Энергия электрического тока определение

Содержание

Пожалуй, главное заблуждение об электричестве [Veritasium]
2. Работа и мощность тока
Галилео | Электричество ⚡ Electricity
Особенности электрической энергии
Электрическое поле. Откуда берется ток.
Энергия электрического тока
Энергия и мощность электрического тока
- Похожие статьи

Пожалуй, главное заблуждение об электричестве [Veritasium]

– частота – f, которая измеряется в герцах (Гц).

2. Работа и мощность тока

При прохождении тока в цепи электрическое поле совершает работу по перемещению заряда. В этом случае работу электрического поля называют работой электрического тока.

При прохождении заряда \(q\) по участку цепи электрическое поле будет совершать работу: \(A=q\cdot U\), где \(U\) — напряжение электрического поля, \(A\) — работа, совершаемая силами электрического поля по перемещению заряда \(q\) из одной точки в другую.

Для выражения любой из этих величин можно использовать приведённый ниже рисунок.
Рис. \(1\). Зависимость между работой, напряжением и зарядом

Количество заряда, прошедшее по участку цепи, пропорционально силе тока и времени прохождения заряда: q = I ⋅ t .

Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна напряжению на её концах и количеству заряда, проходящего по этому участку: A = U ⋅ q .

Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна силе тока, времени прохождения заряда и напряжению на концах участка цепи: A = U ⋅ I ⋅ t .

Чтобы выразить любую из величин из данной формулы, можно воспользоваться рисунком.

Рис. \(2\). Зависимость между работой, силой тока и временем прохождения заряда
Единицы измерения величин:
работа электрического тока \([A]=1\) Дж;
напряжение на участке цепи \([U]=1\) В;
сила тока, проходящего по участку \([I]=1\) А;
время прохождения заряда (тока) \([t]=1\) с.

Для измерения работы электрического тока нужны вольтметр, амперметр и часы. Например, для определения работы, которую совершает электрический ток, проходя по спирали лампы накаливания, необходимо собрать цепь, изображённую на рисунке. Вольтметром измеряется напряжение на лампе, амперметром — сила тока в ней. А при помощи часов (секундомера) засекается время горения лампы.

Рис. \(3\). Схема и часы для измерения
I = 1 , 2 А U = 5 В t = 1 , 5 мин = 90 с А = U ⋅ I ⋅ t = 5 ⋅ 1 , 2 ⋅ 90 = 540 Дж
Обрати внимание!
Работа чаще всего выражается в килоджоулях или мегаджоулях.

\(1\) кДж = 1000 Дж или \(1\) Дж = \(0,001\) кДж;
\(1\) МДж = 1000000 Дж или \(1\) Дж = \(0,000001\) МДж.

Для потребителей электрической энергии существуют приборы, позволяющие в пределах ошибки измерения получать числовые данные о ее расходе в единицу времени.

Рис. \(4\). Электросчетчик

Механическая мощность численно равна работе, совершённой телом в единицу времени: N = А t . Чтобы найти мощность электрического тока, надо поступить точно также, т.е. работу тока, A = U ⋅ I ⋅ t , разделить на время.

Мощность электрического тока обозначают буквой \(Р\):
P = A t = U ⋅ I ⋅ t t = U ⋅ I . Таким образом:
Мощность электрического тока равна произведению напряжения на силу тока: P = U ⋅ I .

Из этой формулы можно определить и другие физические величины.
Для удобства можно использовать приведённый ниже рисунок.

Рис. \(5\). Зависимость между мощностью, напряжением и силой тока
За единицу мощности принят ватт: \(1\) Вт = \(1\) Дж/с.
Из формулы P = U ⋅ I следует, что

\(1\) ватт = \(1\) вольт ∙ \(1\) ампер, или \(1\) Вт = \(1\) В ∙ А.
Обрати внимание!

Используют также единицы мощности, кратные ватту: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт).
\(1\) гВт = \(100\) Вт или \(1\) Вт = \(0,01\) гВт;
\(1\) кВт = \(1000\) Вт или \(1\) Вт = \(0,001\) кВт;
\(1\) МВт = \(1 000 000\) Вт или \(1\) Вт = \(0,000001\) МВт.

