Физика разделы электричество: Электричество как раздел физики - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Электричество как раздел 📙 физики

1. Электрические факты в истории
2. Электромагнитное поле
3. Электрический заряд

Электричество и магнетизм – раздел физики «электродинамика», которая исследует электромагнитную взаимосвязь. Распространителем этих взаимных действий считается «электромагнитное поле», которое является совокупностью двух взаимно связанных полей: электрического и магнитного.

В наше современное время концепция электричества основана на уравнениях шотландского физика Джеймса Максвелла, благодаря которым происходит фиксирование электромагнитных полей при помощи их вихрей, а также источников.

Ещё в древние времена человечество было знакомо с электрическими явлениями. Среди их множества можно выделить такие исторические факты:

Древнегреческий мудрец-философ, родоначальник античной и основоположник европейской науки Фалес из Милета (около 625-545 лет до н.э., Малая Азия) как исследователь проводил довольно простые опыты, которыми доказывал существование статического электричества: к натёртому шерстяными нитками кусочку янтаря притягивается древесная стружка. Современное слово «электричество» является производным от слова «электрон», которое, в свою очередь, есть греческое название «янтаря».
В 1600 году XVI века название «электрический» первым ввёл в науку Уильям Гильберт (1544-1603г.г.) – создатель первых теорий электричества и магнетизма. Благодаря английскому физику и врачу знания об электричестве пополнились принципиально новыми открытиями, конкретными наблюдениями, точными приборами. Проведя ряд опытов посредством первого электроскопа – «версора» – Гильберт обнаружил, что не только янтарь владеет способностью притягивать мелкие предметы после натирания, но и другие наэлектризированные вещества, которые учёный именовал «электрическими»: стекло, горный хрусталь, алмаз, полудрагоценные камни, сургуч, серу. Параллельно Гильберт определил и вещества, которые не могут электризоваться посредством трения.

Более 4000 лет назад в Вавилоне были выявлены глиняные сосуды, внутри которых находились медный и железный стержни. На дне сосудов из глины был обнаружен изолирующий материал – битум. Сами стержни были разъедены предположительно уксусной (лимонной) кислотой. Эта древняя находка очень напоминала гальванический элемент ставший известным только в 1786-1800 годах. Можно предположить, что золото на вавилонские украшения напылялось «элементом Вольта», т.е. гальваническим способом.

Электромагнитное поле – вид материи, с помощью которого осуществляется электромагнитный контакт между частицами, обладающие электрическими зарядами, а также передаются действия электромагнитных сил.

Понятие электромагнитного поля рассматривается в разделе «электричество». Следует помнить, что в физике термин «поле» также употребляется и для определения ряда понятий отличных по своему значению.

Соответственно, они включают в свой состав такое:

термином «поле» целиком и полностью характеризуется функция для какой угодно физической величины – векторной или скалярной. Например: во время изучения теплового состояния в различных точках среды, упоминают о «скалярном поле» температуры; в случае рассмотрения процедуры механических качаний в плотной среде, речь идёт о механическом «волновом поле»;

в приведённых примерах значение «поле» объясняет физическое состояние конкретной материальной среды, которая подверглась исследованию;
термином «поле» обозначают и особенный вид материи, который появился в результате общих сложностей взаимодействия. Например; теория, в которой действие сил передается сквозь единую пустоту в один миг, имеет название «теория дальнодействия», а теория, утверждающая, по какой причине действие сил распространяется с конечной скоростью сквозь буферную материальную среду, называется «теория близкодействия».

Зачастую электрические и магнитные поля анализируются по отдельности, однако в реальности «чисто» магнитных или электрических явлений нет в природе. Имеется только один целостный электромагнитный процесс. Разграничение электромагнитного взаимного влияния на «магнитное» и «электрическое», кроме этого разделение монолитных электромагнитных сил на «магнитные» и «электрические» носят символический характер. И такая условность, конечно, легко доказывается. Условный характер носит и соответствующая терминология сил – «магнитные или «электрические».

