергии молекул внутри объекта. Тепло – это передача энергии между двумя объектами. Везде, где это возможно, мы старались оставаться верными этим различиям. Однако, поскольку термин «тепло» является более привычным, мы часто используем его для облегчения понимания.

( Руководство по обучению KEEP Energy   «Потенциально кинетический»)

Доказательства энергии вокруг нас!

Звук, механическое движение, тепло и свет нелегко классифицировать как кинетическую и потенциальную энергию. Они свидетельствуют об энергии.

  Движение , звук , тепло и свет свидетельствуют о том, что энергия присутствует и используется. Звук возникает, когда мы что-то ударяем. Но работает ли звук? Да, звук может двигать вещи. Звуковые волны двигают крошечные косточки в вашем ухе и трясут окна, когда мимо проезжает громкий грузовик. Звуковые волны также проявляются в вибрациях при прослушивании радио.

Наше тело работает, даже когда кажется, что оно неподвижно. Дыхание, моргание и переваривание пищи требуют энергии. Чтобы мы могли выполнять эти действия, наши тела сжигают энергию пищи. Мы знаем, что это происходит, потому что мы чувствуем тепло (при горении выделяется тепловая энергия [тепло]). Таким образом, тепло является свидетельством того, что энергия используется.

​
Механизм	Звук	Тепло	Свет

Свет является примером электромагнитного излучения и не имеет массы, поэтому у него нет ни кинетической, ни потенциальной энергии. Остальные формы обладают качествами как кинетической, так и потенциальной энергии. Звук состоит из вибраций (положите руку на стереодинамик), тепловая энергия состоит из движущихся молекул в воздухе или в предмете, а механическая энергия представляет собой сочетание кинетической и потенциальной энергии движущегося предмета. Маятник обладает механической энергией; он постоянно преобразует кинетическую энергию в гравитационную потенциальную энергию и обратно в кинетическую энергию, когда качается вперед и назад.

Свет — еще одна наблюдаемая форма энергии. Свет может изменить ситуацию. Когда свет падает на вашу руку, она согревает. Когда свет падает на зеленое растение, оно может производить пищу (выдержка из KEEP Energy Education Education Guide «Evidence of Energy»).

​ Вернуться к Разделу A: Введение

​

C перейдите к Разделу C: Измерение и количественная оценка энергии

Что такое электрическая энергия? Типы и примеры

Свет, который наполняет вашу комнату, когда вы включаете выключатель, не является волшебством; это энергия! «Закон сохранения энергии», , который мы изучали в начальной школе, гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована. Энергия, с другой стороны, должна быть преобразована из одной формы в другую, чтобы совершить какую-либо полезную работу.

 

Двигатель, например, преобразует электрическую энергию в механическую или кинетическую (вращательную) энергию для питания цепи, тогда как генератор преобразует кинетическую энергию обратно в электрическую энергию для питания цепи. Так что же такое электрическая энергия? Давайте узнаем об этом подробно.

 

Читайте также | Ядерная энергия

 

Что такое электрическая энергия ?

 

«Энергия, вызванная движением электронов из одного места в другое, такой тип энергии называется электрической энергией. Другими словами, электрическая энергия — это работа, совершаемая движущимися потоками электронов или зарядов.

 

Электрическая энергия является формой кинетической энергии, поскольку она производится движением электрических зарядов. Чем быстрее движение зарядов, тем больше энергии они несут».

 

Работа совершается, когда сила перемещает объект, а энергия — это способность выполнять работу. Каждый день мы требуем и используем энергию, которая приходит в различных формах. Энергия, хранящаяся в заряженных частицах в электрическом поле, известна как электрическая энергия.

 

Проще говоря, электрические поля — это области, окружающие заряженную частицу. Другими словами, заряженные частицы генерируют электрические поля, которые воздействуют на другие заряженные частицы внутри поля. Электрическое поле воздействует на заряженную частицу силой, заставляя ее двигаться и тем самым совершать работу.

 

Читайте также | Применение ИИ в коммунальном хозяйстве и энергетике

 

 

Как работает электроэнергия?

 

Майкл Фарадей, британский ученый, в 1820-х годах открыл способ получения электричества. Он перемещал проводящую металлическую петлю или диск между полюсами магнита. В соответствии с основным принципом электроны в медной проволоке могут свободно двигаться.

 

Каждый электрон несет отрицательный электрический заряд. Силы притяжения между электроном и положительными зарядами (такими как протоны и положительно заряженные ионы) управляют его движением, в то время как силы отталкивания между электроном и аналогичными зарядами управляют его движением (такими как другие электроны и отрицательно заряженные ионы).

 

Другими словами, электрическое поле, окружающее заряженную частицу (в данном случае электрон), заставляет ее двигаться и, таким образом, совершать работу, воздействуя на другие заряженные частицы. Чтобы сдвинуть две притянутые заряженные частицы друг от друга, необходимо приложить силу.

 

Электрическая энергия может производиться электронами, протонами, атомными ядрами, катионами (положительно заряженными ионами), анионами (отрицательно заряженными ионами), позитронами (антиматерия, эквивалентная электронам) и другими заряженными частицами.

 

Читайте также | Возобновляемая энергия

 

Примеры электроэнергии

 

Ниже приведены некоторые распространенные примеры электроэнергии :

 

1. Воздушный шар в твоих волосах

 

Если вы когда-нибудь были на вечеринке по случаю дня рождения, вы, наверное, пробовали потереть воздушный шар о голову и приклеить его к волосам. Когда вы уберете шарик, ваши волосы полетят за ним, даже если вы держите его в нескольких дюймах от головы!

