Gutdver.ru

Отделка и ремонт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электрическая мощность, работа, энергия

Электрическая мощность, работа, энергия

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

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.
Сила тока в лампочках разной мощности

Лампочка в 100 ватт светится гораздо ярче, чем 25-ваттовая лампочка. Это значит, что ее мощность больше. Электрическая мощность измеряется в ваттах. Лампочка, мощность которой в 4 раза больше, потребляет в 4 раза больше тока. Это показывает, что мощность прямо пропорциональна силе тока.

Если мы подключим лампочку сразу к 2 источникам напряжения, то лампочка будет гореть ярче.
Сила тока возрастает с ростом напряжения

Это означает, что мощность пропорциональна напряжению.

Сила тока, выраженная через мощность
Если мы соберем воедино эти факты, то получим формулу электрической мощности. Мощность W (Вт) равна напряжению V (В), умноженному на силу тока I (А). 1Вт = 1В * 1А. Из этого следует, что сила тока равна: I = W / V.

Электрическая работа

В механике мощность характеризует скорость выполнения работы. Чем быстрее идет работа, тем больше мощность.
Иллюстрация мощности в механике(на второй картинке конвейер и девочка двигаются быстрее) Работа равна произведению мощности и времени
Работа равна произведению мощности и времени. Работа Р равна мощности W, умноженной на время t. Поэтому единица работы равна 1Вт * с.

Мощность равна работе, деленной на время
Это равенство можно преобразовать, используя законы математики. Тогда мы получим, что мощность равна работе, деленной на время.

Эти взаимоотношения между мощностью и работой верны и для электричества. Лампочка мощностью 100 Вт за 1 секунду совершает электрическую работу 100 Вт * секунду, т.е. 100 Вт * с.
Работа лампочки

Единица электрической работы 1 Вт * с соответствует 1 джоулю из механики. Чтобы избежать огромных чисел, для обозначения электрической работы принято использовать 1 киловатт * час.

1 кВт * ч = 1000 Вт * ч = 60 000 Вт * мин = 3 600 000 Вт * с.

Электрическая энергия

Если какой-либо электрический прибор совершает работу, то он будет потреблять определенное количество энергии. Единица работы и энергии в данном случае будет одинакова. В электричестве для обозначения энергии используются единицы 1 Вт * с, 1 кВт * ч и 1 джоуль.
Эквивалентность работы и энергии

Согласно закону сохранения энергии, энергия не возникает из пустоты, а трансформируется из одной формы в другую. Теплоэлектростанция, работающая на угле, не создает электрическую энергию, а превращает химическую энергию угля сначала в двигательную энергию турбины, потом генератор превращает эту энергию в электрическую.

Таким образом, полученная электрическая энергия передается далее по проводам к потребителям. При этом проводники будут нагреваться, т.е. часть энергии превратится в тепло, которое будет нагревать лишь окружающий воздух, и потеряется. Это называется потерей энергии. К сожалению, все электрические процессы связаны с потерей части энергии.

При транспортировке электрической энергии хотелось бы избежать больших потерь. Чем больше сила тока, тем больше нагревается кабель. Меньшую силу тока можно использовать при условии, что увеличится напряжение. Поэтому, согласно закону W = U * I, используется большее напряжение. По этой причине электростанции передают энергию с напряжением 400 000 вольт и больше.

На определенных участках цепи напряжение составляет необходимые нам 220 вольт. Когда электрическая энергия достигает потребителя, то там она превращается в механическую энергию, тепловую энергию или свет. При этом тоже происходят потери.
Увеличение напряжения электрической энергии при передаче

Разные электрические приборы по-разному используют электрическую энергию.

Электронагреватель всю электрическую энергию превращает во внутреннюю энергию воды, т.е. тепловую энергию. Электрическая лампочка только 5% энергии использует для освещения, остальные 95% теряются в виде тепловой энергии.
Потеря электрической энергии в виде тепловой Коэффициент полезного действия
Отношение затраченной и использованной энергии называется коэффициентом полезного действия. Коэффициент полезного действия лампочки накаливания очень низкий, а у электронагревателя очень высокий. Коэффициент полезного действия равен отношению использованной энергии к затраченной.p >

Читайте так же:
Емкостной выключатель для настольной лампы

Измерение напряжения вольтметром

Для измерения переменного или постоянного напряжения в цепях переменного и постоянного тока используют прибор, называемый вольтметром. Поскольку напряжение присутствует между разными точками цепи или на полюсах источника напряжения, вольтметр подключается всегда параллельно исследуемому участку цепи или параллельно клеммам источника напряжения.