Неотъемлемое свойство, присущее немногим «простейшим частицам» материи – «элементарным частицам», носит название «электрический заряд». Наряду с энергией и с массой «электрический заряд» обеспечивает наличие «комплекса» основных характеристик частиц

Из изученных «элементарных частиц» носителем электрического заряда являются лишь электроны и позитроны, протоны и антипротоны, а также определённые гипероны и мезоны, плюс их античастицы. Вместе с тем нейтроны, нейтрино, конечно же, нейтральные гипероны и мезоны вместе с их античастицами, а также фотонами, не содержат электрический заряд.

Наверняка науке известны только два вида электрических зарядов, которые носят условное название «отрицательный» и «положительный». Само понятие «отрицательное и положительное электричество» было впервые введено в XVIII веке Бенджамином (Вениамином) Франклином (1706-1790, США).

Прямое объяснение «величины элементарного заряда» было сделано в 1904–1909г.г. советским физиком А.Ф.Иоффе (Россия), а также в 1910 году американским физиком Р.Э.Милликеном (США). Через некоторое время после проведённых опытов ими была забракована существовавшая гипотеза о наличии субатомных частиц, т.

н. зарядов, которые намного меньше атомов. Данный заряд нет возможности обособить от частиц, частью которых он является. Общая неистребимость материи чревата неискоренимостью и электрического заряда.

К известным в теоретической механике законам импульса, закона сохранения массы, закона сохранения энергии и закон момента импульса следует добавить также «закон сохранения электрического заряда», который гласит, что: «в закрытой структуре частиц или тел логистическая сумма зарядов – величина постоянная, невзирая на происходящие в этой системе процессы». «Закон сохранения заряда» определился в ходе экспериментов, проведённых физиком Майклом Фарадеем (Англия) и германским физиком Ф.У.Т.Эпинусом, жившим в России.

Существование электромагнитного поля взаимно связано с перемещением каждой отдельно взятой элементарной частицы. Необходимо подчеркнуть, что электрические и магнитные поля, которые изучаются макроскопической электродинамикой и электростатикой, оказались усреднёнными.

Они все представляют собой суперпозицию (наложение микрополей), создающую многочисленное сочетание передвигающихся элементарных частиц. Судя по прошлым многочисленным опытам стандартное «электрическое поле» должно абсолютно отличается от «нуля» тогда лишь тогда, когда его первоисточник – макрозаряд – целиком и полностью или недвижим или же когда он находится в движении.

Физика электричества: определение, опыты, единица измерения

Физика электричества – это то, с чем приходится сталкиваться каждому из нас. В статье мы рассмотрим основные понятия, связанные с ней.

Что такое электричество? Для человека непосвященного оно ассоциируется со вспышкой молнии или с энергией, питающей телевизор и стиральную машину. Он знает, что электропоезда используют электрическую энергию. О чем еще он может рассказать? О нашей зависимости от электричества ему напоминают линии электропередач. Кто-то сможет привести и несколько других примеров.

Однако с электричеством связано немало других, не столь очевидных, но повседневных явлений. Со всеми ними нас знакомит физика. Электричество (задачи, определения и формулы) мы начинаем изучать еще в школе. И узнаем много интересного. Оказывается, бьющееся сердце, бегущий спортсмен, спящий ребенок и плавающая рыба – все вырабатывает электрическую энергию.

Электроны и протоны

Определим основные понятия. С точки зрения ученого, физика электричества связана с движением электронов и других заряженных частиц в различных веществах. Поэтому научное понимание природы интересующего нас явления зависит от уровня знаний об атомах и составляющих их субатомных частицах. Ключом к этому пониманию служит крошечный электрон. Атомы любого вещества содержат один или более электронов, движущихся по различным орбитам вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Обычно число электронов в атоме равно количеству протонов в ядре. Однако протоны, будучи значительно тяжелее электронов, можно считать как бы закрепленными в центре атома. Этой предельно упрощенной модели атома вполне достаточно, чтобы объяснить основы такого явления, как физика электричества.

