Работа и мощность тока — урок. Физика, 8 класс.
При прохождении тока в цепи электрическое поле совершает работу по перемещению заряда. В этом случае работу электрического поля называют работой электрического тока.
При прохождении заряда \(q\) по участку цепи электрическое поле будет совершать работу: \(A=q\cdot U\), где \(U\) — напряжение электрического поля, \(A\) — работа, совершаемая силами электрического поля по перемещению заряда \(q\) из одной точки в другую.
Для выражения любой из этих величин можно использовать приведённый ниже рисунок.
Рис. \(1\). Зависимость между работой, напряжением и зарядом
Количество заряда, прошедшее по участку цепи, пропорционально силе тока и времени прохождения заряда: q=I⋅t.
Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна напряжению на её концах и количеству заряда, проходящего по этому участку: A=U⋅q.
Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна силе тока, времени прохождения заряда и напряжению на концах участка цепи: A=U⋅I⋅t.
Чтобы выразить любую из величин из данной формулы, можно воспользоваться рисунком.
Рис. \(2\). Зависимость между работой, силой тока и временем прохождения заряда
Единицы измерения величин:
работа электрического тока \([A]=1\) Дж;
напряжение на участке цепи \([U]=1\) В;
сила тока, проходящего по участку \([I]=1\) А;
время прохождения заряда (тока) \([t]=1\) с.
Для измерения работы электрического тока нужны вольтметр, амперметр и часы. Например, для определения работы, которую совершает электрический ток, проходя по спирали лампы накаливания, необходимо собрать цепь, изображённую на рисунке. Вольтметром измеряется напряжение на лампе, амперметром — сила тока в ней. А при помощи часов (секундомера) засекается время горения лампы.
Рис. \(3\). Схема и часы для измерения
Например:
I = 1,2 АU = 5 Вt = 1,5 мин = 90 сА = U⋅I⋅t = 5⋅1,2⋅90 = 540 Дж
Обрати внимание!
Работа чаще всего выражается в килоджоулях или мегаджоулях.
\(1\) кДж = 1000 Дж или \(1\) Дж = \(0,001\) кДж;
\(1\) МДж = 1000000 Дж или \(1\) Дж = \(0,000001\) МДж.
Для потребителей электрической энергии существуют приборы, позволяющие в пределах ошибки измерения получать числовые данные о ее расходе в единицу времени.
Рис. \(4\). Электросчетчик
Механическая мощность численно равна работе, совершённой телом в единицу времени: N = Аt. Чтобы найти мощность электрического тока, надо поступить точно также, т.е. работу тока, A=U⋅I⋅t, разделить на время.
Мощность электрического тока обозначают буквой \(Р\):
P=At=U⋅I⋅tt=U⋅I. Таким образом:
Мощность электрического тока равна произведению напряжения на силу тока: P=U⋅I.
Из этой формулы можно определить и другие физические величины.
Для удобства можно использовать приведённый ниже рисунок.
Рис. \(5\). Зависимость между мощностью, напряжением и силой тока
За единицу мощности принят ватт: \(1\) Вт = \(1\) Дж/с.
Из формулы P=U⋅I следует, что
\(1\) ватт = \(1\) вольт ∙ \(1\) ампер, или \(1\) Вт = \(1\) В ∙ А.
Обрати внимание!
Используют также единицы мощности, кратные ватту: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт).
\(1\) гВт = \(100\) Вт или \(1\) Вт = \(0,01\) гВт;
\(1\) кВт = \(1000\) Вт или \(1\) Вт = \(0,001\) кВт;
\(1\) МВт = \(1 000 000\) Вт или \(1\) Вт = \(0,000001\) МВт.
Пример:
Измерим силу тока в цепи с помощью амперметра, а напряжение на участке — с помощью вольтметра.
Рис. \(6\). Схема
Так как мощность тока прямо пропорциональна напряжению и силе тока, протекающего через лампочку, то перемножим их значения:
I=1,2АU=5ВP =U⋅I=5⋅1,2=6Вт.
Ваттметры измеряют мощность электрического тока, протекающего через прибор. По своему назначению и техническим характеристикам ваттметры разнообразны.
В зависимости от сферы применения у них различаются пределы измерения.
Аналоговый ваттметр | Аналоговый ваттметр | Аналоговый ваттметр | Цифровой ваттметр |
Рис. \(7\). Приборы для измерения
Подключим к цепи по очереди две лампочки накаливания, сначала одну, затем другую и измерим силу тока в каждой из них. Она будет разной.
Рис. \(8\). Лампы различной мощности в цепи
Сила тока в лампочке мощностью \(25\) ватт будет составлять \(0,1\) А. Лампочка мощностью \(100\) ватт потребляет ток в четыре раза больше — \(0,4\) А. Напряжение в этом эксперименте неизменно и равно \(220\) В. Легко можно заметить, что лампочка в \(100\) ватт светится гораздо ярче, чем \(25\)-ваттовая лампочка. Это происходит оттого, что её мощность больше. Лампочка, мощность которой в \(4\) раза больше, потребляет в \(4\) раза больше тока. Значит:
Обрати внимание!
Мощность прямо пропорциональна силе тока.
Что произойдёт, если одну и ту же лампочку подсоединить к источникам различного напряжения? В данном случае используется напряжение \(110\) В и \(220\) В.
Рис. \(8\). Лампа, подключенная к источнику тока с различным напряжением
Можно заметить, что при большем напряжении лампочка светится ярче, значит, в этом случае её мощность будет больше. Следовательно:
Обрати внимание!
Мощность зависит от напряжения.
Рассчитаем мощность лампочки в каждом случае:
| I=0,2АU=110ВP=U⋅I=110⋅0,2=22Вт | I=0,4АU=220ВP=U⋅I=220⋅0,4=88Вт. |
Можно сделать вывод о том, что при увеличении напряжения в \(2\) раза мощность увеличивается в \(4\) раза.
Не следует путать эту мощность с номинальной мощностью лампы (мощность, на которую рассчитана лампа). Номинальная мощность лампы (а соответственно, ток через нить накала и её расчётное сопротивление) указывается только для номинального напряжения лампы (указано на баллоне, цоколе или упаковке).
Рис. \(9\). Маркировка
В таблице дана мощность, потребляемая различными приборами и устройствами:
Таблица \(1\). Мощность различных приборов
Название | Рисунок | Мощность |
| Калькулятор | \(0,001\) Вт | |
| Лампы дневного света | \(15 — 80\) Вт | |
| Лампы накаливания | \(25 — 5000\) Вт | |
| Компьютер | \(200 — 450\) Вт | |
| Электрический чайник | \(650 — 3100\) Вт | |
| Пылесос | \(1500 — 3000\) Вт | |
| Стиральная машина | \(2000 — 4000\) Вт | |
| Трамвай | \(150 000 — 240000\) Вт |
Источники:
Рис. 1. Зависимость между работой, напряжением и зарядом.
© ЯКласс.
Рис. 3. Схема и часы для измерения. © ЯКласс.
Рис. 5. Зависимость между мощностью, напряжением и силой тока. © ЯКласс.
Рис. 6. Схема. © ЯКласс.
Таблица 1. Мощность различных приборов. Компьютер. Указание авторства не требуется, 2021-08-14, Pixabay License, https://pixabay.com/ru/photos/яблоко-стул-компьютер-1834328/.
Работа и мощность электрического тока
Работа и мощность
электрического тока.
Повторение:
1.Что называют электрическим током?
2. Каковы условия существования тока?
3. Что такое сила тока?
4. Что такое напряжение?
5. Перечислите действия
электрического тока?
6. Какие величины связывает
закон Ома?
Примеры приборов, в которых
совершается работа
электрического тока
Работа электрического тока
При прохождении электрического тока по
проводнику, электрическое поле заставляет
заряженные частицы двигаться упорядоченно,
следовательно оно совершает работу.
Работа электрического тока показывает какую
работу совершает электрическое поле.
Работа электрического тока
A
U
q
A U q
q I t
A U I t
Единица измерения работы в СИ: Джоуль
1 Дж 1В 1А 1с
Работа электрического тока
A U I t
I
U
R
U I R
А I R t
U
A 2 t
R
2
Для измерения
работы тока нужны
три прибора:
амперметр,
вольтметр и часы.
На практике работу
электрического
тока измеряют
счетчиками.
Счетчики — приборы для измерения
работы электрического тока
Мощность электрического тока
A.
P
t
A U I t
U
•I•t
Р=
t
Р = U•I
Единица измерения мощности в СИ: Ватт
1 Вт = 1 В•1 А
1 кВт = 1000 Вт
Приборы для измерения мощности:
ваттметр
Вольтметр
Амперметр
Единицы работы,
применяемые на практике.
А Р t
1 Дж = 1 Вт∙с
1 Вт•ч = 3600Дж
1 кВт•ч = 1000 Вт•ч = 3 600 000 Дж
Мощность электрического тока
Р U I
A
Р
t
Р I R
2
2
U
Р
R
Работа и мощность
электрического тока.
A U I t
14. Мощности некоторых электрических приборов, кВт
Лампа карманного фонаря
0,001
Видеомагнитофон
0,02
Холодильник
0,2
Телевизор
0,3
Фен для волос
0,4
Стиральная машина
0,5
Электрический утюг
0,6
Пылесос
0,65
Лампы в звездах башен Кремля
5
ПРОВОДНИК С ТОКОМ
НАГРЕВАЕТСЯ
ВЫДЕЛЯЕТ КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ – Q
ЗАКОН ДЖОУЛЯ — ЛЕНЦА
1841г
1842г
Джоуль
Джеймс Прескотт
Ленц Эмилий
Христианович
Действия электрического тока
1. тепловое (плитка, утюг).
2. химическое (получение химически чистых металлов).
3. магнитное (электромагнит).
4. физиологическое (сокращение мышц).
ЗАКОН ДЖОУЛЯ — ЛЕНЦА
Количество теплоты, выделяемое
проводником с током равно
произведению квадрата силы тока,
сопротивления проводника и
времени.
Q I R t
2
Q U I t
2
U
Q
t
R
Последовательное
соединение
Параллельное
соединение
U1 = U2
1.
Какую работу совершает электрический
ток в электродвигателе за 30 мин, если сила
тока в цепи 0,5А, а напряжение на клеммах
двигателя 12В?
2.Каким сопротивлением обладает лампа
мощностью
40Вт,
работающая
под
напряжением 220В?
Работа и мощность электрического тока
На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о том, что заряженные
тела взаимодействуют друг с другом посредством особого вида материи, которую
называют электрическим полем. Примером такого взаимодействия может служить
электрический ток, то есть упорядоченное движение заряженных частиц, которое
создаётся электрическим полем. Следовательно, электрическое поле способно
совершать работу, которую называют работой тока.
Давайте вспомним, что в общем случае под работой понимают скалярную
физическую величину, которая описывает действие силы (заметьте, именно силы, а
не те́ла), приводящее к изменению значения скорости рассматриваемого тела.
Из этого становится очевидным, что термин «работа тока» — это
своеобразный жаргонизм, с которым вы уже неоднократно сталкивались. Работа тока
— это, говоря строгим языком физики, работа электрически сил, которые,
перемещая заряженные частицы, увеличивают их скорость, а значит и кинетическую
энергию.
Мы уже с вами знаем, что работа по переносу электрического
заряда в электрическом поле оценивается произведением величины перенесённого
заряда на величину разности потенциалов между начальной и конечной точками
переноса, то есть на величину напряжения:
A = ΔqU.