Можно, конечно, включить вольтметр и последовательно, в разрыв цепи, но тогда будет измерено напряжение источника, а не на участке цепи, так как цепь будет разомкнута, а сам вольтметр имеет при этом очень большое внутреннее сопротивление.

Вольтметр

Вольтметры выпускаются как в виде отдельных электроизмерительных приборов, так и в формате одной из функций мультиметров. Во входной цепи современного вольтметра обычно находится резистор номиналом порядка мегаома, последовательно подключенный к электронной измерительной схеме.

Мультиметр

Вольтметр, как отдельный измерительный прибор или как одна из функций мультиметра, имеет несколько диапазонов измерения напряжения. Выбор диапазона осуществляется при помощи переключателя, расположенного на лицевой панели прибора.

Обычно на мультиметре можно выбрать одно из следующих значений (максимальное значение для диапазона): 200мВ, 2000мВ (2В), 20В, 200В, 600В и т.д. Как правило у мультиметров есть возможность измерения постоянного и переменного напряжения. Вид напряжения также выбирается на шкале переключателя.

Для измерения тока и напряжения у мультиметров имеются два отдельных гнезда для подключения щупов: одно гнездо — для измерения напряжения, второе гнездо — для измерения тока. Третье — общий провод, который остается на своем месте независимо от того, что измеряется, ток или напряжение.

Измерение напряжения мультиметром

Подключите щупы к соответствующим гнездам мультиметра или вольтметра. Включите прибор и переведите его в режим измерения напряжения, выбрав вид напряжения и диапазон с помощью переключателя. Если диапазон неизвестен, то стоит начать с самого большого значения из доступных на шкале переключателя, потом можно будет уменьшить.

Схема подключения вольтметра для измерения падения напряжения на лампочке:

Схема подключения вольтметра

Присоедините щупы (соблюдая осторожность!) так, чтобы прибор оказался подключен к нужным точкам цепи, между которыми требуется измерить напряжение. Спустя пару секунд прибор отобразит на своем дисплее действующее значение измеренного напряжения.

Если диапазон 600В или более, то значение измеренного напряжения будет отображено в вольтах. Если диапазон например 2000мВ или 200мВ (порядок величин напряжений, но в принципе значения на шкале могут отличаться от этих), то на дисплее будут показания в милливольтах.

Если измеряется постоянное напряжение, то, в зависимости от его полярности и от правильности расположения щупов, на дисплее может отобразиться цифра со знаком минус перед ним.

Это значит, что красный и черный щупы стоит поменять местами, поскольку красный щуп предназначен для установки на положительный полюс, а черный — на отрицательный полюс по отношению к источнику постоянного напряжения, который установлен в исследуемой цепи.

Вольтметр (или мультиметр), не предназначенный для измерения высокочастотных напряжений или более высоких напряжений, чем максимальное на его шкале, легко выйдет из строя, если с помощью него попытаться измерить высокочастотное или более высокое напряжение. В документации к прибору всегда указан род тока и максимально допустимые параметры напряжения, которое можно им мерить.

Читайте так же:
Как изолировать 2 провода от лампочки

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Как измерить ток в цепи с одной лампочкой

На рисунке приведён участок электрической цепи, по которому течёт ток. В каком из проводников сила тока наименьшая?

Обозначим силы тока и напряжения во всех участках цепи как: I1, U1; I2, U2; I3, U3; I4, U4 соответственно. Найдем силы тока во всех участках цепи.

Участок 1 соединен последовательно с участками 2 и 3 (соединенными между собой параллельно) и далее последовательно с участком 4. Следовательно, верны следующие соотношения:

Таким образом, наименьшая сила тока будет в участке 2 или в участке 3. По закону Ома:

следовательно , а . Таким образом, так как R2 Правильный ответ указан под номером 3.

Аналоги к заданию № 38: 7046 Все

На железный проводник длиной 10 м и сечением 2 мм 2 подано напряжение 12 мВ. Чему равна сила тока, протекающего по проводнику? (Удельное сопротивление железа — 0,098 Ом · мм 2 /м.)

Сопротивление проводника можно рассчитать по следующей формуле:

где ρ — удельное сопротивление проводника (табличная величина, равная 0,098 Ом · мм 2 /м), l — длина проводника, S — площадь поперечного сечения проводника. Таким образом, R = 0,49 Ом.

