График зависимости полезной мощности от напряжения
ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ:
, (1)
I- сила тока в цепи; Е- электродвижущая сила источника тока, включённого в цепь; R- сопротивление внешней цепи; r- внутреннее сопротивление источника тока.
МОЩНОСТЬ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ ВО ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ
. (2)
Из формулы (2) видно, что при коротком замыкании цепи (R®0) и при R®
эта мощность равна нулю. При всех других конечных значениях Rмощность Р1> 0. Следовательно, функция Р1 имеет максимум. Значение R0, соответствующее максимальной мощности, можно получить, дифференцируя Р1 по R и приравнивая первую производную к нулю:
. (3)
Из формулы (3), с учётом того, что R и r всегда положительны, а Е ? 0, после несложных алгебраических преобразований получим:
R0 = r. (4)
Следовательно, мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения при сопротивлении внешней цепи равном внутреннему сопротивлению источника тока.
При этом сила тока в цепи 
(5)
равна половине тока короткого замыкания. При этом мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает своего максимального значения, равного
. (6)
Когда источник замкнут на внешнее сопротивление, то ток протекает и внутри источника и при этом на внутреннем сопротивлении источника выделяется некоторое количество тепла. Мощность, затрачиваемая на выделение этого тепла равна
. 
(7)
Следовательно, полная мощность, выделяемая во всей цепи , определится формулой
= I2(R+r) = IE (8)
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ источника тока равен 
. (9)
Из формулы (8) следует, что
, (10)
т.е. Р1 изменяется с изменением силы тока в цепи по параболическому закону и принимает нулевые значения при I = 0 и при 
. Первое значение соответствует разомкнутой цепи ( R>> r ), второе – короткому замыканию ( R<< r). Зависимость к.п.д. от силы тока в цепи с учётом формул (8), (9), (10) примет вид
(11)
Таким образом, к.п.д. достигает наибольшего значения h =1 в случае разомкнутой цепи ( I = 0), а затем уменьшается по линейному закону, обращаясь в нуль при коротком замыкании.
Зависимость мощностей Р1, Рполн = EI и к.п.д. источника тока от силы тока в цепи показаны на рис.1.
Рис.1. I0 E/r
Из графиков видно, что получить одновременно полезную мощность и к.п.д. невозможно. Когда мощность, выделяемая на внешнем участке цепи Р1, достигает наибольшего значения, к.п.д. в этот момент равен 50%.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
Рис. 2.
Соберите на экране цепь, показанную на рис. 2. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши над кнопкой 
э.д.с. в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен источник э.д.с.
Разместите далее последовательно с источником резистор, изображающий его внутреннее сопротивление (нажав предварительно кнопку 
в нижней части экрана) и амперметр (кнопка 
там же). Затем расположите аналогичным образом резисторы нагрузки и вольтметр 
, измеряющий напряжение на нагрузке.
Подключите соединительные провода. Для этого нажмите кнопку провода 
внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши в местах рабочей зоны экрана, где должны находиться соединительные провода.
4. Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой 
. Затем щелкните на данном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте величину параметра и установите числовое значение, обозначенное в таблице 1 для вашего варианта.
Таблица 1. Исходные параметры электрической цепи
Номер варианта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
Е, В | 10,0 | 9,5 | 9,0 | 8,5 | 8,0 | 8,5 | 9,0 | 9,5 |
r, Ом | 4,8 | 5,7 | 6,6 | 7,5 | 6,4 | 7,3 | 8,2 | 9,1 |
5. Установите сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажмите кнопку «Счёт» и запишите показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки таблицы 2.
6. Последовательно увеличивайте с помощью движка регулятора сопротивление внешней цепи на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом и, нажимая кнопку «Счёт», записывайте показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.
7. Вычислите по формулам (2), (7), (8), (9) Р1, Р2, Рполн и h для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и запишите рассчитанные значения в табл.2.
8. Постройте на одном листе миллиметровой бумаге графики зависимости P1 = f(R), P2 = f(R), Pполн=f(R), h = f (R) и U = f(R).
9. Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам проведённых опытов.
Таблица 2. Результаты измерений и расчётов
R, Ом | 2,0 | 2,5 | 3,0 | … | 20 |
U, В | |||||
I, А | |||||
P1, Вт | |||||
P2, ВТ | |||||
Pполн, ВТ | |||||
h |
Вопросы и задания для самоконтроля
- Запишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.