Очевидно, что это соотношение может быть применимо и для
оценки работы тока. Однако эта формула имеет неудобство в связи с тем, что и
ней фигурирует перенесённый в электрическом поле заряд, измерение которого
требует особых методов. Поэтому удобнее расписать этот заряд, используя формулу
силы тока:
Такая запись приводит нас к удобной формуле для определения
работы электрического тока: работа тока на участке цепи равна произведению
силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:
A = IUΔt.
Единицей работы тока, как вы догадались, является джоуль.
Эту единицу можно выразить через электрические единицы — ампер и вольт:
1 Дж = 1 А ∙ 1 В
∙ 1 с.
Для измерения работы тока в реальной жизни пользуются
специальными приборами — счётчиками электрической энергии, которые сейчас можно
увидеть в каждом доме. Однако в них работу тока принято выражать не в джоулях,
а в киловатт-часах (1 кВт ∙ час = 3,6 ∙ 106 Дж).
Применяя к потребителю электротока закон Ома, можно из
основной формулы работы получить ещё два варианта, исключив в первом случае из формулы
напряжение, а во-втором — силу тока:
Получив формулу для работы электрического тока, мы легко
получим и формулу для мощности тока. Ведь в любом случае мощность есть
отношение работы ко времени её совершения:
Напомним, что единицей измерения мощности является ватт.
А для измерения мощности электрического тока в цепи
используют специальные приборы, называемые ваттметрами.
Давайте для примера решим с вами такую задачу. Два
потребителя, сопротивления которых равны R1
и R2 подключают к сети постоянного
тока сначала последовательно, а потом — параллельно. В каком случае потребляется
большая мощность от сети?
На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях
электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных
средах. Давайте с вами вспомним, что тепловое действие тока проявляется
в том, что при протекании тока по проводнику последний нагревается.
Химическое действие тока мы можем наблюдать при его прохождении
через растворы солей, кислот или щелочей.
А магнитное действие тока проявляется в создании им
магнитного поля.
Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток
производит в любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Например, нагревание
проводника происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического
поля свободные носители зарядов — электроны — сталкиваются с ионами
кристаллической решётки проводника и отдают им часть своей энергии.
В
результате энергия теплового движения ионов около положений равновесия
возрастает. То есть происходит переход энергии электрического поля во
внутреннюю энергию проводника.
При этом, очевидно, что чем больше будет сопротивление
проводника, тем большее количество теплоты в нём выделится при протекании
электрического тока одной и той же силы.
Это легко проверить на простом опыте. Возьмём три
последовательно соединённых проводника, изготовленных из разных материалов,
например, из нихрома, никелина и меди, и подключим их к источнику постоянного
тока.
Спустя некоторое время мы заметим, нихромовый проводник
нагрелся почти до белого каления, никелиновый — лишь слегка покраснел, а вот медный
проводник практически не изменил свой цвет.
Таким образом, действительно, чем больше сопротивление
проводника, тем «труднее» двигаться зарядам в нём и тем больше нагревается проводник.
В 1841 году английский учёный Джеймс Прескотт Джоуль и
независимо от него в 1842 году российский учёный Эмилий Христианович Ленц,
изучая на опыте тепловые действия тока установили закон, позволяющий рассчитать
количество теплоты, выделяемое в проводнике при протекании в нём электрического
тока.
Согласно этому закону, количество теплоты, выделяющееся в проводнике,
прямо пропорционально квадрату силы тока, проходящего по проводнику,
сопротивлению проводника и времени, в течение которого поддерживается
неизменный ток в проводнике.
Проверим его справедливость с помощью такого опыта. Возьмём калориметр,
содержащий 100 мл миллилитров воды при температуре 18 оС, и поместим
в неё проводник в виде спиральки известного сопротивления. Концы проводника включим
в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью секундомера будем
засекать время эксперимента.
Замкнув ключ, подождём пока температура воды в калориметре не
повысится на 10 оС.
Теперь рассчитаем количество теплоты, полученное водой, используя
для этого известную нам формулу из термодинамики:
Здесь c —
это удельная теплоёмкость воды; m — её масса; а Δt — изменение температуры воды.
Тогда
после подстановки чисел и простых расчётов, получаем, что вода получила от нагревателя
4200 Дж теплоты.
Теперь определим количество теплоты, выделившееся в
проводнике, используя для этого закон Джоуля — Ленца:
Подставив в полученное уравнение данные наших опытов, найдём,
что за время эксперимента в проводнике выделились те же 4200 Дж теплоты. Это
подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.
Формулой Q = I2RΔt удобно пользоваться
при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при
последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один
и тот же.
При параллельном же соединении проводников ток в них
различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому
расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле: Q = U2Δt /
R.
Эта формула показывает, что при параллельном соединении в
каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное
сопротивлению проводника.
Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца
Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца
- Подробности
- Просмотров: 1185
Работа тока — это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника;
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.
Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:
По закону сохранения энергии:
работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока.
В системе СИ:
ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА
При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.
В системе СИ:
[Q] = 1 Дж
МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
— отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.
В системе СИ:
Электростатика и законы постоянного тока — Класс!ная физика
Электрический заряд. Электризация. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Единица электрического заряда —
Близкодействие и дальнодействие. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей. Силовые линии электрического поля —
Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Поляризация диэлектриков
—
Потенциальная энергия тела в электростатическом поле.
Потенциал электростатического поля и разность потенциалов. Связь между напряженностью электростатического поля и разхностью потенциалов —
Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора —
Электрический ток. Сила тока. Условия, необходимые для существования электрического тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление —
Работа и мощность тока
Любознательным
Следы на песке
Если вам приходилось, гулять по пляжу во время отлива, то, вероятно,
вы заметили, что, как только нога ступает на мокрый твердый песок, он немедленно
подсыхает и белеет вокруг вашего следа. Обычно это объясняют тем, что под тяжестью тела
вода «выжимается» из песка. Однако это не так, потому что песок не ведет себя подобно мочалке.
Почему же белеет песок? Будет ли песок оставаться белым все время, пока вы стоите на месте?
Оказывается…
Побеление песка на пляже впервые объяснил Рейнольде в 1885 г. Он показал,
что объем песка увеличивается, когда на него наступают.
До этого песчинки были «упакованы» самым плотным образом.
Под действием деформации сдвига, которая возникает под подошвой ботинка, объем, занимаемый песчинками, может
лишь увеличиться. В то время как уровень песка поднимается резко, уровень воды может подняться лишь в результате
капиллярных явлений, а на это требуется время. Поэтому на дне следа ноги песок некоторое время оказывается выше уровня воды —
он сухой и белый.
Источник: «Физический фейерверк» Дж. Уокер
Физика 8 класс. Работа и мощность электрического тока :: Класс!ная физика
Физика 8 класс. РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Работа электрического тока показывает, какая работа была совершена электрическим полем при перемещении зарядов по проводнику.
Зная две формулы:
I = q/t ….. и ….. U = A/q
можно вывести формулу для расчета работы электрического тока:
Работа электрического тока равна произведению силы тока на напряжение
и на время протекания тока в цепи.
Единица измерения работы электрического тока в системе СИ:
[ A ] = 1 Дж
= 1A. B . c
НАУЧИСЬ, ПРИГОДИТСЯ !
При расчетах работы электрического тока часто применяется
внесистемная кратная единица работы электрического тока:
1
кВт.ч (киловатт-час).
1 кВт.ч = ………..Вт.с = 3 600 000 Дж
В каждой квартире для учета израсходованной электроэнергии устанавливаются специальные
приборы-счетчики электроэнергии, которые показывают работу электрического тока,
совершенную за какой-то отрезок времени при включении различных бытовых электроприборов.
Эти счетчики показывают работу электрического тока ( расход электроэнергии) в «кВт.ч».
Необходимо научиться рассчитывать стоимость израсходованной электроэнергии!
Внимательно разбираемся в решении задачи на странице 122 учебника (параграф 52) !
МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Мощность электрического тока показывает работу тока, совершенную в единицу времени
и равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена.
(мощность в механике принято обозначать буквой N, в электротехнике — буквой Р)
так как А = IUt, то мощность электрического тока равна:
или
Единица мощности электрического тока в системе СИ:
[ P ] = 1 Вт (ватт) = 1 А . B
КНИЖНАЯ ПОЛКА
ВАУ, ИНТЕРЕСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ !
Устали? — Отдыхаем!
Updating… ! 1 _1 работа и мощность электрического тока.swf (200k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 1-2 формула мощности тока.swf (15k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 1_2 формула работы электрического тока.swf (15k) Ольга Федотова, 5 янв. 2 работа электрического тока.swf (122k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 3 задача мощность.swf (45k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 3 задачи.swf (120k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 3 мощность тока таблица.jpg (56k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 ć 3 решение задач moschnost_toka.ppt (368k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 ĉ 4 работа и мощность тока Физический диктант.doc (28k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 ć 4 Тест к уроку Работа и мощность электрического тока.ppt (101k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 ć 4 мощность электрического тока.ppt (179k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 ć 4 работа электрического тока.pptx (234k) Ольга Федотова, 5 янв. 2016 г., 10:11 ĉ 4 самостоятельная работа.doc (35k) Ольга Федотова, 5 янв. |
прибора (номинальные параметры)»
2016 г., 10:11
2016 г., 10:11примеры с решением, необходимые формулы для решения
В блоге мы часто рассматриваем решение типовых задач по физике с конкретными примерами, чтобы у вас сложилось четкое представление о том, что делать с подобными заданиями и как их решать. В этой статье рассмотрим задачи на работу и мощность электрического тока.
Работа и мощность тока
Прежде чем перейти к решению задач, давайте разберемся с основными определениями данного раздела физики.
Работа электротока на участке цепи определяется произведением напряжения на концах этого участка, силы тока и времени, за которое эта работа была совершена. Физическая величина обозначается большой латинской буквой A и измеряется в Джоулях.
При прохождении электротока по однородному участку цепи, можно говорить о том, что электрическое поле на этом участке цепи совершает определенную работу.
Источник: znanio.
2\times R\times t\)
где R — сопротивление проводника.
Источник: 900igr.net
Вопросы на работу и мощность электрического тока
Теоретические вопросы на работу и мощность электрического тока могут быть следующими:
- Что за физическая величина работа электрического тока? (Ответ дан в нашей статье выше).
- Что такое мощность электротока? (Ответ дан выше).
- Дайте определение закону Джоуля-Ленца. Ответ: Работа электротока, который течет по неподвижному проводнику, имеющему сопротивление R, превращается в тепло в проводнике.
- В чем измеряется работа тока? (Ответ выше).
- В чем измеряется мощность? (Ответ выше).
Это примерный список вопросов. Суть теоретических вопросов по физике всегда одна: проверить понимание физических процессов, зависимости одной величины от другой, знание формул и единиц измерения, принятых в международной системе СИ.
youtube.com/embed/kLBqp2uUKPc»/>
Задачи с решением
Рассмотрим типовые задачи с решениями по этой теме.
Задача №1. Мощность электрического тока
В сеть напряжением 220 В включена электрическая лампа. Сила тока, проходящего через нее равна 0,45 А. Чему будет равна мощность электротока в лампе за 2 секунды?
Решение
- Записываем вводные данные: U=220 В, I=0,45A, t=2с, P=?
- Вспоминаем уравнение для определения мощности:\( P=U\times I\)
- Подставляем известные нам числовые значения в формулу и получаем ответ: P=99 Вт.
Задача №2. Расчет мощности электрического тока
В одной электролампе напряжение равно 24 В, а сила тока 0,7 А, во второй электролампе напряжение равно 120 В, а сила тока 0,5 А. У какой из этих двух электрических ламп мощность электротока больше?
