Энергия и мощность электрического тока

В любой замкнутой электрической цепи источник затрачивает электрическую энергию W_истна перемещение единицы положительного заряда по всей цепи: и на внутреннем и на внешнем участках.

и;

Энергия источника определяется выражением: W_ист=Eq=EIt= (U₀+U)It;

Энергия источника (полезная), которая расходуется на потребителе: W=UIt;

Энергия источника (потери), которая расходуется на внутреннем сопротивлении источника: W=U₀It;

Преобразование электрической энергии в другие виды энергий происходит с определенной скоростью. Эта скорость определяет электрическую мощность элементов электрической цепи:

;

Мощность источника определяется соотношением:

Мощность потребителя определяется соотношением:

Коэффициент полезного действияэлектрической цепиηопределяется отношением мощности потребителя к мощности источника:

Закон Джоуля — Ленца

Ток, протекая по проводнику, нагревает его (в этом случае электрическая энергия преобразуется в тепловую). Количество выделенного тепла будет определяться количеством электрической энергии, затраченной в этом проводнике.

Дж.

(кал).

Коэффициент 0,24 (электротермический эквивалент) устанавливает зависимость между электрической и тепловой энергией.

Часть3: Режимы работы электрических цепей

В электрических цепях все основные элементы делятся на активные и пассивные. Активными считаются элементы, в которых преобразование энергии сопровождается возникновением ЭДС (аккумуляторы, генераторы). Элементы, в которых ЭДС не возникает, называются пассивными.

Параметры электрических цепей:

Ток в замкнутой цепи ;

Напряжение на клеммах источника ;

Падение напряжения на сопротивлении источника ;

Полезная мощность (мощность потребителя) .

Электрические цепи могут работать в трех режимах:

• режим холостого хода (цепь разомкнута) R=∞:I_хх=0,U=E, U₀=0, P=0.

• режим короткого замыкания R=0:

• режим нагрузки R≠0:;;;.

Условие максимальной отдачи мощности: полезная мощность максимальна, когда сопротивление потребителя R

станет равным внутреннему сопротивлению источника R₀.

КПД при максимальной отдаче мощности равно 50%, к 100% КПД приближается в режиме, близком к холостому ходу.

Нормальным (рабочим) режимом называют такой режим работы цепи, при котором ток, напряжение и мощность не превышают номинальных значений, заданных заводом-изготовителем.

Источники тока могут работать в режиме генератора и в режиме нагрузки. Источники, ЭДС которых совпадают с направлением тока в цепи, работают в режиме генератора, а источники , ЭДС которых не совпадают с направлением тока, работают в режиме потребителя.

Напряжение источника, работающего в режиме генератора: .

Напряжение источника, работающего в режиме потребителя: .

Тема 1.3

Расчет электрических цепей постоянного тока

Основной целью расчета электрической цепи является нахождение ее параметров: ток, напряжение, сопротивление, мощность, КПД. Значения параметров дают возможность оценить условия и эффективность работы электротехнического оборудования и приборов во всех участках электрической цепи.

Для расчета электрических цепей основой служат законы Ома и Кирхгофа, Джоуля-Ленца.

Законы Кирхгофа

К характерным элементам электрической цепи относятся ветвь, узел, контур.

Ветвью электрической цепи называется ее участок, на всем протяжении которого величина тока имеет одинаковое значение. Ветви, которые содержат источники питания называются активными, а которые не содержат их – пассивными.

Узлом электрической цепи называется точка соединения электрических ветвей.

Контуром электрической цепи называют замкнутое соединение, в которое могут входить несколько ветвей.

Первый закон Кирхгофа

Сумма токов входящих в узел равна сумме токов, выходящих из узла. ИЛИ Сумма токов, сходящихся в узле равна нулю.

∑I=0; — математическое выражение первого закона Кирхгофа.

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме падений напряжений на всех участках этой цепи.

; — математическое выражение второго закона Кирхгофа.

