Публикации по материалам Д. Джанколи. "Физика в двух томах" 1984 г. Том 2.

Электрическая мощность

Электрическая энергия удобна тем, что легко превращается в другие виды энергии. Например, электродвигатели превращают электрическую энергию в механическую работу.

В других приборах - электронагревателях, электроплитах, тостерах, фенах для сушки волос - электрическая энергия превращается в тепловую с помощью проволочного сопротивления, называемого нагревательным элементом. В обыкновенной электрической лампе небольшая нить накала нагревается так сильно, что начинает светиться; лишь несколько процентов энергии превращается в свет, остальная же (свыше 90%) переходит в тепло. Сопротивление нагревательных элементов в бытовых электроприборах и нитей накала электрических ламп составляет от нескольких единиц до нескольких сотен ом.

В таких приборах преобразование электрической энергии в свет и тепло происходит за счет того, что сила тока обычно бывает довольно большой и движущиеся электроны испытывают многочисленные столкновения с атомами проводника. При каждом таком столкновении часть кинетической энергии электрона передается атому, с которым он сталкивается. В результате кинетическая энергия атомов увеличивается и температура проволочного элемента возрастает. Избыток тепловой (внутренней) энергии может за счет теплопроводности и конвекции передаваться воздуху в электронагревателе или кастрюле на плите, за счет теплового излучения поджаривать гренки в тостере или испускаться в виде света. Для определения мощности, преобразуемой электрическим прибором, воспользуемся известным фактом: при прохождении бесконечно малым зарядом dq разности потенциалов V изменение энергии составляет

dU = dqV        (24.2)

Если оно происходит за время dt, то мощность Р (т.е. скорость преобразования энергии) составит

Р = dU/dq = V·dq/dt

Заряд, протекающий в единицу времени, dq/dt, представляет собой силу тока I. Следовательно,

P = IV       (26.14)

Это общее соотношение характеризует мгновенную мощность, преобразуемую любым устройством; здесь I - сила тока, протекающего через устройство, а V- разность потенциалов на нем. Это же выражение характеризует мощность, потребляемую от источника, например от батареи. В системе СИ электрическая мощность измеряется в тех же единицах, что и любая мощность, - в ваттах (Вт); 1 Вт = 1 Дж/с.

Мощность, выделяющуюся на резисторе R, можно записать двумя способами, объединив закон Ома (V = IR) с формулой (26.4) (Р = IV):

P = I(IR) = I 2R          (26.15a)

P = V 2/R           (26.15b)

Выражения (26.15а) и (26.15b) применимы только к резисторам, в то время как (26.14) справедливо в общем случае.

Рассчитываясь за электричество, мы оплачиваем не мощность, а энергию. Поскольку мощность представляет собой скорость преобразования энергии, полная энергия, израсходованная каким-либо устройством, равна просто произведению потребляемой мощности на время, в течение которого это устройство включено. Если мощность выражена в ваттах, а время в секундах, то значение энергии будет получено в джоулях (Дж); 1 Вт = 1 Дж/с. На практике энергию обычно измеряют в гораздо более крупных единицах - киловатт-часах (кВт/ч): 1 кВт/ч = (1000 Вт)(3600 с) = 3,6·106 Дж.

Провода, подводящие электрический ток к осветительным приборам и электроустановкам, обладают некоторым сопротивлением, обычно достаточно малым. Поэтому при большой силе тока провода нагреваются и в них выделяется тепловая энергия мощностью I 2R, где R - сопротивление проводов. Это опасно тем, что провода в стене здания могут нагреться столь сильно, что вызовут пожар. Чем толще провод, тем меньше его сопротивление [см. (26.4)] и тем большую силу тока он может выдержать без значительного нагрева. Если сила тока превышает допустимое значение, то говорят о «перегрузке». Разумеется, электропроводку зданий следует проектировать таким образом, чтобы она была способна выдержать любую предполагаемую нагрузку. Для защиты от перегрузок электрическую сеть снабжают плавкими предохранителями («пробками») или автоматическими выключателями. Эти устройства (рис. 26.8) размыкают цепь, когда сила тока в ней превышает некоторое значение. Предохранитель, рассчитанный на 20 А, перегорит, а автомат отключится, если сила тока превысит 20 А. Если повторно перегорает предохранитель или срабатывает автомат, то могут быть две причины: либо в сеть включено слишком много потребителей электроэнергии, либо произошло короткое замыкание, т. е. из-за плохой изоляции два токонесущих провода соединились «накоротко». Сопротивление цепи в этом случае будет крайне малым, и ток резко возрастает. Короткое замыкание следует немедленно устранить.

Квартирная электропроводка устроена таким образом, что каждый включенный в сеть прибор оказывается под напряжением 220 В (сетевое напряжение). Если перегорает предохранитель или срабатывает автомат, прикиньте для начала, какой ток потребляют ваши электроприборы.

Пусть, например, электрическая лампа потребляет I = P/V = 100 Вт / 120 В = 0,8 А, электронагреватель 1800 Вт / 120 В = 15,0 А, электроплита 1300 Вт / 120 В =  10,8 А, итого 26,6 А. Предохранитель, рассчитанный на 20 А, конечно, перегорит. Если же установлен предохранитель на 30 А, то причина, видимо, в коротком замыкании (которое чаще всего происходит в шнурах электроприборов).

В электронных схемах следует учитывать тепло, рассеиваемое на резисторах. Допустимую мощность рассеяния на резисторе (I 2R) можно примерно оценить по его габаритам; чаще всего используются резисторы, рассчитанные на мощность 0,25, 0,5 и 1 Вт; чем выше рассеиваемая мощность (P = I 2R), тем больше габариты.

Продолжение следует. Коротко о следующей публикации: Переменный ток


Замечания и предложения принимаются по адресу horeff@mail.ru

1.28