Решение:
- Фиксируем исходные данные: U1=24 В, I1=0,7 А, U2=120 В, I2=0,5 А, P1=? P2=?
- По формуле \(P=U\times I\) находим P1 и P2.
2}R\times t\) - Подставляем известные нам из условий задачи числовые значения в формулу и получаем ответ: 363000 Дж или 363 кДж.
2}R\times t\)
Задача №4. Расчет работы электрического тока
Два троллейбуса имеют одинаковые электродвигатели. В настоящий момент они находятся в движении. Первый троллейбус двигается с большей скоростью, второй — с меньшей. У какого троллейбуса работа электротока больше, при условии, что сопротивление и время движения одинаковы?
Решение
- Данная задача не требует записи каких-либо формул. В ней проверяется понимание учащимися взаимозависимости двух физических величин.
- Чем больше скорость движения, тем больше мощность электротока. Чем больше мощность, тем больше и работа, совершаемая электродвигателем. Следовательно, у первого троллейбуса она будет больше.
Задача №5 на закон Джоуля-Ленца
Аккумулятор с электродвижущей силой, равной 6 В и внутренним сопротивлением 0,1 Ом питает внешнюю цепь, у которой сопротивление равно 12,4 Ом.
2\times r\times t \)
Мы рассмотрели не слишком сложные задачи, большинство из которых можно решить при помощи одной формулы. Однако в школьных учебниках встречаются задания и посложнее. Если столкнулись со трудной для понимания темой по физике или любому другому предмету, не вешайте нос! Специалисты Феникс.Хелп с радостью придут вам на помощь. Любые письменные работы будут сделаны качественно и строго в обозначенные сроки.
Яркость лампы | |||||
Падение напряжения (В) | |||||
Первая лампочка | Вторая лампа | ||||
Яркость лампы | |||||
Падение напряжения (В) | |||||
Первая лампочка | Вторая лампа | ||||
Яркость лампы | |||||
Падение напряжения (В) | |||||
Длина провода в бухте (см) | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
Макс. нет. скрепок |
Этот модуль познакомит с основными концепциями, необходимыми для понимания технологий, обсуждаемых в этом курсе.Хотя формулы иногда используются для объяснения основных принципов, суть не в том, чтобы уметь решать количественные задачи. Формулы помогут вам увидеть взаимосвязь.
Потенциальная энергия — это то, что сохраняется и готово к преобразованию в кинетическую энергию. Это включает воду, удерживаемую плотиной, электрический заряд, хранящийся в батарее, химическую энергию, хранящуюся в жирах и сахарах, и химическую энергию, хранящуюся в бензине и угле.
Стандартная единица силы названа в честь сэра Исаака Ньютона, отца физики. Один Ньютон (1 Н) = количество силы для ускорения 1 кг массы на один метр в секунду 2 . Или 1 Н = (1 кг x 1 м) / с 2 .
Работа также выполняется, когда мы используем солнечный свет или природный газ для обогрева наших домов, когда мы используем электричество для освещения наших комнат или когда мы используем бутерброд с арахисовым маслом и желе для питания клеток нашего мозга.
Вода нагревается при перемешивании, показывая, что тепло = работа.
По аналогии, вы можете получить один галлон воды из капающего крана за час или из открытого крана за 15 секунд. В конце концов, вы все равно получите галлон воды, но во втором случае вода течет в ведро намного быстрее. Так что аспект времени важен. Мы используем термин мощность для обозначения количества энергии и скорости ее доставки. Джоуль — это показатель энергии, а ватт — показатель мощности.
1 кВтч = 1 кВт x 1 час.
Фунт жира равен примерно 3500 ккал (4 070,5 кВтч). Так что через десять дней он может прибавить еще фунт. Энергичная поездка на велосипеде использует энергию в размере 200 Вт. Поэтому ему следует подумать о двухчасовой поездке на велосипеде, чтобы оставаться в форме (0.2 кВт для езды на велосипеде x 2 часа = 4,0 кВтч).
wikimedia.org/wiki/File:600V_CV_5.5sqmm.jpg 
Другие чувствовали воздействие статического электричества от своей шерстяной одежды. Египтяне видели связь между электрической рыбой и молнией. Но только около 1600 года начались серьезные научные исследования электричества. Усилиями многих различных исследователей к концу 19 века было разработано хорошее понимание электричества и того, как его использовать.
Такое сопротивление измеряется в единицах, называемых Ом. Стекло — хороший изолятор и, следовательно, плохой проводник.
Когда выключатель разомкнут, подача электричества прекращается.
Единицей измерения электрического потенциала является вольт. Вольт равен джоуля на кулон. Таким образом, если автомобильный аккумулятор имеет электрический потенциал 12 вольт, он может обеспечить 12 джоулей энергии на каждый кулон заряда, который он подает на стартер. Точно так же, если розетка в вашем доме имеет электрический потенциал 120 вольт, то она может обеспечить 120 джоулей энергии на каждый кулон заряда, который подается на устройство, подключенное к стене. (Примечание: величина «электрический потенциал» иногда называется несколькими разными названиями, включая напряжение, разность потенциалов и электродвижущую силу.Для ясности мы всегда будем ссылаться на электрический потенциал, который измеряется в вольтах). Электроны высокого напряжения возвращаются в «основное состояние» с большей энергией, чем электроны низкого напряжения.
Вы знаете, что одинаковые концы магнитов отталкиваются друг от друга, а противоположные концы притягиваются. Теперь, когда электрический ток течет через провод, он становится похож на магнит в том смысле, что у него есть магнитное поле. Однако, в отличие от постоянных магнитов, магнитное поле можно отключить, остановив прохождение тока.Это свойство лежит в основе работы электродвигателей. Ток, проходящий через обмотки проводов в электродвигателе, вызывает включение магнетизма. Затем это заставляет двигатели вращаться, притягиваясь и толкаясь притяжением и отталкиванием электромагнитов.
org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете использовать это повторно элемент для некоммерческих целей при условии, что вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.
Поскольку для большинства приложений требуется более высокое напряжение, фотоэлементы должны быть подключены последовательно для получения желаемых результатов.
flickr.com/photos/cobalt_grrl/2256696466 
com) и опубликованы под этой лицензией Creative Commons. http://www.explainthatstuff.com/electricmotors.html 
Alternative-energy-tutorials.com, если прямо не указано иное. Согласно веб-мастеру AET: Как вы любезно спросили, я не возражаю против того, чтобы вы использовали это изображение как часть своего веб-курса по энергетике бесплатно. Тем не менее, я должен попросить вас правильно ссылаться на мои учебные пособия, изображения и сайт: www.alternative-energy-tutorials.com соответственно в своих презентациях.
Гибридные электромобили, такие как Toyota Prius, делают именно это. Электродвигатель питается от аккумулятора при нажатии педали акселератора.Когда педаль отпускается, инерция автомобиля действует через вращающиеся колеса, чтобы вращать двигатель, заставляя двигатель работать в качестве генератора, создавая электричество для подзарядки аккумулятора.
Это то, что производят батареи, солнечные панели и генераторы постоянного тока. Для электричества постоянного тока ток всегда течет в одном и том же направлении. Другой вид электричества — это переменный ток (AC). Как видно из названия, ток переключает направление в проводе с регулярным циклом. Электроэнергия переменного тока — это то, что приходит в наши дома через электросеть.Производится генераторами переменного тока. Генератор переменного тока устроен иначе, чем генератор постоянного тока. Помните, что в генераторе постоянного тока или двигателе есть коммутатор или выпрямитель, который переключает направление тока в катушках якоря (той части, которая вращается). В генераторе переменного тока вместо реверсивного коммутатора используются контактные кольца. Таким образом, с каждой половиной оборота генератора индуцированный ток меняет направление.
В Соединенных Штатах стандарт для электросети составляет 60 Гц (переключение вперед и назад 60 раз в секунду).
Это делают трансформаторы. Трансформатор состоит из двух расположенных бок о бок катушек, большой и малой.Обе катушки имеют общий железный сердечник. Переменный ток, проходящий через небольшую первичную катушку, за счет магнитной индукции создает ток более высокого напряжения в большей вторичной катушке. И обратное также верно: если первичная обмотка больше, вторичная обмотка меньшего размера будет иметь более низкое выходное напряжение.
По высоковольтным линиям электропередачи может подаваться электроэнергия 765 кВ (то есть 765 000 вольт!). То, что получается от розетки, составляет 120 вольт.
По проводу, идущему от инвертора, проходит постоянный ток, необходимый устройству.
Батареи работают, соединяя вместе два химических материала, которые имеют разное сродство к электронам. Материалы анода предпочитают терять электроны, а материалы катода — получать их. Электроды батареи погружены в раствор, содержащий положительно и отрицательно заряженные ионы, называемый электролитом. При включении в цепь электроны текут от анода к катоду.В то же время отрицательно заряженные ионы в электролите перемещаются от катода к аноду для поддержания нейтральности заряда и, таким образом, замыкают электрическую цепь.
Создайте цепь, используя две последовательно соединенные батареи и лампочку. Используйте цифровой мультиметр (DMM) для измерения электрического потенциала в вольтах между положительной и отрицательной клеммами в цепи. Теперь добавьте в цепь вторую лампочку последовательно с первой. Какова яркость каждой лампочки по сравнению с яркостью, когда в цепи была только одна лампочка? С помощью вольтметра измерьте напряжение между положительной клеммой аккумулятора и проводом сразу после первой лампочки, а затем сразу после второй лампочки.Запишите результаты. Теперь создайте цепь с двумя параллельными лампочками. Запишите яркость и напряжение на каждой лампочке.
Создайте пять магнитов для выборщиков, каждый с проволокой разной длины, намотанной вокруг железных гвоздей: 10 см, 20 см, 30 см, 40 см и 50 см. В каждом случае на каждом конце провода должно быть по 10 см, чтобы его можно было подключить к батарее. Таким образом, катушка «10 см» будет фактически сделана из провода длиной 30 см и так далее. Подключите каждый магнит к батарее и прикрепите как можно больше канцелярских скрепок к магнитной цепочке с кончика ногтя. Запишите максимальное количество скрепок в каждом случае. Затем нарисуйте график зависимости максимального количества удерживаемых скрепок от длины провода, из которого сделаны обмотки.Объясните, почему график выглядит именно так.
Соберите простой двигатель из предоставленного набора. Обязательно обратите внимание на инструкции по снятию изоляции на противоположных сторонах провода, который контактирует с зажимами аккумулятора.Как только вы заставите свой мотор вращаться, проведите следующие эксперименты.
Наденьте шляпу системного мышления.Учебное пособие по физике: мощность: заставляем заряды работать
Электрические цепи предназначены для выполнения полезной функции.
Простое перемещение заряда от терминала к терминалу имеет мало пользы, если электрическая энергия, которой обладает заряд, не преобразуется в другую полезную форму. Установка в цепь батареи и провода, идущего от положительной клеммы к отрицательной без электрического устройства (лампочка, звуковой сигнал, двигатель и т. Д.), Приведет к высокой скорости потока заряда. Такая цепь обозначается как короткое замыкание , . При быстрой передаче заряда между терминалами скорость потребления энергии будет высокой.Такая схема нагревает провода до высокой температуры и довольно быстро истощает батарею. Когда цепь оснащена лампочкой, звуковым сигналом или двигателем, электрическая энергия, подаваемая на заряд аккумулятором, преобразуется в другие формы в электрическом устройстве. Лампочка, звуковой сигнал и двигатель обычно называют нагрузкой . В лампочке электрическая энергия преобразуется в полезную световую энергию (и некоторую бесполезную тепловую энергию). В бипере электрическая энергия преобразуется в звуковую.