Для нахождения силы тока воспользуемся формулой:

Получим, что сила тока будет приблизительно равна: I = 24 мА.

Правильный ответ указан под номером 1.

В сеть, напряжение которой 120 В, последовательно с лампой включён резистор. Напряжение на лампе 45 В. Какова сила тока в цепи, если сопротивление резистора равно 6,25 Ом?

При последовательном соединении суммарное напряжение в цепи равно сумме напряжений, падающих на нагрузки. Следовательно, на резистор падает напряжение 120 − 45 = 75 В. По закону Ома для участка цепи сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению в цепи и обратно пропорциональна сопротивлению цепи:

где I — сила тока в цепи, U — напряжение в цепи, R — сопротивление цепи. Таким образом,

Правильный ответ указан под номером 1.

Три резистора, сопротивления которых:  R1 = 3 Ом;  R2 = 6 Ом и R3 = 9 Ом, соединены последовательно. Вольтметр, подключённый параллельно второму резистору, показывает напряжение 12 В. Чему равно напряжение на всем участке цепи? Вольтметр считать идеальным.

По закону Ома сила тока, протекающего через второй резистор Поскольку соединение последовательное, сила тока на первом и третьем резисторе такая же. Вычислим напряжение на первом U1 = 3 Ом · 2 А = 6 В и третьем U3 = 9 Ом · 2 А = 18 В. Поскольку соединение последовательное напряжение на всём участке цепи 6 + 12 + 18 = 36 В.

Правильный ответ указан под номером 2.

Используя источник тока, вольтметр, амперметр, ключ, реостат, соединительные провода, резистор, обозначенный R2, соберите экспериментальную установку для исследования зависимости силы электрического тока в резисторе от напряжения на его концах. Абсолютная погрешность измерения силы тока составляет ±0,05 А, абсолютная погрешность измерения напряжения составляет ±0,2 В.

1) нарисуйте электрическую схему эксперимента;

2) установив с помощью реостата поочерёдно силу тока в цепи 0,4 А, 0,5 А и 0,6 А и измерив в каждом случае значение электрического напряжения на концах резистора, укажите результаты измерения силы тока и напряжения для трёх случаев в виде таблицы (или графика) с учётом абсолютных погрешностей измерений;

3) сформулируйте вывод о зависимости силы электрического тока в резисторе от напряжения на его концах.

1) Схема экспериментальной установки:

2) Результаты измерения:

Читайте так же:
Как возникает ток в лампе
I, АU, В
10,40 ± 0,052,4 ± 0,2
20,50 ± 0,053,0 ± 0,2
30,60 ± 0,053,6 ± 0,2

3) Вывод: при увеличении напряжения на концах проводника сила тока в проводнике также увеличивается.

Подключение амперметра и вольтметра в сети постоянного и переменного тока

Постоянный ток не меняет направления во времени. Примером может служить батарейка в фонарике или радиоприемнике, аккумулятор в автомобиле. Мы всегда знаем, где положительная клейма источника питания, а где отрицательная.

Переменный ток — это ток, который с определенной периодичностью меняет направление движения. Такой ток протекает в нашей розетке, когда мы к ней подключаем нагрузку. Тут нет положительного и отрицательного полюса, а есть только фаза и ноль. Напряжение на нуле близко по потенциалу с потенциалом земли. Потенциал же на фазовом выводе меняется с положительного до отрицательного с частотой 50 Гц, го есть ток под нагрузкой будет менять свое направление 50 раз в секунду.

В течение одного периода колебания величина тока повышается от нуля до максимума, затем уменьшается и проходит через ноль, а потом совершается обратный процесс, но уже с другим знаком.

Получение и передача переменного тока намного проще, чем постоянного: меньше потерь энергии, С помощью трансформаторов мы можем легко менять напряжение переменного тока.

При передаче большого напряжения требуется меньший ток для той же мощности. Это позволяет использовать более тонкие довода. В сварочных трансформаторах используется обратный процесс — понижают напряжение для повышения сварочного тока.

Измерение постоянного тока

Чтобы в электрической цепи измерить ток, необходимо последовательно с приемником электроэнергии включить амперметр или миллиамперметр. При этом, чтобы исключить влияние измерительного прибора на работу потребителя, амперметр должен обладать очень малым внутренним сопротивлением, чтобы практически его можно было бы принять равным нулю, чтобы падением напряжения на приборе можно было бы просто пренебречь.