 

Студенты-физики понимают, что это не просто магия… Виной всему статическое электричество. Но если и воздушный шар, и ваши волосы изначально были заряжены нейтрально, как они в конечном итоге получили противоположные заряды?

 

Когда вы отпускаете шарик, он так притягивается к вашим волосам, что пытается удержаться на месте. Однако это очарование не будет длиться вечно.

 

Это связано с тем, что притяжение между воздушным шаром и вашими волосами слабое, молекулы ваших волос и воздушного шара будут пытаться найти равновесие, восстанавливая исходное количество электронов, заставляя их терять свой заряд по мере того, как электроны приобретают или терять.

 

2. Турбины (ветряные)

 

Ветряные турбины преобразуют природный ветер в энергию, которую можно использовать для питания наших домов, технологий и многого другого. Их часто можно найти в удаленных местах. Но как турбина преобразует то, что кажется неэлектрическим, например ветер, в пригодную для использования долгосрочную энергию?

 

По сути, ветряные турбины преобразуют энергию движения в электрическую энергию. Объясняя, как работает ветер, стоит написать отдельный пост в блоге, вы должны знать, что когда ветер ударяет в лопасти турбины, он заставляет ступицу ротора вращаться, как ветряная мельница.

 

Эта кинетическая энергия вращает гондолу, в которой находится электрический генератор. Затем этот генератор преобразует эту энергию в электрическую, перемещая электрические заряды, уже присутствующие в генераторе, в результате чего возникает электрический ток… который также является электричеством.

 

Читайте также | Что такое ископаемое топливо?

 

3. Батарейка в детских игрушках

 

Чтобы детская игрушка работала, батарея преобразует энергию так же, как ветряная турбина преобразует один вид энергии в другой. У батареи есть два конца: положительный и отрицательный.

 

Очень важно разместить правильные концы в нужных местах игрушки; в противном случае игрушка не будет работать. Положительный конец имеет положительный заряд, а отрицательный — отрицательный, как и следовало ожидать.

 

Это означает, что на отрицательном конце батареи значительно больше электронов, чем на положительном, и батарея пытается найти равновесие. Когда все электроны на положительном конце достигают равновесия, в проводке больше нет электронов, что указывает на то, что пришло время заменить батареи!

 

4. Кардиодефибрилляторы

 

Не ищите ничего, кроме дефибриллятора, где вы найдете превосходные электрические примеры как потенциальной, так и кинетической энергии. Дефибрилляторы спасли тысячи жизней в экстренных ситуациях, таких как остановка сердца, исправляя нерегулярные сердечные сокращения.

 

Но как им это удается? Неудивительно, что дефибрилляторы полагаются на электрическую энергию для спасения жизней. Дефибрилляторы имеют много потенциальной электрической энергии, хранящейся в двух пластинах конденсатора дефибриллятора.

 

(По мере того, как электроны с положительной пластины устремляются к отрицательной, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.) Если вы когда-либо оказываетесь рядом с дефибриллятором, имейте в виду, что он содержит чрезвычайно мощную электрическую энергию.

 

Читайте также | Чистая энергия

 

 

Типы электроэнергии

 

В основном существует 4 типа электроэнергии. Мы перечислили их ниже: 

 

1. Статистическая энергия

 

Статическое электричество возникает в результате взаимодействия равного количества протонов и электронов (положительно и отрицательно заряженных субатомных частиц).

 

Предполагается, что частицы имеют противоположную природу (+,-), чтобы это трение работало. Если две частицы одного и того же типа, то есть положительно-положительные или отрицательно-отрицательные, сталкиваются, это называется «нетрением».

 

2. Гидроэнергетика

 

Энергия движущейся воды используется для выработки гидроэлектроэнергии. Он производится на крупных электростанциях по тому же основному принципу, что и небольшая мельница, но в гораздо большем и значительно улучшенном масштабе для повышения эффективности. Электрические генераторы связаны с массивными турбинными устройствами, которые вращаются с высокой скоростью в результате протекания через них воды.

 

Micro-Hydro Electricity была создана для снабжения энергией сельских районов Непала, Вьетнама и Китая. Премьер-министр Нарендра Моди представляет эту технологию в Индии через Pradhan Mantri Gram Vidyut Yojna.

 

Считается, что микрогидроэлектростанция ускоряет темпы электрификации. В настоящее время 95 процентов деревень в Индии нуждаются в электрификации. Для электрификации 1 миллиона деревень требуется 1-2 ГВт электроэнергии.

 

3. Текущее электричество

 

Текущее электричество определяется как поток электрического заряда через электрическое поле. Проводник направляет поток этого тока. Есть два типа проводников: хорошие проводники и плохие проводники.

 

Хорошие проводники — это те, которые пропускают электрический заряд (медные провода), а плохие — те, которые сопротивляются электрическому заряду (дерево). Из-за постоянного потока электрического заряда проводник часто нагревается.

 

4. Солнечное электричество

 

Солнечное электричество производится с использованием единственного источника энергии, существовавшего с незапамятных времен, Солнца, огромного и единственного источника энергии.

 

В Solar Electricity единственным источником являются солнечные лучи. Он производится с использованием фотоэлектрической (PV) технологии, которая преобразует солнечную энергию солнечного света в солнечную электроэнергию. Фотоэлектрические системы используют солнечный свет для питания повседневных электрических устройств, таких как бытовая техника, компьютеры и освещение.

 

Фотоэлектрический элемент состоит из двух или более тонких слоев полупроводникового материала, чаще всего кремния. Фотоэлектрические элементы включают монокристаллические кремниевые элементы, поликристаллические элементы, толстопленочный кремний, аморфный кремний и другие тонкие пленки, состоящие из различных подобных материалов, таких как теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди-индия (CIS).