Последовательное соединение потребителей

Последовательным соединением участков эй цепи называют соединение, при котором через все участки цепи проходит один и тот же ток.

Общее напряжение последовательно соединенных элементов равно сумме напряжений на каждом элементе согласно второму закону Кирхгофа: ;

В соответствии с законом Ома: ; Из этого соотношения следует:; Таким образом, общее сопротивление цепи с последовательно соединенными элементами равно сумме этих сопротивлений.

Параллельное сопротивление потребителей

Параллельным соединением участков электрической цепи называется соединение, при котором все участки цепи присоединяются к одной паре узлов, то есть находятся под действием одного и того же напряжения.

Общий ток такого соединения согласно первому закона Кирхгофа будет равен сумме токов в отдельных ветвях: ; В соответствии с законом Ома:; Если поделить левую и правую части наU, получим:;

Обратная величина общего эквивалентного сопротивления параллельно включенных потребителей равна сумме обратных величин этих потребителей.

Величина, обратная сопротивлению определяет проводимость потребителя g. Тогда для параллельно соединенных потребителей справедливо:;

§ 53. ЭНЕРГИЯ И МОЩНОСТЬ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотрим простейшую замкнутую цепь переменного тока, состоящую из активного сопротивления, индуктивности, емкости и подсоединенную к источнику переменной ЭДС (рис. 147). В этом случае ЭДС будет соответствовать рассмотренному выше (см. § 52) общему мгновенному напряжению и поэтому пусть и соответственно .

За малый промежуток времени dt работа сторонних сил источника dAcт расходуется на выделение тепла на активном сопротивлении dQ, а также на приращение энергии электрического поля конденсатора dWэ и магнитного поля катушки dWм.

. Поделив обе части равенства на dt, получим:

. Проанализируем физический смысл полученных отношений. Левая часть представляет собой мощность сторонних сил или мощность источника ЭДС: .

Скорость выделения теплоты на активном сопротивлении – тепловая мощность: .

Скорости изменения энергии электрического и магнитного полей можно также назвать мощностями на соответствующих участках:

и . Покажем связь этих величин с мгновенными значениями силы тока и напряжения, считая ток квазистационарным, т. е. что его мгновенное значение одинаково во всей цепи.

, ,

,

.

Подставив полученные значения в выражение для мощностей и разделив обе части на мгновенное значение силы тока, мы получим второе правило Кирхгоффа для замкнутого контура:

.

Это правило, как уже обсуждалось, является следствием закона сохранения энергии и может быть использовано при расчетах в цепях квазистационарного тока.

РИС.147 РИС.148

Получим в явном виде зависимость введенных мощностей от времени:

,

,

При получении этих выражений были использованы формулы:

На рис.148 приведены графики зависимости от времени введенных мощностей, иллюстрирующие то, что все эти величины изменяются с циклической частотой в 2 раза большей, чем ток и напряжение.

Кроме того, мощность, выделяющаяся на активном сопротивлении, всегда положительная величина, а на емкостном и индуктивном сопротивлениях — может быть положительной и отрицательной, и изменение мощности на этих элементах происходит в противофазе.

Для осознания физического смысла полученных зависимостей рассчитаем изменение энергии электрического и магнитного поля на емкости и индуктивности за период.

,

Соответственно и средние мощности за период равны нулю:

, .

Таким образом, сколько энергии забирается конденсатором из цепи в те доли периода, когда электрическое поле в нем возрастает (Рс>0), столько же энергии конденсатор отдает в цепь в те доли периода, когда энергия электрического поля в нем убывает (РС<0).

Аналогично для магнитного поля катушки.

На основании этого вводят понятие реактивной мощности – это энергия за период, которой обменивается конденсатор (или индуктивность) с источником ЭДС. Соответственно и емкостное и индуктивное сопротивления поэтому называют реактивными.