О чем еще необходимо знать? Электроны и протоны имеют одинаковый по величине электрический заряд (но разного знака), поэтому они притягиваются друг к другу. Заряд протона является положительным, а электрона – отрицательным. Атом, имеющий электронов больше или меньше, чем обычно, называется ионом. Если в атоме их недостаточно, то он называется положительным ионом. Если же он содержит их избыток, то его называют отрицательным ионом.

Когда электрон покидает атом, тот приобретает некоторый положительный заряд. Электрон, лишенный своей противоположности – протона, либо движется к другому атому, либо возвращается к прежнему.

Почему электроны покидают атомы?

Это объясняется несколькими причинами. Наиболее общая состоит в том, что под воздействием импульса света или какого-то внешнего электрона движущийся в атоме электрон может быть выбит со своей орбиты. Тепло заставляет атомы колебаться быстрее. Это означает, что электроны могут вылететь из своего атома. При химических реакциях они также перемещаются от атома к атому.

Хороший пример взаимосвязи химической и электрической активности дают нам мышцы. Их волокна сокращаются при воздействии электрического сигнала, поступающего из нервной системы. Электрический ток стимулирует химические реакции. Они-то и приводят к сокращению мышцы. Внешние электрические сигналы нередко используются для искусственного стимулирования мышечной активности.

Проводимость

В некоторых веществах электроны под действием внешнего электрического поля движутся более свободно, чем в других. Говорят, что такие вещества обладают хорошей проводимостью. Их называют проводниками. К ним относится большинство металлов, нагретые газы и некоторые жидкости. Воздух, резина, масло, полиэтилен и стекло плохо проводят электричество. Их называют диэлектриками и используют для изоляции хороших проводников. Идеальных изоляторов (абсолютно не проводящих тока) не существует. При определенных условиях электроны можно удалить из любого атома. Однако обычно эти условия столь трудно выполнить, что с практической точки зрения подобные вещества можно считать непроводящими.

Знакомясь с такой наукой, как физика (раздел “Электричество”), мы узнаем, что существует особая группа веществ. Это полупроводники. Они ведут себя отчасти как диэлектрики, а отчасти – как проводники. К ним, в частности, относятся: германий, кремний, окись меди. Благодаря своим свойствам полупроводник находит множество применений. Например, он может служить электрическим вентилем: подобно клапану велосипедной шины он позволяет зарядам двигаться только в одном направлении. Такие устройства называются выпрямителями. Они используются и в миниатюрных радиоприемниках, и на больших электростанциях для преобразования переменного тока в постоянный.

Тепло представляет собой хаотичную форму движения молекул или атомов, а температура – мера интенсивности этого движения (у большинства металлов с понижением температуры движение электронов становится более свободным). Это означает, что сопротивление свободному движению электронов падает с уменьшением температуры. Другими словами, проводимость металлов возрастает.

Сверхпроводимость

В некоторых веществах при очень низких температурах сопротивление потоку электронов исчезает полностью, и электроны, начав движение, продолжают его неограниченно. Это явление называется сверхпроводимостью. При температуре несколько градусов выше абсолютного нуля (— 273 °С) она наблюдается в таких металлах, как олово, свинец, алюминий и ниобий.

Генераторы Ван де Граафа

В школьную программу входят различные опыты с электричеством. Существует можество видов генераторов, об одном из которых нам хотелось бы подробнее рассказать. Генератор Ван де Граафа используется для получения сверхвысоких напряжений. Если предмет, содержащий избыток положительных ионов, поместить внутрь контейнера, то на внутренней поверхности последнего появятся электроны, а на внешней – такое же количество положительных ионов. Если теперь коснуться внутренней поверхности заряженным предметом, то на него перейдут все свободные электроны. На внешней же положительные заряды останутся.

В генераторе Ван де Граафа положительные ионы от источника наносятся на ленту конвейера, проходящего внутри металлической сферы. Лента связана с внутренней поверхностью сферы с помощью проводника в виде гребня. Электроны стекают с внутренней поверхности сферы. На внешней же стороне ее появляются положительные ионы. Эффект можно усилить, используя два генератора.