 

Читайте также | Что такое парниковые газы?

 

Энергия может потребоваться в виде тепла, света, движущей силы и так далее. Электрическая энергия теперь может быть преобразована в любую желаемую форму благодаря сегодняшним достижениям науки и техники. В результате этого электроэнергия приобрела известность в современном мире.

 

Выживание промышленных предприятий и наших социальных структур в первую очередь зависит от недорогих и стабильных поставок энергии. Фактически, прогресс страны измеряется потреблением электроэнергии на душу населения, что делает ее важнейшим ресурсом для любой страны.

9.5 Электрическая энергия и мощность – Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Выражать электрическую мощность через напряжение и силу тока
• Опишите мощность, рассеиваемую резистором в электрической цепи
• Расчет энергоэффективности и экономической эффективности приборов и оборудования

В электрической цепи электрическая энергия непрерывно преобразуется в другие формы энергии. Например, когда в проводнике течет ток, электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию внутри проводника. Электрическое поле, создаваемое источником напряжения, ускоряет свободные электроны, на короткое время увеличивая их кинетическую энергию. Эта повышенная кинетическая энергия преобразуется в тепловую за счет столкновений с ионами решетчатой ​​структуры проводника. В книге «Работа и кинетическая энергия» мы определили мощность как скорость, с которой работа совершается силой, измеряемой в ваттах. Мощность также можно определить как скорость передачи энергии. В этом разделе мы обсудим временную скорость передачи энергии или мощности в электрической цепи.

Мощность в электрических цепях

Энергия у многих ассоциируется с электричеством. На ум могут прийти линии электропередач. Мы также думаем о лампочках с точки зрения их номинальной мощности в ваттах. Какое выражение для электрической мощности?

Сравним лампочку мощностью 25 Вт с лампочкой мощностью 60 Вт (рис. 9.23, а). Лампа мощностью 60 Вт светит ярче, чем лампа мощностью 25 Вт. Хотя это не показано, лампочка мощностью 60 Вт также теплее, чем лампа мощностью 25 Вт. Тепло и свет производятся в результате преобразования электрической энергии. Кинетическая энергия, теряемая электронами при столкновениях, превращается во внутреннюю энергию проводника и излучения. Как связаны напряжение, сила тока и сопротивление с электрической мощностью?

Рисунок 9.23 (a) На изображении выше показаны две лампы накаливания: 25-ваттная (слева) и 60-ваттная (справа). Лампа мощностью 60 Вт обеспечивает более высокую интенсивность света, чем лампа мощностью 25 Вт. Электрическая энергия, подводимая к лампочкам, преобразуется в тепло и свет. (b) Эта компактная люминесцентная лампа (CFL) излучает ту же интенсивность света, что и лампочка мощностью 60 Вт, но с мощностью от 1/4 до 1/10 входной мощности. (кредит a: модификация работ «Dickbauch»/Wikimedia Commons и Грега Вестфолла; кредит b: модификация работы «dbgg1979 дюймов/Flickr)

Чтобы рассчитать электрическую мощность, рассмотрите разницу напряжений, существующую на материале (рис. 9.24). Электрический потенциал V1V1 выше, чем электрический потенциал V2V2, а разность потенциалов отрицательна V=V2-V1V=V2-V1. Как обсуждалось в разделе «Электрический потенциал», между двумя потенциалами существует электрическое поле, которое направлено от более высокого потенциала к более низкому потенциалу. Напомним, что электрический потенциал определяется как потенциальная энергия, приходящаяся на один заряд, V=U/qV=U/q, и заряд QQ теряет потенциальную энергию, перемещаясь через разность потенциалов.

Рисунок 9.24 Когда на проводнике есть разность потенциалов, присутствует электрическое поле, направленное от более высокого потенциала к более низкому потенциалу.

Если заряд положительный, на него действует сила электрического поля F→=ma→=QE→F→=ma→=QE→. Эта сила необходима для поддержания движения заряда. Эта сила не ускоряет заряд на всем расстоянии ΔLΔL из-за взаимодействия заряда с атомами и свободными электронами в материале. Скорость и, следовательно, кинетическая энергия заряда не увеличиваются в течение всего пути через ΔLΔL, и заряд, проходящий через площадь A2A2, имеет ту же скорость дрейфа vdvd, что и заряд, прошедший через площадь A1A1. Однако над зарядом совершается работа электрическим полем, которое изменяет потенциальную энергию. Поскольку изменение разности электрических потенциалов отрицательно, электрическое поле оказывается равным

E=−(V2−V1)ΔL=ΔVΔL.E=−(V2−V1)ΔL=ΔVΔL.

Работа, совершаемая над зарядом, равна произведению электрической силы на длину, на которую действует сила,

W=FΔL=(QE)ΔL=Q(–ΔVΔL)ΔL= –QΔV=–ΔU.W=FΔL=(QE)ΔL=Q(–ΔVΔL)ΔL= –QΔV=–ΔU.

Заряд движется со скоростью дрейфа vdvd, поэтому работа, совершаемая над зарядом, приводит к потере потенциальной энергии, но средняя кинетическая энергия остается постоянной. Потерянная электрическая потенциальная энергия проявляется в виде тепловой энергии в материале. В микроскопическом масштабе передача энергии происходит за счет столкновений между зарядом и молекулами материала, что приводит к повышению температуры в материале. Потеря потенциальной энергии приводит к повышению температуры материала, которая рассеивается в виде излучения. В резисторе он рассеивается в виде тепла, а в лампочке — в виде тепла и света.

