Электрическая работа и мощность: основные понятия, формулы и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое электрическая работа и мощность. Как рассчитать мощность электрического тока. Какие формулы используются для расчета электрической работы. Как связаны напряжение, сила тока и сопротивление с электрической мощностью.

Содержание

Основные понятия электрической работы и мощности

Электрическая работа и мощность являются ключевыми характеристиками, описывающими преобразование электрической энергии в другие виды энергии в электрических цепях. Рассмотрим основные определения:

Электрическая работа — это работа, совершаемая электрическим полем при перемещении электрического заряда. Измеряется в джоулях (Дж).
Электрическая мощность — это скорость совершения электрической работы или скорость преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Измеряется в ваттах (Вт).

Важно понимать связь между этими величинами. Электрическая мощность показывает, какая электрическая работа совершается за единицу времени. То есть мощность — это работа, деленная на время.

Формулы для расчета электрической работы

Для расчета электрической работы используются следующие основные формулы:

A = q * U, где A — работа, q — заряд, U — напряжение
A = I * U * t, где I — сила тока, t — время
A = P * t, где P — мощность

Выбор конкретной формулы зависит от имеющихся исходных данных. Например, если известны напряжение и сила тока, удобно использовать формулу A = I * U * t.

Расчет мощности электрического тока

Для расчета электрической мощности используются следующие основные формулы:

P = U * I
P = I² * R
P = U² / R

Где P — мощность, U — напряжение, I — сила тока, R — сопротивление. Выбор формулы зависит от имеющихся данных. Например, если известны напряжение и сила тока, удобно использовать P = U * I.

Связь напряжения, силы тока и сопротивления с мощностью

Между напряжением, силой тока, сопротивлением и мощностью существует тесная взаимосвязь:

При увеличении напряжения или силы тока мощность возрастает
При увеличении сопротивления мощность уменьшается
Мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения
Мощность обратно пропорциональна сопротивлению

Понимание этих зависимостей важно для анализа работы электрических цепей и устройств. Например, удвоение напряжения приводит к четырехкратному увеличению мощности.

Применение понятий электрической работы и мощности

Понятия электрической работы и мощности широко применяются на практике:

Расчет энергопотребления электроприборов
Выбор проводов и кабелей нужного сечения
Расчет нагрева проводников электрическим током
Определение КПД электрических устройств
Выбор источников питания нужной мощности

Например, зная мощность и время работы прибора, можно рассчитать потребленную им электроэнергию и ее стоимость. А по максимальной мощности нагрузки выбирают подходящий источник питания.

Особенности рассеивания мощности на различных элементах цепи

Рассеивание мощности на элементах электрической цепи имеет свои особенности:

На резисторах мощность преобразуется в тепло
В проводах часть мощности теряется на их нагрев
В электродвигателях мощность преобразуется в механическую работу
В лампах мощность преобразуется в свет и тепло

Понимание этих особенностей важно для правильного проектирования электрических устройств. Например, мощные резисторы требуют хорошего теплоотвода, чтобы не перегреваться.

Энергоэффективность электрических приборов

Энергоэффективность показывает, насколько эффективно электроприбор преобразует потребляемую электроэнергию в полезную работу. Она определяется отношением полезной мощности к потребляемой.

Повышение энергоэффективности позволяет:

Снизить расходы на электроэнергию
Уменьшить нагрузку на электросети
Сократить вредные выбросы при производстве электроэнергии

Например, современные светодиодные лампы потребляют в 5-10 раз меньше энергии, чем лампы накаливания при той же яркости. Это позволяет существенно экономить на освещении.

Методы измерения электрической мощности

Для измерения электрической мощности используются различные методы:

Прямые измерения с помощью ваттметров
Косвенные измерения путем измерения тока и напряжения
Измерение с помощью электронных счетчиков электроэнергии
Калориметрический метод для измерения тепловой мощности

Выбор метода зависит от требуемой точности и условий измерения. Например, для бытовых целей обычно достаточно показаний счетчика электроэнергии, а в лаборатории могут потребоваться прецизионные измерения ваттметром.

Работа и мощность тока | Физика

Какую работу совершает электрический ток, проходя по тому или иному участку цепи? Чтобы определить это, вспомним, что такое напряжение. Согласно формуле (11.1) U = A/q. Отсюда следует, что

A = qU, (18.1)

где A — работа тока; q — электрический заряд, прошедший за данное время через рассматриваемый участок цепи. Подставляя в последнее равенство выражение q = It, получаем

A = IUt. (18.2)

Итак, чтобы найти работу тока на участке цепи, надо напряжение на концах этого участка U умножить на силу тока I и на время t, в течение которого совершалась работа.

Действие тока характеризуют не только работой A, но и мощностью P. Мощность тока показывает, какую работу совершает ток за единицу времени. Если за время t была совершена работа A, то мощность тока P = A/t. Подставляя в это равенство выражение (18.2), получаем

P = IU. (18.3)

Итак, чтобы найти мощность электрического тока P, надо силу тока I умножить на напряжение U.

В Международной системе единиц (СИ) работу выражают в джоулях (Дж), мощность — в ваттах (Вт), а время — в секундах (с). При этом

1 Вт = 1 Дж/с, 1 Дж = 1 Вт · с.

Мощности некоторых электроустройств, выраженные в киловаттах (1 кВт = 1000 Вт), приведены в таблице 5.