На активном сопротивлении за период выделяется количество теплоты:

Средняя мощность за период равна , т. е. на этом участке из цепи непрерывно выделяется энергия, поэтому, как уже обсуждалось и введено понятие активного сопротивления. На рис.148 график средней активной мощности за период – пунктирная прямая, возле которой совершает колебания активная мощность.

Используем, что . Тогда , а количество теплоты, выделившееся за период .

При протекании по этому же сопротивлению постоянного тока за то же время, по закону Джоуля-Ленца, выделилось бы количество теплоты .

Поэтому вводят действующее (эффективное) значение переменного тока – такое значение силы постоянного тока, при котором на том же сопротивлении за то же время выделяется такое же количество теплоты. Тогда: . Аналогично значения:

и называют действующими значениями напряжения и ЭДС.

Все выражения, полученные для амплитудных значений, справедливы и для действующих значений, а на векторных диаграммах часто указывают не амплитудные, а действующие значения (рис.149).

Так как цепь последовательная, то, используя диаграмму напряжений и умножив на действующее значение силы тока, можно построить «треугольник мощностей» (рис.150).

Из треугольника мощностей: — реактивная мощность, , где —

РИС.149 РИС.150

называется коэффициентом мощности и показывает какая часть мощности источника выделяется на активном сопротивлении.

Как уже обсуждалось, реактивные сопротивления лишь обмениваются энергией с источником. В большинстве используемых на практике устройств энергия электрического тока преобразуется в другие виды энергии и выводится из цепи. Поэтому мощность, выделяющаяся на активном сопротивлении, т. е. на потребителе, — полезная часть всей мощности источника.

Поэтому коэффициент мощности, по сути, коэффициент полезного действия цепи и он равен 1, если в цепи отсутствует реактивное сопротивление.

Если цепь содержит только реактивное сопротивление, то коэффициент мощности равен 0. Основное назначение цепей переменного тока – передача электроэнергии и, если коэффициент мощности значительно меньше 1, то для передачи потребителю заданной мощности при заданном напряжении источника необходимо увеличить амплитудное значения силы тока в цепи, так как: . Амплитуда силы тока тем больше, чем меньше общее реактивное сопротивление .

Поэтому на практике если в цепи переменного тока неизбежно присутствует значительная емкость (индуктивность), то, в целях увеличения потребляемой мощности, в цепь дополнительно вводят индуктивность (емкость), чтобы уменьшить общее реактивное сопротивление.

Если электроэнергия передается на большое расстояние, то увеличение амплитуды силы тока приведет к увеличению выделяющегося в проводах количества теплоты. Потери на нагревание, в этом случае, можно уменьшить, лишь увеличив сечение проводов, что также экономически не выгодно.

Поэтому повышение коэффициента мощности представляет одну из важнейших проблем при практическом использовании цепей переменного тока. Наименьшее допустимое значение коэффициента мощности для промышленных установок составляет примерно 0,85.

Передача энергии в электрических цепях Учебное пособие

Инструменты для творчества скоро появятся, чтобы вдохновить!

Присоединяйтесь к списку рассылки, чтобы узнать, когда мы запустимся.

Физика

Общая физика

Электрические цепи

Перенос энергии в электрических цепях Учебное пособие

Равела Да Круз

HS-PS3-5

формы передачи энергии в цепях 900 03

электрическая мощность

электрический ток

обрыв цепи

цепи с замкнутым контуром

Электроэнергия — это энергия, преобразованная в единицу времени в электрической цепи, и когда она передается по цепям, она называется электрической мощностью.

Содержание

Электрические цепи — это пути, по которым текут электроны, создавая сеть для электрических компонентов. Провода вместе составляют путь и могут легко питаться от батареи. Это обеспечивает стимулы для электрона, что приводит к передаче энергии в цепях.

Источник

ЗНАЧЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В ЦЕПЯХ

• Значение передачи энергии  является преобразованием одной формы энергии в другую форму.

• Обычно это движение энергии или поток электронов на своем пути.

• Когда электроны или энергия проходят по замкнутому пути, мы называем это передачей энергии в цепях.