Включение амперметра в цепь — всегда последовательно с нагрузкой. Если подключить амперметр параллельно нагрузке, параллельно источнику питания, то амперметр просто сгорит или сгорит источник, поскольку весь ток потечет через мизерное сопротивление измерительного прибора.

Шунт

Шунт

Шунт — цепь, включаемая параллельно данной цепи или прибору. Шунты применяются для расширения пределов измерений амперметров, т. к. в шунте ответвляется часть тока, текущего в цепи, тем большая, чем меньше сопротивление шунта.

Пределы измерения амперметров, предназначенных для проведения измерений в цепях постоянного тока, расширяемы, путем подключения амперметра не напрямую измерительной катушкой последовательно нагрузке, а путем подключения измерительной катушки амперметра параллельно шунту.

Так через катушку прибора пройдет всегда лишь малая часть измеряемого тока, основная часть которого потечет через шунт, включенный в цепь последовательно. То есть прибор фактически измерит падение напряжения на шунте известного сопротивления, и ток будет прямо пропорционален этому напряжению.

Практически амперметр сработает в роли милливольтметра. Тем не менее, поскольку шкала прибора градуирована в амперах, пользователь получит информацию о величине измеряемого тока. Коэффициент шунтирования выбирают обычно кратным 10.

Измерение тока с шунтом

Шунты, рассчитанные на токи до 50 ампер монтируют непосредственно в корпуса приборов, а шунты для измерения больших токов делают выносными, и тогда прибор соединяют с шунтом щупами. У приборов, предназначенных для постоянной работы с шунтом, шкалы сразу градуированы в конкретных значениях тока с учетом коэффициента шунтирования, и пользователю уже не нужно ничего вычислять.

Если шунт наружный, то в случае с калиброванным шунтом — на нем указывается номинальный ток и номинальное напряжение: 45 мВ, 75 мВ, 100 мВ, 150 мВ. Для текущих измерений выбирают такой шунт, чтобы стрелка отклонялась бы максимум — на всю шкалу, то есть номинальные напряжения шунта и измерительного прибора должны быть одинаковыми.

Если речь идет об индивидуальном шунте для конкретного прибора, то все, конечно, проще. По классам точности шунты делятся на: 0,02, 0,05, 0,1, 0,2 и 0,5 — это допустимая погрешность в долях процента.

Шунты изготавливают из металлов с малым температурным коэффициентом сопротивления, и обладающих значительным удельным сопротивлением: константан, никелин, манганин, — чтобы когда протекающий через шунт ток нагревает его, это не отражалось бы на показаниях прибора. Еще для снижения температурного фактора при измерениях, последовательно с катушкой амперметра включают добавочный резистор из материла такого же рода.

Измерение постоянного напряжения

Чтобы измерить постоянное напряжение между двумя точками цепи, параллельно цепи, между этими двумя точками, подключают вольтметр. Вольтметр включается всегда параллельно приемнику или источнику. А чтобы подключенный вольтметр не оказывал влияния на работу цепи, не вызывал бы снижения напряжения, не вызывал потерь, — он должен обладать достаточно высоким внутренним сопротивлением, чтобы током через вольтметр можно было бы пренебречь.

Добавочный резистор

И чтобы расширить пределы измерения вольтметра, последовательно с его рабочей обмоткой включается добавочный резистор, чтобы только часть измеряемого напряжения приходилась бы непосредственно на измерительную обмотку прибора, пропорционально ее сопротивлению. А при известном значении сопротивления добавочного резистора, по зафиксированному на нем напряжению легко определяется полное измеряемое напряжение, действующее в данной цепи. Так работают все классические вольтметры.

Коэффициент, появляющийся в результате добавления добавочного резистора, покажет, во сколько раз измеряемое напряжение больше напряжения, приходящегося на измерительную катушку прибора. То есть пределы измерения прибора зависят от величины добавочного резистора.

Добавочный резистор встраивается в прибор. Для снижения влияния температуры окружающей среды на измерения, добавочный резистор изготавливают из материала обладающего малым температурным коэффициентом сопротивления. Поскольку сопротивление добавочного резистора во много раз больше сопротивления прибора, то и сопротивление измерительного механизма прибора в итоге не зависит от температуры. Классы точности добавочных резисторов выражаются аналогично классам точности шунтов — в долях процентов обозначают величину погрешности.

