Физика для углубленного изучения. 2. Электродинамика. Оптика

Физика для углубленного изучения. 2. Электродинамика. Оптика

Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Физика для углубленного изучения. Электродинамика. Оптика. Том 2. М.: Физматлит. — 336 с. Учебник принципиально нового типа. Последовательность изложения соответствует логической структуре физики как науки и отражает современные тенденции ее преподавания. Материал разделен на обязательный и дополнительный, что позволяет строить процесс обучения с учетом индивидуальных способностей учащихся, включая организацию их самостоятельной работы. Задачи служат как для получения новых знаний, так и для развития навыков исследовательской деятельности. Для учащихся школ, гимназий, лицеев с углубленным изучением физико-математических дисциплин, а также для подготовки к конкурсным экзаменам в вузы. Оглавление Введение I. ЭЛЕКТРОСТАТИКА § 1. Электрический заряд. Закон Кулона § 2. Электрическое поле. Напряженность поля § 3. Теорема Гаусса § 4. Потенциал электростатического поля. Энергия системы зарядов § 5. Расчет электрических полей § 6. Проводники в электрическом поле § 7. Силы в электростатическом поле § 8. Конденсаторы. Электроемкость § 9. Энергия электрического поля II. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК § 10. Характеристики электрического тока. Закон Ома § 11. Соединение проводников в электрические цепи § 12. Закон Ома для неоднородной цепи § 13. Расчет цепей постоянного тока § 14. Работа и мощность постоянного тока § 15. Магнитное поле постоянного тока § 16. Действие магнитного поля на движущиеся заряды III. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ § 17. Явление электромагнитной индукции § 18. Электрические машины постоянного тока § 19. Энергия магнитного поля § 20. Основы теории электромагнитного поля § 21. Квазистационарные явления в электрических цепях IV. ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК § 22. Цепи переменного тока. Закон Ома § 23. Работа и мощность переменного тока. Передача электроэнергии § 24. Трехфазный ток. Электрические машины переменного тока V. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ § 25. Колебательный контур § 26. Вынужденные колебания в контуре. Резонанс § 27. Незатухающие электромагнитные колебания § 28. Электромагнитные волны § 29. Свойства и применения электромагнитных волн VI. ОПТИКА § 30. Свет как электромагнитные волны. Интерференция § 31. Дифракция света § 32. Спектральные приборы. Дифракционная решетка § 33. Протяженные источники света § 34. Интерференция немонохроматического света § 35. Физические принципы голографии § 36. Геометрическая оптика § 37. Оптические приборы, формирующие изображение

Работа и мощность переменного тока — Студопедия

Поделись  

Энергия, поставляемая источником электродвижущей силы во внешнюю цепь, испытывает превращения в другие виды энергии. Если в цепи имеется только активное сопротивление, то вся энергия превращается в тепло, выделяемое на сопротивлении . Между током и напряжением сдвиг фаз отсутствует. Кроме того, в течение малого промежутка времени переменный ток можно рассматривать как постоянный. Поэтому мгновенная мощность, развиваемая переменным током на сопротивлении:

.

Хотя ток и напряжение бывают как положительными, так и отрицательными, мощность, равная их произведению, всегда положительна. Однако она пульсирует, изменяясь от нуля до максимального значения с частотой, равной удвоенной частоте переменного тока. На рис. 7.12 показана временная зависимость тока, напряжения и мощности переменного тока, выделяемой на активном сопротивлении. Ясно, что средняя передаваемая мощность меньше максимальной и равна половине максимальной мощности. Среднее значение и за период равно . Это можно объяснить следующим образом: , а за полный цикл среднее значение равно среднему значению .

Поэтому среднее значение мощности будет равно

.

Коэффициент мощности — безразмерная физическая величина, характеризующая потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей. Коэффициент мощности показывает, насколько сдвигается по фазе переменный ток, протекающий через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.

Численно коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига.

Как известно, потребляемая от источника переменного тока энергия складывается из двух составляющих:

1. Активной энергии

2. Реактивной энергии

1. Активная энергия — та часть потребляемой энергии, которая целиком и безвозвратно преобразуется приемником в другие виды энергии.

Пример: Протекая через резистор, ток совершает активную работу, что выражается в увеличении тепловой энергии резистора. Вне зависимости от фазы протекающего тока, резистор преобразует его энергию в тепловую. Резистору не важно в каком направлении течет по нему ток, важна лишь его величина: чем он больше, тем больше тепла высвободится на резисторе (

количество выделенного тепла равно произведению квадрата тока и сопротивления резистора).

Реактивная энергия — та часть потребляемой энергии, которая в следующую четверть периода будет целиком отдана обратно источнику.

РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ

Известно, что в механической системе резонанс наступает при равенстве собственной частоты колебаний системы и частоты колебаний возмущающей силы, действующей на систему. Колебания механической системы, например колебания маятника, сопровождаются периодическим переходом кинетической энергии в потенциальную и наоборот. При резонансе механической системы малые возмущающие силы могут вызывать большие колебания системы, например большую амплитуду колебаний маятника.

В цепях переменного тока, где есть индуктивность и емкость, могут возникнуть явления резонанса, которые аналогичны явлению резонанса в механической системе. Полная аналогия – равенство собственной частоты колебаний электрического контура частоте возмущающей силы (частоте напряжения сети) – возможна не во всех случаях.

В общем случае под резонансом электрической цепи понимают такое состояние цепи, когда ток и напряжение совпадают по фазе, и, следовательно, эквивалентная схема цепи имеет место при определенном соотношении ее параметров

r, L, C, когда резонансная частота цепи равна частоте приложенного к ней напряжения.

Резонанс в электрической цепи сопровождается периодическим переходом энергии электрического поля емкости в энергию магнитного поля и наоборот.

При резонансе в электрической цепи малые напряжения, приложенные к цепи, могут вызвать значительные токи и напряжения на отдельных участках. В цепи, где r, L, C соединены последовательно, может возникнуть резонанс напряжений, а в цепи, где r, L, C соединены параллельно, – резонанс токов.

Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты собственных колебаний с частотой колебаний вынуждающей силы резонансную частоту можно найти из выражения

,

где ; f — резонансная частота в герцах; L — индуктивность в генри; C — ёмкость в фарадах.

Работа тока

Электрический ток, конечно же, не стал бы так широко использоваться, если бы не одно обстоятельство. Работу тока или же электроэнергию легко преобразовывать в любую нужную нам энергию или работу: тепловую, механическую, магнитную…

Для практического применения тока прежде всего хочется знать, какую работу можно обратить в свою пользу. Выведем формулу для определения работы тока:

Так как все величины, входящие в формулу, можно измерить соответствующими приборами (амперметр, вольтметр, часы), формула является универсальной.

Формулу можно также записать в несколько ином виде, используя закон Ома:

Если в исходную формулу для работы тока подставить силу тока, записанную таким образом, то получим:

Если же из закона Ома выразить напряжение, то тогда:

Использование этих формул удобно, когда в цепи присутствует какое-то одно соединение: параллельное для первого случая и последовательное для второго

---

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  

---



Мощность постоянного тока (DC) | Центр экспертизы энергоэффективности ЦОД

Альтернативный подход к традиционному питанию переменного тока (AC) использует схему распределения питания постоянного тока (DC) по всему центру обработки данных. Большинство серверных стоек центров обработки данных в настоящее время не питаются таким образом, но с появлением на рынке серверов, которые могут работать как от переменного, так и от постоянного тока, можно использовать подход к питанию от постоянного тока, что устраняет дополнительные этапы преобразования энергии и потери. Другие преимущества включают снижение потребности в охлаждении, более высокую плотность оборудования и снижение количества отказов, связанных с перегревом.

Приведенные ниже видеоролики, подготовленные Berkeley Lab, содержат подробный обзор того, как можно использовать энергию постоянного тока в вашем центре обработки данных для повышения энергоэффективности.

Источник питания постоянного тока для центров обработки данных будущего

Промышленность и Энергетическая комиссия Калифорнии создали группу заинтересованных сторон для расследования:

одинаковый уровень функциональности и вычислительной производительности по сравнению с аналогичными сконфигурированными и работающими серверами (и/или серверными стойками), содержащими сервер(ы) с питанием от сети переменного тока, при измерении с помощью стандартных отраслевых измерительных устройств и программных инструментов.

2. Задокументируйте любое повышение эффективности за счет устранения нескольких этапов преобразования при подаче питания постоянного тока.

3. Возможность преобразования и доставки постоянного тока как на уровне объекта, так и на уровне стойки.

4. Выявить проблемы/лучшие практики и дать рекомендации по внедрению.

Компания Sun Microsystems провела две новаторские демонстрации: одна, в которой постоянный ток распределяется на уровне объекта по стойкам компьютеров, которые были модифицированы для прямого приема постоянного тока высокого напряжения (DC), а другая, в которой преобразование постоянного тока происходит на уровне стойки и Затем DC напрямую распределяется между серверами в стойке. В типичных центрах обработки данных потеря электроэнергии из-за преобразования переменного тока (AC) в постоянный и затем в постоянный происходит для всей энергии, поступающей на ИТ-оборудование. Повышение эффективности имеет усиливающий эффект за счет снижения потребности в ОВКВ (например, 10-процентная экономия на уровне ИБП означает примерно 10-процентную экономию энергии для всего центра обработки данных по сравнению с очень эффективным базовым сценарием переменного тока и при условии, что система ОВКВ потребляет столько же энергии, сколько ИТ-оборудование). Узнайте больше об этих демонстрациях здесь. Этот проект был организован Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (LBNL), Ecos Consulting и EPRI Solutions при поддержке 40 отраслевых партнеров. Полный список участников проекта, а также более подробная информация о роли в проекте доступна здесь.