• Эти формы передачи энергии в цепях называются электроэнергией.

• Кроме того, электрическая мощность — это энергия в единицу времени, преобразованная за счет электрической цепи из одного вида энергии в другой.

• Формула электроэнергии определяется как

  E = I ² Rt .

• Электрические цепи представляют собой замкнутый контур или путь, по которому протекает электрический ток.

• Этот поток энергии возникает из-за замкнутого пути или цепи.

• Когда путь не закрыт, энергия не сможет проходить по цепи, поскольку поток электронов прерывается.

• Следовательно, в разомкнутой цепи передача энергии невозможна.

 

УРАВНЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В ЦЕПЯХ

Уравнения переноса энергии в электрических цепях включали перенос электронов электрическим током на соответствующий заряд проводника и напряжение.

Его уравнение: E = QV

Где E = энергия в джоулях

Q = заряд в кулонах

V = напряжение в вольтах.

ПРИМЕРЫ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В ЦЕПЯХ

Существуют различные формы передачи энергии в примерах электрических цепей.

• В лампочки
• В автомобильном аккумуляторе
• Лампа, вставленная в распределительный щит
• Аккумуляторы для мобильных телефонов
• Тостер для хлеба дома

Источник 

• Электроэнергией называется скорость, с которой электрическая энергия потребляется устройством.
• Сама электрическая энергия может быть выражена как генерация энергии из-за движения электронов от их собственного заряда к заряду проводника. Электрическая мощность умножается на время, т. е. E = Pt.
• Некоторыми примерами передачи энергии являются электродвигатели, домашние тостеры для хлеба, электрические утюги и т. д.
• Передача энергии в уравнении электрических цепей E = QV.

Часто задаваемые вопросы

1. Как энергия передается в цепи?

Средство передачи энергии в цепи по замкнутому контуру. Когда цепь полностью замкнута с обоих концов, энергия переходит из одной формы в другую. А скорость потребления энергии в единицу времени называется электрической мощностью.

2. Каковы 10 примеров передачи энергии?

• Качание
• Электродвигатель
• Электрический генератор
• Освещение лампы
• Автомобильный двигатель
• Сотовый в машине или телефоны
• Солнечный нагреватель
• Солнечная батарея
• Тостер для хлеба дома
• Электроутюги

3. Каковы 5 преобразований энергии?

• Химическая энергия в электрическую
• Электрическая энергия в тепловую энергию
• Химическая энергия в механическую
• Свет в химическую энергию
• Электрическая энергия в тепловую энергию

4. Приведите уравнение переноса энергии в электрических цепях.

Уравнение переноса энергии в электрических цепях: E = QV.

Мы надеемся, что вам понравился этот урок, и вы узнали что-то интересное о Передача энергии в электрических цепях! Присоединяйтесь к нашему сообществу Discord, чтобы получить ответы на любые вопросы и пообщаться с другими учениками, такими же, как и вы! Обещаем, так учиться намного веселее!😎

ССЫЛКИ

1. Передача энергии в цепях: https://www.onlinemathlearning.com/energy-transfer-circuits.html По состоянию на 19 апреля 2022 г.
2. Электроэнергия: https://www.vedantu.com/physics/electric-powerДоступ 19 апреля 2022 г.
3. Electric Energy and Power: https://byjus.com/physics/electrical-energy-and-power/Проверено 19 апреля 2022 г.
4. Передача энергии в цепях: https://study.com/academy/lesson/energy-transfers-in-circuits-equations-examples.htmlДоступ 1904.04.2022.
5. Передача энергии в электрических цепях: https://flexbooks.ck12.org/cbook/ck-12-physics-flexbook-2.0/section/17.1/primary/lesson/energy-transfer-in-electric-circuits-phys/Accessed 19 апреля 2022 г.