Рассчитаем наибольшую допустимую мощность потребителей электроэнергии, которые могут одновременно работать в квартире. Так как в жилых зданиях сила тока в проводке не должна превышать I = 10 А, то при напряжении U = 220 В соответствующая электрическая мощность оказывается равной:

P = 10 A · 220 В = 2200 Вт = 2,2 кВт.

Одновременное включение в сеть приборов с большей суммарной мощностью приведет к увеличению силы тока и потому недопустимо.

В быту работу тока (или израсходованную на совершение этой работы электроэнергию) измеряют с помощью специального прибора, называемого электрическим счетчиком (счетчиком электроэнергии). При прохождении тока через этот счетчик внутри его начинает вращаться легкий алюминиевый диск. Скорость его вращения оказывается пропорциональной силе тока и напряжению. Поэтому по числу оборотов, сделанных им за данное время, можно судить о работе, совершенной током за это время. Работа тока при этом выражается обычно в киловатт-часах (кВт·ч).

1 кВт·ч — это работа, совершаемая электрическим током мощностью 1 кВт в течение 1 ч. Так как 1 кВт = 1000 Вт, а 1 ч = 3600 с, то

1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3 600 000 Дж.

??? 1. Как находится работа электрического тока? 2. По какой формуле находится мощность тока? 3. С помощью какого прибора измеряют работу тока? Какая единица работы при этом используется? 4. Сложите мощности всех имеющихся у вас дома электрических устройств. Допустимо ли их одновременное включение в сеть? Почему?

Экспериментальное задание. Рассмотрите у себя дома счетчик электроэнергии. Выясните, как снимаются с него показания. Измерьте с его помощью электроэнергию, израсходованную задень. В течение следующего дня старайтесь экономить энергию — не оставляйте включенным свет, если это не нужно; выключайте электроприборы, которыми в данный момент не пользуетесь; не смотрите все подряд по телевизору. После этого определите с помощью счетчика, сколько электроэнергии вам удалось сэкономить. Вычислите стоимость этой энергии. Сколько денег вам удастся сберечь при подобной экономии энергии за месяц?

Работа и мощность электрического тока в цепи

Определение 1

Во время протекания тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За пройденное время Δt по цепи имеется заряд Δq=IΔt.

Электрическое поле выделенного участка выполняет работу, формулу которой мы запишем так: ΔA=(φ1–φ2) Δq=Δφ12IΔt=UIΔt, где U=Δφ12 – напряжение. Такая величина называется работой электрического тока.

Обе части формулы RI=U выражают закон Ома для однородного участка цепи с сопротивлением R, умноженным на IΔt. В итоге получим соотношение RI2Δt=UIΔt=ΔA, выражающее 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.

ΔQ=ΔA=RI2Δt.

Закон Джоуля-Ленца

Дж. Джоуль и Э. Ленц установили закон преобразования работы тока в тепло.

Определение 2

Формула мощности электрического тока (измеряется в амперах) записывается в виде отношения изменения работы тока ΔA за определенный промежуток времени Δt:

P=∆A∆t=UI=I2R=U2R.

Работа и мощность электрического тока обратно пропорциональны.

По таблице СИ понятно, в чем измеряется мощность: в ваттах (ВТ), а работа в Джоулях (Дж).

Перейдем к рассмотрению полной цепи постоянного тока, которая состоит из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r на участке R. Запись основного закона Ома для полной цепи имеет вид (R + r)I=ε. При умножении обеих частей на Δq=IΔt получаем, что соотношение для выражения сохранения энергии полной цепи постоянного тока запишется: R I2Δt+r I2Δt=ε IΔt=ΔAст. Из левой части видно, что ΔQ=R I2Δt

обозначает выделяющееся тепло на внешнем участке за промежуток времени Δt, а ΔQист=rI2Δt – внутри источника за тот же время.

εIΔt – это обозначение работы сторонних сил ΔAст,_{действующих внутри. Если имеется замкнутая цепь, тогда ΔAстпереходит в тепло, которое выделяется во внешней цепи (ΔQ)и внутри источника (ΔQист).}

ΔQ+ΔQист=ΔAст=εIΔt.

Работа сторонних сил

Работа электрического поля не входит в данное соотношение, так как в замкнутой цепи работа не совершается, следовательно, тепло идет только от внутренних сторонних сил. В данном случае электрическое поле перераспределяет тепло по всем участкам цепи.

Внешняя цепь может иметь не только проводник с R сопротивлением, но и механизм, потребляющий мощность. Такой случай говорит о том, что R эквивалентно сопротивлению нагрузки. Энергия, которая выделяется по внешней цепи, преобразуется в тепло и другие виды энергии.

Определение 3

Работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равняется Pист=εI=ε2R+r. Внешняя цепь характеризуется мощностью P=RI2=εI-rI2=ε2R(R+r)2.

Коэффициентом полезного источника называют отношение η=PPист, записываемое как η=PPист=1-rεI=RR+r.

Рисунок 1.11.1 показывает зависимость Pист, полезной Р, выделяемой во внешней цепи, кпд η от тока I для источника с ЭДС, равной ε, и внутренним сопротивлением r. Изменение тока в цепи происходит в пределах от I=0( при R=∞) до I=Iкз=εr( при R=0).

Рисунок 1.11.1. Зависимость мощности источника Pист, мощности во внешней цепи Р и КПД источника η от силы тока.