Электрический ток

В школьный курс физики входит и такое понятие, как электрический ток. Что же это такое? Электрический ток обусловлен движением электрических зарядов. Когда электрическая лампа, соединенная с батареей, включена, ток течет по проводу от одного полюса батареи к лампе, затем через ее волосок, вызывая его свечение, и возвращается назад по второму проводу к другому полюсу батареи. Если выключатель повернуть, то цепь разомкнется – движение тока прекратится, и лампа погаснет.

Движение электронов

Ток в большинстве случаев представляет собой упорядоченное движение электронов в металле, служащем проводником. Во всех проводниках и некоторых других веществах всегда происходит какое-то случайное их движение, даже если ток не протекает. Электроны в веществе могут быть относительно свободны или сильно связаны. Хорошие проводники имеют свободные электроны, способные перемещаться. А вот в плохих проводниках, или изоляторах, большинство этих частиц достаточно прочно связано с атомами, что препятствует их движению.

Иногда естественным или искусственным путем в проводнике создается движение электронов в определенном направлении. Этот поток и называют электрическим током. Он измеряется в амперах (А). Носителями тока могут служить также ионы (в газах или растворах) и «дырки» (нехватка электронов в некоторых видах полупроводников. Последние ведут себя как положительно заряженные носители электрического тока. Чтобы заставить электроны двигаться в том или ином направлении, необходима некая сила. В природе ее источниками могут быть: воздействие солнечного света, магнитные эффекты и химические реакции. Некоторые из них используются для получения электрического тока. Обычно для этой цели служат: генератор, использующий магнитные эффекты, и элемент (батарея), действие которого обусловлено химическими реакциями. Оба устройства, создавая электродвижущую силу (ЭДС), заставляют электроны двигаться в одном направлении по цепи. Величина ЭДС измеряется в вольтах (В). Таковы основные единицы измерения электричества.

Величина ЭДС и сила тока связаны между собой, как давление и поток в жидкости. Водопроводные трубы всегда заполнены водой под определенным давлением, но вода начинает течь, только когда открывают кран.

Аналогично электрическая цепь может быть соединена с источником ЭДС, но ток в ней не потечет до тех пор, пока не будет создан путь, по которому могут двигаться электроны. Им может быть, скажем, электрическая лампа или пылесос, выключатель здесь играет роль крана, «выпускающего» ток.

Соотношение между током и напряжением

По мере роста напряжения в цепи растет и ток. Изучая курс физики, мы узнаем, что электрические цепи состоят из нескольких различных участков: обычно это выключатель, проводники и прибор – потребитель электричества. Все они, соединенные вместе, создают сопротивление электрическому току, которое (при условии постоянства температуры) для этих компонентов не изменяется со временем, но для каждого из них различно. Поэтому, если одно и то же напряжение применить к лампочке и к утюгу, то поток электронов в каждом из приборов будет различен, поскольку различны их сопротивления. Следовательно, сила тока, протекающего через определенный участок цепи, определяется не только напряжением, но и сопротивлением проводников и приборов.

Закон Ома

Величина электрического сопротивления измеряется в омах (Ом) в такой науке, как физика. Электричество (формулы, определения, опыты) – обширная тема. Мы не будем выводить сложные формулы. Для первого знакомства с темой достаточно того, что было сказано выше. Однако одну формулу все-таки стоит вывести. Она совсем несложная. Для любого проводника или системы проводников и приборов соотношение между напряжением, током и сопротивлением задается формулой: напряжение = ток х сопротивление. Это математическое выражение закона Ома, названного так в честь Георга Ома (1787-1854 гг.), который первым установил взаимосвязь этих трех параметров.

Физика электричества – очень интересный раздел науки. Мы рассмотрели лишь основные понятия, связанные с ней. Вы узнали, что такое электричество, как оно образуется. Надеемся, эта информация вам пригодится.

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 проводами и резистором в виде лучистой энергии, 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 верно 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.