А в двигателе электрическая энергия преобразуется в механическую.
Электрическая цепь — это просто инструмент преобразования энергии. Энергия подается в схему от электрохимического элемента, батареи, генератора или другого источника электроэнергии. И энергия передается по цепи к нагрузке в месте нахождения нагрузки. Скорость, с которой происходит это преобразование энергии, имеет большое значение для тех, кто проектирует электрические цепи для полезных функций. Мощность — скорость, с которой выполняется механическая работа — была введена в модуле 5 физического кабинета.Здесь мы обсудим мощность с точки зрения электричества; хотя контекст изменился, сущностный смысл концепции власти останется прежним. Мощность — это скорость, с которой электрическая энергия подается в цепь или потребляется нагрузкой. Электрическая энергия подается на нагрузку от источника энергии, такого как электрохимический элемент. Вспомните из Урока 1, что ячейка действительно работает с зарядом, чтобы переместить его с терминала с низкой энергией на терминал с высокой энергией.
Работа, совершаемая над зарядом, эквивалентна изменению электрической потенциальной энергии заряда.Таким образом, электрическая мощность, как и механическая мощность, — это скорость, с которой выполняется работа. Как и ток, мощность — это величина скорости. Его математическая формула выражается в соотношении на раз.
Независимо от того, идет ли речь о энергии, полученной зарядом в источнике энергии, или энергии, потерянной зарядом в нагрузке, электрическая мощность относится к скорости, с которой заряд изменяет свою энергию. В электрохимической ячейке (или другом источнике энергии) изменение является положительным (т.е.е., выигрыш в энергии), а при нагрузке изменение является отрицательным изменением (т. е. потерей энергии). Таким образом, мощность часто называют скоростью изменения энергии, и ее уравнение выражается как изменение энергии за время. Как и механическая мощность, единицей электрической мощности является Вт , сокращенно Вт .
(Совершенно очевидно, что важно не путать символ Вт как единицу мощности с символом Вт , обозначающим количество работы, выполняемой источником энергии при зарядке.) Ватт мощности эквивалентен доставке 1 джоуля энергии каждую секунду. Другими словами:
1 ватт = 1 джоуль в секунду
Когда наблюдается, что электрическая лампочка рассчитана на 60 Вт, то каждую секунду к лампочке доставляется 60 джоулей энергии. 120-ваттные лампочки потребляют 120 джоулей энергии каждую секунду. Отношение энергии, доставленной или затраченной устройством ко времени, равно ваттной мощности устройства.
Киловатт-час
Электроэнергетические компании, обеспечивающие дома энергией, ежемесячно вносят в эти дома счет за использованную электроэнергию.Типичный счет может быть очень сложным, когда в нем есть ряд строк, в которых указывается плата за различные аспекты коммунальных услуг.
Но где-то в счете будет плата за количество израсходованных киловатт-часов электроэнергии . Что такое киловатт-час? Это единица мощности? время? энергия? или какое-то другое количество? И когда мы платим за потребляемую электроэнергию, за что именно мы платим?
Тщательный осмотр агрегата киловатт-час дает ответы на эти вопросы.Киловатт — это единица мощности, а час — это единица времени. Таким образом, киловатт • час — это единица мощности • времени. Если мощность = Δэнергия / время, то мощность • время = Δэнергия. Итак, единица мощности • время — это единица энергии. Киловатт • час — это единица энергии. Когда электроэнергетическая компания взимает с домохозяйства плату за использованную электроэнергию, они взимают плату за электроэнергию. Коммунальная компания в США отвечает за обеспечение того, чтобы разность электрических потенциалов на двух основных проводах дома составляла от 110 до 120 вольт.А поддержание этой разницы потенциалов требует энергии.
Распространено заблуждение, что коммунальные предприятия поставляют электроэнергию в виде носителей заряда или электронов. Дело в том, что мобильные электроны, которые находятся в проводах наших домов, будут там, независимо от того, существует ли коммунальная компания или нет. Электроны приходят с атомами, составляющими провода наших домашних цепей. Коммунальная компания просто предоставляет энергию, которая вызывает движение носителей заряда в бытовых цепях.И когда они взимают с нас несколько сотен киловатт-часов электроэнергии, они выставляют нам счет за электроэнергию.
Разность электрических потенциалов на двух вставках бытовой электросети зависит от страны. Используйте виджет Household Voltages ниже, чтобы узнать значения напряжения в домашних условиях для различных стран (например, США, Канады, Японии, Китая, Южной Африки и т. Д.).
Расчетная мощность
Скорость, с которой энергия передается в электрическую лампочку по цепи, связана с разностью электрических потенциалов, установленной на концах цепи (т.
е.е. номинальное напряжение источника энергии) и ток, протекающий по цепи. Связь между мощностью, током и разностью электрических потенциалов может быть получена путем объединения математических определений мощности, разности электрических потенциалов и тока. Мощность — это скорость, с которой энергия добавляется в цепь или удаляется из нее аккумулятором или нагрузкой. Ток — это скорость, с которой заряд проходит мимо точки в цепи. А разность электрических потенциалов на двух концах цепи — это разность потенциальной энергии на заряд между этими двумя точками.В форме уравнения эти определения можно сформулировать как
Уравнение 3, приведенное выше, можно переформулировать, чтобы показать, что изменение энергии на двух концах цепи является произведением разности электрических потенциалов и заряда — ΔV • Q. Подставив это выражение для изменения энергии в уравнение 1, мы получим следующее уравнение :
В приведенном выше уравнении в числителе стоит Q , а в знаменателе — t .
Это просто ток; и, как таковое, уравнение можно переписать как
Электрическая мощность — это просто произведение разности электрических потенциалов и силы тока. Чтобы определить мощность батареи или другого источника энергии (то есть скорость, с которой он передает энергию в цепь), нужно просто взять разность электрических потенциалов, которую он устанавливает во внешней цепи, и умножить ее на ток в цепи. Чтобы определить мощность электрического устройства или нагрузки, нужно просто взять разность электрических потенциалов на устройстве (иногда называемую падением напряжения) и умножить ее на ток в устройстве.
Как обсуждалось выше, мощность, подаваемая на электрическое устройство в цепи, связана с током в устройстве и разностью электрических потенциалов (то есть напряжением), приложенной к устройству. Используйте виджет Electric Power ниже, чтобы исследовать влияние переменного тока и напряжения на мощность.
Проверьте свое понимание
1.
Назначение каждой цепи — подавать энергию для работы различных электрических устройств. Эти устройства сконструированы для преобразования энергии текущего заряда в другие формы энергии (например, световую, тепловую, звуковую, механическую и т. Д.). Используйте полные предложения, чтобы описать преобразования энергии, которые происходят в следующих устройствах.
а. Дворники на авто
г. Схема размораживания автомобиля
г. Фен
2.Определить …
а. … ток в 60-ваттной лампочке, подключенной к 120-вольтовой розетке.
г. … ток в 120-ваттной лампочке, подключенной к 120-вольтовой розетке.
г. … мощность пилы, которая потребляет ток 12 ампер при подключении к розетке на 120 вольт.
г. … мощность тостера, который потребляет ток 6 ампер при подключении к розетке на 120 вольт.
e. … ток в 1000-ваттной микроволновой печи, подключенной к розетке на 120 вольт.
3. Ваша 60-ваттная лампочка подключена к домашней розетке на 110 вольт и оставлена включенной на 3 часа. Коммунальная компания взимает с вас 0,11 доллара за киловатт • час. Объясните, как можно рассчитать стоимость такой ошибки .
4. Альфредо деДарке часто оставляет бытовую технику включенной без уважительной причины (по крайней мере, по словам его родителей).Семья деДарк платит 10 центов за киловатт-час (т. Е. 0,10 доллара за кВт • час) за электроэнергию. Выразите свое понимание взаимосвязи между мощностью, электрической энергией, временем и затратами, заполнив таблицу ниже.
| Номинальная мощность (Ватт) | Время (часы) | Используемая энергия (киловатт-час) | Стоимость (центов) | Стоимость ($) |
| Лампа на 60 Вт | 1 | 0. 060 кВт • час | 0,6 ¢ | 0,006 долл. США |
| Лампа на 60 Вт | 4 | |||
| Лампа 120 Вт | 2 | |||
| Лампа на 100 Вт | 10 кВт-ч | |||
| Лампа на 60 Вт | 1000 ¢ | 10 долларов | ||
| 100 | 60 кВт-ч |
Мощность в электрических цепях | Закон Ома
Помимо напряжения и тока, есть еще один важный параметр, связанный с электрическими цепями: мощность .Во-первых, нам нужно понять, что такое мощность, прежде чем анализировать ее в каких-либо схемах.
Что такое мощность и как ее измерить?
Мощность — это мера того, сколько работы можно выполнить за заданный промежуток времени.
Работа обычно определяется как подъем веса против силы тяжести. Чем тяжелее вес и / или чем выше он поднимается, тем больше работы было выполнено. Мощность — это показатель того, насколько быстро выполняется стандартный объем работы.
Для американских автомобилей мощность двигателя оценивается в единицах, называемых «лошадиные силы», которые изначально были изобретены производителями паровых двигателей для количественной оценки работоспособности своих машин с точки зрения самого распространенного в их время источника энергии: лошадей.
Одна лошадиная сила определяется в британских единицах как 550 фут-фунт работы в секунду времени. Мощность двигателя автомобиля не будет указывать на высоту холма, на которую он может подняться, или на какой вес он может буксировать, но он покажет, насколько быстро он может подняться на определенный холм или буксировать определенный вес.
Мощность механического двигателя зависит как от скорости двигателя, так и от его крутящего момента на выходном валу.
Скорость выходного вала двигателя измеряется в оборотах в минуту или об / мин.
Крутящий момент — это величина крутящего момента, создаваемого двигателем, и обычно измеряется в фунт-футах или фунт-футах (не путать с фут-фунтами или фут-фунтами, которые являются единицей измерения работы). Ни скорость, ни крутящий момент сами по себе не являются мерой мощности двигателя.
Дизельный двигатель трактора мощностью 100 лошадиных сил вращается относительно медленно, но обеспечивает большой крутящий момент.Двигатель мотоцикла мощностью 100 лошадиных сил вращается очень быстро, но обеспечивает относительно небольшой крутящий момент. Оба будут производить 100 лошадиных сил, но на разных скоростях и с разным крутящим моментом. Уравнение для мощности на валу простое:
Обратите внимание, что в правой части уравнения есть только два переменных члена, S и T. Все остальные члены в этой части постоянны: 2, пи и 33000 — все константы (они не меняют своего значения).
. Мощность в лошадиных силах меняется только при изменении скорости и крутящего момента, больше ничего.Мы можем переписать уравнение, чтобы показать эту взаимосвязь:
Поскольку единица «лошадиных сил» не совпадает в точности со скоростью в оборотах в минуту, умноженной на крутящий момент в фунт-футах, мы не можем сказать, что мощность равна ST. Однако они на пропорциональны друг другу. По мере изменения математического произведения ST значение мощности в лошадиных силах изменится в той же пропорции.
Мощность как функция напряжения и тока
В электрических цепях мощность зависит как от напряжения, так и от тока.Неудивительно, что это соотношение имеет поразительное сходство с приведенной выше формулой «пропорциональной» мощности в лошадиных силах:
Однако в этом случае мощность (P) в точности равна току (I), умноженному на напряжение (E), а не просто пропорциональна IE.
При использовании этой формулы единицей измерения мощности является Вт , сокращенно обозначаемая буквой «W.»
Следует понимать, что ни напряжение, ни ток сами по себе не составляют мощность.Скорее, мощность — это комбинация напряжения и тока в цепи. Помните, что напряжение — это удельная работа (или потенциальная энергия) на единицу заряда, а ток — это скорость, с которой электрические заряды проходят через проводник.
Напряжение (удельная работа) аналогична работе, выполняемой при поднятии веса против силы тяжести. Ток (скорость) аналогичен скорости, с которой поднимается этот груз. Вместе как произведение (умножение) напряжение (работа) и ток (скорость) составляют мощность.
Так же, как в случае дизельного двигателя трактора и двигателя мотоцикла, цепь с высоким напряжением и низким током может рассеивать такое же количество мощности, что и цепь с низким напряжением и большим током. Ни величина напряжения, ни сила тока сами по себе не указывают на количество энергии в электрической цепи.
Питание при обрыве / коротком замыкании
В разомкнутой цепи, где напряжение присутствует между выводами источника и есть нулевой ток, рассеивается нулей мощность, независимо от того, насколько велико это напряжение.Поскольку P = IE и I = 0 и все, что умножается на ноль, равно нулю, мощность, рассеиваемая в любой разомкнутой цепи, должна быть равна нулю.
Точно так же, если бы у нас было короткое замыкание, состоящее из петли из сверхпроводящего провода (абсолютно нулевое сопротивление), у нас могло бы быть состояние тока в петле с нулевым напряжением, и аналогично, никакая мощность не рассеивалась бы. Поскольку P = IE и E = 0 и все, что умножается на ноль, равно нулю, мощность, рассеиваемая в сверхпроводящем контуре, должна быть равна нулю. (Мы рассмотрим тему сверхпроводимости в следующей главе).
Как мощность в лошадиных силах связана с ваттами?
Независимо от того, измеряем ли мы мощность в единицах «лошадиные силы» или «ватт», мы все равно говорим об одном и том же: сколько работы можно выполнить за заданный промежуток времени.
Эти две единицы численно не равны, но они выражают одно и то же.
Фактически, европейские производители автомобилей обычно рекламируют мощность своих двигателей в киловаттах (кВт) или тысячах ватт, а не в лошадиных силах! Эти две единицы мощности связаны друг с другом простой формулой преобразования:
Итак, наши 100-сильные дизельные и мотоциклетные двигатели также могут быть оценены как двигатели «74570 Вт», или, точнее, как «74.Двигатели мощностью 57 киловатт. В европейской технической документации этот рейтинг был бы скорее нормой, чем исключением.
ОБЗОР:
- Мощность — это показатель того, сколько работы можно выполнить за заданный промежуток времени.
- Механическая мощность обычно измеряется (в Америке) в «лошадиных силах».
- Электрическая мощность почти всегда измеряется в «ваттах», и ее можно рассчитать по формуле P = IE.
- Электроэнергия является продуктом как напряжения , так и тока , а не любого из них по отдельности.
- лошадиных сил и ватт — это просто две разные единицы для описания одного и того же физического измерения, при этом 1 лошадиная сила равна 745,7 ватт.
СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:
11.3 Мощность и энергия | Электрические схемы
Начнем с расчета эквивалентного сопротивления резисторов. Мы знаем общую
мощность и общее напряжение, поэтому мы используем это, чтобы найти полное сопротивление.{2}} {\ text {9,8}} \\
& = \ текст {3,67} \ текст {Ω}
\ end {выровнять *}
Теперь мы можем найти неизвестное сопротивление, сначала вычислив эквивалентную параллельную
сопротивление:
\ begin {align *}
\ frac {1} {R_ {p}} & = \ frac {1} {R_ {1}} + \ frac {1} {R_ {2}} + \ frac {1} {R_ {3}} \\
& = \ frac {1} {1} + \ frac {1} {5} + \ frac {1} {3} \\
& = \ frac {23} {15} \\
R_ {p} & = \ text {0,65} \ text {Ω}
\ end {выровнять *}
\ begin {align *}
R_ {s} & = R_ {4} + R_ {p} \\
R_ {4} & = R_ {s} — R_ {p} \\
& = \ text {3,67} — \ text {0,65} \\
& = \ текст {3,02} \ текст {Ω}
\ end {выровнять *}
Теперь мы можем рассчитать общий ток:
\ begin {align *}
I & = \ frac {V} {R} \\
& = \ frac {6} {\ text {3,67}} \\
& = \ текст {1,63} \ текст {А}
\ end {выровнять *}
Это ток в последовательном резисторе и во всем параллельном соединении.
{2} (\ text {3,02}) \\
& = \ текст {0,89} \ текст {W}
\ end {выровнять *}
Затем мы находим напряжение на этих резисторах и используем его, чтобы найти напряжение на
параллельная комбинация:
\ begin {align *}
V & = IR \\
& = (\ текст {1,63}) (\ текст {3,02}) \\
& = \ текст {4,92} \ текст {V}
\ end {выровнять *}
\ begin {align *}
V_ {T} & = V_ {1} + V_ {p} \\
V_ {p} & = V_ {T} — V_ {1} \\
& = \ text {6} — \ text {4,92} \\
& = \ текст {1,08} \ текст {V}
\ end {выровнять *}
Это напряжение на каждом из параллельных резисторов.{2}} {\ text {3}} \\
& = \ текст {3,5} \ текст {W}
\ end {выровнять *}
напряжение ток сопротивление и электрическая мощность общие основные электрические формулы математические расчеты формула калькулятора для расчета мощности энергия работа уравнение степенной закон ватт понимание общая электрическая круговая диаграмма расчет электричества электрическая ЭДС напряжение формула мощности уравнение два разных уравнения для расчета мощности общий закон омов аудио физика электричество электроника формула колесо формулы амперы ватты вольт омы косинус уравнение звуковая инженерия круговая диаграмма заряд физика мощность запись звука вычисление электротехническая формула мощность математика пи физика взаимосвязь
напряжение ток сопротивление и электрическая мощность общие основные электрические формулы математические вычисления формула калькулятора для расчета мощности энергия работа уравнение мощность закон ваттс понимание общая электрическая круговая диаграмма расчет электричества электрическая ЭДС напряжение формула мощности уравнение два разных уравнения для расчета мощности общий закон Ома аудио физика электричество электричество формула tronics колесо формулы амперы ватт вольт ом уравнение косинуса звуковая инженерия круговая диаграмма заряд физика мощность звук запись вычисление электротехника формула мощность математика пи физика отношение взаимосвязь — sengpielaudio Sengpiel Berlin
Электроэнергия , Электроэнергия , Электроэнергия
Электричество и Электричество
Наиболее распространенные общие формулы, используемые в электротехнике
634 ● Основные формулы и Расчеты ●
Взаимосвязь физических и электрических величин (параметров)
Электрическое напряжение В , Сила тока I 034 4 4 удельное сопротивление
R , импеданс Z ,
мощность и мощность P
Вольт В , ампер A, сопротивление и
импеданс Ом Ом и ватт Вт
Номинальное полное сопротивление Z = 4, 8 и 16 Ом (для громкоговорителей 906) часто принимается сопротивление 34 Р . Уравнение (формула) закона Ома: V = I × R и уравнение (формула) степенного закона: P = I × V . P = мощность, I или J = латиница: приток, международный ампер или интенсивность и R = сопротивление. В = напряжение, разность электрических потенциалов Δ V или E = электродвижущая сила (ЭДС = напряжение). |
| Введите любые два известных значения и нажмите «вычислить», чтобы решить для двух других. Пожалуйста, введите только два значения. |
| Используемый браузер, к сожалению, не поддерживает Javascript. Программа указана, но фактическая функция отсутствует. |
Колесо формул электротехники
В происходит от «напряжения», а E — от «электродвижущей силы (ЭДС)». E означает также энергия , поэтому мы выбираем V . Энергия = напряжение × заряд. E = V × Q . Некоторым нравится лучше придерживаться E вместо V , так что сделайте это. Для R возьмите Z . |
| 12 самых важных формул: Напряжение В = I × R = P / I = √ ( P × R ) в вольтах В Ток I = V 004/ = P / В = √ ( P / R ) в амперах A Сопротивление R = В / I = P / I |
См.
Также: Колесо формулы акустики (аудио)
| The Big Формулы мощности Расчет электрической и механической мощности (прочности) |
|
| Андр-Мари Ампре был французским физиком и математиком. Его именем названа единица измерения электрического тока в системе СИ — ампер . Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта был итальянским физиком. Его именем названа единица измерения электрического напряжения в системе СИ — вольт, . Георг Симон Ом был немецким физиком и математиком.  Его именем названа единица измерения электрического сопротивления в системе СИ, Ом, . Джеймс Ватт был шотландским изобретателем и инженером-механиком. Его именем названа единица измерения электрической мощности (мощности) в системе СИ, ватт, . |
| Мощность, как и все величины энергии, в первую очередь расчетное значение. |
| Слово «усилитель мощности» используется неправильно, особенно в аудиотехнике. Напряжение и ток можно усилить. Странный термин «усилитель мощности» стал пониматься как усилитель, предназначенный для управления нагрузкой например, громкоговоритель. Мы называем произведение усиления по току и усилению по напряжению «усилением мощности».  |
Совет: треугольник электрического напряжения V = I × R (закон Ома VIR)
Введите два значения , будет рассчитано третье значение.
Треугольник мощности P = I × V (Power law PIV)
Введите два значения , будет рассчитано третье значение.
С помощью волшебного треугольника можно легко вычислить все формулы. Вы прячетесь с
пальцем значение, которое нужно вычислить. Два других значения показывают, как производить расчет.
Расчеты: Закон Ома — магический треугольник Ома
Измерение входного и выходного сопротивления
ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК (AC) ~
В l = линейное напряжение (вольт), V p = фазное напряжение (вольт), I l = линейный ток (амперы), I p = фазный ток ( амперы)
Z = полное сопротивление (Ом), P = мощность (ватты), φ = угол коэффициента мощности, VAR = вольт-амперы (реактивные)
| Ток (однофазный): I = P / V p × cos φ | Ток (3 фазы): I = P / √3 V l × cos φ или I = P /3 V p × cos φ |
| Питание (однофазное): P = V p × I p × cos φ | Питание (3 фазы): P = √3 V l × I l × cos φ или P = √3 V p × I p × cos φ |
Коэффициент мощности PF = cos φ = R / (R2 + X2) 1/2 , φ = угол коэффициента мощности.
Для чисто резистивной схемы PF = 1 (идеально).