Приведенные графики показывают, что максимальная мощность во внешней цепи может быть достигнута при R=r и запишется Pmax=ε24r. Формула тока в цепи будет иметь вид Imax=12Iкз=ε2r, где КПД источника не превышает 50%. При

I→0может достигаться максимальное значение КПД, тогда сопротивление R→∞. При коротком замыкании значение мощности Р=0. Тогда она только выделяется внутри источника, что грозит перегревом, причем КПД обращается в ноль.

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р. Реферат от 1 дня / от 700 р.

Автор: Роман Адамчук

Преподаватель физики

9.

5 Электрическая энергия и мощность – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Выражать электрическую мощность через напряжение и силу тока
Опишите мощность, рассеиваемую резистором в электрической цепи
Расчет энергоэффективности и экономической эффективности 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, на короткое время увеличивая их кинетическую энергию. Эта повышенная кинетическая энергия преобразуется в тепловую за счет столкновений с ионами решетчатой структуры проводника. В книге «Работа и кинетическая энергия» мы определили мощность как скорость, с которой работа совершается силой, измеряемой в ваттах. Мощность также можно определить как скорость передачи энергии. В этом разделе мы обсудим временную скорость передачи энергии или мощности в электрической цепи.

Мощность в электрических цепях

Энергия у многих ассоциируется с электричеством. На ум могут прийти линии электропередач. Мы также думаем о лампочках с точки зрения их номинальной мощности в ваттах. Какое выражение для электрической мощности?

Сравним лампочку мощностью 25 Вт с лампочкой мощностью 60 Вт (рис. 9.23, а). Лампа мощностью 60 Вт светит ярче, чем лампа мощностью 25 Вт. Хотя это не показано, лампочка 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, превращается во внутреннюю энергию проводника и излучения. Как связаны напряжение, сила тока и сопротивление с электрической мощностью?

Рисунок 9.23 (a) На изображении выше показаны две лампы накаливания: 25-ваттная (слева) и 60-ваттная (справа). Лампа мощностью 60 Вт обеспечивает более высокую интенсивность света, чем лампа мощностью 25 Вт. Электрическая энергия, подводимая к лампочкам, преобразуется в тепло и свет. (b) Эта компактная люминесцентная лампа (CFL) излучает ту же интенсивность света, что и лампочка мощностью 60 Вт, но с мощностью от 1/4 до 1/10 входной мощности. (кредит a: модификация работ «Dickbauch»/Wikimedia Commons и Грега Вестфолла; кредит b: модификация работы «dbgg1979 дюймов/Flickr)

Чтобы рассчитать электрическую мощность, рассмотрите разницу напряжений, существующую на материале (рис. 9.24). Электрический потенциал V1V1 выше, чем электрический потенциал V2V2, а разность потенциалов отрицательна V=V2-V1V=V2-V1. Как обсуждалось в разделе «Электрический потенциал», между двумя потенциалами существует электрическое поле, которое направлено от более высокого потенциала к более низкому потенциалу. Напомним, что электрический потенциал определяется как потенциальная энергия, приходящаяся на один заряд, V=U/qV=U/q, и заряд QQ теряет потенциальную энергию, перемещаясь через разность потенциалов.

Рисунок 9.24 Когда на проводнике есть разность потенциалов, присутствует электрическое поле, направленное от более высокого потенциала к более низкому потенциалу.

Если заряд положительный, на него действует сила электрического поля F→=ma→=QE→F→=ma→=QE→. Эта сила необходима для поддержания движения заряда. Эта сила не ускоряет заряд на всем расстоянии ΔLΔL из-за взаимодействия 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 площадь A2A2, имеет ту же скорость дрейфа vdvd, что и заряд, прошедший через площадь A1A1. Однако над зарядом совершается работа электрическим полем, которое изменяет потенциальную энергию. Поскольку изменение разности электрических потенциалов отрицательно, электрическое поле оказывается равным

E=−(V2−V1)ΔL=ΔVΔL.E=−(V2−V1)ΔL=ΔVΔL.

Работа, совершаемая над зарядом, равна произведению электрической силы на длину, на которую действует сила,

W=FΔL=(QE)ΔL=Q(–ΔVΔL)ΔL= –QΔV=–ΔU. W=FΔL=(QE)ΔL=Q(–ΔVΔL)ΔL= –QΔV=–ΔU.

Заряд движется со скоростью дрейфа vdvd, поэтому работа, совершаемая над зарядом, приводит к потере потенциальной энергии, но средняя кинетическая энергия остается постоянной. Потерянная электрическая потенциальная энергия проявляется в виде тепловой энергии в материале. В микроскопическом масштабе передача энергии происходит за счет 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=QΔVΔt=IV.P=ΔUΔt=QΔVΔt=IV.

В случае резистора падение напряжения на резисторе рассеивается в виде тепла. Закон Ома гласит, что напряжение на резисторе равно произведению тока на сопротивление, V=IRV=IR. Таким образом, мощность, рассеиваемая резистором, составляет

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 проводами и резистором, равна P=IV=I2R=V2RP=IV=I2R=V2R. Мощность, подаваемая от батареи, равна произведению тока на напряжение, P=IVP=IV.

Электроэнергия

Электроэнергия, полученная или потерянная любым устройством, имеет вид

P=IV.P=IV.

9.12

Мощность, рассеиваемая резистором, имеет вид

P=I2R=V2R.P=I2R=V2R.