Вопросы? См. полный список часто задаваемых вопросов.

Ресурсы по питанию постоянным током в центрах обработки данных

• Питание постоянным током для повышения эффективности центра обработки данных: Целями этого демонстрационного проекта являются разработка и демонстрация системы подачи энергии, которая не содержит столько ступеней преобразования энергии, используя существующее оборудование и продавцов, где это возможно. В этом проекте реализована система подачи электроэнергии, распределяющая постоянный ток по серверным стойкам. В системе использовалась одна ступень выпрямления, что позволило отказаться от обычного ИБП, трансформатора и выпрямителя в блоке питания первой ступени сервера. Стандартная система распределения переменного тока установлена ​​рядом с этой системой постоянного тока, серверные нагрузки были подключены и запрограммированы для выполнения идентичных процедур.

• Расчет экономии энергии с использованием высокоэффективной архитектуры питания постоянного тока в серверном приложении (инструмент): этот калькулятор на основе Excel обеспечивает оценку первого порядка величины экономии энергии на основе преобразования архитектуры питания на основе переменного тока в архитектуру на основе постоянного тока. Архитектура питания для стойки серверов. Комментарии/предложения по улучшению этого калькулятора приветствуются. Серверы и другие ИТ-продукты в центре обработки данных работают от низковольтного постоянного тока. Существующая архитектура питания переменного тока в центре обработки данных требует многократного преобразования переменного тока в постоянный, в результате чего общий КПД системы переменного тока в постоянный составляет менее 50 %. Архитектура питания на основе постоянного тока сокращает количество процессов преобразования и приводит к повышению общей эффективности системы.

Электроснабжение постоянного тока для центров обработки данных будущего

Обзор ЦОД постоянного тока

Переменный ток в сравнении с постоянным током — Even Mix™

Многие люди, читающие это, возможно, уже знают, что питание, подаваемое через сеть, представляет собой переменный ток, аббревиатуру переменного тока. Однако солнечные батареи, батареи и топливные элементы производят другой тип электрического тока, называемый постоянным или постоянным током. Постоянный ток имеет положительные и отрицательные клеммы, как у батареи, где электроны текут только в одном направлении, то есть от положительного к отрицательному. Независимо от того, что вы делаете, мощность постоянного тока будет течь только в этом направлении.

Что такое переменный ток (AC)?

Наши электростанции, напротив, производят переменный ток или переменный ток. В США мощность переменного тока меняется 60 раз в секунду. Это означает, что положительные и отрицательные полюса меняются несколько раз в секунду. В Великобритании и Европе он сменяется 50 раз в секунду. Вот почему мощность, доступная в нашей настенной розетке, составляет 120 вольт, 60 циклов.

Основное преимущество, связанное с использованием переменного тока, заключается в том, что изменение напряжения с помощью трансформатора относительно проще. Хотя на первый взгляд это может показаться не таким уж большим, мы заверяем вас, что энергетические компании экономят много денег при передаче высокого напряжения на большие расстояния по линиям электропередач.

Допустим, в Техасе есть электростанция, которая может производить миллион ватт электроэнергии. Один из способов послать эту мощность (или передачу) — послать миллион ампер, но с одним вольтом. Другим способом было бы послать миллион вольт на 1 ампер. Отличие в том, что на 1 ампер нужен очень тонкий провод, и не так много мощности теряется в виде тепловыделения. С другой стороны, если энергетическая компания посылает по проводу миллион ампер, этот провод должен быть невероятно толстым.

Вот почему энергетические компании активно преобразуют постоянный ток, вырабатываемый солнечными батареями и турбинами, в высокое напряжение, например миллион вольт, снижают напряжение и упрощают передачу. Кроме того, 120 вольт относительно менее опасны. Убить человека напряжением 120 вольт сложнее, чем миллионом вольт, хотя большинство смертей можно предотвратить с помощью розеток GFCI в современных домах.

Что такое постоянный ток — мощность постоянного тока?

Постоянный ток (DC), как упоминалось ранее, течет линейно и может двигаться в любом другом направлении. Однако постоянный ток получают из многих источников, таких как топливные элементы, батареи и модифицированные генераторы переменного тока. Тем не менее, мы регулярно получаем питание постоянного тока из переменного тока, используя выпрямитель в наших зарядных устройствах для смартфонов. Но это всего лишь один пример преобразования переменного тока в постоянный; в некоторых случаях это делается на промышленном уровне для различных целей.

Преимущество постоянного тока в том, что он стабилен с точки зрения подачи напряжения, поэтому почти каждое электронное устройство, от наших телефонов до даже электродвигателей в электромобилях, использует питание постоянного тока. Подобно току переменного тока, трансформатор можно использовать для понижения (уменьшения) или повышения (увеличения) подаваемого напряжения в соответствии с приложением.

Однако не все электрические устройства используют постоянный ток. Бытовая техника, такая как стиральные машины и лампы, использует переменный ток, который напрямую поступает из сети через розетку.

Неотъемлемая проблема постоянного тока заключается в том, что его передача на большие расстояния трудна и опасна. Это одна из причин, по которой мощность переменного тока победила в так называемом соперничестве за электроэнергию между Теслой и Эддисоном.

Почему у нас две системы питания?

Несмотря на то, что большая часть современной электроники работает на постоянном токе, из-за плавного потока и стабильного напряжения без переменного тока это было бы невозможно. На самом деле оба типа власти императивны для современной жизни, в некоторых случаях один лучше другого, но в целом они оба равны.

Сегодня мощность переменного тока, безусловно, доминирует на мировом рынке электроэнергии. Почти каждая розетка в зданиях по всему миру подает переменный ток, и этот ток затем преобразуется в постоянный, если в этом нуждается устройство или гаджет. Как упоминалось ранее, постоянный ток может быть последовательным, но он не может перемещаться на большие расстояния от электростанций до зданий. Кроме того, генерировать переменный ток легче, чем постоянный, просто из-за того, как эти генераторы вращаются, что делает систему намного дешевле в эксплуатации по сравнению с тем, если бы мы переключили все на постоянный ток. Иными словами, AC выгоден!

DC наиболее эффективен, когда приходит время устройствам накапливать электричество, например аккумулятору мобильного телефона. Ноутбуки, смартфоны, фонари, портативные генераторы и камеры видеонаблюдения, среди прочего, зависят от питания постоянного тока. Фактически 99,9% аккумуляторов заряжаются от сети после преобразования переменного тока в постоянный; это то, что делают наши зарядные устройства (преобразовывают переменный ток в постоянный).

Однако это не единственный способ зарядки. Постоянный ток от блока питания также может заряжать аккумулятор сотового телефона; другими словами, зарядка от постоянного тока к постоянному вместо использования переменного тока. Однако, когда дело доходит до зарядки постоянным током, источник питания должен изменять свое напряжение в соответствии с входом заряжаемого устройства. Если ток не изменить на нужное напряжение и силу тока, электроника может сгореть.

Двигатели переменного тока против. Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока в основном основаны на использовании угольных щеток в сочетании с коммутационным кольцом, которое помогает переключать направление тока и полярность магнитного поля в якоре. Взаимодействие между неподвижными магнитами и катушкой (которая обычно вращается) заставляет двигатель вращаться.

В настоящее время существуют различные типы двигателей постоянного тока; у вас есть бесщеточные типы и традиционные типы кистей. Срок службы щеточных двигателей составляет около 1500 часов, а при экстремальных нагрузках они могут быть на сто часов менее долговечны. При благоприятных условиях двигатели могут работать дольше, но это бывает редко. Высокоскоростное вращение или скорость вращения ограничены только коммутацией, поэтому обычно двигатель постоянного тока будет производить около 10 тысяч оборотов в минуту.

Причина, по которой в современном мире предпочитают двигатели постоянного тока, заключается в том, что они очень эффективны. Однако они имеют тенденцию терять часть своей эффективности из-за начального сопротивления внутри обмотки, вихревых токов и трения щеток.

Асинхронные двигатели переменного тока работают с использованием ряда катушек, которые управляются с помощью переменного тока. Поле статора изначально создается входным напряжением, а поле ротора создается полем статора.

Синхронный двигатель переменного тока может работать с прецизионной частотой питания. Однако магнитное поле в двигателе создается с помощью тока через контактные кольца или даже постоянный магнит. Эти двигатели быстрее, чем асинхронные двигатели, потому что скорость статора в основном определяется скольжением двигателя.

Как правило, двигатели переменного тока работают в пределах определенной кривой производительности. Обычно это пиковый КПД двигателя переменного тока. За пределами кривой производительности эффективность резко упадет. Кроме того, вы должны учитывать, что двигатели переменного тока используют больше энергии для создания магнитного поля, которое в противном случае создается магнитом в двигателе постоянного тока, что делает двигатели переменного тока гораздо менее эффективными. Двигатели постоянного тока примерно на 30 % более эффективны, чем их аналоги переменного тока, поэтому Even Mix™ использует двигатели постоянного тока в наших миксерах.

Even Mix™ использует лучшие двигатели постоянного тока

В Even Mix™ мы остановились на использовании двигателей постоянного тока в наших машинах.