Мощность, рассеиваемая материалом в виде тепла и света, равна скорости изменения работы во времени:

P=ΔUΔt=QΔVΔt=IV.P=ΔUΔt=QΔVΔt=IV.

В случае резистора падение напряжения на резисторе рассеивается в виде тепла. Закон Ома гласит, что напряжение на резисторе равно произведению тока на сопротивление, V=IRV=IR. Следовательно, мощность, рассеиваемая резистором, равна

.

P=IV=I(IR)=I2RorP=IV=(VR)V=V2R.P=IV=I(IR)=I2RorP=IV=(VR)V=V2R.

Если резистор подключен к батарее, мощность, рассеиваемая проводами и резистором в виде лучистой энергии, равна P=IV=I2R=V2RP=IV=I2R=V2R. Мощность, подаваемая от батареи, равна произведению тока на напряжение, P=IVP=IV.

Электроэнергия

Электроэнергия, полученная или потерянная любым устройством, имеет вид

P=IV.P=IV.

9.12

Мощность, рассеиваемая резистором, имеет вид

P=I2R=V2R. P=I2R=V2R.

9.13

Из трех разных выражений для электроэнергии можно получить разные выводы. Например, P=V2/RP=V2/R подразумевает, что чем меньше сопротивление, подключенное к данному источнику напряжения, тем больше отдаваемая мощность. Кроме того, поскольку напряжение находится в квадрате в P=V2/RP=V2/R, эффект приложения более высокого напряжения, возможно, больше, чем ожидалось. Таким образом, когда напряжение удваивается до 25-ваттной лампы, ее мощность увеличивается почти в четыре раза до примерно 100 Вт, что приводит к ее перегоранию. Если бы сопротивление лампочки оставалось постоянным, ее мощность была бы ровно 100 Вт, но при более высокой температуре ее сопротивление также выше.

Пример 9,9

Расчет мощности в электрических устройствах

Двигатель лебедки постоянного тока рассчитан на 20,00 А при напряжении 115 В. Когда двигатель работает на максимальной мощности, он может поднять предмет массой 4900,00 Н на расстояние 10,00 м за 30,00 с при постоянной скорость. а) Какова мощность, потребляемая двигателем? б) Какая сила используется для подъема тела? Не учитывать сопротивление воздуха. (c) Предполагая, что разница в мощности, потребляемой двигателем, и мощности, используемой для подъема объекта, рассеивается в виде тепла на сопротивлении двигателя, оцените сопротивление двигателя?

Стратегия

(a) Мощность, потребляемую двигателем, можно найти с помощью P=IVP=IV. (b) Мощность, используемая для подъема объекта с постоянной скоростью, может быть найдена по формуле P=FvP=Fv, где скорость — это расстояние, деленное на время. Подъемная сила, создаваемая двигателем, равна весу объекта, поскольку ускорение равно нулю. (c) Сопротивление двигателя можно найти, используя P=I2RP=I2R.

Решение

1. Мощность, потребляемая двигателем, равна P=IVP=IV, ток равен 20,00 А, а напряжение равно 115,00 В:

   P=IV=(20,00А)115,00В=2300,00Вт.P=IV=(20,00А)115,00В=2300,00Вт.

2. Мощность, используемая для подъема объекта, равна P=FvP=Fv, где сила равна весу объекта (1960 Н), а модуль скорости равен v=10,00 м30,00 с=0,33 мсv=10,00 м30. 00 с = 0,33 мс,

   P=Fv=(4900Н)0,33м/с=1633,33Вт.P=Fv=(4900Н)0,33м/с=1633,33Вт.

3. Разница в мощности равна 2300,00Вт-1633,33Вт=666,67Вт2300,00Вт-1633,33Вт=666,67Вт, а сопротивление можно найти используя P=I2RP=I2R:

   R=PI2=666,67 Вт(20,00 А)2=1,67 Ом. R=PI2=666,67 Вт(20,00 А)2=1,67 Ом.

Значение

Сопротивление двигателя очень мало. Сопротивление двигателя обусловлено множеством обмоток медного провода. Мощность, рассеиваемая двигателем, может быть значительной, поскольку тепловая мощность, рассеиваемая двигателем, будет довольно большой из-за этого небольшого сопротивления; однако из-за обратной ЭДС ток, потребляемый двигателем, очень мал.

Проверьте свое понимание 9,9

Проверьте свое понимание Электродвигатели имеют достаточно высокий КПД. Двигатель мощностью 100 л.с. может иметь КПД 90%, а двигатель мощностью 1 л.с. может иметь КПД 80%. Почему важно использовать высокопроизводительные двигатели?

Предохранитель (рис. 9.25) — это устройство, защищающее цепь от слишком больших токов. Предохранитель — это в основном короткий кусок провода между двумя контактами. Как мы видели, при протекании тока по проводнику кинетическая энергия носителей заряда превращается в тепловую энергию в проводнике. Кусок проволоки в предохранителе находится под напряжением и имеет низкую температуру плавления. Провод рассчитан на нагрев и разрыв при номинальном токе. Предохранитель сгорел и подлежит замене, но он защищает остальную часть цепи. Предохранители действуют быстро, но есть небольшая задержка времени, пока проволока нагревается и обрывается.

Рисунок 9.25 Предохранитель состоит из куска проволоки между двумя контактами. При прохождении по проводу тока, превышающего номинальный, провод плавится, разрывая соединение. На фото «перегоревший» предохранитель, где оборвался провод, защищающий цепь (кредит: модификация работы «Шардайы»/Flickr).