9.13

Из трех разных выражений для электроэнергии можно получить разные выводы. Например, P=V2/RP=V2/R подразумевает, что чем меньше сопротивление, подключенное к данному источнику напряжения, тем больше отдаваемая мощность. Кроме того, поскольку напряжение находится в квадрате в P=V2/RP=V2/R, эффект приложения более высокого напряжения, возможно, больше, чем ожидалось. Таким образом, когда напряжение удваивается до 25-ваттной лампы, ее мощность увеличивается почти в четыре раза до примерно 100 Вт, что приводит к ее перегоранию. Если бы сопротивление лампочки оставалось постоянным, ее мощность была бы ровно 100 Вт, но при более высокой температуре ее сопротивление также 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 поднять предмет массой 4900,00 Н на расстояние 10,00 м за 30,00 с при постоянной скорость. а) Какова мощность, потребляемая двигателем? б) Какая сила используется для подъема тела? Не учитывать сопротивление воздуха. (c) Предполагая, что разница в мощности, потребляемой двигателем, и мощности, используемой для подъема объекта, рассеивается в виде тепла на сопротивлении двигателя, оцените сопротивление двигателя?

Стратегия

(a) Мощность, потребляемую двигателем, можно найти с помощью P=IVP=IV. (b) Мощность, используемая для подъема объекта с постоянной скоростью, может быть найдена по формуле P=FvP=Fv, где скорость — это расстояние, деленное на время. Подъемная сила, создаваемая двигателем, равна весу объекта, поскольку ускорение равно нулю. (c) Сопротивление двигателя можно найти, используя P=I2RP=I2R.

Решение

Мощность, потребляемая двигателем, равна P=IVP=IV, ток равен 20,00 А, а напряжение равно 115,00 В:
P=IV=(20,00А)115,00В=2300,00Вт.P=IV=(20,00А)115,00В=2300,00Вт.
Мощность, используемая для подъема объекта, равна P=FvP=Fv, где сила равна весу объекта (1960 Н), а модуль скорости равен v=10,00 м30,00 с=0,33 мсv=10,00 м30. 00 с = 0,33 мс,
P=Fv=(4900Н)0,33м/с=1633,33Вт.P=Fv=(4900Н)0,33м/с=1633,33Вт.
Разница в мощности равна 2300,00Вт-1633,33Вт=666,67Вт2300,00Вт-1633,33Вт=666,67Вт, а сопротивление можно найти используя P=I2RP=I2R:
R=PI2=666,67 Вт(20,00 А)2=1,67 Ом. R=PI2=666,67 Вт(20,00 А)2=1,67 Ом.

Значение

Сопротивление двигателя очень мало. Сопротивление двигателя обусловлено множеством обмоток медного провода. Мощность, рассеиваемая двигателем, может быть значительной, поскольку тепловая мощность, рассеиваемая двигателем, будет довольно большой из-за этого небольшого сопротивления; однако из-за обратной ЭДС ток, потребляемый двигателем, очень мал.

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 (рис. 9.25) — это устройство, защищающее цепь от слишком больших токов. Предохранитель — это в основном короткий кусок провода между двумя контактами. Как мы видели, при протекании тока по проводнику кинетическая энергия носителей заряда превращается в тепловую энергию в проводнике. Кусок проволоки в предохранителе находится под напряжением и имеет низкую температуру плавления. Провод рассчитан на нагрев и разрыв при номинальном токе. Предохранитель сгорел и подлежит замене, но он защищает остальную часть цепи. Предохранители действуют быстро, но есть небольшая задержка времени, пока проволока нагревается и обрывается.

Рисунок 9.25 Предохранитель состоит из куска проволоки между двумя контактами. При прохождении по проводу тока, превышающего номинальный, провод плавится, разрывая соединение. На фото «перегоревший» предохранитель, где оборвался провод, защищающий цепь (кредит: модификация работы «Шардайы»/Flickr).

Автоматические выключатели также рассчитаны на максимальный ток и размыкаются для защиты цепи, но могут быть сброшены. Автоматические выключатели реагируют гораздо быстрее. Работа автоматических выключателей не рассматривается в этой главе и будет обсуждаться в последующих главах. Еще одним методом защиты оборудования и людей является прерыватель цепи замыкания на землю (GFCI), который часто используется в ванных комнатах и на кухнях. Розетки GFCI очень быстро реагируют на изменения тока. Эти выходы открываются при изменении магнитного поля, создаваемого проводниками с током, что также выходит за рамки этой 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 известный факт основан на соотношении между энергией и мощностью. Вы платите за использованную энергию. Поскольку P=dEdtP=dEdt, мы видим, что

E=∫PdtE=∫Pdt

— это энергия, потребляемая устройством с мощностью P за интервал времени t . Если мощность подается с постоянной скоростью, то энергию можно найти по формуле E=PtE=Pt. Например, чем больше горит лампочка, тем больше P б/у; чем дольше они горят, тем больше т .

Единицей энергии в счетах за электроэнергию является киловатт-час (кВт·ч) (кВт·ч), что соответствует соотношению E=PtE=Pt. Стоимость эксплуатации электроприборов легко оценить, если вы имеете некоторое представление об их энергопотреблении в ваттах или киловаттах, времени их работы в часах и стоимости киловатт-часа для вашего электроснабжения. Киловатт-часы, как и все другие специализированные единицы энергии, такие как пищевые калории, могут быть преобразованы в джоули. Вы можете доказать себе, что 1кВт·ч=3,6×106Дж, 1кВт·ч=3,6×106Дж.

