Квант
Практикум абитуриента

Работа и мощность электрического тока

Асламазов Л. Г.

45

Работа и мощность электрического тока

При перемещении заряда qq в электрическом поле совершается работа A=q(φ1−φ2)=qUA = q(\varphi_1 - \varphi_2) = qU,

где U=φ1−φ2U = \varphi_1 - \varphi_2 разность потенциальов начального и конечного положений заряда. Электрический ток — это направленное движение зарядов. За время tt через поперечноеечение проводника, по которой течение проводника, по которой течение ток II, проходит заряд q=Itq = It. Поэтому полная работа, которую может совершить электрический ток в проводнике, равна

A=qU=UIt.A = qU = UIt.

Отсюда получается известная формула для полной мощности тока:

P=UI.P = UI.

Количество теплоты, выделяемое током в проводнике, определяется законом Джоуля—Ленца:

Q=I2Rt.Q = I^2Rt.

Соответственно, мощность теплых потерь определяется формулой:

PT=I2R.P_T = I^2R.

Для общного проводника, для которого справедливзакон Ома U=IRU = IR, формулы (1) и (2) эквивалентны, и, следовательно, все работа электрического тока переходит в тепло. При этом для мощности можно пользоваться еще и такой формулой:

P=PT=U2R.P = P_T = \frac{U^2}{R}.

Предпочтительно использовать использование какой-либо из формул (1), (2) и (3) определяется постоянной конкретиной задачи.

Задача 1. Две электрические лампочки, расширяные на включение в семь с напряжением U=220U = 220 В, имеем мощности P1=25P_1 = 25 Вт и P2=100P_2 = 100 Вт. Какая из лампок будем гореть ярче, если их включить в семь, соединив между собой последовательно?

Найдите отношение ярстей каждой лампочки при общном (одиночном) и последовательном включениях.

Считать, что ярстей пропорционально мелковой мощности, выделяемой в лампочке.

При последовательном соединении лампочки через них течение один и тот же ток. Поэтому для сравнения выделяемых в них мощностей удобнее пользоваться формулой (2):

P1′P2′=I2R1I2R2=R1R2.\frac{P'_1}{P'_2} = \frac{I^2R_1}{I^2R_2} = \frac{R_1}{R_2}.

Для нахождения отношения сопротивления восполняемя формулой (3), так как известные номинальные мощности P1P_1 и P2P_2 соответствуют одному и тому же напряжению UU на лампочках:

P1P2=U2/R1U2/R2,\frac{P_1}{P_2} = \frac{U^2/R_1}{U^2/R_2}, и R1R2=P2P1.\frac{R_1}{R_2} = \frac{P_2}{P_1}.

Таким образом, получаем:

P1′P2′=P2P1=4\frac{P'_1}{P'_2} = \frac{P_2}{P_1} = 4

— лампочка мощностью в 25 Вт при последовательном включении будет гореть в 4 раза ярче.

Сравним теплыми мощностями, выделяемые в каждой лампочке при общном (одиночном) и последовательном включениях. В первом случае

P1=U2R1P_1 = \frac{U^2}{R_1} и P2=U2R2.P_2 = \frac{U^2}{R_2}.

Отсюда можно найти сопротивления лампочки R1R_1 и R2R_2:

R1=U2P1R_1 = \frac{U^2}{P_1} и R2=U2P2.R_2 = \frac{U^2}{P_2}.

Когда лампочки соединены последовательно, через них течение ток I=UR1+R2I = \frac{U}{R_1 + R_2}. Выделяемые в лампочках мощности можно найти по формуле (2):

46

P1′=U2R1(R1+R2)2 и P2′=U2R2(R1+R2)2.P_1' = \frac{U^2 R_1}{(R_1 + R_2)^2} \text{ и } P_2' = \frac{U^2 R_2}{(R_1 + R_2)^2}.

Тогда для отношений мощностей получаем:

P1P1′=(1+P1P2)2=2516 и P2P2′=(1+P2P1)2=25\frac{P_1}{P_1'} = \left(1 + \frac{P_1}{P_2}\right)^2 = \frac{25}{16} \text{ и } \frac{P_2}{P_2'} = \left(1 + \frac{P_2}{P_1}\right)^2 = 25

— обе лампочки при последовательном включении горят менее ярко, однako для второй лампочки уменьшение мощности в 16 раз больше.

Когда на участке цепи имеет источник ЭДС &\&, выражения для полной мощности и мощности тепловых потерь (формулы (1) и (2)) перестановить быть эквивалентными, и поэтому в балансе энергий необходимо учитывать работу сторонних сил &It\& It. При этом направление UU на участке отличается от ЭДС &\& на величины направления IRIR:

U=&±IRU = \& \pm IR

(зnak «минус» относится к случанию, когда направление тока на участке совпадает с направлением тока, создаваемого ЭДС, «пллюс»— к противоположному случанию). Соответствие, полная мощность тока U1U_1 не равна тепловой мощности I2RI^2 R:

U1=&I±I2R.U_1 = \& I \pm I^2 R.