- Что такое ток короткого замыкания?
- Что такое полная мощность?
- Как вычисляется к.п.д. источника тока?
- Докажите, что наибольшая полезная мощность выделяется при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений цепи.
- Верно ли утверждение, что мощность, выделяемая во внутренней части цепи, постоянна для данного источника?
- К зажимам батарейки карманного фонаря присоединили вольтметр, который показал 3,5 В.
- Затем вольтметр отсоединили и на его место подключили лампу, на цоколе которой было написано: Р=30 Вт, U=3,5 В. Лампа не горела.
- Объясните явление.
- При поочерёдном замыкании аккумулятора на сопротивления R1 и R2 в них за одно и то же время выделилось равное количество тепла. Определите внутреннее сопротивление аккумулятора.
Источник
Ýëåêòðîýíåðãèÿ äàâíî èñïîëüçóåòñÿ ÷åëîâåêîì äëÿ óäîâëåòâîðåíèÿ ñâîèõ ïîòðåáíîñòåé, íî îíà íåâèäèìà, íå âîñïðèíèìàåòñÿ îðãàíàìè ÷óâñòâ, ïîòîìó ñëîæíà äëÿ ïîíèìàíèÿ. Ñ öåëüþ óïðîùåíèÿ îáúÿñíåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ ïðîöåññîâ èõ äîâîëüíî ÷àñòî ñðàâíèâàþò ñ ãèäðàâëè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè äâèæóùåéñÿ æèäêîñòè.
Íàïðèìåð, ê íàì â êâàðòèðó ïðèõîäèò ïî ïðîâîäàì ýëåêòðè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ îò äàëåêî ðàñïîëîæåííûõ ãåíåðàòîðîâ è âîäà ïî òðóáå îò ñîçäàþùåãî äàâëåíèå íàñîñà. Îäíàêî, îòêëþ÷åííûé âûêëþ÷àòåëü íå ïîçâîëÿåò ñâåòèòüñÿ ëàìïî÷êàì, à çàêðûòûé âîäîïðîâîäíûé êðàí ëèòüñÿ âîäå èç êðàíà. ×òîáû ñîâåðøàëàñü ðàáîòà íàäî âêëþ÷èòü âûêëþ÷àòåëü è îòêðûòü êðàí.
Íàïðàâëåííûé ïîòîê ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ïî ïðîâîäàì óñòðåìèòñÿ ê íèòè íàêàëà ëàìïî÷êè (ïîéäåò ýëåêòðè÷åñêèé òîê), êîòîðàÿ ñòàíåò èçëó÷àòü ñâåò. Âîäà, âûòåêàþùàÿ èç êðàíà, áóäåò ñòåêàòü â ðàêîâèíó.
Ýòà àíàëîãèÿ ïîçâîëÿåò òàêæå ïîíèìàòü êîëè÷åñòâåííûå õàðàêòåðèñòèêè, àññîöèèðîâàòü ñèëó òîêà ñî ñêîðîñòüþ ïåðåìåùåíèÿ æèäêîñòè, îöåíèâàòü äðóãèå ïàðàìåòðû.
Íàïðÿæåíèå ýëåêòðîñåòè ñðàâíèâàþò ñ ïîòåíöèàëîì ýíåðãèè èñòî÷íèêà æèäêîñòè. Ê ïðèìåðó, âîçðàñòàíèå ãèäðàâëè÷åñêîãî äàâëåíèÿ íàñîñîì â òðóáå ñîçäàñò áîëüøóþ ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ æèäêîñòè, à óâåëè÷åíèå íàïðÿæåíèÿ (èëè ðàçíîñòè ìåæäó ïîòåíöèàëàìè ôàçû âõîäÿùåãî ïðîâîäà è ðàáî÷åãî íóëÿ îòõîäÿùåãî) óñèëèò íàêàë ëàìïî÷êè, ñèëó åå èçëó÷åíèÿ.
Ñîïðîòèâëåíèå ýëåêòðè÷åñêîé ñõåìû ñîïîñòàâëÿþò ñ ñèëîé òîðìîæåíèÿ ãèäðàâëè÷åñêîìó ïîòîêó. Íà ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ ïîòîêà âëèÿþò:
âÿçêîñòü æèäêîñòè;
çàñîðåííîñòü è èçìåíåíèå ñå÷åíèÿ êàíàëîâ. ( ñëó÷àå ñ âîäîïðîâîäíûì êðàíîì ïîëîæåíèå ðåãóëèðóþùåãî âåíòèëÿ.)
