Работа и мощность электрического тока

Электрическая энергия. В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рис. 30). В источниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Например, в элек­трических генераторах /, приводимых во вращение каким-либо механизмом, происходит превращение в электрическую энергию механической, в термогенераторах 2 — тепловой, в аккумуляторах 9 при их разряде и гальванических элементах 10 — химической, в фото­элементах //—лучистой.

Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии — тепловую, механиче­скую, химическую, лучистую и пр. Например, в электродвига­телях 3 электрическая энергия превращается в механическую, в электронагревательных приборах 5 — в тепловую, в электроли­тических ваннах 8 и аккумуляторах 7 при их заряде — в химиче­скую, в электрических лампах 6 — в лучистую и тепловую, в антеннах 4 радиопередатчиков — в лучистую.

Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напря­жении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энер­гии. Эта единица называется джоулем (Дж). Джоуль, который на­зывают также ватт-секундой (Вт-с), — очень маленькая единица измерения, поэтому на практике для измерения электрической энергии приняты более крупные единицы — ватт-час (1 Вт-ч = = 3600 Дж), киловатт-час (1 кВт-ч = 1000 Вт-ч = 3,6-10⁶ Дж), мегаватт-час (1 МВт-ч= 1000 кВт-ч=3,6-10⁹ Дж).

Электрическая мощность. Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях С/ и I равна произведению напряжения V на силу тока I: Используя закон Ома для определения силы тока и напряже­ния в зависимости от сопротивления /? и проводимости О, можно получить и другие выражения для мощности. Если заменить в фор­муле напряжение или силу тока

Следовательно, электрическая мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление, или электрическая мощность равна квадрату напряжения, поделенному на сопротивление, либо квадрату напряжения, умноженному на проводимость.

Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами: кило­ваттами (1 кВт=1000 Вт) и мегаваттами (1 МВт=1 000 000 Вт).

Потери энергии и коэффициент полезного действия. При превра­щении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот не вся энергия превращается в требуемый вид энергии, часть ее непроизводительно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.

Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности, называется коэф­фициентом полезного действия К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии. Иногда к. п. д. выражают в про­центах. Так, тяговые двигатели электровозов и тепловозов имеют к. п. д. 86—92 %, мощные трансформаторы — 96—98 %, тяговые подстанции — 94—96%, контактная сеть электрифицированных железных дорог — около 90 %, генераторы тепловозов — 92—94 %.

Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в электри­ческой цепи (рис. 31). Генератор /, питающий эту цепь, получает от первичного двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность Р_чх —28,9 кВт, а отдает электрическую мощность Р_эл = = 26 кВт (2,9 кВт составляют потери мощности в генераторе). Поэтому он имеет к. п. д. 1]_ген = Р_эл/Р_чч = 26/28,9 = 0,9.

Мощность Р_эл = 26 кВт, отдаваемая генератором, расходуется на питание электрических ламп (6 кВт), на нагрев электрических плиток (7,2 кВт) и на питание электродвигателя (10,8 кВт). Часть мощности АР„_Р = 2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соединяющих генератор с потребителями.

В каждом приемнике электрической энергии также имеют место потери мощности. В электрическом двигателе 3 потери мощности составляют 0,8 кВт (он получает из сети мощность 10,8 кВт, а отдает только 10 кВт), поэтому к. п. д. г|_дв= 10/10,8 = 0,925. Из мощности б кВт, полученной лампами, лишь незначительная часть идет на создание лучистой энергии, большая часть ее бесполезно рассеи­вается в виде тепла. В электрической плитке на нагрев пищи расхо­дуется не вся полученная мощность 7,2 кВт, так как часть созданного ею тепла рассеивается в окружающем пространстве.

При рассмотрении электрических цепей наряду с определением токов и напряжений, действующих на отдельных участках, необхо­димо определять и передаваемую по ним мощность. При этом должен соблюдаться так называемый энергетический баланс мощностей. Это означает, что мощность, получаемая каким-либо устройством (источником тока или потребителем) или участком электрической цепи, должна быть равна сумме отдаваемой ими мощности и потерь мощности, которые возникают в данном устройстве или участке цепи.

Тепловое действие тока

Выделение тепла при прохождении электрического тока. При

прохождении электрического тока по проводнику в результате столк­новений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.

Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохожде­нии электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла С} равно произведению квадрата силы тока I², сопротивле­ния проводника К и времени I прохождения тока через проводник: Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энер­гии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.

Допустимая сила и плотность тока. Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. Оно происходит, например, в различных производственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электропли­тах, электрических паяльниках и пр.), в электрических лампах на­каливания, аппаратах для электрической сварки и пр. Однако во многих электрических устройствах, например в электрических ма­шинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превра­щение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превы­шающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плот­ности тока 1 (сила тока /, приходящаяся на 1 мм² площади 5 попереч­ного сечения проводника):

 

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь или алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр. Например, допустимая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна пре­вышать 3—6 А/мм², в нити осветительной электрической лампы — 15 А/мм². В проводах силовых и осветительных сетей плотность тока может быть различной в зависимости от площади поперечного сечения провода и его изоляции. Например, для медных проводов с резиновой изоляцией и площадью поперечного сечения 4 мм² до­пускается плотность тока 10,2 А/мм², а 50 мм² — только 4,3 А/мм²; для неизолированных проводов тех же площадей сечения—12,5 и 5,6 А/мм². Уменьшение допустимой плотности тока при увеличении площади поперечного сечения провода объясняется тем, что в про­водах с большей площадью сечения отвод тепла от внутренних слоев затруднен, так как сами они окружены нагретыми слоями. Для неизолированных проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных.

Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электри­ческих сетей обугливается и даже горит, что может привести к ко­роткому замыканию и пожару. Неизолированные же провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.

Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. Для этой цели в технике широ­ко используют плавкие предохранители, автоматические выклю­чатели и другие устройства.

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев про­водника, как следует из закона Ленца — Джоуля, может происходить не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения от­дельных проводников. При неплотном электрическом контакте и пло­хом соединении проводников (рис. 32) электрическое сопротивле­ние в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В результате место неплотного соеди­нения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгора­нию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при сое­динении проводов на э. п. с. и тепловозах концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, которые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических ма­шин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьше­ния переходного сопротивления между контактами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.