Автоматические выключатели

также рассчитаны на максимальный ток и размыкаются для защиты цепи, но могут быть сброшены. Автоматические выключатели реагируют гораздо быстрее. Работа автоматических выключателей не рассматривается в этой главе и будет обсуждаться в последующих главах. Еще одним методом защиты оборудования и людей является прерыватель цепи замыкания на землю (GFCI), который часто используется в ванных комнатах и ​​на кухнях. Розетки GFCI очень быстро реагируют на изменения тока. Эти выходы открываются при изменении магнитного поля, создаваемого проводниками с током, что также выходит за рамки этой главы и рассматривается в следующей главе.

Стоимость электроэнергии

Чем больше электроприборов вы используете и чем дольше они остаются включенными, тем выше ваш счет за электроэнергию. Этот известный факт основан на соотношении между энергией и мощностью. Вы платите за использованную энергию. Поскольку P=dEdtP=dEdt, мы видим, что

E=∫PdtE=∫Pdt

— это энергия, потребляемая устройством с мощностью P за интервал времени t . Если мощность подается с постоянной скоростью, то энергию можно найти по формуле E=PtE=Pt. Например, чем больше горит лампочка, тем больше P б/у; чем дольше они горят, тем больше т .

Единицей энергии в счетах за электроэнергию является киловатт-час (кВт·ч) (кВт·ч), что соответствует соотношению E=PtE=Pt. Стоимость эксплуатации электроприборов легко оценить, если вы имеете некоторое представление об их энергопотреблении в ваттах или киловаттах, времени их работы в часах и стоимости киловатт-часа для вашего электроснабжения. Киловатт-часы, как и все другие специализированные единицы энергии, такие как пищевые калории, могут быть преобразованы в джоули. Вы можете доказать себе, что 1кВт·ч=3,6×106Дж, 1кВт·ч=3,6×106Дж.

Потребляемая электрическая энергия ( E ) может быть уменьшена либо за счет сокращения времени использования, либо за счет снижения энергопотребления этого прибора или приспособления. Это не только снижает затраты, но и снижает воздействие на окружающую среду. Улучшение освещения — один из самых быстрых способов сократить потребление электроэнергии в доме или на предприятии. Около 20% энергии, потребляемой домом, идет на освещение, а в коммерческих учреждениях этот показатель приближается к 40%. Люминесцентные лампы примерно в четыре раза более эффективны, чем лампы накаливания — это верно как для длинных трубок, так и для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). (См. рис. 9.23(b).) Таким образом, лампочку накаливания мощностью 60 Вт можно заменить КЛЛ мощностью 15 Вт такой же яркости и цвета. КЛЛ имеют изогнутую трубку внутри шара или спиралевидную трубку, все они соединены со стандартным ввинчивающимся основанием, которое подходит для стандартных патронов для ламп накаливания. (Первоначальные проблемы с цветом, мерцанием, формой и высокими первоначальными вложениями в КЛЛ были решены в последние годы.)

Теплоотдача от этих компактных люминесцентных ламп меньше, и они служат в 10 раз дольше, чем лампы накаливания. Значение инвестиций в такие лампочки рассматривается в следующем примере. Новые белые светодиоды (представляющие собой группы небольших светодиодов) еще более эффективны (в два раза эффективнее, чем КЛЛ) и служат в пять раз дольше, чем КЛЛ.

Пример 9.10

Расчет экономической эффективности светодиодов

Типичной заменой лампы накаливания мощностью 100 Вт является светодиод мощностью 20 Вт. Светодиод мощностью 20 Вт может обеспечить такое же количество света, как и лампа накаливания мощностью 100 Вт. Какова экономия затрат на использование светодиода вместо лампы накаливания в течение одного года, если предположить, что 0,10 доллара за киловатт-час — это средний тариф на электроэнергию, взимаемый энергетической компанией? Предположим, что лампочка включена на три часа в день.

Стратегия

(a) Рассчитайте энергию, используемую в течение года для каждой лампочки, используя E=PtE=Pt.

(b) Умножьте энергию на стоимость.

Решение

1. Рассчитайте мощность каждой лампочки.

   EЛампа накаливания=Pt=100Вт(1кВт1000Вт)(3чдень)(365дней)=109.5кВт·чСИД=Pt=20Вт(1кВт1000Вт)(3чдень)(365дней)=21.90кВтч.EЛампа накаливания=Pt=100Вт(1кВт1000Вт)(3чдень) (365дней)=109,5кВт·чLED=Pt=20Вт(1кВт1000Вт)(3чдень)(365дней)=21,90кВт·ч.

2. Рассчитать стоимость каждого.

   стоимость ламп накаливания = 109,5 кВт-ч (0,10 долл. США кВт·ч) = 10,95 долл. США стоимость светодиодов = 21,90 кВт-ч (0,10 долл. США кВт·ч) = 2,19 долл. США. (0,10 кВт·ч) = 2,19 доллара США.

Значение

Светодиод потребляет на 80% меньше энергии, чем лампа накаливания, экономя 8,76 долларов по сравнению с лампой накаливания в течение одного года. Светодиод может стоить 20 долларов, а лампа накаливания мощностью 100 Вт может стоить 0,75 доллара, что должно быть учтено при расчете. Типичный срок службы лампы накаливания составляет 1200 часов, а светодиода — 50 000 часов. Лампа накаливания прослужит 1,08 года при работе по 3 часа в день, а светодиод — 45,66 года. Первоначальная стоимость светодиода высока, но стоимость для владельца дома составит 0,69 доллара США.для ламп накаливания по сравнению с 0,44 доллара для светодиодов в год. (Обратите внимание, что светодиоды падают в цене.) Годовая экономия составляет примерно 8,50 долларов США, и это только на одну лампочку.