Измерим силу тока в цепи с помощью амперметра, а напряжение на участке — с помощью вольтметра.
Рис. \(6\). Схема

Галилео | Электричество ⚡ Electricity

Так как мощность тока прямо пропорциональна напряжению и силе тока, протекающего через лампочку, то перемножим их значения:

I = 1 , 2 А U = 5 В P = U ⋅ I = 5 ⋅ 1 , 2 = 6 Вт .

Ваттметры измеряют мощность электрического тока, протекающего через прибор. По своему назначению и техническим характеристикам ваттметры разнообразны.

В зависимости от сферы применения у них различаются пределы измерения.
Аналоговый ваттметр
Аналоговый ваттметр
Аналоговый ваттметр

Цифровой ваттметр

Рис. \(7\). Приборы для измерения

Подключим к цепи по очереди две лампочки накаливания, сначала одну, затем другую и измерим силу тока в каждой из них. Она будет разной.

Рис. \(8\). Лампы различной мощности в цепи

Сила тока в лампочке мощностью \(25\) ватт будет составлять \(0,1\) А. Лампочка мощностью \(100\) ватт потребляет ток в четыре раза больше — \(0,4\) А. Напряжение в этом эксперименте неизменно и равно \(220\) В. Легко можно заметить, что лампочка в \(100\) ватт светится гораздо ярче, чем \(25\)-ваттовая лампочка. Это происходит оттого, что её мощность больше. Лампочка, мощность которой в \(4\) раза больше, потребляет в \(4\) раза больше тока. Значит:

Обрати внимание!
Мощность прямо пропорциональна силе тока.

Что произойдёт, если одну и ту же лампочку подсоединить к источникам различного напряжения? В данном случае используется напряжение \(110\) В и \(220\) В.

Рис. \(8\). Лампа, подключенная к источнику тока с различным напряжением

Можно заметить, что при большем напряжении лампочка светится ярче, значит, в этом случае её мощность будет больше. Следовательно:

Обрати внимание!
Мощность зависит от напряжения.
Рассчитаем мощность лампочки в каждом случае:

I = 0 , 2 А U = 110 В P = U ⋅ I = 110 ⋅ 0 , 2 = 22 Вт

I = 0,4 А U = 220 В P = U ⋅ I = 220 ⋅ 0,4 = 88 Вт .

Можно сделать вывод о том, что при увеличении напряжения в \(2\) раза мощность увеличивается в \(4\) раза.
Не следует путать эту мощность с номинальной мощностью лампы (мощность, на которую рассчитана лампа). Номинальная мощность лампы (а соответственно, ток через нить накала и её расчётное сопротивление) указывается только для номинального напряжения лампы (указано на баллоне, цоколе или упаковке).

Особенности электрической энергии

Электрическая энергия – это энергия электрического тока во всех его формах, которая распределена в электромагнитном поле.

Поскольку общее определение энергии – это мощность в единицу времени, то единицей измерения электрической энергии является киловатт в час (кВт час). Для характеристики больших объемов производства (электростанции, энергосистемы) используются единицы измерения мегаватт в час (МВт час) и гиговатт в час (ГВт час).

Основными величинами и параметрами, с помощью которых можно охарактеризовать электрическую энергию, определить ее качество, есть общеизвестные из соответствующих разделов физики такие величины и параметры, как:

– электрическое напряжение – U, которое измеряется в вольтах (В), а для энергетики чаще всего, а киловольтах (кВ);

– электрический ток – I, который измеряется в амперах (А);

– полная, активная и реактивные мощности – S, P, Q, которые измеряются в киловольт-амперах (кВА), киловаттах (кВт) и киловольт-амперах реактивных (к вар), соответственно;

– коэффициент мощности, cos , который измеряется в относительных единицах;

– частота – f, которая измеряется в герцах (Гц).

Электрическое поле. Откуда берется ток.

Электрическая энергия имеет следующие особенности:

– она непосредственно не подлежит визуальному восприятию;

– легко преобразовывается в другие виды энергии (например, в тепловую, механическую);

– достаточно просто и с большой скоростью передается на большие расстояния;

– проста в использовании с помощью машин, установок, приборов;

– удобна для контроля и управления;

– качество ее определяет качество работы оборудования и приборов, которые потребляют эту энергию;

– процесс передачи энергии сопровождается ее потерями.

Электроэнергетические системы.

От первых опытов по электричеству до начала его широкого практического применения в 70—80-х годах XIX в. прошло более 300 лет.