Полная мощность S рассчитывается по Пифагору, активная мощность P и реактивная мощность Q . S = √ ( P 2 + Q 2 )
| Формулы питания постоянного тока Напряжение В дюймов (В) вычисление из тока I дюймов (A) и сопротивления R дюймов (Ом): В (В) = I (A) × R (Ом) Мощность P в (Вт) рассчитывается исходя из напряжения В в (В) и тока I в (А): P (Вт) = В (В) × I (A) = V 2 (V) / R (Ω) = I 2 (A) R (Ω) Формулы питания переменного тока |
Фактический коэффициент мощности, а не стандартный коэффициент смещаемой мощности 50/60 Гц
| Определения электрических измерений | ||
| Кол-во | Имя | Определение |
| частота f | герц (Гц) | 1 / с |
| сила F | ньютон (Н) | кг · м / с² |
| давление p | паскаль (Па) = Н / м² | кг / м · с² |
| энергия E | рабочий джоуль (Дж) = N · м | кг · м² / с² |
| мощность П | ватт (Вт) = Дж / с | кг · м² / с³ |
| электрический заряд Q | кулон (Кл) = A · с | А · с |
| напряжение В | вольт (В) = Вт / д | кг · м² / A · s³ |
| ток I | ампер (А) = Q / с | А |
| емкость C | фарад (Ф) = C / V = A · с / В = с / Ом | A² · с 4 / кг · m² |
| индуктивность L | генри (H) = Wb / A = V · s / A | кг · м² / A² · s² |
| сопротивление R | Ом (Ом) = В / А | кг · м²A² · s³ |
| проводимость G | сименс (S) = A / V | A² · s³ / кг · m² |
| магнитный поток Φ | Вебер (Wb) = V · с | кг · м² / A · с² |
| плотность потока B | тесла (T) = Вт / м² = V · с / м² | кг / А · с² |
Поток электрического заряда Q называется электрическим током I. Размер начисления за единицу времени изменение электрического тока. Ток протекает с постоянным значением I. в течение времени t , он переносит заряд Q = I × t . Для временно постоянной мощности соотношение между зарядом и током: I = Q / t или Q = I × t. Благодаря этой взаимосвязи, основные единицы усилителя и секунды кулонов в Установлена Международная система единиц.Кулоновскую единицу можно представить как 1 C = 1 A × s. Заряд Q , (единица измерения в ампер-часах Ач), ток разряда I , (единица измерения в амперах A), время t , (единица измерения в часах h). |
В акустике имеется « Акустический эквивалент закона Ома »
Соотношение акустических размеров, связанных с плоскими прогрессивными звуковыми волнами
Преобразование многих единиц, таких как мощность и энергия
префиксы |
длина |
площадь |
объем |
вес |
давление |
температура |
время |
энергия |
мощность |
плотность |
скорость |
ускорение |
сила
[наверх]
9.
5 Электроэнергия и мощность — Университетская физика, Том 2
Задачи обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Выражать электрическую мощность через напряжение и ток
- Опишите мощность, рассеиваемую резистором в электрической цепи
- Расчет энергоэффективности и рентабельности 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, увеличивая их кинетическую энергию на короткое время. Эта увеличенная кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию в результате столкновений с ионами решетчатой структуры проводника. В работе «Работа и кинетическая энергия» мы определили мощность как скорость, с которой работа выполняется силой, измеряемой в ваттах.
Мощность также можно определить как скорость передачи энергии. В этом разделе мы обсуждаем скорость передачи энергии или мощности в электрической цепи.
Мощность в электрических цепях
У многих людей власть ассоциируется с электричеством. На ум могут прийти линии электропередач. Мы также думаем о лампах с точки зрения их номинальной мощности в ваттах. Как называется электроэнергия?
Сравним лампочку на 25 Вт с лампой на 60 Вт (рисунок 9.23 (а)). Лампа на 60 Вт светится ярче, чем лампа на 25 Вт. Хотя это не показано, лампа 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, преобразуется во внутреннюю энергию проводника и излучения. Как напряжение, ток и сопротивление связаны с электроэнергией?
Фигура
9,23
(a) На фото выше две лампы накаливания: лампа мощностью 25 Вт (слева) и лампа мощностью 60 Вт (справа).
Лампа мощностью 60 Вт обеспечивает более интенсивный свет, чем лампа мощностью 25 Вт. Электрическая энергия, подаваемая в лампочки, преобразуется в тепло и свет. (b) Эта компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) излучает такой же свет, что и лампа мощностью 60 Вт, но при входной мощности от 1/4 до 1/10. (кредит а: модификация работ «Dickbauch» / Wikimedia Commons и Грега Вестфолла; кредит б: модификация работ «dbgg1979» / Flickr)
Чтобы рассчитать электрическую мощность, рассмотрите разницу напряжений, существующую на материале (рисунок 9.24). Электрический потенциал V1V1 выше, чем электрический потенциал в V2V2, а разность напряжений отрицательна: V = V2-V1V = V2-V1. Как обсуждалось в разделе «Электрический потенциал», между двумя потенциалами существует электрическое поле, которое указывает от более высокого потенциала к более низкому. Напомним, что электрический потенциал определяется как потенциальная энергия на заряд, V = ΔU / qV = ΔU / q, и заряд ΔQΔQ теряет потенциальную энергию, перемещаясь через разность потенциалов.
Фигура
9.24
Когда существует разность потенциалов в проводнике, присутствует электрическое поле, которое указывает в направлении от более высокого потенциала к более низкому потенциалу.
Если заряд положительный, на него действует сила электрического поля F → = ma → = ΔQE → F → = ma → = ΔQE →. Эта сила необходима, чтобы заряд двигался. Эта сила не действует для ускорения заряда на всем расстоянии ΔLΔL из-за взаимодействий 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 область A2A2, имеет ту же скорость vdvd дрейфа, что и заряд, который проходит через область A1A1. Однако с зарядом работает электрическое поле, которое изменяет потенциальную энергию. Поскольку изменение разности электрических потенциалов отрицательное, электрическое поле оказывается равным
E = — (V2 − V1) ΔL = VΔL.E = — (V2 − V1) ΔL = VΔL.
Работа, совершаемая над зарядом, равна произведению электрической силы на длину приложения силы,
W = FΔL = (ΔQE) ΔL = (ΔQVΔL) ΔL = ΔQV = ΔU.
W = FΔL = (ΔQE) ΔL = (ΔQVΔL) ΔL = ΔQV = ΔU.
Заряд движется с дрейфовой скоростью vdvd, поэтому работа, выполняемая над зарядом, приводит к потере потенциальной энергии, но средняя кинетическая энергия остается постоянной. Потерянная электрическая потенциальная энергия проявляется в материале как тепловая энергия. В микроскопическом масштабе передача энергии происходит из-за 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 = −ΔQVΔt = IV.P = ΔUΔt = −ΔQVΔt = IV.
С резистором падение напряжения на резисторе отводится в виде тепла. Закон Ома гласит, что напряжение на резисторе равно току, умноженному на сопротивление, V = IRV = IR.
Таким образом, 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 в виде лучистой энергии по проводам и резистору, равна P = IV = I2R = V2RP = IV = I2R = V2R. Мощность, подаваемая от батареи, равна току, умноженному на напряжение, P = IVP = IV.
Электроэнергия
Электроэнергия, полученная или потерянная каким-либо устройством, имеет вид
.
Мощность, рассеиваемая резистором, имеет вид
.
P = I2R = V2R.P = I2R = V2R.
9,13
Из трех различных выражений для электроэнергии можно сделать разные выводы.Например, P = V2 / RP = V2 / R означает, что чем ниже сопротивление, подключенное к данному источнику напряжения, тем больше выдается мощность. Кроме того, поскольку напряжение возведено в квадрат в P = V2 / RP = V2 / R, эффект от приложения более высокого напряжения, возможно, больше, чем ожидалось.
Таким образом, когда напряжение увеличивается вдвое до лампы мощностью 25 Вт, ее мощность увеличивается почти в четыре раза и составляет около 100 Вт, что приводит к ее перегоранию. Если бы сопротивление лампы оставалось постоянным, ее мощность была бы ровно 100 Вт, но при более высокой температуре ее сопротивление также будет 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 поднимать объект массой 4900,00 Н на расстояние 10,00 м за 30,00 с при постоянной скорость. а) Какая мощность потребляет двигатель? б) Какая сила используется для подъема объекта? Не обращайте внимания на сопротивление воздуха. (c) Предполагая, что разница в мощности, потребляемой двигателем, и мощности, используемой для подъема объекта, рассеивается в виде тепла за счет сопротивления двигателя, оценить сопротивление двигателя?
Стратегия
(a) Мощность, потребляемая двигателем, может быть найдена с помощью P = IVP = IV.
(b) Мощность, используемая для подъема объекта с постоянной скоростью, может быть найдена с помощью P = FvP = Fv, где скорость — это расстояние, разделенное на время. Сила, направленная вверх двигателем, равна весу объекта, потому что ускорение равно нулю. (c) Сопротивление двигателя можно найти, используя P = I2RP = I2R.
Решение
- Мощность, потребляемая двигателем, равна P = IVP = IV, а ток равен 20,00 А, а напряжение составляет 115,00 В:
P = IV = (20.00A) 115.00V = 2300.00W.P = IV = (20.00A) 115.00V = 2300.00W. - Мощность, используемая для подъема объекта, равна P = FvP = Fv, где сила равна весу объекта (1960 Н), а величина скорости равна v = 10.00m30.00s = 0.33msv = 10.00m30. 00с = 0,33 мс,
P = Fv = (4900N) 0,33 м / с = 1633,33W. P = Fv = (4900N) 0,33 м / с = 1633,33W. - Разница в мощности равна 2300,00 Вт − 1633,33 Вт = 666,67 Вт 2300,00 Вт − 1633,33 Вт = 666,67 Вт, а сопротивление можно найти, используя P = I2RP = I2R:
R = PI2 = 666,67 Вт (20,00 A) 2 = 1,67 Ом. R = PI2 = 666,67 Вт (20,00 A) 2 = 1.67 Ом.
R = PI2 = 666,67 Вт (20,00 A) 2 = 1.67 Ом.Значение
Сопротивление мотора довольно небольшое. Сопротивление двигателя обусловлено множеством обмоток из медной проволоки. Мощность, рассеиваемая двигателем, может быть значительной, поскольку тепловая мощность, рассеиваемая двигателем, пропорциональна квадрату тока (P = I2R) (P = I2R).
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
А (рисунок 9.25) — это устройство, которое защищает цепь от слишком высоких токов. Предохранитель — это, по сути, короткий отрезок провода между двумя контактами. Как мы видели, когда ток проходит по проводнику, кинетическая энергия носителей заряда преобразуется в тепловую энергию в проводнике.
Кусок проволоки в предохранителе находится под напряжением и имеет низкую температуру плавления. Проволока рассчитана на нагрев и разрыв при номинальном токе.Предохранитель поврежден и подлежит замене, но он защищает остальную часть цепи. Предохранители срабатывают быстро, но есть небольшая задержка по времени, пока провод нагревается и обрывается.
Фигура
9,25
Предохранитель состоит из отрезка провода между двумя контактами. Когда через провод проходит ток, превышающий номинальный, провод плавится, разрывая соединение. На фото — «перегоревший» предохранитель в месте обрыва провода, защищающего цепь (кредит: модификация работы «Шардайы» / Flickr).
Автоматические выключатели
также рассчитаны на максимальный ток и разомкнуты для защиты цепи, но могут быть сброшены. Автоматические выключатели реагируют намного быстрее. Работа автоматических выключателей выходит за рамки этой главы и будет обсуждаться в следующих главах. Другой метод защиты оборудования и людей — прерыватель цепи замыкания на землю (GFCI), который широко используется в ванных комнатах и кухнях.
Торговые точки GFCI очень быстро реагируют на изменения тока. Эти выходы открываются при изменении магнитного поля, создаваемого токонесущими проводниками, что также выходит за рамки данной 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 знакомый факт основан на соотношении энергии и мощности. Вы платите за использованную энергию. Поскольку P = dEdtP = dEdt, мы видим, что
— это энергия, используемая устройством, использующим мощность P в течение временного интервала t . Если мощность доставляется с постоянной скоростью, то энергию можно найти по формуле E = PtE = Pt. Например, чем больше горело лампочек, тем больше использовалось P ; чем дольше они включены, тем больше т .