Проверьте свое понимание 9.10

Проверьте свое понимание Является ли КПД различных лампочек единственным соображением при сравнении различных лампочек?

Замена ламп накаливания на КЛЛ или светодиоды — это простой способ снизить потребление энергии в домах и коммерческих объектах. Лампы CFL работают по совершенно другому механизму, чем лампы накаливания. Механизм сложен и выходит за рамки этой главы, но здесь дается очень общее описание механизма. Лампы компактных люминесцентных ламп содержат пары аргона и ртути, заключенные в спиралевидную трубку. Лампы CFL используют «балласт», который увеличивает напряжение, используемое лампой CFL. Балласт производит электрический ток, который проходит через газовую смесь и возбуждает молекулы газа. Молекулы возбужденного газа излучают ультрафиолетовый (УФ) свет, который, в свою очередь, стимулирует флуоресцентное покрытие внутри трубки. Это покрытие флуоресцирует в видимом спектре, излучая видимый свет. Традиционные люминесцентные лампы и лампы компактных люминесцентных ламп имели короткую временную задержку до нескольких секунд, пока смесь «разогревалась» и молекулы переходили в возбужденное состояние. Следует отметить, что эти лампочки содержат ртуть, которая является ядовитой, но если лампочка разбита, ртуть никогда не высвобождается. Даже если лампочка разбита, ртуть имеет тенденцию оставаться во флуоресцентном покрытии. Сумма также довольно мала, и преимущество экономии энергии может перевесить недостаток использования ртути.

Лампы компактных люминесцентных ламп заменяются на светодиоды, где LED означает «светоизлучающий диод». Диод был кратко рассмотрен как неомическое устройство, изготовленное из полупроводникового материала, который позволяет току течь в одном направлении. Светодиоды представляют собой диоды особого типа, изготовленные из полупроводниковых материалов, в которые добавлены примеси в таких сочетаниях и концентрациях, которые позволяют преобразовывать дополнительную энергию от движения электронов во время электрического возбуждения в видимый свет. Полупроводниковые устройства будут объяснены более подробно в физике конденсированных сред.

Коммерческие светодиоды

быстро становятся стандартом коммерческого и жилого освещения, заменяя лампы накаливания и КЛЛ. Они предназначены для видимого спектра и изготовлены из галлия, легированного атомами мышьяка и фосфора. Цвет, излучаемый светодиодом, зависит от материалов, используемых в полупроводнике, и силы тока. В первые годы разработки светодиодов маленькие светодиоды на печатных платах были красными, зелеными и желтыми, но теперь светодиоды можно запрограммировать для получения миллионов цветов света, а также множества различных оттенков белого света.

Сравнение ламп накаливания, КЛЛ и светодиодов

Экономия энергии может быть значительной при замене лампы накаливания или КЛЛ на светодиод. Лампочки оцениваются по количеству энергии, потребляемой лампой, а количество светового потока измеряется в люменах. Люмен (лм) — производная единица измерения светового потока в системе СИ и мера общего количества видимого света, излучаемого источником. Лампу накаливания мощностью 60 Вт можно заменить лампой CFL мощностью 13–15 Вт или светодиодом мощностью 6–8 Вт, все три из которых имеют световой поток примерно 800 лм. Таблица светоотдачи для некоторых широко используемых лампочек приведена в Таблице 9..2.

Срок службы трех типов ламп значительно различается. Срок службы светодиода составляет 50 000 часов, тогда как срок службы КЛЛ составляет 8 000 часов, а срок службы лампы накаливания составляет всего 1 200 часов. Светодиод является наиболее прочным, легко выдерживающим грубое обращение, такое как сотрясение и удары. Лампа накаливания плохо переносит такое же обращение, поскольку нить накаливания и стекло могут легко сломаться. Лампа CFL также менее долговечна, чем светодиод, из-за своей стеклянной конструкции. Количество выделяемого тепла составляет 3,4 БТЕ/ч для светодиода мощностью 8 Вт, 85 БТЕ/ч для лампы накаливания мощностью 60 Вт и 30 БТЕ/ч для лампы CFL. Как упоминалось ранее, основным недостатком лампы CFL является то, что она содержит ртуть, нейротоксин, и должна утилизироваться как опасные отходы. Из этих данных легко понять, почему светодиоды быстро становятся стандартом в освещении.

Световой поток (люмен)	Светодиоды (Вт)	Лампы накаливания (Вт)	Лампы CFL (Вт)
450	4−5	40	9−13
800	6−8	60	13−15
1100	9−13	75	18−25
1600	16−20	100	23−30
2600	25−28	150	30−55

Стол 9. 2 Световой поток светодиодов, ламп накаливания и КЛЛ

Краткое изложение отношений

В этой главе мы обсудили отношения между напряжением, током, сопротивлением и мощностью. На рис. 9.26 показаны соотношения между этими измеряемыми величинами для омических устройств. (Вспомните, что омические устройства следуют закону Ома V=IRV=IR.) Например, если вам нужно рассчитать мощность, используйте розовый участок, который показывает, что P=VIP=VI, P=V2RP=V2R и P=I2RP =I2R.

Рисунок 9.26 Этот круг показывает сводку уравнений для отношений между мощностью, током, напряжением и сопротивлением.