Íà âåëè÷èíó ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ âëèÿåò íåñêîëüêî ôàêòîðîâ:
ñòðîåíèå âåùåñòâà, îïðåäåëÿþùåå íàëè÷èå ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ â ïðîâîäíèêå è âëèÿþùåå íà óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå;
ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ è äëèíà òîêîâîäà;
òåìïåðàòóðà.
Ýëåêòðè÷åñêóþ ìîùíîñòü òîæå ñðàâíèâàþò ñ ýíåðãåòè÷åñêèìè âîçìîæíîñòÿìè ïîòîêà â ãèäðàâëèêå è îöåíèâàþò ïî âûïîëíåííîé ðàáîòå â åäèíèöó âðåìåíè. Ìîùíîñòü ýëåêòðîïðèáîðà âûðàæàåòñÿ ÷åðåç ïîòðåáëÿåìûé òîê è ïîäâåäåííîå íàïðÿæåíèå (äëÿ öåïåé ïåðåìåííîãî è ïîñòîÿííîãî òîêà).
Âñå ýòè õàðàêòåðèñòèêè ýëåêòðîýíåðãèè èññëåäîâàíû èçâåñòíûìè ó÷åíûìè, êîòîðûå äàëè îïðåäåëåíèÿ òîêó, íàïðÿæåíèþ, ìîùíîñòè, ñîïðîòèâëåíèþ è îïèñàëè ìàòåìàòè÷åñêèìè ìåòîäàìè âçàèìíûå ñâÿçè ìåæäó íèìè.
 ïðèâåäåííîé òàáëèöå ïîêàçàíû îáùèå ñîîòíîøåíèÿ äëÿ öåïåé ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî òîêà, êîòîðûå ìîæíî ïðèìåíÿòü äëÿ àíàëèçà ðàáîòû êîíêðåòíûõ ñõåì.
Ðàññìîòðèì íåñêîëüêî ïðèìåðîâ èõ èñïîëüçîâàíèÿ.
Ïðèìåð ¹1. Êàê ðàññ÷èòàòü ñîïðîòèâëåíèå è ìîùíîñòü
Äîïóñòèì, òðåáóåòñÿ ïîäîáðàòü òîêîîãðàíè÷èâàþùèé ðåçèñòîð äëÿ áëîêà ïèòàíèÿ ñõåìû îñâåùåíèÿ. Íàì èçâåñòíî íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ áîðòîâîé ñåòè «U», ðàâíîå 24 âîëüòà è òîê ïîòðåáëåíèÿ «I» â 0,5 àìïåðà, êîòîðûé íåëüçÿ ïðåâûøàòü. Ïî âûðàæåíèþ (9) çàêîíà Îìà âû÷èñëèì ñîïðîòèâëåíèå «R». R=24/0,5=48 Îì.
Íà ïåðâûé âçãëÿä íîìèíàë ðåçèñòîðà îïðåäåëåí. Îäíàêî, ýòîãî íåäîñòàòî÷íî. Äëÿ íàäåæíîé ðàáîòû ñåìû òðåáóåòñÿ âûïîëíèòü ðàñ÷åò ìîùíîñòè ïî òîêó ïîòðåáëåíèÿ.
Ñîãëàñíî äåéñòâèþ çàêîíà Äæîóëÿ Ëåíöà àêòèâíàÿ ìîùíîñòü «Ð» ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî çàâèñèò îò òîêà «I», ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç ïðîâîäíèê, è ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ «U». Ýòà âçàèìîñâÿçü îïèñàíà ôîðìóëîé (11) â ïðèâåäåííîé òàáëèöå.
Ðàññ÷èòûâàåì: Ð=24õ0,5=12 Âò.
Ýòî æå çíà÷åíèå ïîëó÷èì, åñëè âîñïîëüçóåìñÿ ôîðìóëàìè (10) èëè (12).
Ïðîâåäåííûé ðàñ÷åò ìîùíîñòè ðåçèñòîðà ïî òîêó åãî ïîòðåáëåíèÿ ïîêàçûâàåò, ÷òî â âûáèðàåìîé ñõåìå íàäî èñïîëüçîâàòü ñîïðîòèâëåíèå âåëè÷èíîé 48 Îì è 12 Âò. Ðåçèñòîð ìåíüøåé ìîùíîñòè íå âûäåðæèò ïðèëîæåííûõ íàãðóçîê, áóäåò ãðåòüñÿ è ñî âðåìåíåì ñãîðèò.