3.4 Электроэнергия и энергия

Цели обученияМощность в электрических цепяхСтоимость электроэнергии

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Рассчитайте мощность, рассеиваемую резистором, и мощность, отдаваемую источником питания
• Расчет стоимости электроэнергии при различных обстоятельствах

Информация, представленная в этом разделе, поддерживает следующие цели обучения и научные практики AP®:

• 5. B.9.8 Учащийся может переводить графическое и символическое представления экспериментальных данных, описывающих отношения между мощностью, током и разностью потенциалов на резисторе. (С.П. 1.5)

Мощность в электрических цепях

Энергия у многих ассоциируется с электричеством. Зная, что мощность — это скорость использования или преобразования энергии, как можно выразить электрическую мощность? На ум могут прийти линии электропередач. Мы также думаем о лампочках с точки зрения их номинальной мощности в ваттах. Сравним 25-ваттную лампочку с 60-ваттной. (См. рис. 3.17(а)) Поскольку обе лампы работают при одинаковом напряжении, 60-ваттная лампа должна потреблять больший ток, чтобы иметь большую номинальную мощность. Таким образом, сопротивление лампочки мощностью 60 Вт должно быть ниже, чем у лампы мощностью 25 Вт. Если мы увеличиваем напряжение, мы также увеличиваем мощность. Например, когда лампочка мощностью 25 Вт, рассчитанная на работу от сети 120 В, подключается к сети 240 В, она короткое время очень ярко светится, а затем перегорает. Как именно напряжение, ток и сопротивление связаны с электроэнергией?

Рисунок 3.17 (a) Какая из этих ламп накаливания, 25-ваттная (вверху слева) или 60-ваттная (вверху справа), имеет большее сопротивление? Что потребляет больше тока? Что потребляет больше всего энергии? Можно ли по цвету сказать, что нить накаливания 25 Вт холоднее? Является ли более яркая лампочка другого цвета, и если да, то почему? (Dickbauch, Wikimedia Commons; Greg Westfall, Flickr) (b) Эта компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) излучает ту же интенсивность света, что и лампочка мощностью 60 Вт, но с мощностью от 1/4 до 1/10 входной мощности. (dbgg1979, Фликр)

Электрическая энергия зависит как от задействованного напряжения, так и от перемещенного заряда. Проще всего это выражается как PE=qV, PE=qV, size 12{«PE»= ital «qV»} {}, где qq size 12{q} {} — перемещаемый заряд, а VV size 12{V} {}. это напряжение (или, точнее, разность потенциалов, через которую проходит заряд). Мощность — это скорость, с которой перемещается энергия, поэтому электрическая мощность равна

.

3,26 P=PEt=qVt.P=PEt=qVt. size 12{P = {{ ital «PE»} over {t} } = {{ ital «qV»} over {t} } «.»} {}

Учитывая, что ток равен I=q/tI=q/t размер 12{I = q/t} {} (обратите внимание, что здесь Δt=tΔt=t размер 12{Δt=t} {}), выражение для мощности становится

3,27 П=IV.П=IV. размер 12 {P = итал. «IV.»} {}

Электрическая мощность (P)P) — это просто произведение тока на напряжение. Мощность имеет привычные единицы измерения ватт. Поскольку единицей СИ для потенциальной энергии (PE) является джоуль, мощность измеряется в джоулях в секунду или ваттах. Таким образом, 1 А⋅В=1 Вт. 1 А⋅В=1 Вт. Например, в автомобилях часто есть одна или несколько дополнительных розеток, с помощью которых можно заряжать мобильный телефон или другие электронные устройства. Эти розетки могут быть рассчитаны на 20 А, чтобы цепь могла обеспечить максимальную мощность P=IV=(20 А)(12 В)=240 Вт. P=IV=(20 А)(12 В)=240 Вт. приложений электрическая мощность может быть выражена в вольт-амперах или даже киловольт-амперах (1 кА ⋅ В = 1 кВт) (1 кА ⋅ В = 1 кВт). типоразмер 12{«1 кА » cdot V=» 1 кВт»} {}