Какое уравнение использовать, зависит от того, какие значения вам даны или какие вы измеряете. Например, если вам заданы ток и сопротивление, используйте P=I2RP=I2R. Хотя все возможные комбинации могут показаться ошеломляющими, не забывайте, что все они представляют собой комбинации всего двух уравнений: закона Ома (V=IR)(V=IR) и мощности (P=IV)(P=IV).

Что это такое и как это работает?

Механическая энергия окружает нас повсюду. Будь то ребенок, пинающий футбольный мяч, или массивная ветряная турбина, дающая нам электричество, от этой силы никуда не деться. Но что такое механическая энергия? В этом руководстве мы поможем вам больше узнать о механической энергии, о том, как она работает и производит энергию, и почему она важна для вас (и для всех нас).

Что такое механическая энергия и как она работает?

Механическая энергия является предметом физической науки. Это энергия движения или энергия движущегося объекта. Все формы жизни и многие системы используют механическую энергию для функционирования, и энергию движения можно увидеть в повседневной жизни. Вот несколько примеров: 

• Ребенок держит мяч в воздухе и осматривает поле, чтобы бросить его. Они прикладывают силу (поддерживая мяч), но еще не совершили никакой работы (сила вызывает смещение объекта).
• Ребенок пинает мяч (внешняя сила) — на него действует сила, толкающая его вперед.
• Мяч летит по воздуху (энергия движения), опускается (сила гравитации), отскакивает от земли, снова поднимается в точку (потенциальная энергия гравитации), затем возвращается вниз и катится до полной остановки.
• Самолет, несущийся по взлетно-посадочной полосе, представляет собой энергию движения.
• Самолет, летящий на большой скорости, врезается в вертолет и передает кинетическую энергию другому самолету.
• Частный самолет замедляется, чтобы остановиться, когда пилот нажимает на тормоза (сила трения).

Механическая энергия (кинетическая энергия или потенциальная энергия) — это либо энергия движущегося объекта, либо энергия, запасенная в объектах их положением.

Механическая энергия также является движущей силой возобновляемых источников энергии. Многие формы возобновляемой энергии полагаются на механическую энергию для адекватного производства электроэнергии или преобразования энергии.

Двумя примерами возобновляемой энергии, зависящей от механической энергии, являются гидроэнергетика и энергия ветра.

Почтовый индекс

Механическая энергия — это лишь одна из нескольких форм энергии, которые также включают:  

• Свет  
• Нагрев
• Энергия звука 
• Химическая энергия
• Электроэнергия 
• Атомная энергия

Интересно, что все эти формы энергии взаимозаменяемы — переходя из одного состояния в другое в зависимости от обстоятельств. Это потому, что научный закон сохранения гласит, что энергия никогда полностью не перестает существовать; он может только переходить из одной формы в другую.

Каковы некоторые примеры механической энергии?

Механическая энергия может производиться живыми существами, твердыми предметами, газами, водой или воздухом. Везде есть примеры механической энергии.

Потенциальная и кинетическая энергия — это всего лишь два примера, которые мы можем увидеть или испытать.

Пример потенциальной энергии 

Представьте, что вы приходите домой с местного фермерского рынка и среди вашей корзины с органическими вкусностями лежит толстый, сочный, круглый арбуз.

Вы кладете арбуз на кухонный стол. Теперь у него есть потенциальная энергия из-за его высоты над кухонным полом и из-за его веса.

Затем вы случайно задеваете его локтем, когда вытаскиваете банку для хранения свежих органических кофейных зерен. Вы пытаетесь поймать ее, когда дыня начинает катиться к краю прилавка. Это энергия движения.

Поскольку ваши руки заняты банкой и пакетом кофе, ваша дыня падает на пол (сила гравитации — пример неконсервативной силы), врезаясь в керамическую плитку и взрываясь на бессчетное количество осколков. Теперь «работа» сделана, потому что от удара дыня разбилась на куски сочной кашицы. Разбитый арбуз также создает звуковую энергию, одну из форм энергии, обсуждавшихся ранее.

Пример кинетической энергии 

источник

Многие из нас в восторге от чистой энергии из-за ее благотворного влияния на изменение климата. Мы можем выбрать план экологически чистой энергии, когда выбираем поставщика электроэнергии, или мы можем установить солнечные батареи в нашем доме.

Когда мы выбираем план экологически чистой энергии, эта энергия часто производится турбинами. Существуют различные виды кинетической энергии, которые заставляют турбины производить электричество.

• Ветер: Например, ветряная турбина представляет собой тип технологии возобновляемой энергии, которая вырабатывает энергию за счет движения воздуха. Когда дует ветер, он вращает лопасти турбины по кругу, что приводит к вращению приводного вала, вырабатывающего электричество.
   
• Пар: Точно так же паровые турбины используют давление для перемещения лопастей турбины. Лопасти вращаются по кругу, когда дует пар, используя механическую энергию для вращения вала вращателя. Вал вращателя соединен с генератором, который получает кинетическую энергию и преобразует ее в электрическую энергию. Этот же процесс используется для работы паровых двигателей.
   

• Вода: Гидроэнергетика получает механическую энергию движущейся воды с помощью гидротурбин или гидроаккумулирующих систем. Подобно ветряным или паровым турбинам, гидротурбины используют кинетическую энергию текущей воды для вращения лопастей. С другой стороны, гидроаккумулирующие системы используют резервуары с водой на разных высотах для перемещения воды туда и обратно и выработки гидроэлектроэнергии. Оба метода отражают естественные механические энергетические силы рек, ручьев, водопадов, океанов и даже дождя.

Является ли механическая энергия потенциальной или кинетической?

Существует два вида механической энергии – движение (кинетическая энергия) и накопленная (потенциальная энергия). Вы можете узнать больше в нашем руководстве, которое объясняет потенциальную и кинетическую энергию.