Ýòèì ïðèìåðîì ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü òîãî, êàê íà ìîùíîñòü ïîòðåáèòåëÿ âëèÿþò òîê íàãðóçêè è íàïðÿæåíèå â ñåòè.
Ïðèìåð ¹2. Êàê ðàññ÷èòàòü òîê
Äëÿ ãðóïïû ðîçåòîê, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ ïèòàíèÿ áûòîâûõ ýëåêòðîïðèáîðîâ íà êóõíå, íåîáõîäèìî ïîäîáðàòü çàùèòíûé àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü. Ìîùíîñòè ïðèáîðîâ ïî ïàñïîðòíûì äàííûì ñîñòàâëÿþò 2,0, 1,5 è 0,6 êÂò.
Ðåøåíèå.  êâàðòèðå èñïîëüçóåòñÿ îäíîôàçíàÿ ïåðåìåííàÿ ñåòü 220 âîëüò. Îáùàÿ ìîùíîñòü âñåõ ïðèáîðîâ, ïîäêëþ÷åííûõ â ðàáîòó îäíîâðåìåííî, ñîñòàâèò 2,0+1,5+0,6=4,1 êÂò=4100 Âò.
Ïî ôîðìóëå (2) îïðåäåëèì îáùèé òîê ãðóïïû ïîòðåáèòåëåé: 4100/220=18,64 À.
Áëèæàéøèé ïî íîìèíàëó àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü èìååò âåëè÷èíó ñðàáàòûâàíèÿ 20 àìïåð. Åãî è âûáèðàåì. Àâòîìàò ìåíüøåãî çíà÷åíèÿ íà 16 À áóäåò ïîñòîÿííî îòêëþ÷àòüñÿ îò ïåðåãðóçêè.
Îòëè÷èÿ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðîñõåì íà ïåðåìåííîì òîêå
Îäíîôàçíûå ñåòè
Ïðè àíàëèçå ïàðàìåòðîâ ýëåêòðîïðèáîðîâ ñëåäóåò ó÷èòûâàòü îñîáåííîñòè èõ ðàáîòû â öåïÿõ ïåðåìåííîãî òîêà, êîãäà, áëàãîäàðÿ âëèÿíèþ ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ó êîíäåíñàòîðîâ âîçíèêàþò åìêîñòíûå íàãðóçêè (ñäâèãàþò âåêòîð òîêà íà 90 ãðàäóñîâ âïåðåä îò âåêòîðà íàïðÿæåíèÿ), à ó îáìîòîê êàòóøåê èíäóêòèâíûå (òîê íà 90 ãðàäóñîâ îòñòàåò îò íàïðÿæåíèÿ).  ýëåêòðîòåõíèêå èõ íàçûâàþò ðåàêòèâíûìè íàãðóçêàìè. Îíè â êîìïëåêñå ñîçäàþò ðåàêòèâíûå ïîòåðè ìîùíîñòè «Q», êîòîðûå íå âûïîëíÿþò ïîëåçíîé ðàáîòû.
Íà àêòèâíûõ íàãðóçêàõ îòñóòñòâóåò ñäâèã ôàçû ìåæäó òîêîì è íàïðÿæåíèåì.
Òàêèì îáðàçîì, ê àêòèâíîé âåëè÷èíå ìîùíîñòè ýëåêòðîïðèáîðà â öåïÿõ ïåðåìåííîãî òîêà äîáàâëÿåòñÿ ðåàêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ, çà ñ÷åò êîòîðîé óâåëè÷èâàåòñÿ îáùàÿ ìîùíîñòü, êîòîðóþ ïðèíÿòî íàçûâàòü ïîëíîé è îáîçíà÷àòü èíäåêñîì «S».
Ïåðåìåííûé ñèíóñîèäàëüíûé òîê â îäíîôàçíîé ñåòè
Ýëåêòðè÷åñêèé òîê è íàïðÿæåíèå ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ìåíÿþòñÿ âî âðåìåíè ïî ñèíóñîèäàëüíîìó çàêîíó. Ñîîòâåòñòâåííî ýòîìó ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå ìîùíîñòè. Îïðåäåëÿòü èõ ïàðàìåòðû â ðàçëè÷íûå ìãíîâåííûå ìîìåíòû âðåìåíè íå èìååò îñîáîãî ñìûñëà. Ïîýòîìó âûáèðàþò ñóììàðíûå (èíòåãðèðóþùèå) çíà÷åíèÿ çà îïðåäåëåííûé âðåìåííîé ïðîìåæóòîê, êàê ïðàâèëî ïåðèîä êîëåáàíèÿ Ò.