Потребляемая электрическая энергия ( E ) может быть уменьшена либо за счет сокращения времени использования, либо за счет снижения энергопотребления этого прибора или приспособления. Это не только снижает затраты, но и снижает воздействие на окружающую среду. Улучшение освещения — один из самых быстрых способов сократить потребление электроэнергии в доме или на предприятии. Около 20% энергии, потребляемой домом, идет на освещение, а в коммерческих учреждениях этот показатель приближается к 40%. Люминесцентные лампы примерно в четыре раза более эффективны, чем лампы накаливания — это справедливо как для длинных трубок, так и для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). (См. рис. 9.23(b).) Таким образом, лампочку накаливания мощностью 60 Вт можно заменить КЛЛ мощностью 15 Вт такой же яркости и цвета. КЛЛ имеют изогнутую трубку внутри шара или спиралевидную трубку, все они соединены со стандартным ввинчивающимся основанием, которое подходит для стандартных патронов для ламп накаливания. (Первоначальные проблемы с цветом, мерцанием, формой и высокими первоначальными вложениями в КЛЛ были решены в последние годы.)

Теплоотдача от этих компактных люминесцентных ламп меньше, и они служат в 10 раз дольше, чем лампы накаливания. Значение инвестиций в такие лампочки рассматривается в следующем примере. Новые белые светодиоды (представляющие собой группы небольших светодиодов) еще более эффективны (в два раза эффективнее, чем КЛЛ) и служат в пять раз дольше, чем КЛЛ.

Пример 9.10

Расчет экономической эффективности светодиодов

Типичной заменой лампы накаливания мощностью 100 Вт является светодиод мощностью 20 Вт. Светодиод мощностью 20 Вт может обеспечить такое же количество света, как и лампа накаливания мощностью 100 Вт. Какова экономия затрат на использование светодиода 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 день.

Стратегия

(a) Рассчитайте энергию, используемую в течение года для каждой лампочки, используя E=PtE=Pt.

(b) Умножьте энергию на стоимость.

Решение

Рассчитайте мощность каждой лампочки.
EЛампа накаливания=Pt=100Вт(1кВт1000Вт)(3чдень)(365дней)=109.5кВт·чСИД=Pt=20Вт(1кВт1000Вт)(3чдень)(365дней)=21.90кВтч.EЛампа накаливания=Pt=100Вт(1кВт1000Вт)(3чдень) (365дней)=109,5кВт·чLED=Pt=20Вт(1кВт1000Вт)(3чдень)(365дней)=21,90кВт·ч.
Рассчитать стоимость каждого.
стоимость ламп накаливания = 109,5 кВт-ч (0,10 долл. США кВт·ч) = 10,95 долл. США стоимость светодиодов = 21,90 кВт-ч (0,10 долл. США кВт·ч) = 2,19 долл. США. (0,10 кВт·ч) = 2,19 доллара США.

Значение

Светодиод потребляет на 80% меньше энергии, чем лампа накаливания, экономя 8,76 долларов по сравнению с лампой накаливания в течение одного года. Светодиод может стоить 20 долларов, а лампа накаливания мощностью 100 Вт может стоить 0,75 доллара, что должно быть учтено при расчете. Типичный срок службы лампы накаливания составляет 1200 часов, а светодиода — 50 000 часов. Лампа накаливания прослужит 1,08 года при работе по 3 часа в день, а светодиод — 45,66 года. Первоначальная стоимость светодиода высока, но стоимость для владельца дома составит 0,69 доллара США.для ламп накаливания по сравнению с 0,44 доллара для светодиодов в год. (Обратите внимание, что светодиоды падают в цене.) Годовая экономия составляет примерно 8,50 долларов США, и это только на одну лампочку.

Проверьте свое понимание 9.10

Проверьте свое понимание Является ли КПД различных лампочек единственным соображением при сравнении различных лампочек?

Замена ламп накаливания на компактные люминесцентные лампы или светодиоды — это простой способ снизить потребление энергии в домах и на коммерческих объектах. Лампы CFL работают по совершенно другому механизму, чем лампы накаливания. Механизм сложен и выходит за рамки этой главы, но здесь дается очень общее описание механизма. Лампы компактных люминесцентных ламп содержат пары аргона и ртути, заключенные в спиралевидную трубку. Лампы CFL используют «балласт», который увеличивает напряжение, используемое лампой CFL. Балласт производит электрический ток, который проходит через газовую смесь и возбуждает молекулы газа. Молекулы возбужденного 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 компактных люминесцентных ламп имели короткую временную задержку до нескольких секунд, пока смесь «разогревалась» и молекулы переходили в возбужденное состояние. Следует отметить, что эти лампочки содержат ртуть, которая является ядовитой, но если лампочка разбита, ртуть никогда не высвобождается. Даже если лампочка разбита, ртуть имеет тенденцию оставаться во флуоресцентном покрытии. Сумма также довольно мала, и преимущество экономии энергии может перевесить недостаток использования ртути.

Лампы компактных люминесцентных ламп заменяются на светодиоды, где LED означает «светоизлучающий диод». Диод был кратко рассмотрен как неомическое устройство, изготовленное из полупроводникового материала, который позволяет току течь в одном направлении. Светодиоды представляют собой диоды особого типа, изготовленные из полупроводниковых материалов, в которые добавлены примеси в таких сочетаниях и концентрациях, которые позволяют преобразовывать дополнительную энергию от движения электронов во время электрического возбуждения в видимый свет. Полупроводниковые устройства будут объяснены более подробно в физике конденсированных сред.