Единицей измерения энергии в счетах за электричество является киловатт-час (кВт · ч) (кВт · ч), что соответствует соотношению E = PtE = Pt. Стоимость эксплуатации электроприборов легко оценить, если у вас есть некоторое представление об их потребляемой мощности в ваттах или киловаттах, времени их работы в часах и стоимости киловатт-часа для вашей электросети. Киловатт-часы, как и все другие специализированные единицы энергии, такие как пищевые калории, можно преобразовать в джоули. Вы можете доказать себе, что 1кВт · ч = 3.6 × 106Дж1кВт · ч = 3,6 × 106Дж.
Потребляемую электрическую энергию ( E ) можно уменьшить либо за счет сокращения времени использования, либо за счет снижения энергопотребления этого прибора или приспособления. Это не только снижает стоимость, но и снижает воздействие на окружающую среду. Улучшение освещения — один из самых быстрых способов снизить потребление электроэнергии в доме или на работе. Около 20% энергии, потребляемой в доме, идет на освещение, а это число для коммерческих предприятий приближается к 40%.
Флуоресцентные лампы примерно в четыре раза эффективнее ламп накаливания — это верно как для длинных ламп, так и для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). (См. Рис. 9.23 (b).) Таким образом, лампу накаливания мощностью 60 Вт можно заменить на КЛЛ мощностью 15 Вт, которая имеет такую же яркость и цвет. КЛЛ имеют изогнутую трубку внутри шара или трубку спиральной формы, все они подключены к стандартному привинчиваемому основанию, которое подходит для стандартных розеток лампы накаливания. (Первоначальные проблемы с цветом, мерцанием, формой и высокими начальными затратами на КЛЛ были решены в последние годы.)
Теплопередача от этих КЛЛ меньше, и они служат до 10 раз дольше, чем лампы накаливания. В следующем примере рассматривается важность инвестиций в такие лампы. Новые белые светодиодные фонари (которые представляют собой группы небольших светодиодных лампочек) еще более эффективны (в два раза больше, чем у КЛЛ) и служат в пять раз дольше, чем КЛЛ.
Пример
9.10
Расчет рентабельности светодиодной лампы
Типичной заменой лампы накаливания мощностью 100 Вт является светодиодная лампа мощностью 20 Вт.
Светодиодная лампа мощностью 20 Вт может обеспечивать такое же количество света, как и лампа накаливания мощностью 100 Вт. Какова экономия затрат при использовании светодиодной лампы 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 сутки.
Стратегия
(а) Рассчитайте количество энергии, потребляемой в течение года для каждой лампочки, используя E = PtE = Pt.
(б) Умножьте энергию на стоимость.
Решение
- Рассчитайте мощность для каждой лампочки.E Incandescent = Pt = 100 Вт (1 кВт 1000 Вт) (3 часа) (365 дней) = 109,5 кВт · HELED = Pt = 20 Вт (1 кВт 1000 Вт) (3 дня) (365 дней) = 21,90 кВт · ч. E Incandescent = Pt = 100 Вт (1 кВт 1000 Вт) (3 часа) ( 365 дней) = 109,5 кВт · HELED = Pt = 20 Вт (1 кВт · 1000 Вт) (3 часа) (365 дней) = 21,90 кВт · ч.
- Рассчитайте стоимость для каждого.
Стоимость Incandescent = 109,5 кВт-ч (0,10 кВт · ч) = 10,95 долларов США Стоимость LED = 21,90 кВт · ч (0,10 кВт · ч) = 2,19 долларов США Стоимость Incandescent = 109,5 кВт · ч (0,10 кВт · ч) = 10,95 долларов США Стоимость LED = 21,90 кВт · ч ( 0,10 $ кВт · ч) = 2,19 $.
Значение
Светодиодная лампа потребляет на 80% меньше энергии, чем лампа накаливания, экономя 8 долларов.76 над лампой накаливания на один год. Светодиодная лампа может стоить 20 долларов, а лампа накаливания мощностью 100 Вт может стоить 0,75 доллара, что следует учесть при расчетах. Типичный срок службы лампы накаливания составляет 1200 часов, а светодиодной лампы — 50 000 часов. Лампа накаливания прослужит 1,08 года при 3 часах в день, а светодиодная лампа — 45,66 года. Первоначальная стоимость светодиодной лампы высока, но стоимость для домовладельца составит 0,69 доллара за лампы накаливания по сравнению с 0,44 доллара за светодиодные лампы в год.
(Обратите внимание, что светодиодные лампы дешевеют.) Экономия затрат в год составляет примерно 8,50 долларов США, и это только для одной лампы.
Проверьте свое понимание
9.10
Проверьте свое понимание Является ли эффективность различных лампочек единственным соображением при сравнении различных лампочек?
Замена ламп накаливания на КЛЛ или светодиодные лампы — простой способ снизить потребление энергии в домах и коммерческих объектах.Лампы CFL работают с совершенно другим механизмом, чем лампы накаливания. Механизм сложен и выходит за рамки данной главы, но здесь приводится очень общее описание механизма. Лампы CFL содержат пары аргона и ртути, заключенные в трубку спиральной формы. В лампах CFL используется «балласт», который увеличивает напряжение, используемое лампой CFL. Балласт производит электрический ток, который проходит через газовую смесь и возбуждает молекулы газа. Возбужденные молекулы 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 CFL имели короткую временную задержку до нескольких секунд, пока смесь «нагревалась» и молекулы переходили в возбужденное состояние. Следует отметить, что эти лампы содержат ртуть, которая ядовита, но если лампа сломана, ртуть никогда не выделяется. Даже если колба сломана, ртуть имеет тенденцию оставаться во флуоресцентном покрытии. Количество также довольно невелико, и преимущество экономии энергии может перевесить недостаток использования ртути.
Лампы CFL заменяются на светодиодные, где LED означает «светоизлучающий диод». Диод был кратко обсужден как неомический прибор, сделанный из полупроводникового материала, который позволяет току течь в одном направлении. Светодиоды — это особый тип диодов, изготовленных из полупроводниковых материалов, наполненных примесями в комбинациях и концентрациях, которые позволяют преобразовывать дополнительную энергию движения электронов во время электрического возбуждения в видимый свет.
Полупроводниковые устройства будут объяснены более подробно в Физике конденсированного состояния.
Коммерческие светодиоды быстро становятся стандартом для коммерческого и жилого освещения, заменяя лампы накаливания и КЛЛ. Они предназначены для работы в видимой области спектра и изготовлены из галлия, легированного атомами мышьяка и фосфора. Цвет, излучаемый светодиодом, зависит от материалов, используемых в полупроводнике, и от силы тока. В первые годы развития светодиодов маленькие светодиоды на печатных платах были красного, зеленого и желтого цветов, но теперь светодиодные лампочки можно запрограммировать на создание миллионов цветов света, а также множества различных оттенков белого света.
Сравнение ламп накаливания, КЛЛ и светодиодных ламп
Экономия энергии может быть значительной при замене лампы накаливания или лампы CFL на светодиодную. Лампочки оцениваются по количеству энергии, потребляемой лампочкой, а количество светового потока измеряется в люменах.
Люмен (лм) — это производная от системы СИ единица светового потока и мера общего количества видимого света, излучаемого источником. Лампу накаливания мощностью 60 Вт можно заменить лампой CFL мощностью 13–15 Вт или светодиодной лампой мощностью 6–8 Вт, все три из которых имеют световой поток примерно 800 лм.Таблица светоотдачи для некоторых обычно используемых лампочек представлена в Таблице 9.2.
Срок службы лампочек трех типов значительно различается. Срок службы светодиодной лампы составляет 50 000 часов, у CFL — 8 000 часов, а лампы накаливания — всего 1200 часов. Светодиодная лампа является самой прочной, легко выдерживает 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 светодиодная лампа, из-за своей стеклянной конструкции. Количество выделяемого тепла составляет 3,4 БТЕ / ч для светодиодной лампы мощностью 8 Вт, 85 БТЕ / ч для лампы накаливания мощностью 60 Вт и 30 БТЕ / ч для лампы КЛЛ.
Как упоминалось ранее, основным недостатком лампы CFL является то, что она содержит ртуть, нейротоксин, и ее необходимо утилизировать как опасные отходы. Из этих данных легко понять, почему светодиодные лампы быстро становятся стандартом в освещении.
| Световой поток (люмен) | Светодиодные лампы (Ватт) | Лампы накаливания (Ватт) | Лампочка 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 |
Таблица
9.
2
Световой поток светодиодных ламп, ламп накаливания и КЛЛ
Сводка отношений
В этой главе мы обсудили отношения между напряжением, током, сопротивлением и мощностью. На рис. 9.26 представлена сводная информация о взаимосвязях между этими измеряемыми величинами для омических устройств. (Напомним, что омические устройства подчиняются закону Ома V = IRV = IR.) Например, если вам нужно рассчитать мощность, используйте розовую секцию, которая показывает, что P = VIP = VI, P = V2RP = V2R и P = I2RP. = I2R.
Фигура
9,26
Этот кружок показывает сводку уравнений для отношений между мощностью, током, напряжением и сопротивлением.
Какое уравнение вы используете, зависит от того, какие значения вам даны или 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).
19.4 Электроэнергетика — физика
Задачи обучения разделу
К концу этого раздела вы сможете делать следующее:
- Определите электрическую мощность и опишите уравнение электрической мощности
- Расчет электрической мощности в цепях резисторов в последовательном, параллельном и сложном расположении
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:
- (5) Научные концепции.Студент знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
- (Ж)
проектировать, конструировать и рассчитывать в терминах сквозного тока, разности потенциалов, сопротивления и мощности, используемой элементами электрической цепи, соединенными как в последовательной, так и в параллельной комбинациях.
- (Ж)
Кроме того, Руководство лаборатории по физике для средней школы рассматривает содержание этого раздела лаборатории под названием «Работа, энергия и мощность в цепях», а также следующие стандарты:
- (6) Научные концепции. Учащийся знает, что в физической системе происходят изменения, и применяет законы сохранения энергии и количества движения. Ожидается, что студент:
- (С)
вычислить механическую энергию, мощность, генерируемую внутри, импульс и импульс физической системы.
- (С)
Учащийся знает, что в физической системе происходят изменения, и применяет законы сохранения энергии и количества движения. Ожидается, что студент:Раздел Ключевые термины
У многих людей власть ассоциируется с электричеством. Каждый день мы используем электроэнергию для работы наших современных приборов. Линии электропередачи — наглядные примеры электроэнергии, обеспечивающей мощность.Мы также используем электроэнергию для запуска автомобилей, работы компьютеров или освещения дома. Мощность — это скорость передачи энергии любого типа; электрическая мощность — это скорость, с которой электрическая энергия передается в цепи. В этом разделе мы узнаем не только, что это означает, но и от того, какие факторы определяют электрическую мощность.
Для начала представим себе лампочки, которые часто характеризуются номинальной мощностью в ваттах.
Давайте сравним лампу мощностью 25 Вт с лампой мощностью 60 Вт (см. Рисунок 19.20). Хотя обе работают при одинаковом напряжении, лампа мощностью 60 Вт излучает больше света, чем лампа мощностью 25 Вт. Это говорит нам о том, что выходную мощность электрической цепи определяет нечто иное, чем напряжение.
Лампы накаливания, такие как две, показанные на рис. 19.20, по сути являются резисторами, которые нагреваются, когда через них протекает ток, и становятся настолько горячими, что излучают видимый и невидимый свет. Таким образом, две лампочки на фото можно рассматривать как два разных резистора.В простой цепи, такой как электрическая лампочка с приложенным к ней напряжением, сопротивление определяет ток по закону Ома, поэтому мы можем видеть, что ток, а также напряжение должны определять мощность.
