Работа и мощность в цепи постоянного тока
Содержание
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Когда такая частица дрейфует в электрополе, на нее действует сила, приводящая к совершению работы. В ходе этого процесса электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что работа и мощность электрического тока представляют собой изменение энергии на каком-либо участке электрической цепи.
Как определяется работа тока
Если выражаться языком физика, то работа тока — это работа сил, под действием которых движущиеся носители зарядов увеличивают свою скорость, следовательно, и кинетическую энергию. Для вычисления этой работы используется довольно простая формула:
Для расчета силы тока применяется уравнение:
Используя данную зависимость, несложно найти величину заряда, перемещаемого электрополем за время t:
Подставив это выражение в формулу работы, получим:
Определение силы тока возможно и через закон Ома:
Если это уравнение подставить в формулу работы, тогда она примет такой вид:
Исходя из закона Ома, можно записать выражение не только для силы тока, но и для напряжения:
После подстановки этого выражения в формулу работы, получаем:
Данным уравнением удобно пользоваться, когда в цепи присутствует последовательное соединение элементов. Если применяется параллельное соединение, тогда больше подходит формула, в которой используется напряжение.
Единица работы — это джоуль, который еще называют ватт-секундой. В реальной жизни для измерения работы применяются специальные приборы — счетчики электроэнергии. В них в качестве единицы измерения используется кВатт-час. Это обусловлено тем, что работа и мощность тока взаимосвязаны. Работу фактически можно считать мощностью в определенный момент времени.
Применение закона Джоуля-Ленца
Прохождение тока по проводнику, обладающему сопротивлением, сопровождается выделением тепла.
Закон, позволяющий определить, какое количество электроэнергии преобразуется в тепло, назван по имени двух ученых — Дж. Джоуля и Э. Ленца, которые независимо друг от друга занимались исследованием данного явления.
Закон Джоуля-Ленца является справедливым не только при использовании металлических проводников, но и растворов электролитов или газов.
Мощность тока
Работа определяет мощность в цепи постоянного тока или переменного. Если говорить кратко, мощность тока — это работа, выполняемая им за единицу времени, поэтому для расчетов можно воспользоваться формулой:
Единицей измерения мощности тока является ватт.
Хотя работа и мощность тока — взаимосвязанные понятия, но, по сути, они являются разными величинами. При выведении формул, по которым вычисляется работа и мощность в цепи постоянного тока, используется основной закон электротехники — закон Ома. Исходя из него, определяемое значение мощности можно представить, как произведение напряжения и тока:
Отсюда
Используя другие виды формул для определения работы, мощность можно представить так:
По представленным выше формулам вычисляется работа и мощность постоянного тока. При использовании переменного вводится понятие реактивной мощности электрического тока составляющей. Ее можно вычислить с помощью такой формулы:
Активная мощность вычисляется с помощью такого выражения:
Для вычисления полной мощности тока используется уравнение:
Превращение электроэнергии в другие виды энергии сопровождается определенными потерями. Часть энергии затрачивается на нагревание проводов, преодоление трения в подшипниках и т. п. Такие потери энергии неизбежны и являются непроизводительными, поэтому вводится понятие коэффициента полезного действия. Он выражается как отношение мощности, отдаваемой источником тока и получаемой им. К. п. д. всегда меньше единицы, поскольку потери энергии присутствуют в любой машине. Иногда его выражают в процентах.
Загрузка...