Коммерческие светодиоды

быстро становятся стандартом коммерческого и жилого освещения, заменяя лампы накаливания и компактные люминесцентные лампы. Они предназначены для видимого спектра и изготовлены из галлия, легированного атомами мышьяка и фосфора. Цвет, излучаемый светодиодом, зависит от материалов, используемых в полупроводнике, и силы тока. В первые годы разработки светодиодов маленькие светодиоды на печатных платах были красными, зелеными и желтыми, но теперь светодиоды можно запрограммировать для получения миллионов цветов света, а также множества различных оттенков белого света.

Сравнение ламп накаливания, КЛЛ и светодиодов

Экономия энергии может быть значительной при замене лампы накаливания или КЛЛ на светодиод. Лампочки оцениваются по количеству энергии, потребляемой лампой, а количество светового потока измеряется в люменах. Люмен (лм) — производная единица измерения светового потока в системе СИ и мера общего количества видимого света, излучаемого источником. Лампу накаливания мощностью 60 Вт можно заменить лампой CFL мощностью 13–15 Вт или светодиодом мощностью 6–8 Вт, все три из которых имеют световой поток примерно 800 лм. Таблица светоотдачи для некоторых широко используемых лампочек приведена в Таблице 9..2.

Срок службы трех типов ламп значительно различается. Срок службы светодиода составляет 50 000 часов, тогда как срок службы КЛЛ составляет 8 000 часов, а срок службы лампы накаливания составляет всего 1 200 часов. Светодиод является наиболее прочным, легко выдерживающим 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 светодиод, из-за своей стеклянной конструкции. Количество выделяемого тепла составляет 3,4 БТЕ/ч для светодиода мощностью 8 Вт, 85 БТЕ/ч для лампы накаливания мощностью 60 Вт и 30 БТЕ/ч для лампы CFL. Как упоминалось ранее, основным недостатком лампы CFL является то, что она содержит ртуть, нейротоксин, и должна утилизироваться как опасные отходы. Из этих данных легко понять, почему светодиоды быстро становятся стандартом в освещении.

Световой поток (люмен)	Светодиоды (Вт)	Лампы накаливания (Вт)	Лампы 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

Стол 9. 2 Световой поток светодиодов, ламп накаливания и КЛЛ

Краткое изложение отношений

В этой главе мы обсудили взаимосвязь между напряжением, током, сопротивлением и мощностью. На рис. 9.26 показаны соотношения между этими измеряемыми величинами для омических устройств. (Вспомните, что омические устройства следуют закону Ома V=IRV=IR.) Например, если вам нужно рассчитать мощность, используйте розовый участок, который показывает, что P=VIP=VI, P=V2RP=V2R и P=I2RP =I2R.

Рисунок 9.26 Этот круг показывает сводку уравнений для отношений между мощностью, током, напряжением и сопротивлением.

Какое уравнение использовать, зависит от того, какие значения вам даны или какие 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).

Как работает электричество? | Learning Source

Мы используем электричество каждый день (почти) для всего. От зарядки мобильного телефона до принятия горячей ванны и просмотра любимых сериалов по телевизору — электричество есть практически везде. Тем не менее, большинство из нас, вероятно, не могли четко ответить на вопрос: «Как работает электричество ? »

В этой статье мы дадим вам четкое представление о том, что такое электричество, а также некоторые интересные факты, в том числе о том, сколько ватт требуется вашим повседневным приборам.

Как работает электричество?

Сама концепция электричества основана на движении электронов. Когда вы заставляете электроны двигаться синхронно, они в конечном итоге выделяют тепло, которое превращает провод, по которому они движутся, в магнит.

Britannica описывает электричество как явление, связанное с неподвижными или движущимися электрическими зарядами. Каждый электрический заряд является фундаментальным свойством материи, переносимой элементарными частицами.

Для электричества эта элементарная частица представляет собой электрон с отрицательным зарядом, который передается следующему электрону обычным способом. Итак, когда мы говорим о том, как работает электричество, это, по сути, результат накопления или движения определенного количества электронов. Более того, электричество движется по замкнутому контуру, по которому движутся электроны.

Поясним это на примере.

Почтовый индекс

Представьте, что вы щелкаете выключателем, чтобы включить свет. Что вы делаете? Вы в основном замыкаете цепь. Применяя ту же логику, когда вы выключите выключатель, вы разомкнете цепь.

Теперь, когда вы замыкаете цепь, поток электричества от электрических проводов проходит через них через свет, и наоборот. Точно так же та же логика применяется, когда вы заряжаете свой телефон, включаете телевизор или работаете с любым другим устройством.

Кроме того, электричество принимает различные формы, такие как вода, уголь, ветер, солнечная энергия, гидроэлектроэнергия и ядерная энергия.

Как и из чего производится электричество?

источник

Немногие знают, что электричество на самом деле является вторичным источником энергии — то, что вы получаете от преобразования других первичных источников энергии, таких как природный газ, уголь, ядерная энергия, нефть и так далее. Интересно, что эти первичные источники энергии могут быть как возобновляемыми, так и невозобновляемыми, но само электричество не является ни тем, ни другим.

Электричество состоит из строительных блоков, называемых атомами, поэтому вам необходимо понять, как ведут себя атомы и, самое главное, как ведут себя электроны.