Механическое преобразование зависит от количества потенциальной энергии объекта и количества кинетической энергии, которую он может произвести.

Однако, независимо от потенциала, энергия движения является неотъемлемой частью производства энергии, и многие источники энергии не могут работать без нее.

Механическая энергия зависит от положения и движения объекта, а ее мощность получается из суммы движущейся (кинетической энергии) и накопленной (потенциальной) энергии. Другими словами, когда потенциальная энергия объекта объединяется с его кинетической энергией, получается механическая энергия.

Например, американские горки получают наибольшую гравитационную потенциальную энергию, когда они достигают первого пика в начале поездки — это то, что определяет общее количество энергии, доступной для движения автомобилей вперед на протяжении всей поездки.

При восхождении на вершину одного из своих холмов или петель он получает потенциальную энергию — чем выше он поднимается, тем больше потенциальной энергии получает. Когда он переходит в движение вниз, он начинает преобразовывать свою потенциальную энергию в кинетическую энергию. По мере того, как тележка движется вниз по склону, ее кинетическая энергия увеличивается; одновременно его потенциальная энергия уменьшается.

Некоторыми примерами объектов с потенциальной энергией являются валун на краю обрыва, вода в забитой ванне или шар-разрушитель, ожидающий разрушения. Все они находятся в энергии положения, прежде чем они катятся, текут или качаются.

Почтовый индекс

Источники кинетической энергии возникают в результате движения или гравитационных сил, таких как океанские волны, пар, текущая вода или ветер. Это также может быть энергия, затрачиваемая человеком, когда он бегает, прыгает, танцует, водит машину, бросает дротик или швыряет шар для боулинга по аллее.

Когда валун скатывается со скалы или пробка из ванны вынимается и вода начинает течь в канализацию, эти объекты или источники получают кинетическую энергию.

Когда они накапливают кинетическую энергию, они теряют потенциальную энергию, и вместе они создают уровень силы, скорости или мощности объекта.

Все остальные типы энергии могут быть только кинетической энергией или потенциальной энергией — по одному за раз, но никогда одновременно. Следовательно, механическая энергия является единственной формой энергии, которая может использовать потенциальную и кинетическую энергию и переключаться между ними.

Как механическая энергия производит энергию?

Механическая энергия производится путем получения потенциальной и кинетической энергии и преобразования их в мощность. Примерами этого могут быть пар, вода, ветер, газ или жидкое топливо, которое приводит в действие турбины.

Машины часто используются для генерирования других форм энергии посредством преобразования, прежде чем они будут использованы в качестве энергии. Как только механическая энергия изменена определенным образом, мы можем использовать ее так, как нам хочется или нужно, чтобы она работала.

Можно ли сохранить механическую энергию?

Вы можете сохранить механическую энергию, что крайне важно, поскольку энергия может улетучиваться при использовании, а мощность может быть потрачена впустую в процессе преобразования.

Некоторая потеря энергии неизбежна при возникновении неконсервативных или останавливающих сил или ситуаций, но перенаправление или сохранение энергии может помочь достичь максимальной эффективности.

Неэффективные системы преобразования энергии обходятся дороже и могут снизить эффективность энергосистем. Например, если энергия ветра преобразуется в механическую энергию для вращения ветряной турбины, но в процессе преобразования теряется более половины проводимой энергии, система работает медленно, требует больше времени и энергии.

Что такое преобразование энергии?

источник

Преобразование энергии происходит разными способами. Министерство энергетики США приводит, например, эксплуатацию автомобиля.

Бензин, находящийся в автомобильном баке до того, как машина заводится, удерживает химическую потенциальную энергию. Когда газ сжигается после запуска транспортного средства, он превращается из химической энергии в тепловую энергию, форму тепловой энергии.

Затем тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, используя силу и движение (кинетическую энергию) для движения транспортного средства.

Как только автомобиль больше не нуждается в движении или на мгновение останавливается, применяются тормоза, которые создают трение, неконсервативную силу.

Механическая, кинетическая энергия преобразуется обратно в тепловое состояние и снова становится тепловой энергией.

Согласно закону сохранения механической энергии, когда система изолирована или взаимодействует только с консервативными силами, механическая энергия постоянна.

Другими словами, автомобиль будет постоянно сохранять свою механическую энергию до тех пор, пока либо не кончится бензин и механическая энергия больше не будет производиться, либо он не будет взаимодействовать с неконсервативной силой, такой как трение от торможения или столба, другого транспортного средства или здания.

Далее, если изменяется скорость движущегося объекта или материала, вместе с ним изменяется и кинетическая энергия.

В случае с автомобилем, если бы он замедлился, но продолжил движение, а затем врезался бы в другое транспортное средство со скоростью всего несколько миль в час, удар был бы меньше, чем если бы автомобиль набрал скорость и ударил другое транспортное средство во время движения так быстро, как машина могла двигаться.

Чем быстрее движется автомобиль, тем больше кинетической энергии он производит и тем большую мощность он оказывает при ударе.

Иногда, когда объекты сталкиваются с неконсервативными силами, такими как трение, они также могут терять энергию.

Количество энергии, потерянной при столкновении, будет зависеть от того, какой тип столкновения произошел, когда это произошло.

Если столкновение или взаимодействие являются эластичными, например, игрушка Slinky спускается по лестнице, количество энергии останется прежним, а сила объекта будет сохранена.

Если столкновение неупругое, например, когда расплющенное тесто лепешки падает на сковороду, энергия преобразуется в тепловую и не сохраняется.