Работа, мощность и КПД источника энергии. Режимы работы источник. Определение мощности источника энергии, его рабочей точки. Построение графика мощности источника и определение зоны оптимальной работы
 Скачать 73.03 Kb.
|
|
Определение мощности источника энергии, его рабочей точки. Построение графика мощности источника и определение зоны оптимальной работы. Работа и мощность тока При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время Δt по цепи протекает заряд Δq = I Δt. Электрическое поле на выделенном учестке совершает работу
где U = Δφ12 – напряжение. Эту работу называют работой электрического тока. Если обе части формулы
выражающей закон Ома для однородного участка цепи с сопротивлением R, умножить на IΔt, то получится соотношение
Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи. Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.
Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца. Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена:
Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт). Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой  и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. Закон Ома для полной цепи записывается в виде
Умножив обе части этой формулы на Δq = IΔt, мы получим соотношение, выражающее закон сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:
Первый член в левой части ΔQ = R I2Δt – тепло, выделяющееся на внешнем участке цепи за время Δt, второй член ΔQист = r I2Δt – тепло, выделяющееся внутри источника за то же время. Выражение IΔt равно работе сторонних сил ΔAст, действующих внутри источника.При протекании электрического тока по замкнутой цепи работа сторонних сил ΔAст преобразуется в тепло, выделяющееся во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист).
Следует обратить внимание, что в это соотношение не входит работа электрического поля. При протекании тока по замкнутой цепи электрическое поле работы не совершает; поэтому тепло производится одними только сторонними силами, действующими внутри источника. Роль электрического поля сводится к перераспределению тепла между различными участками цепи. Внешняя цепь может представлять собой не только проводник с сопротивлением R, но и какое-либо устройство, потребляющее мощность, например, электродвигатель постоянного тока. В этом случае под R нужно понимать эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, выделяемая во внешней цепи, может частично или полностью преобразовываться не только в тепло, но и в другие виды энергии, например, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Поэтому вопрос об использовании энергии источника тока имеет большое практическое значение. Полная мощность источника, то есть работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равна
Во внешней цепи выделяется мощность
Отношение  равное
называется коэффициентом полезного действия источника. На рис. 1.11.1 графически представлены зависимости мощности источника Pист, полезной мощности P, выделяемой во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением r. Ток в цепи может изменяться в пределах от I = 0 (при  ) до  (при R = 0).
Из приведенных графиков видно, что максимальная мощность во внешней цепи Pmax, равная
достигается при R = r. При этом ток в цепи
а КПД источника равен 50 %. Максимальное значение КПД источника достигается при I → 0, т. е. при R → ∞. В случае короткого замыкания полезная мощность P = 0 и вся мощность выделяется внутри источника, что может привести к его перегреву и разрушению. КПД источника при этом обращается в нуль. Режим работы электрической цепи, то есть ее электрическое состояние, определяется значениями токов, напряжений и мощностей ее отдельных элементов. Номинальный режим. Рабочий режим. Режим холостого хода, режим короткого замыкания, холостой ход, короткое замыкание Номинальный режим. Источники и приемники электрической энергии, провода, а также вспомогательные аппараты и приборы характеризуются номинальными величинами тока Iн, напряжения Uн, мощности Pн, на которые эти устройства рассчитаны заводами-изготовителями для нормальной работы. Номинальные величины обычно указываются в паспорте устройства. Режим работы, при котором действительные токи, напряжения, мощности элементов электрической цепи соответствуют их номинальным значениям, называется номинальным (нормальным). Рабочий режим. Режимы электрической цепи по различным причинам могут отличаться от номинального. Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от номинальных величин ее элементов, но отклонения находятся в допустимых пределах, то режим называется рабочим.  Рисунок 1 – Схема цепи с переменным сопротивлением приемника электрической энергии Ток в цепи  Уравнение баланса напряжений  или  где U0 — внутреннее падение напряжения в источнике; U — напряжение на внешних зажимах источника. Напряжение U на внешних зажимах источника, равное в этом случае напряжению на приемнике, меньше ЭДС источника на величину внутреннего падения напряжения  Общее определение коэффициента полезного действия  Отношение мощности Pпр приемника к мощности Pист источника называется коэффициентом полезного действия (КПД) источника  КПД источника можно определить отношением напряжения на зажимах источника к его ЭДС  Также КПД источника можно определить отношением сопротивления нагрузки к полному сопротивлению цепи  Из последней формулы видно, что чем меньше внутреннее сопротивление R0, тем выше КПД источника. Режимы холостого хода и короткого замыкания При R = ∞ тока в цепи не будет. Этот случай соответствует размыканию цепи. Режим электрической цепи или отдельных источников, при котором ток в них равен нулю, называется режимом холостого хода. При холостом ходе напряжение на внешних зажимах источника равно его ЭДС U = Е. При R = 0, согласно выражению (1),  а напряжение на зажимах приемника и источника равно нулю  Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами, в связи с чем, напряжение на этом участке равно нулю, называется режимом короткого замыкания. Соответственно ток Iк в цепи называется током короткого замыкания. Напряжение на зажимах источника уменьшается от U = Е до U = 0, если ток нагрузки увеличивается от 0 до тока короткого замыкания Iк (рисунок 2).  Рисунок 2 – Графики зависимости напряжения U на зажимах источника, мощности источника Pист, мощности приемника Pпр, КПД η источника, мощности потерь внутри источника P0 от тока в цепи при изменении сопротивления нагрузки от R = ∞ (холостой ход) до R = 0 (короткое замыкание), считая ЭДС источника постоянной. |