Чтобы увидеть отношение мощности к сопротивлению, мы комбинируем закон Ома с P=IV.P=IV. размер 12{P = итал. «IV»} {} Замена I=V/RI=V/R размера 12{I = итал. «V/R»} {} дает P=(V/R)V=V2/R.P= (В/Р)В=В2/Р. размер 12{P = \( V/R \) V=V rSup { размер 8{2} } R} {} Аналогично, замена V=IRV=IR размера 12{V= ital «IR»} {} дает P= I(IR)=I2R.P=I(IR)=I2R. size 12{P =I \( ital «IR» \) = I rSup { size 8{2} } R} {} Для удобства здесь перечислены вместе три выражения для электрической мощности.

3,28 P=IVP=IV размер 12{P = итал. «IV»} {}

3.29 P=V2RP=V2R размер 12{P = {{V rSup {размер 8{2} } } свыше {R} } } {}

3.30 P=I2RP=I2R

Обратите внимание, что первое уравнение справедливо всегда, а два других можно использовать только для резисторов. В простой схеме с одним источником напряжения и одним резистором мощность, подаваемая источником напряжения, и мощность, рассеиваемая резистором, идентичны. В более сложных схемах размером PP 12{P}{} может быть мощность, рассеиваемая одним устройством, а не общая мощность в цепи.

Выполнение соединений: использование графиков для расчета сопротивления

Поскольку p∝I2p∝I2 и p∝V2p∝V2, график зависимости мощности от тока или напряжения является квадратичным. Пример показан на рисунке ниже.

Рисунок 3.18 На рисунке показаны зависимости мощности от тока (а) и зависимости мощности от напряжения (б) для простых резисторных цепей.

Используя уравнения (20.29) и (20.30), мы можем рассчитать сопротивление в каждом случае. На графике (а) мощность равна 50 Вт при силе тока 5 А; следовательно, сопротивление можно рассчитать как R=P/I2=50/52=2 Ом. R=P/I2=50/52=2 Ом. Точно так же значение сопротивления можно рассчитать на графике (b) как R=V2/P=102/50=2 Ом R=V2/P=102/50=2 Ом

Из трех разных выражений для электроэнергии можно получить разные выводы. Например, P=V2/RP=V2/R размер 12{P = V rSup {размер 8{2} } /R} {} означает, что чем ниже сопротивление, подключенное к данному источнику напряжения, тем больше отдаваемая мощность. Кроме того, поскольку напряжение квадратично в P=V2/R, P=V2/R, эффект приложения более высокого напряжения, возможно, больше, чем ожидалось. Таким образом, когда напряжение удваивается до 25 Вт лампы, ее мощность увеличивается почти в четыре раза до 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 3.7 Расчет рассеиваемой мощности и тока: горячая и холодная мощность

(a) Рассмотрим примеры, приведенные в Законе Ома: Сопротивление и простые цепи и Сопротивление и удельное сопротивление. Затем найдите мощность, рассеиваемую автомобильной фарой в этих примерах как в горячем, так и в холодном состоянии. б) Какой ток он потребляет в холодном состоянии?

Стратегия для (a)

Для горячей фары нам известны напряжение и ток, поэтому мы можем использовать P=IVP=IV size 12{P = ital «IV»} {}, чтобы найти мощность. Для холодной фары нам известны напряжение и сопротивление, поэтому мы можем использовать P=V2/RP=V2/R размер 12{P = V rSup {размер 8{2} } /R} {}, чтобы найти мощность.