Первые электрические установки были постоянного тока и применялись в телеграфии, освещении, гальванотехнике и минном деле. Они использовали электрохимические источники (например, медно-цинковые батареи) и имели значительные ограничения по мощности. С разработкой электромашинных источников (генераторов) появились первые электростанции (блок-станции) для питания, в основном, электрического освещения, а также дополнительно — вентиляторов, насосов и подъемников.

Генераторы этих электростанций приводились во вращение поршневыми паровыми машинами, радиус электроснабжения — до 1—1,5 км на постоянном токе. Выдержав конкуренцию с газовыми компаниями, эти станции быстро развивались (в первую очередь, в крупных городах — Париже, Нью-Йорке, Петербурге и др.).

Электростанции при помощи электрических линий (через подстанции) связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку. Такая совокупность электростанций, подстанций и приемников электроэнергии, связанных между собой линиями электропередачи, называется энергетической системой.

При этом получаются существенные технико-экономические преимущества:

1. Возможность увеличения единичной мощности генераторов и электростанции. Это снижает стоимость 1 кВт установленной мощности, позволяет резко повысить производительность электромашиностроительных заводов при тех же производственных площадях и трудозатратах.
2. Значительное повышение надежности электроснабжения потребителей.
3. Повышение экономичности работы различных типов электростанций, при этом обеспечиваются наиболее эффективное использование мощности ГЭС и более экономичные режимы работы ТЭС;
4. Снижение необходимой резервной мощности на электростанциях.

В соответствии с действующими «Правилами устройства электроустановок»:

энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом;
электроэнергетической системой (ЭЭС) называется электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электроэнергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределе ния и потребления электроэнергии.

Преимущества электроэнергетических систем столь велики, что в 1974 г. лишь менее 3 % всего количества электроэнергии было выработано отдельно работавшими электростанциями. Мощность электроэнергетических систем непрерывно возрастает. Из районных электроэнергетических систем создаются мощные объединенные энергосистемы.

Энергетическое производство, и в особенности производство электроэнергии, обладает рядом особенностей, резко отличающих энергетическое производство от других отраслей промышленности. Первая и важнейшая особенность электроэнергетической системы заключается в том, что производство электроэнергии, ее распределение и преобразование в другие виды энергии осуществляются практически в один и тот же момент времени. Другими словами, электроэнергия нигде не аккумулируется. Именно эта особенность превращает всю сложную электроэнергетическую систему, отдельные звенья которой могут быть географически удалены на многие сотни километров, в единый механизм, и приводит к тому, что все элементы системы взаимно связаны и взаимодействуют.

Энергия, произведенная в системе, равна энергии, потребленной в ней. Это равенство справедливо для любого короткого промежутка времени, т.е. между мощностями энергосистемы имеется точный баланс.

Таким образом, одновременность процессов производства, распределения и преобразования электроэнергии превращает электроэнергетическую систему в единое целое.

Вторая особенность электроэнергетической системы — это относительная быстрота протекания переходных процессов в ней. Волновые процессы совершаются в тысячные или даже миллионные доли секунды; процессы, связанные с короткими замыканиями, включениями и отключениями, качаниями, нарушениями устойчивости, совершаются в течение долей секунды или нескольких секунд.

Третья особенность электроэнергетической системы заключается в том, что она тесно связана со всеми отраслями промышленности, связью, транспортом и т. п. Эта связь осуществляется гигантской совокупностью разнообразнейших приемников электрической системы, получающей питание электроэнергией от современной энергетической системы. Эта особенность энергетической системы резко повышает актуальность обеспечения надежности работы энергосистемы и требует создания в энергетических системах достаточного резерва мощности во всех ее элементах.

Все указанные выше моменты особенно характерны для электроэнергетической системы, т.е. для системы, производящей, распределяющей и преобразующей электроэнергию.

В 1991 г. электротехники и электроэнергетики всего мира отметили столетие начала эры передачи электроэнергии на дальние расстояния. Оно было положено созданием в Германии воздушной линии (ВЛ) трехфазного переменного тока 28,3 кВ от ГЭС Лауфен до г. Франкфурт-на-Майне протяженностью 170 км, что по тем временам было действительно выдающимся достижением [9.1].