Çíàíèå îòëè÷èé ïàðàìåòðîâ öåïåé äëÿ ïåðåìåííîãî è ïîñòîÿííîãî òîêà ïîçâîëÿåò ïðàâèëüíî ðàññ÷èòûâàòü ìîùíîñòü ÷åðåç òîê è íàïðÿæåíèå â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå.
Òðåõôàçíûå ñåòè
 ïðèíöèïå îíè ñîñòîÿò èç òðåõ îäèíàêîâûõ îäíîôàçíûõ öåïåé, ñäâèíóòûõ äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà íà êîìïëåêñíîé ïëîñêîñòè íà 120 ãðàäóñîâ. Îíè íåìíîãî îòëè÷àþòñÿ íàãðóçêàìè â êàæäîé ôàçå, ñäâèãàþùèìè òîê îò íàïðÿæåíèÿ íà óãîë ôè. Çà ñ÷åò ýòîé íåðàâíîìåðíîñòè ñîçäàåòñÿ òîê I0 â íóëåâîì ïðîâîäå.
Ïåðåìåííûé ñèíóñîèäàëüíûé òîê â òðåõôàçíîé ñåòè
Íàïðÿæåíèå â ýòîé ñèñòåìå ñîñòîèò èç íàïðÿæåíèé â ôàçàõ (220 Â) è ëèíåéíûõ (380 Â).
Ìîùíîñòü ïðèáîðà òðåõôàçíîãî òîêà, ïîäêëþ÷åííîãî ê ñõåìå, ñêëàäûâàåòñÿ èç ñîñòàâëÿþùèõ â êàæäîé ôàçå. Åå èçìåðÿþò ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíûõ ïðèáîðîâ: âàòòìåòðîâ (àêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ) è âàðìåòðîâ (ðåàêòèâíàÿ). Ðàññ÷èòàòü ïîëíóþ ìîùíîñòü ïîòðåáëåíèÿ ïðèáîðà òðåõôàçíîãî òîêà ìîæíî íà îñíîâå çàìåðîâ âàòòìåòðà è âàðìåòðà ñ èñïîëüçîâàíèåì ôîðìóëû òðåóãîëüíèêà.
Ñóùåñòâóåò åùå êîñâåííûé ìåòîä èçìåðåíèÿ, îñíîâàííûé íà èñïîëüçîâàíèè âîëüòìåòðà è àìïåðìåòðà ñ ïîñëåäóþùèìè âû÷èñëåíèÿìè ïîëó÷åííûõ çíà÷åíèé.
Òàêæå ìîæíî ðàññ÷èòàòü îáùèé òîê ïîòðåáëåíèÿ, çíàÿ âåëè÷èíó ïîëíîé ìîùíîñòè S. Äëÿ ýòîãî äîñòàòî÷íî åå ðàçäåëèòü íà âåëè÷èíó ëèíåéíîãî íàïðÿæåíèÿ.
Источник
Мощность технического оборудования или энергетических установок (аппаратов, агрегатов), отдаваемая ими для совершения работы, указана в их технических характеристиках. Но это не значит, что вся она используется по прямому назначению для достижения результата. Только полезная мощность расходуется на выполнение работы.
Общее определение мощности
Определение и формула полезной мощности
Стоит рассмотреть понятие полезной мощности и формулу на примере электрической цепи. Та мощность, которую источник питания (ИП), в частности, тока, развивает в замкнутой цепи, будет полной мощностью.
Схема цепи
Цепь включает в себя: источник тока, имеющий ЭДС (E), внешнюю цепь с нагрузкой R и внутреннюю цепь ИП, сопротивление которого R0. Формула полной (общей) мощности равна:
Pобщ = E*I.
Здесь I – это значение тока, проходящего по цепи (А), а E – величина ЭДС (В).
Внимание! Падение напряжения на каждом из участков будет равно U и U0, соответственно.
Значит, формула примет вид:
Pобщ = E*I = (U + U0) *I = U*I + U0*I.