Добавочный резистор

Чтобы еще больше расширить пределы измерения вольтметров, применяют делители напряжения. Это делается для того, чтобы при измерении на прибор приходилось напряжение, соответствующее номиналу прибора, то есть не превышало бы предел на его шкале. Коэффициентом деления делителя напряжения называется отношение входного напряжения делителя к выходному, измеряемому напряжению. Коэффициент деления берут равным 10, 100, 500 и более, в зависимости от возможностей применяемого вольтметра. Делитель не вносит большой погрешности, если сопротивление вольтметра также высоко, а внутреннее сопротивление источника мало.

Измерение переменного тока

Чтобы точно измерить прибором параметры переменного тока, необходим измерительный трансформатор. Измерительный трансформатор, применяемый в целях измерений, к тому же дает персоналу безопасность, поскольку благодаря трансформатору достигается гальваническая развязка от цепи высокого напряжения. Вообще, техника безопасности запрещает подключать электроизмерительные приборы без таких трансформаторов.

Трансформаторы тока и напряжения

Применение измерительных трансформаторов позволяет расширить пределы измерения приборов, то есть появляется возможность измерять большие напряжения и токи при помощи низковольтных и слаботочных приборов. Так, измерительные трансформаторы бывают двух типов: трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.

Измерительный трансформатор напряжения

Чтобы измерить переменное напряжение применяют трансформатор напряжения. Это понижающий трансформатор с двумя обмотками, первичная обмотка которого присоединяется к двум точкам цепи, между которыми нужно измерить напряжение, а вторичная — непосредственно к вольтметру. Измерительные трансформаторы на схемах изображают как обычные трансформаторы.

Трансформатор без нагруженной вторичной обмотки работает в режиме холостого хода, и при подключенном вольтметре, сопротивление которого велико, трансформатор остается практически в этом режиме, и поэтому можно считать измеренное напряжение пропорциональным напряжению, приложенному к первичной обмотке, с учетом коэффициента трансформации, равного соотношению количеств витков во вторичной и первичной его обмотках.

Таким образом можно измерять высокое напряжение, при этом на прибор будет подаваться небольшое безопасное напряжение. Останется умножить измеренное напряжение на коэффициент трансформации измерительного трансформатора напряжения.

Те вольтметры, которые изначально предназначены для работы с трансформаторами напряжения, имеют градуировку шкалы с учетом коэффициента трансформации, тогда по шкале без дополнительных вычислений сразу видно значение измененного напряжения.

В целях повышения безопасности при работе с прибором, на случай повреждения изоляции измерительного трансформатора, один из выводов вторичной обмотки трансформатора и его каркас сначала заземляются.

Измерительные трансформаторы тока

Для подключения амперметров к цепям переменного тока служат измерительные трансформаторы тока. Это двухобмоточные повышающие трансформаторы. Первичная обмотка включается последовательно в измеряемую цепь, а вторичная — к амперметру. Сопротивление в цепи амперметра мало, и получается, что трансформатор тока работает практически в режиме короткого замыкания, при этом можно считать, что токи в первичной и вторичной обмотках относятся друг к другу как количества витков во вторичной и первичной обмотках.

Подключение измерительного трансформатора тока

Подобрав подходящее соотношение витков, можно измерять значительные токи, при этом через прибор всегда будут протекать токи достаточно малые. Останется умножить измеренный во вторичной обмотке ток на коэффициент трансформации. Те амперметры, которые предназначены для постоянной работы совместно с трансформаторами тока, имеют градуировку шкал с учетом коэффициента трансформации, и по шкале прибора без вычислений можно легко считать значение измеряемого тока. С целью повышения безопасности персонала, один из выводов вторичной обмотки измерительного трансформатора тока и его каркас сначала заземляются.

Во многих применениях удобны проходные измерительные трансформаторы тока, у которых магнитопровод и вторичная обмотка изолированы и расположены внутри проходного корпуса, через окно которого проходит медная шина с измеряемым током.

Вторичная обмотка такого трансформатора никогда не оставляется разомкнутой, ибо сильное увеличение магнитного потока в магнитопроводе может не только привести к его разрушению, но и навести на вторичной обмотке опасную для персонала ЭДС. Чтобы провести безопасное измерение, вторичную обмотку шунтируют резистором известного номинала, напряжение на котором будет пропорционально измеряемому току.

Для измерительных трансформаторов характерны погрешности двух видов: угловая и коэффициента трансформации. Первая связана с отклонением угла сдвига фаз первичной и вторичной обмоток от 180°, что приводит к неточным показаниям ваттметров. Что касается погрешности связанной с коэффициентом трансформации, то это отклонение показывает класс точности: 0,2, 0,5, 1 и т. д. — в процентах от номинального значения.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector