Что такое КПД источника тока и как его вычислить

Чтобы оценить эффективность работы электрического прибора, нужно знать его коэффициент полезного действия. Он представляет собой соотношение той энергии, которая создала положительный эффект и потраченной. Обычно это соотношение указывается в процентах. Такой подход применим и при рассмотрении электрических цепей.

Электрический ток

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Ядро состоит из протонов — положительно заряженных частиц, и нейтронов, у которых нет электрического заряда.

Электроны могут находиться на одной или нескольких орбитах в зависимости от того, о каком веществе идёт речь. Случайным образом некоторые из них могут покидать свои орбиты и хаотически двигаться. При наличии электрического поля их движение становится упорядоченным, они перемещаются от отрицательной клеммы к положительной. Это называется электрическим током.

Ток существует не только во внешней электрической цепи, но и внутри источника питания. Можно считать, что электроны двигаются по замкнутому кругу. Электрическое поле необходимо для перемещения частиц, но только часть его работы называют полезной. Здесь имеется в виду та, которая способствует движению электронов во внешней цепи.

Работа электрического тока

Источник питания тока вырабатывает электрическую энергию, которая в дальнейшем может быть преобразована в другие формы, в какие именно, зависит от назначения электрических приборов. Например, в нагревателе электрическая энергия переходит в тепловую, электродвигателе в механическую, а в лампочке в световую.

Работа измеряется в джоулях (Дж). Ещё одна используемая величина — это ватт-сек (Вт*с). Обе этих величины равны. Очень распространена единица измерения киловатт-час (кВт*час), которая равна 3 600 000 джоулей.

Если напряжение создаётся разностью потенциалов U и при этом перемещается заряд q, то формула выполненной работы выглядит следующим образом:

Чтобы произвести вычисления, необходимо определить входящие в формулу величины. Обычно разность потенциалов известна. Для определения величины перемещаемого заряда понадобится сила тока. Ее следует умножить на длительность соответствующего промежутка времени:

Воспользовавшись законом Ома можно этому выражению придать другой вид. Как известно, U = I * R. Подставив это выражение в ранее приведённую формулу, получаем:

Для определения работы можно воспользоваться еще и такой формулой:

Необходимо учитывать, что рассматривать движение электронов можно как в отдельной схеме, так и во всей цепи, включая батарею питания. Сказанное можно пояснить на следующем примере.

Пусть используется аккумулятор с напряжением, например, 12 В. Он применяется для питания электрической лампочки на протяжении 1 часа. В приводимом примере сила тока составляет 2.3 А. Чтобы узнать, какая работа была произведена в рассматриваемом случае, достаточно воспользоваться формулой, представленной на рисунке выше. Подставив в неё все известные значения и перемножив их, можно увидеть, что искомая величина равна 27.6 Вт*час.

Этот результат можно выразить в джоулях, воспользовавшись формулой для соотношения единиц измерения: 27.6 Вт * час = 27.6 Вт * сек * 3600 = 99360 Вт * сек = 99360 Дж.

Ещё одной важной характеристикой является мощность. Она определяется как работа по перемещению электрических зарядов, которая была выполнена на протяжении единицы времени. Нужно учитывать, что рассматривается не только полная, но и полезная мощность.

КПД, которым обладает источник тока

Иногда возникает необходимость оценить, насколько эффективно может работать источник тока. Для этого нужно знать коэффициент полезного действия источника тока. Он равен соотношению полезной и всей сделанной работы. Обычно его выражают в процентах.

Полезной считается работа, связанная с перемещением электрического заряда в цепи. Чтобы вычислить ее, необходимо знать напряжение между клеммами батареи, силу тока и время, в течение которого происходил процесс.

Вся сделанная работа, обеспечивающая перемещение зарядов, включает в себя и ту, которая выполняется в цепи, и внутри источника. Определение полной работы источника осуществляется по формуле, аналогичной той, что используется для нахождения полезной работы электротока. Разница заключается в следующем:

• Вместо разности потенциалов рассматривается ЭДС.
• В новой формуле рассматривается сумма, которая состоит из сопротивления внешней цепи, а также внутреннего сопротивления источника.

Приведённые выше формулы будут выглядеть так.

Чтобы найти КПД источника тока, надо эти выражения подставить в формулу для определения коэффициента:

В приведённой формуле применены обозначения:

• С левой стороны стоит КПД.
• После первого знака равенства записано отношение полезной и полной работы по перемещению электрических зарядов.
• После второго знака равенства присутствует отношение разности потенциалов на клеммах источника и электродвижущей силы.
• С правой стороны в формуле представлено частное от деления сопротивления внешней цепи и полного сопротивления.

Такая формула позволяет легко определить величину, которую называют коэффициентом полезного действия источника постоянного тока. При расчёте КПД также можно рассматривать не соотношение работ по перемещению зарядов, а соотношение мощностей.

На этом изображении используются следующие обозначения:

• Во внутреннем круге указаны обозначения определяемого параметра.
• В секторах перечислены формулы, с помощью которых это можно сделать.

Рассматриваются следующие величины:

• V — напряжение.
• P — мощность.
• I — сила тока.
• R — сопротивление.

От чего зависит эффективность

Как было выяснено ранее, коэффициент полезного действия будет тем выше, чем меньше внутреннее сопротивление источника. При этом также нужно учитывать следующее:

• Если сопротивление источника велико, то по цепи будет проходить небольшой ток. В результате её полезная работа станет меньше.
• При относительно большом сопротивлении основная часть энергии будет потрачена на работу источника, что может вызвать его перегрев.

Принято считать, что оптимальным будет примерное равенство внутреннего сопротивления источника и сопротивления внешней цепи.

Важно понимать, что при работе электрических приборов эффективность можно рассматривать с различных точек зрения. Каждый электрический прибор предназначен для выполнения определённых функций, и вывод зависит от того, как он их выполняет.

Для примера можно рассмотреть лампочку накаливания. В ней электрическая энергия расходуется не только на обычное освещение, но и на такое, которое происходит в диапазонах, не воспринимаемых человеческим глазом. Последнее представляет собой непроизводительную трату энергии в рабочем режиме. Таким образом, КПД может быть вычислен в зависимости от того, что именно необходимо оценить.

Хотя при рассмотрении эффективности работы источника тока речь идёт об относительно высоком коэффициенте полезного действия, на выполнение полезных функций лампочки тратится не более 5% энергетических затрат. Однако следует заметить, что анализ КПД источника в таких случаях является существенной частью расчётов по определению эффективности работы конкретного электрического устройства.

Также нужно учитывать, что при высоком коэффициенте полезного действия, согласно приведённым здесь формулам, внутреннее сопротивление источника тока должно иметь минимальную величину. Но в результате будет получена большая сила тока, которая спровоцирует преобразование части электрической энергии в тепловую. А это, в свою очередь, уменьшит величину работы по перемещению электрических зарядов.

Таким образом, можно отметить одну особенность коэффициента полезного действия источника тока при перемещении электрических зарядов. Это важно для понимания того, что такое КПД. Его наибольшее значение не приводит к получению максимальной полезной мощности. Получается, что если добиваться максимальной мощности во внешней цепи, то получим КПД работы всего 50%, то есть половина затраченной мощности источника расходуется бесполезно — переходит в тепло, нагревая источник тока. Источник тока может работать с максимальной мощностью только при условии, что его внутреннее сопротивление имеет примерно такое же значение, что и сопротивление нагрузки.

Видео по теме