У каждого атома есть ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а электроны — это заряженные частицы, которые вращаются вокруг ядра в оболочках. Поскольку протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный, они притягиваются друг к другу. Это удерживает оба заряда равными, что, в свою очередь, удерживает атом в равновесии. Итак, положительный заряд протона равен отрицательному заряду электрона.

Нейтроны не имеют электрического заряда, и поэтому они не играют активной роли, когда дело доходит до балансировки атома.

Понимание взаимосвязи между протонами и электронами
E лектроны сильно притягиваются к протонам. Но электроны в самой внешней оболочке не имеют такого сильного притяжения к протонам по сравнению с электронами в ближайших оболочках.
Слабо притягивающиеся электроны могут быть вытолкнуты с орбиты, что, в свою очередь, заставляет их переходить от одного атома к другому. Именно эти движущиеся электроны и есть электричество.
Электричество состоит из электронов. Но с технической точки зрения именно поток электрического заряда как форма электричества создает поток электрического тока.
Напомним, движение нескольких электронов создает магнитные поля, которые запускают формирование электрических зарядов.
Проводящие материалы, которые используются для переноса электрического заряда, такие как медная проволока, имеют поток электронов с отрицательным зарядом. Это помогает проводить электричество, придавая потоку электронов целевое направление, позволяя им двигаться равномерно, одновременно создавая положительный заряд, известный как электрический ток.
Чтобы создать электричество, вам нужно правильно обуздать этот поток электрического тока, а затем направить его вместе с проводящим материалом.
Как измеряется электроэнергия? В каких единицах?
Измерение электричества и электрических единиц взаимосвязано. Вскоре вы поймете, что это значит.
Первой единицей измерения электрического тока в международной системе единиц является ампер или ампер (А). Он обозначает количество электронов (также известный как электрический ток), которые проходят через электрическую цепь в данный момент времени.
Далее следует вольт (В), измеряющий силу, толкающую электрон через электрическую цепь. Эта сила также известна как разность электрических потенциалов. Когда мы определяем напряжение, мы рассчитываем потенциал движения энергии. По сути, более низкое напряжение соответствует более низкой силе, а высокое напряжение означает более высокую силу.
Для измерения электричества необходимо также измерить электрическое сопротивление, которое выражается в омах (Ом). Как уже упоминалось, медная проволока является проводящим материалом, и, поскольку она имеет минимальное сопротивление, она обеспечивает легкий поток электронов. Именно поэтому медь является хорошим проводником электричества, имея низкое сопротивление.
Вот и все: вам нужны ампер, вольт и ом для измерения электричества.
Что касается взаимосвязи между тремя понятиями, то один ампер эквивалентен величине тока, создаваемого силой в 1 В, действующей через сопротивление в 1 Ом.
Теперь медленно прочитайте это еще раз, мы знаем, что это немного сложно.
Обсуждение того, как измерять электричество, останется неполным, если вы не упомянете ватты (Вт), которые являются мерой мощности. Названная в честь шотландского изобретателя Джеймса Ватта, эта единица измерения показывает скорость выполнения работы.
Если вы подумаете об лампочке (созданной другим известным изобретателем, Томасом Эдисоном), вы поймете, что она светит ярче, когда вы увеличиваете подаваемую электрическую мощность, что также приводит к более высокой мощности. Лампа мощностью один ватт преобразует один джоуль электрической энергии в секунду.
При измерении электричества последней единицей, которую вы должны знать, является кулон, который представляет собой количество заряда, протекающего при силе тока в один ампер.
Другими словами, 1 ампер = 1 кулон в секунду
Почему электричество так важно?
Мы почти уверены, что никто не будет спорить с важностью электричества. Учитывая неудобства, связанные даже с кратковременным отключением электроэнергии, жизнь без электричества практически немыслима. В конце концов, это необходимая форма энергии, которую мы используем на протяжении всей жизни, будь то отопление, освещение, транспорт или развлечения.
На самом деле, нам нужно электроэнергии для более зеленой и чистой Земли .
От вращающихся лопастей ветряных турбин до солнечной энергии и направления пара к геотермальным электростанциям — все это остановится из-за отсутствия электричества. Если вы хотите пользоваться возобновляемыми источниками энергии, вам необходимо обеспечить стабильное электроснабжение.
Откуда берется энергия?
В Соединенных Штатах Америки тремя основными источниками производства электроэнергии являются уголь, нефть и природный газ . Но это может отличаться в зависимости от части мира, в которой вы живете. Например, гидроэнергетика является основным источником электроэнергии в Канаде, а во Франции электроэнергия в основном вырабатывается из ядерной энергии.
К счастью, растущая осведомленность об альтернативных источниках энергии привела к тому, что дома и предприятия используют энергию ветра и солнечную энергию. Атомные электростанции, биомасса и гидроэлектростанции также используются для производства электроэнергии.
Чтобы узнать больше о вашем источнике электроэнергии, вы можете обратиться к поставщику энергии за дополнительной информацией.
Почтовый индекс
Почему электричество не является источником энергии?