Решение для (а)

Введя известные значения тока и напряжения для горячей фары, получим

3,31 P=IV=(2,50 А)(12,0 В)= 30,0 W.P=IV=(2,50 А )(12,0 В)= 30,0 Вт. Размер 12{P = итал «IV» = \( 2 «.» «50 А» \) \( «12» «.» «0 В» \) =» 30″ » .» «0 Вт.»} {}

Сопротивление холоду составляло 0,350 Ом, 0,350 Ом, поэтому мощность, которую он потребляет при первом включении, составляет

3,32 P=V2R=(12,0 В)20,350 Ом= 411 Вт.P=V2R= (12,0 В) 20,350 Ом = 411 Вт. размер 12 {P = { {V rSup { размер 8 {2} } } свыше {R} } = { { \(«12» «.» «0 V» \) rSup {размер 8{2} } } более {0 «.» «350» %OMEGA } } =» 411 Вт.»} {}

Обсуждение для (a)

30 Вт, рассеиваемые горячей фарой, являются типичными. Но 411 Вт в холодном состоянии на удивление выше. Начальная мощность быстро уменьшается по мере увеличения температуры лампы и увеличения ее сопротивления.

Стратегия и решение для (b)

Ток при холодной лампе можно определить несколькими способами. Мы переформулируем одно из уравнений мощности, P=I2R,P=I2R, и введем известные значения, получив

3,33 I=PR=411 Вт0,350 Ом= 34,3 A.I=PR=411 Вт0,350 Ом= 34,3 А. 12{I = sqrt { { {P} над {R} } } = sqrt { { {«411 Вт»} над {0 «.» «350 » %OMEGA } } } =» 34″ «.» «3 А.»} {}

Обсуждение для (b)

Ток в холодном состоянии заметно выше установившегося значения 2,50 А, но ток быстро снизится до этого значения по мере повышения температуры лампы. Большинство предохранителей и автоматических выключателей (используемых для ограничения тока в цепи) рассчитаны на то, чтобы кратковременно выдерживать очень высокие токи при включении устройства. В некоторых случаях, например, с электродвигателями, ток остается высоким в течение нескольких секунд, что требует специальной медленной продувки 9.Предохранители 0196.

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. Так как P=E/t,P=E/t, размер 12{P=E/t} {} мы видим, что

3.34 E=PtE=Pt размер 12{E = итал. «Pt»} {}

– энергия, использованная устройством с использованием мощности ПП типоразмера 12{P} {} за интервал времени t.t. размер 12{t} {} Например, чем больше горит лампочек, тем больший размер PP 12{P} {} используется; чем дольше они включены, тем больше размер tt 12{t} {}. Единицей энергии в счетах за электроэнергию является киловатт-час (кВт⋅чкВт⋅ч размер 12{«кВт» cdot h} {}), что соответствует соотношению E=Pt.E=Pt. size 12{E = ital «Pt»} {} Стоимость эксплуатации электроприборов легко оценить, если иметь некоторое представление об их энергопотреблении в ваттах или киловаттах, времени их работы в часах и стоимости одного киловатт-час 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 1 кВт⋅ч = 3,6×106 Дж. 1 кВт⋅ч = 3,6×106 Дж. размер 12{1″кВт» cdot «h = 3» «.» 6´»10″ rSup {размер 8{6} } «J»} {}

Потребляемая электрическая энергия (E)(E) размера 12{E} {}) может быть уменьшена либо за счет сокращения времени использования, либо за счет уменьшения энергопотребления этого прибора или приспособления. Это не только снизит стоимость, но и уменьшит воздействие на окружающую среду. Усовершенствования освещения являются одними из самых быстрых способов уменьшить потребление электроэнергии в доме или офисе. Около 20 процентов энергии, потребляемой домом, идет на освещение, в то время как в коммерческих учреждениях этот показатель приближается к 40 процентам. 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. 3.17(b)) Таким образом, 60-ваттную лампу накаливания можно заменить 15-ваттной КЛЛ той 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.) Теплопередача от этих КЛЛ меньше, и они служат в 10 раз дольше. Значение инвестиций в такие лампочки рассматривается в следующем примере. Новые белые светодиодные лампы (которые представляют собой группы небольших светодиодных лампочек) еще более эффективны (в два раза эффективнее, чем КЛЛ) и служат в 5 раз дольше, чем КЛЛ. Однако их стоимость по-прежнему высока.