Примечательно, что в том же году в Лондоне была сооружена первая силовая однофазная кабельная линия (КЛ) 10 кВ длиной 12 км, рассчитанная на передачу мощности 3,2 МВт, с понижающей подстанцией 10/2,4 кВ, от которой питалась распределительная сеть [9.2]. Эту линию можно рассматривать как прообраз современных глубоких вводов электроэнергии на территории городов и промышленных зон.

Таким образом, практически одновременно возникли и затем продолжали развиваться в течение вот уже более 110 лет два направления в развитии техники передачи больших количеств электроэнергии (ЭЭ) на расстояние:

линии открытого типа (воздушные);

линии закрытого типа (кабельные).

В наиболее общем плане линия электропередачи (ЛЭП) определяется как «электрическая линия, выходящая за пределы электростанции или подстанции и предназначенная для передачи электрической энергии на расстояние» Это определение конкретизируется –– ЛЭП характеризуется как «электроустановка, состоящая из проводов, кабелей, изолирующих элементов и несущих конструкций, предназначенная для передачи электрической энергии между двумя пунктами энергосистемы с возможным промежуточным отбором».

Классификация линий электропередачи
Таблица 9.1 Признак	Тип линии	Разновидности
Род тока	Постоянного тока	—
Трехфазного переменного тока	—
Многофазного переменного тока	Шестифазная
Двенадцатифазная
Номинальное напряжение	Низковольтная (до 1 кВ)	—
Высоковольтная (свыше 1 кВ)	СН (3—35 кВ)
ВН(110—220 кВ)
СВН (330—750 кВ)
УВН (свыше 1000 кВ)
Конструктивное выполнение	Воздушная	—
Кабельная	—
Число цепей	Одноцепная	—
Двухцепная	—
Многоцепная	—
Топологические характеристики	Радиальная	—
Магистральная	—
Ответвление	—
Функциональное назначение	Распределительная	—
Питающая	—
Межсистемная связь	—

В последнем определении отражается лишь один из признаков классификации ЛЭП, а именно их конструктивное исполнение. Однако для характеристики всей совокупности их разновидностей этого явно недостаточно. Современная классификация базируется на ряде признаков, которые представлены в таблице.

На первом месте здесь стоит род тока. В соответствии с этим признаком различаются линии постоянного тока, а также трехфазного и многофазного переменного тока. Линии постоянного тока конкурируют с остальными лишь при достаточно большой протяженности и передаваемой мощности, поскольку в общей стоимости электропередачи значительную долю составляют затраты на сооружение концевых преобразовательных подстанций. Наибольшее распространение в мире получили линии трехфазного переменного тока, причем по протяженности среди них лидируют именно воздушные линии.

Линии многофазного переменного тока (шести- и двенадцатифазные) в настоящее время относятся к категории нетрадиционных.

Наиболее важным признаком, определяющим различие конструктивных и электрических характеристик ЛЭП, является номинальное напряжение U_ном. К категории низковольтных относятся линии с номинальным напряжением менее 1 кВ. Линии с U_ном > 1 кВ принадлежат к разряду высоковольтных, и среди них выделяются линии среднего напряжения (СН) с U_ном = 3—35 кВ, высокого напряжения (ВН) с U_ном = 110—220 кВ, сверхвысокого напряжения (СВН) с U_ном = 330—750 кВ и ультравысокого напряжения (УВН) с U_ном > 1000 кВ.

По конструктивному исполнению различают воздушные и кабельные линии. Воздушная линия — это «линия электропередачи, провода которой поддерживаются над землей с помощью опор, изоляторов и арматуры». В свою очередь, кабельная линия определяется как линия электропередачи, выполненная одним или несколькими кабелями, уложенными непосредственно в землю или проложенными в кабельных сооружениях (коллекторах, туннелях, каналах, блоках и т. п.).

По количеству параллельных цепей (n_ц), прокладываемых по общей трассе, различают одноцепные (n_ц = 1), двухцепные (n_ц = 2) и многоцепные (n_ц > 2) линии. По ГОСТ 24291-90 одноцепная воздушная линия переменного тока определяется как линия, имеющая один комплект фазных проводов, а двухцепная ВЛ — два комплекта. Соответственно многоцепной ВЛ называется линия, имеющая более двух комплектов фазных проводов. Эти комплекты могут иметь одинаковые или различные номинальные напряжения.