Рисунок 19.20 Слева — лампочка мощностью 25 Вт, а справа — лампочка мощностью 60 Вт. Почему их выходная мощность различается, несмотря на то, что они работают при одинаковом напряжении?
Формулу мощности можно найти путем анализа размеров.
Рассмотрим единицы мощности. В системе СИ мощность указывается в ваттах (Вт), которые представляют собой энергию в единицу времени, или Дж / с
.
Напомним, что напряжение — это потенциальная энергия на единицу заряда, что означает, что напряжение имеет единицы Дж / Кл
Мы можем переписать это уравнение как J = V × CJ = V × C и подставить его в уравнение для ватт, чтобы получить
W = Js = V × Cs = V × Cs.W = Js = V × Cs = V × Cs.
Но кулон в секунду (Кл / с) — это электрический ток, который мы можем видеть из определения электрического тока, I = ΔQΔtI = ΔQΔt, где ΔΔ Q — заряд в кулонах, а ΔΔ t — время в секундах. Таким образом, приведенное выше уравнение говорит нам, что электрическая мощность равна напряжению, умноженному на ток, или
Это уравнение дает электрическую мощность, потребляемую цепью с падением напряжения В и током I .
Например, рассмотрим схему на Рисунке 19.21. По закону Ома ток, протекающий по цепи, равен
.
I = VR = 12 В 100 Ом = 0,12 А. I = VR = 12 В 100 Ом = 0,12 А.
19,49
Таким образом, мощность, потребляемая схемой, равна
.
P = VI = (12 В) (0,12 A) = 1,4 Вт. P = VI = (12 В) (0,12 A) = 1,4 Вт.
19,50
Куда уходит эта энергия? В этой схеме мощность в основном идет на нагрев резистора в этой цепи.
Рисунок 19.21 Простая схема, потребляющая электроэнергию.
При расчете мощности в схеме на Рисунке 19.21, мы использовали сопротивление и закон Ома, чтобы найти ток. Закон Ома дает ток: I = V / RI = V / R, который мы можем вставить в уравнение для электроэнергии, чтобы получить
P = IV = (VR) V = V2R.P = IV = (VR) V = V2R.
Это дает мощность с точки зрения только напряжения и сопротивления.
Мы также можем использовать закон Ома, чтобы исключить напряжение из уравнения для электроэнергии и получить выражение для мощности, выраженное только через ток и сопротивление.
Если мы запишем закон Ома как V = IRV = IR
и используя это, чтобы исключить V в уравнении P = IVP = IV, мы получим
P = IV = I (IR) = I2R.P = IV = I (IR) = I2R.
Это дает мощность с точки зрения только тока и сопротивления.
Таким образом, комбинируя закон Ома с уравнением P = IVP = IV для электроэнергии, мы получаем еще два выражения для мощности: одно через напряжение и сопротивление, а другое через ток и сопротивление. Обратите внимание, что в выражения для электрической мощности входят только сопротивление (не емкость или что-либо еще), ток и напряжение. Это означает, что физической характеристикой схемы, определяющей, сколько мощности она рассеивает, является ее сопротивление.Конденсаторы в цепи не рассеивают электроэнергию — напротив, конденсаторы либо накапливают электрическую энергию, либо отдают ее обратно в цепь.
Чтобы прояснить, как связаны напряжение, сопротивление, ток и мощность, рассмотрим рисунок 19.22, на котором показано колесо формул .
Количества в центральной четверти круга равны количествам в соответствующей внешней четверти круга. Например, чтобы выразить потенциал V через мощность и ток, мы видим из колеса формул, что V = P / IV = P / I.
Рисунок 19.22 Колесо формул показывает, как связаны между собой вольт, сопротивление, ток и мощность. Количества во внутренней четверти окружности равны количеству в соответствующей внешней четверти окружности.
Рабочий пример
Найдите сопротивление лампочки
Типичная старая лампа накаливания имела мощность 60 Вт. Если предположить, что к лампочке приложено 120 В, каков ток через лампочку?
Стратегия
Нам даны напряжение и выходная мощность простой цепи, содержащей лампочку, поэтому мы можем использовать уравнение P = IVP = IV, чтобы найти ток I , протекающий через лампочку.
Решение
Решение P = IVP = IV для тока и вставка данных значений для напряжения и мощности дает
P = IVI = PV = 60 Вт, 120 В = 0,50 А.
P = IVI = PV = 60 Вт, 120 В = 0,50 А.
19,51
Таким образом, при подаче 120 В. через лампочку проходит половина ампера.
Обсуждение
Это значительное течение. Напомним, что в быту используется переменный, а не постоянный ток, поэтому 120 В, подаваемое от бытовых розеток, — это переменная, а не постоянная мощность.Фактически, 120 В — это усредненная по времени мощность, обеспечиваемая такими розетками. Таким образом, средний ток, протекающий через лампочку за период времени, превышающий несколько секунд, составляет 0,50 А.
Рабочий пример
Подогреватели ботинок
Чтобы согреть ботинки в холодные дни, вы решаете вшить цепь с некоторыми резисторами в стельку ботинок. Вам нужно 10 Вт тепла от резисторов в каждой стельке, и вы хотите, чтобы они работали от двух 9-вольтовых батарей (соединенных последовательно).Какое общее сопротивление вы должны приложить к каждой стельке?
Стратегия
Нам известны требуемая мощность и напряжение (18 В, потому что у нас есть две батареи 9 В, соединенные последовательно), поэтому мы можем использовать уравнение P = V2 / RP = V2 / R, чтобы найти необходимое сопротивление.
Решение
Решая P = V2 / RP = V2 / R для сопротивления и вставляя заданные напряжение и мощность, получаем
P = V2RR = V2P = (18 В) 210 Вт = 32 Ом. P = V2RR = V2P = (18 В) 210 Вт = 32 Ом.
19,52
Таким образом, общее сопротивление в каждой стельке должно быть 32 Ом.Ω.
Обсуждение
Давайте посмотрим, сколько тока пройдет по этой цепи. У нас есть 18 В, приложенное к сопротивлению 32 Ом, поэтому закон Ома дает
I = VR = 18 В 32 Ом = 0,56 А. I = VR = 18 В 32 Ом = 0,56 А.
19,53
На всех батареях есть этикетки, на которых указано, сколько заряда они могут обеспечить (в единицах силы тока, умноженного на время). Типичная щелочная батарея 9 В может обеспечить заряд 565 мА · ч · мА · ч.
(так что две батареи 9 В обеспечивают 1130 мА⋅ч мА⋅ч), поэтому эта система обогрева проработает в течение
t = 1130 × 10−3A⋅h0.56A = 2.0h.t = 1130 × 10−3A⋅h0.56A = 2.0h.
19,54
Рабочий пример
Питание через ответвление цепи
Каждый резистор в приведенной ниже схеме имеет сопротивление 30 Ом.
Какая мощность рассеивается средней ветвью схемы?
Стратегия
Средняя ветвь схемы содержит последовательно включенные резисторы R3 и R5R3 и R5. Напряжение на этой ветви составляет 12 В. Сначала мы найдем эквивалентное сопротивление в этой ветви, а затем используем P = V2 / RP = V2 / R, чтобы найти мощность, рассеиваемую в ветви.
Решение
Эквивалентное сопротивление: R среднее = R3 + R5 = 30 Ом + 30 Ом = 60 Ом, среднее = R3 + R5 = 30 Ом + 30 Ом = 60 Ом. Мощность, рассеиваемая средней ветвью схемы, составляет
ед.
P средний = V2R средний = (12 В) 260 Ом = 2,4 Вт. Средний = V2 R средний = (12 В) 260 Ом = 2,4 Вт.
19,55
Обсуждение
Давайте посмотрим, сохраняется ли энергия в этой цепи, сравнив мощность, рассеиваемую в цепи, с мощностью, обеспечиваемой батареей. Во-первых, эквивалентное сопротивление левой ветви
R влево = 11 / R1 + 1 / R2 + R4 = 11/30 Ом + 1/30 Ом + 30 Ом = 45 Ом.R влево = 11 / R1 + 1 / R2 + R4 = 11/30 Ом + 1/30 Ом + 30 Ом = 45 Ом.
19,56
Мощность через левую ветвь
Влево = V2R влево = (12 В) 245 Ом = 3,2 Вт. Влево = V 2 R влево = (12 В) 245 Ом = 3,2 Вт.
19,57
Правая ветвь содержит только R6R6, поэтому эквивалентное сопротивление Rright = R6 = 30ΩRright = R6 = 30Ω. Мощность через правую ветку
Прямо = V2 Правое = (12 В) 230 Ом = 4,8 Вт Правое = V 2 Правое = (12 В) 230 Ом = 4,8 Вт.
19,58
Общая мощность, рассеиваемая схемой, представляет собой сумму мощностей, рассеиваемых в каждой ветви.
P = Pleft + Pmiddle + Pright = 2,4W + 3,2W + 4,8W = 10,4WP = Pleft + Pmiddle + Pright = 2,4W + 3,2W + 4,8W = 10,4W
19,59
Мощность, обеспечиваемая аккумулятором, составляет
, где I — полный ток, протекающий через батарею. Следовательно, мы должны сложить токи, проходящие через каждую ветвь, чтобы получить I . Ветви дают токи
Влево = VR влево = 12 В 45 Ом = 0,2667 A В середине = VR в середине = 12 В 60 Ом = 0,20 В вправо = VR вправо = 12 В 30 Ом = 0,40 А.
Влево = VR влево = 12 45 Ом = 0,2667 A В середине = VR в середине = 12 В 60 Ом = 0.20AI right = VR right = 12 В 30 Ом = 0,40 А.
19,61
Суммарный ток
I = левый + Imiddle + Iright = 0,2667A + 0,20A + 0,40A = 0,87A.I = Ileft + Imiddle + Iright = 0,2667A + 0,20A + 0,40A = 0,87A.
19,62
, а мощность, обеспечиваемая аккумулятором, составляет
P = IV = (0,87 A) (12 В) = 10,4 Вт. P = IV = (0,87 A) (12 В) = 10,4 Вт.
19,63
Это та же мощность, которая рассеивается на резисторах цепи, что показывает, что в этой цепи сохраняется энергия.
Практические задачи
16.
Какова формула мощности, рассеиваемой в резисторе?
- Формула мощности, рассеиваемой в резисторе, P = IV.P = IV.
- Формула мощности, рассеиваемой в резисторе, P = VI.P = VI.
- Формула мощности, рассеиваемой на резисторе: P = IV .
- Формула мощности, рассеиваемой на резисторе: P = I 2 В .
17.
Какова формула мощности, рассеиваемой резистором с учетом его сопротивления и напряжения на нем?
- Формула для мощности, рассеиваемой в резисторе: P = RV2P = RV2
- Формула для мощности, рассеиваемой в резисторе: P = V2RP = V2R
- Формула для мощности, рассеиваемой в резисторе: P = V2RP = V2R
- Формула для мощности, рассеиваемой в резисторе: P = I2RP = I2R
Проверьте свое понимание
18.
Какие элементы схемы рассеивают мощность?
- конденсаторы
- индукторы
- идеальные переключатели
- резисторы
19.
Объясните словами уравнение мощности, рассеиваемой заданным сопротивлением.
- Электрическая мощность пропорциональна току через резистор, умноженному на квадрат напряжения на резисторе.
- Электрическая мощность пропорциональна квадрату силы тока через резистор, умноженного на напряжение на резисторе.