Если вы вспомните, как мы описывали электричество ранее, вы поймете, что это способ транспортировки энергии из одного места в другое. Таким образом, электричество является не источником энергии само по себе, а скорее вторичным источником энергии.
Давайте обсудим это с помощью энергии ветра.
Поток ветра помогает приводить в действие турбины, которые подключены к электрогенератору, вырабатывающему электричество. Таким образом, как только электричество вырабатывается и транспортируется, энергия преобразуется в другие формы энергии. Это также соответствует первому закону термодинамики, что его нельзя создать или разрушить.
Потенциальная энергия, хранящаяся в возобновляемых и невозобновляемых источниках энергии, преобразуется в электричество, которое затем используется для питания электрических устройств, транспортных средств и других вещей.
Определение потребления электроэнергии
Очень важно знать общее потребление электроэнергии обычными бытовыми приборами. Ведь чем выше потребление электроэнергии, тем больше вам придется платить. Ниже мы составили список потребления электроэнергии для нескольких распространенных электронных устройств.
Сколько электроэнергии потребляет телевизор?
Как правило, большинство телевизоров потребляют от 120 до 170 Вт в зависимости от размера устройства и используемой технологии.
Например, 42-дюймовый ЖК-дисплей потребляет 120 Вт, а 50-дюймовый ЖК-дисплей — 150 Вт. Но когда вы меняете технологию, для работы 42-дюймового плазменного телевизора потребуется 220 Вт, а для 50-дюймовой плазмы — 300 Вт.
Сколько электроэнергии потребляет компьютер?
Диапазон энергопотребления настольного компьютера составляет около 200 Вт, и, опять же, в зависимости от типа используемого устройства потребление электроэнергии будет различаться.
Сколько электроэнергии потребляет лампочка?
Чтобы узнать количество электроэнергии, потребляемой лампочкой, вам нужно посмотреть на количество ватт на ее упаковке. У вас могут быть лампочки мощностью 100 Вт, а также лампы мощностью 60 Вт. Более того, в то время как для светодиодной лампочки требуется 18 Вт, для люминесцентных ламп требуется около 36 Вт.
Сколько электроэнергии потребляет духовка?
Духовки бывают всех форм и размеров: одни предназначены для коммерческих кухонь, другие предназначены для домашнего использования. Кроме того, блюда, которые вы готовите, также имеют разную температуру и продолжительность приготовления.
Для духовок нормально использовать мощность от 1000 до 5000 Вт, при этом средняя мощность составляет около 2400 Вт в час, при условии, что обычная температура приготовления остается в пределах 300-425°F.
Сколько электроэнергии потребляет кондиционер?
Как и печи, кондиционеры также доступны в различных конфигурациях. Несколько других факторов также влияют на общее потребление электроэнергии — от количества комнат в вашем доме или квартире до желаемой внутренней температуры, вашей изоляции и так далее.
География и сезон также имеют решающее значение. Подумайте об этом: использование переменного тока зимой в Нью-Йорке будет отличаться от использования переменного тока летом в Палм-Спрингс.
Чтобы дать вам представление, среднестатистический центральный кондиционер потребляет от 3000 до 5000 Вт мощности в жаркие месяцы года.
Сколько электроэнергии потребляет сушилка?
В среднем сушилка для белья потребляет 5000 Вт, а средняя стиральная машина потребляет от 500 Вт (без электрического нагрева воды) до 1800 Вт (с электрическим нагревом воды).
Потребляют ли диммеры меньше электроэнергии?
Да, диммеры обеспечивают более низкое потребление энергии.
Современные диммеры потребляют меньше электроэнергии по сравнению со старыми диммерами, поскольку в первых используется симисторный переключатель, отключающий подачу электроэнергии несколько раз в секунду.
В результате общее количество энергии, достигающей лампочки, уменьшается. Это снижает количество производимого света, который, в свою очередь, потребляет меньше электроэнергии.
Сколько электроэнергии я использую?
источник
Лучший способ определить общее количество потребляемой электроэнергии – это проанализировать свои ежемесячные счета за электроэнергию.
Потребление электроэнергии зависит от времени года, погоды и других факторов. Например, в те месяцы, когда вас нет дома, потребление электроэнергии будет ниже, чем в месяцы, когда к вам приходят гости.
Вы также можете рассчитать энергопотребление по следующей формуле:
Шаг 1. Рассчитайте мощность каждого устройства, которое вы используете ежедневно
Вы найдете это на упаковке каждого устройства. Вот список повседневных устройств, которые помогут вам начать работу:
Микроволновая печь: 750–1100 Вт
Посудомоечная машина: 1200–2400 Вт
Утюг: 100–1800 Вт
Ноутбук: 50 Вт
Кофеварка: 900–1200 Вт
Шаг 2. Переведите ватты в киловатты
Каждая 1000 Вт равна 1 кВт, поэтому просто примените это для своей мощности.
Шаг 3. Узнайте количество киловатт и ежемесячное использование прибора
Для этого вам понадобятся три формулы:
Расчет ватт-часов в день
Мощность устройства (Вт) x Часы, используемые в день = Ватт-часы (Втч) в день
Преобразование ватт-часов в киловатты
Использование устройства (Втч) / 1000 (Втч/кВтч) = Использование устройства в кВтч
Ежедневное потребление (кВтч) x 30 (дни) = приблизительное месячное потребление (кВтч / месяц)
Шаг 4. Рассчитайте полную стоимость
Ежемесячное потребление в киловатт-часах (кВтч) x Тариф на электроэнергию ($/кВтч) ) = приблизительная стоимость в месяц
Почтовый индекс
Каково среднее потребление электроэнергии домохозяйством?
В 2019 году среднегодовое потребление электроэнергии бытовым потребителем коммунальных услуг в США составило 10 649 кВтч, в среднем почти 877 кВтч в месяц.