Видно, что значение произведения U*I равняется мощности, отдаваемой источником на нагрузке, и соответствует полезной мощности Pпол.
Величина, равная произведению U0*I, соответствует мощности, которая теряется внутри ИП на нагрев и преодоление внутреннего сопротивления R0. Это мощность потерь P0.
Подставляемые в формулу значения показывают, что сумма полезной и потерянной мощностей составляют общую мощность ИП:
Pобщ=Pпол+P0.
Важно! При работе любого аппарата (механического или электрического) полезной мощностью будет та, которая останется для совершения нужной работы после преодоления факторов, вызывающих потери (нагрев, трение, противодействующие силы).
Параметры источника питания
На практике часто приходится думать, какой должна быть мощность источника тока, сколько нужно ватт (вт) или киловатт (квт) для обеспечения бесперебойной работы устройства. Для понимания сути нужно иметь представления о таких понятиях, применяемых в физике, как:
- полная энергия цепи;
- ЭДС и напряжение;
- внутреннее сопротивление источника питания;
- потери внутри ИП;
- полезная мощность.
Независимо от того, какую энергию выдаёт источник (механическую, электрическую, тепловую), мощность его должна подбираться с небольшим запасом (5-10%).
Полная энергия цепи
При включении в цепь нагрузки, которая будет потреблять энергию от источника тока (ИТ), ток будет совершать работу. Энергия, выделяемая на всех включенных в цепь потребителях и элементах цепи (провода, электронные компоненты т.д.), носит название полной. Источник энергии может быть любой: генератор, аккумулятор, тепловой котёл. Цифра значения полной энергии будет складываться из энергии, затрачиваемой источником на потери, и количества, затрачиваемого на выполнение конкретной работы.
ЭДС и напряжение
В чём разница между этими двумя понятиями?
ЭДС – электродвижущая сила, это напряжение, которое сторонние силы (химическая реакция, электромагнитная индукция) создают внутри источника тока (ИТ). ЭДС – это сила перемещения электрических зарядов в ИТ.
ЭДС определение
К сведению. Измерить значение E (ЭДС) представляется возможным только в режиме холостого хода (х.х.). Подключение любой нагрузки вызывает потерю напряжения внутри ИП.
Напряжение (U) – физическая величина, представляющая собой разность потенциалов ϕ1 и ϕ2 на выходе источника напряжения (ИН).
Разность потенциалов
Полезная мощность
Определение понятия полной мощности применяют не только в отношении электрических цепей. Оно применимо и по отношению к электродвигателям, трансформаторам и прочим устройствам, способным потреблять, как активную, так и реактивную составляющую энергии.
Потери внутри источника питания
Подобные потери происходят на внутреннем сопротивлении двухполюсника. У аккумулятора это сопротивление электролита, у генератора – обмоточное сопротивление, провода выводов которого выходят из корпуса.
Внутреннее сопротивление источника питания
Взять и просто измерить R0 тестером не получится, узнать его обязательно нужно для вычисления потерь Р0. Поэтому применяют косвенные методы.
Косвенный метод определения R0 заключается в следующем:
- в режиме х.х. замеряют E (В);
- при включенной нагрузке Rн (Ом) измеряют Uвых (В) и ток I (А);
- падение напряжения внутри источника считают по формуле:
U0=E-Uвых.
На последнем этапе находят R0=U0/I.
Схема для измерения R0
Взаимосвязь полезной мощности и КПД
Коэффициент полезного действия (КПД) – величина безразмерная, численно выражается в процентах. КПД обозначают буквой η.
Формула имеет вид:
η = А/Q,
где:
- А – полезная работа (энергия);
- Q – затраченная энергия.
По мере увеличения КПД в различных двигателях допустимо выстроить следующую линейку:
- электродвигатель – до 98%;
- ДВС – до 40%;
- паровая турбина – до 30%.
Что касается мощности, КПД равен отношению полезной мощности к полной мощности, которую выдает источник. В любом случае η ≤ 1.
Важно! КПД и Pпол не одно и то же. В разных рабочих процессах добиваются максимума или одного, или другого.
Получение максимальной энергии на выходе ИП
К сведению. Чтобы увеличить КПД подъёмных кранов, нагнетательных насосов или двигателей самолётов, нужно уменьшить силы трения механизмов или сопротивления воздуха. Этого достигают применением разнообразных смазок, установкой подшипников повышенного класса (заменив скольжение качением), изменением геометрии крыла и т.д.