Установление соединений: энергия, мощность и время

Отношение E=PtE=Pt size 12{E = ital «Pt»} {} может оказаться полезным во многих различных контекстах. Энергия, которую ваше тело использует во время упражнений, связана, например, с уровнем мощности и продолжительностью вашей активности. Величина нагрева источником питания связана с уровнем мощности и временем его применения. Даже доза облучения рентгеновского изображения связана с мощностью и временем облучения.

Пример 3.

8 Расчет рентабельности компактных люминесцентных ламп (КЛЛ)

Если стоимость электроэнергии в вашем районе составляет 12 центов за кВтч, какова общая стоимость (капитальные плюс эксплуатация) использования лампы накаливания мощностью 60 Вт в течение 1000 часов (срок службы этой лампы), если стоимость лампы составляет 25 центов. ? (б) Если мы заменим эту лампочку компактной люминесцентной лампой, которая дает такой же световой поток, но в 1/4 меньше мощности, и которая стоит 1,50 доллара, но служит в 10 раз дольше (10 000 часов), какова будет общая стоимость?

Стратегия

Чтобы найти эксплуатационные расходы, мы сначала найдем используемую энергию в киловатт-часах, а затем умножим на стоимость киловатт-часа.

Решение для (a)

Используемая энергия в киловатт-часах находится путем ввода мощности и времени в выражение для энергии.

3,35 E=Pt=(60 Вт)(1000 ч)= 60 000 Вт ⋅ hE=Pt=(60 Вт)(1 000 ч)= 60 000 Вт ⋅ ч размер 12{E = итал. «Pt» = \( «60 Вт» \) \(«1000 ч» \) =» 60 000 Вт » cdot » ч.»} {}

В киловатт-часах это

3,36 E= 60,0 кВт ⋅ ч.E= 60,0 кВт ⋅ ч. размер 12{E =» 60″ «.» «0 кВт » cdot » h.»} {}

Теперь стоимость электроэнергии

3,37 стоимость = (60,0 кВт⋅ч) (0,12 долл. США/кВт⋅ч) = 7,20 долл. США. стоимость = (60,0 кВт⋅ч) (0,12 долл. США/кВт⋅ч) = 7,20 долл. США.

Общая стоимость составит 7,20 долларов США за 1000 часов (около полугода при 5 часах в день).

Решение для (b)

Поскольку КЛЛ потребляет только 15 Вт, а не 60 Вт, стоимость электроэнергии составит 7,20 долл. США/4 = 1,80 долл. США. КЛЛ прослужит в 10 раз дольше, чем лампа накаливания, так что инвестиционные затраты составят 1/10 стоимости лампы за этот период использования, или 0,1 (1,50 доллара США) = 0,15 доллара США. Таким образом, общая стоимость составит $1,9.5 на 1000 часов.

Обсуждение

Таким образом, использование компактных люминесцентных ламп намного дешевле, хотя первоначальные инвестиции выше. Повышенная стоимость рабочей силы, которую бизнес должен включать в себя для более частой замены ламп накаливания, здесь не учитывалась.

Установление соединений: домашний эксперимент — Инвентаризация потребления электроэнергии

1) Составьте список номинальных мощностей различных электроприборов в вашем доме или комнате. Объясните, почему что-то вроде тостера имеет более высокий рейтинг, чем электронные часы. Оцените энергию, потребляемую этими приборами в среднем в день (путем оценки времени их использования). Некоторые приборы могут указывать только рабочий ток. Если напряжение в доме 120 В, используйте P=IV.P=IV. size 12{P = ital «IV»} {} 2) Проверьте общую мощность, используемую в туалетах на этаже или в здании вашей школы. (Возможно, вам придется предположить, что мощность используемых флуоресцентных ламп составляет 32 Вт.) Предположим, что здание было закрыто на все выходные, и что эти лампы оставались включенными с 18:00 до 18:00. Пятница до 8 утра понедельника.