В последнем случае линия называется комбинированной.

По топологическим (схемным) характеристикам различают радиальные и магистральные линии. Радиальной считается линия, в которую мощность поступает только с одной стороны, т.е. от единственного источника питания. Магистральная линия определяется ГОСТ как линия, от которой отходит несколько ответвлений. Под ответвлением понимается линия, присоединенная одним концом к другой ЛЭП в ее промежуточной точке.

Последний признак классификации — функциональное назначение. Здесь выделяются распределительные и питающие линии, а также линии межсистемной связи. Деление линий на распределительные и питающие достаточно условно, ибо и те, и другие служат для обеспечения электрической энергией пунктов потребления. Обычно к распределительным относят линии местных электрических сетей, а к питающим — линии сетей районного значения, которые осуществляют электроснабжение центров питания распределительных сетей.

Линии межсистемной связи непосредственно соединяют разные энергосистемы и предназначены для взаимного обмена мощностью как в нормальных режимах, так и при авариях.

Процесс электрификации, создания и объединения энергосистем в Единую энергосистему сопровождался постепенным увеличением номинального напряжения ЛЭП с целью повышения их пропускной способности. В этом процессе на территории бывшего СССР исторически сложились две системы номинальных напряжений. Первая, наиболее распространенная, включает в себя следующий ряд значений U_ном: 35—110—220—500—1150 кВ, а вторая — 35—150—330—750 кВ.

Энергия электрического тока

Наряду с типовыми конструктивными решениями, которые в основном будут рассматриваться далее, современная техника передачи электроэнергии по линиям открытого типа располагает и рядом нетрадиционных оригинальных предложений, направленных на увеличение пропускной способности и уменьшение полосы отчуждения под трассу линии, на более полное удовлетворение требованиям технической эстетики и снижение отрицательного воздействия электромагнитных полей ВЛ СВН и особенно УВН на окружающую среду, а также на повышение экономичности процесса передачи электроэнергии.

Энергия и мощность электрического тока

Для создания электрического тока в цепи источник должен обладать необходимой энергией.

Величина этой энергии определяется по формуле:

Где: W – энергия электрического тока, Вт·ч

U – напряжение на зажимах цепи, В.

R – сопротивление цепи, Ом.

t – время протекания тока, час.

б) мощность электрического тока

Различные источники электрической энергии могут за один и тот же промежуток времени выдавать различное количество электрической энергии.

Способность источника выдавать в единицу времени определенное количество электрической энергии, а потребитель, соответственно, – потреблять эту энергию характеризуется мощностью источника (потребителя).

Значение мощности электрического тока определяется из выражения:

Где: W – энергия электрического тока, Вт·ч

t — время работы источника (потребителя), час.

Р – мощность источника (потребителя), Вт.

U – напряжение, В

R – сопротивление цепи, Ом.

Мощность, развиваемая источником тока во всей цепи, называется полной мощностью .

Она определяется по формуле:

где: Pобщ — полная мощность, развиваемая источником тока во всей цепи, Вт;

Е — э. д. с. источника, В;

I — величина тока в цепи, А.

В общем виде электрическая цепь состоит из внешнего участка (нагрузки) с сопротивлением R и внутреннего участка с сопротивлением R₀ (сопротивлением источника тока).

Заменяя в выражении полной мощности величину э. д. с. через напряжения на участках цепи, получим

Величина UI соответствует мощности, развиваемой на внешнем участке цепи (нагрузке), и называется полезной мощностью Pпол=UI

Величина U_oI соответствует мощности, бесполезно расходуемой внутри источника, её называют мощностью потерь P_o = U_oI.

Таким образом, полная мощность равна сумме полезной мощности и мощности потерь

в) Коэффициент полезного действия электрической цепи

Отношение полезной мощности к полной мощности, развиваемой источником, называется коэффициентом полезного действия, сокращенно к. п. д.,и обозначается η

Из определения следует:

При любых условиях коэффициент полезного действия η ≤ 1.

Рис.13.1 Энергетическая диаграмма электрической цепи

Рассмотрим элементарную электрическую цепь, содержащую источник ЭДС с внутренним сопротивлением r, и внешним сопротивлением R

Рис.13.2. Схема электрической цепи

КПД определяется как отношение полезной мощности к затраченной:

Обычно электрический к. п. д. принято выражать в процентах.