Максимальная энергия или мощность на выходе ИП может быть достигнута при согласовании сопротивления нагрузки Rн и внутреннего сопротивления R0 ИП. Это значит, что Rн = R0. В этом случае КПД равен 50%. Это вполне приемлемо для малоточных цепей и радиотехнических устройств.
Однако этот вариант не подходит для электрических установок. Чтобы впустую не тратились большие мощности, режим эксплуатации генераторов, выпрямителей, трансформировав и электродвигателей таков, что к.п.д. приближается к 95% и выше.
График зависимости Рпол и η от тока в цепи
Достижение максимального КПД
Формула КПД источника тока имеет вид:
η = Pн/Pобщ = R/Rн+r,
где:
- Pн – мощность нагрузки;
- Pобщ – общая мощность;
- R – полное сопротивление цепи;
- Rн – сопротивление нагрузки;
- r – внутреннее сопротивление ИТ.
Как видно из графика, изображённого на рис. выше, мощность Pн с уменьшением тока в цепи стремится к нулю. КПД, в свою очередь, достигнет максимального значения, когда цепь будет разомкнута, и ток равен нулю, при коротком замыкании в цепи станет равным нулю.
Если обратиться к элементарному тепловому двигателю, состоящему из поршня и цилиндра, то у него степень сжатия равна степени расширения. Повышение КПД такого мотора возможно в случае:
- изначально высоких параметров: давления и температуры рабочего тела перед началом расширения;
- приближения их значений к параметрам окружающей среды по окончании расширения.
Достижение ηmax доступно лишь при наиболее эффективном изменении давления рабочего компонента во вращательное движение вала.
К сведению. Термический коэффициент полезного действия повышается с повышением доли теплоты, подаваемой к рабочему телу, которая преобразуется в работу. Подаваемая теплота делится на два вида энергии: внутренняя в виде температуры и энергия давления.
Механическую работу, по сути, совершает только второй вид энергии. Это порождает целый ряд минусов тормозящих процесс повышения КПД:
- некоторая часть давления уходит на внешнюю среду;
- достижение максимального коэффициента полезного действия невозможно без увеличения процента использования энергии давления для преобразования в работу;
- нельзя поднять КПД тепловых двигателей, не изменяя S поверхности приложения давления, и без удаления этой поверхности от точки вращения;
- использование только газообразного рабочего тела не способствует повышению η тепловых двигателей.
Для достижения высокого коэффициента полезного действия теплового двигателя нужно определяться с рядом решений. Этому способствуют следующие модели устройства:
- ввести в цикл расширения ещё одно рабочее тело с другими физическими свойствами;
- наиболее полно перед расширением использовать оба вида энергии рабочего тела;
- осуществлять генерацию добавочного рабочего тела прямо при расширении газообразного.
Информация. Все доработки двигателей внутреннего сгорания в виде: нагнетателя турбонадува, организации многократного или распределённого впрыска, а также повышения влажности воздуха, доведения топлива при впрыске до состояния пара, не дали ощутимых результатов резкого повышения КПД.
КПД двигателя внутреннего сгорания
Коэффициент полезного действия нагрузки
Какой бы ни была мощность источника, кпд электроприборов никогда не будет равна 100%.
Исключение. Принцип теплового насоса, применяемый в работе холодильников и кондиционеров, приближает их КПД к 100%. Там нагрев одного радиатора приводит к охлаждению другого.
В остальном случае энергия уходит на посторонние эффекты. Чтобы уменьшить этот расход, нужно обращать внимание на сопутствующие факторы:
- при обустройстве освещения – на конструкцию светильников, устройство отражателей и цвет окраски помещений (отражающий или светопоглощающий);
- при организации отопления – на теплоизоляцию тепловодов, установку рекуперационных вытяжных устройств, утепление стен, потолка и пола, монтаж качественных оконных стеклопакетов;
- при организации электропроводки – правильно подбирать марку и сечение проводников соответственно будущей подключаемой нагрузке;
- при монтаже электродвигателей, трансформаторов и других потребителей переменного тока – на значение cosϕ.
Снижение затрат на потери однозначно приводит к увеличению коэффициента полезного действия при совершении источником энергии работы на нагрузку.
Снижение влияния факторов, вызывающих потери мощности, увеличивает процент полезной мощности, необходимой для совершения работы. Это возможно при выявлении причин потерь и их устранении.
Видео
Источник