Задача 2. Определить работу электрических сил и количество теплоты, выделенное за t=1t=1 с, в аккумуляторе: а) при его зарядке током I1=5I_1=5 А, разность потенциаль между полосами аккумулятора U1=20U_1=20 В, ЭДС аккумулятора &=12\&=12 В; б) при зарядке мощнее же аккумулятора на внешнее сопротивление, ток разрядки I2=1I_2=1 А.

В первом случae—при зарядке аккумулятора— направление электрического тока противоположно направлению тока, создаваемого ЭДС (рис. 1, а), поэтому в формулах (4) и (5) необходимо поставить знаки «пллюс». Это означает, что полная работа электрических сил, равная

A1=U1I1t=100 Дж,A_1 = U_1 I_1 t = 100 \text{ Дж},

складывается из работы &I1t\& I_1 t против сторонних сил (заряда аккумулятора).

Q1=A1−&I1t=(U1−&)I1t=40 ДжQ_1 = A_1 - \& I_1 t = (U_1 - \&) I_1 t = 40 \text{ Дж}.

Формула (4) позволяет также определить и внутреннее сопротивление rr аккумулятора:

U1=&+I1r, и r=U1−&I1.U_1 = \& + I_1 r, \text{ и } r = \frac{U_1 - \&}{I_1}.

Во втором случae—при зарядке аккумулятора— ток на интерсуюшем нас участке совпадает по направлению с током, создаваемым ЭДС (рис. 1, б), поэтому работа электрических сил равна

Q2=I22rt=I22(U1−&)I1t=1,6 Дж.Q_2 = I_2^2 r t = \frac{I_2^2 (U_1 - \&)}{I_1} t = 1,6 \text{ Дж}.

Задача 3. Источник мока с ЭДС &\& и внутренним сопротивлением rr замкнут на рестам с переменным сопротивлением RR (рис. 2, а). Построить графики зависимости силы мока II, направления на источнике UU, мощности PP, выделяемой во внешней цепи, полной мощности мока PπP_\pi, а также КПД η\eta при изменении сопротивления рестма RR.

Напишем вначале аналогичные выражения для указанных зависимостей. Сила тока находится по закону

47

Ома для замкнутой цепи:

I=εR+rI = \frac{\varepsilon}{R + r}

Напряжение на источнике равно напряжение на внешнем сопротивлении:

U=IR=εRR+rU = I R = \frac{\varepsilon R}{R + r}

Мощность, выделяемая во внешней цепи, равна мощности тепловых потерь; ее можно определить по формуле (2):

P=I2R=ε2R(R+r)2P = I^2 R = \frac{\varepsilon^2 R}{(R + r)^2}

Полная мощность тока равна мощности сторонних сил или суммарной мощности тепловых потерь на внутреннем и внешнем сопротивлениях:

Pπ=εI=I2(R+r)=ε2R+rP_\pi = \varepsilon I = I^2 (R + r) = \frac{\varepsilon^2}{R + r}

Для коэффициента полезного действия имеем:

η=PPπ=RR+r\eta = \frac{P}{P_\pi} = \frac{R}{R + r}

Соответствие графики показаны на рисунках 2, б—e. Обратите внимание на наличие максимума у мощности PP, выделяемой во внешней цепи (показите самостояльно, что мощность PP максимальная при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений).

Другой пример, когда не все работы электрических сил переходит в теплло, дают электромоторы.

Задача 4. Электромотор включен в сеть постмояною мока с напряжением U=220U = 220 В. Сопротивление обмотки момора R=5R = 5 Ом. Сила потребляемого мока I=10I = 10 А. Найти механическую мощность момора и его КПД.

Полная мощность электрического тока в данном случае складывается из механической и тепловой мощностей:

UI=Pπ+I2RUI = P_\pi + I^2 R

позетом

Pπ=UI−I2R=1700 ВтP_\pi = UI - I^2 R = 1700 \text{ Вт}

и КПД мотора

η=PπP=UI−I2RUI≈0,77=77%\eta = \frac{P_\pi}{P} = \frac{UI - I^2 R}{UI} \approx 0,77 = 77\%

Задача 5. Какую максимальную полезную (механическую) мощность PmaxP_{\text{max}} может развить электромотор, имеющий сопротивление об-

48

момки RR и включенный в семь с напряжением UU? Какой ток при этом потребляется?

Найдите значение мока через обмотку момора при мощности PM<PMmaxP_M < P_{M_{\text{max}}}. Какой физический смысл имеет неоднозначность объема?

Из решения предыдущего задачи следует, что зависимости PMP_M от тока II является квадратичной и графическими изображениями параболой (рис. 3).

Максимальная мощность PMmax=U24RP_{M_{\text{max}}} = \frac{U^2}{4R} достигается при тока I=U2RI = \frac{U}{2R} (проверьте это).

Как видно из рисунка 3, одна и та же мощность PM<PMmaxP_M < P_{M_{\text{max}}} развивается при двух значениях тока

I1=U−U2−4PMR2RI_1 = \frac{U - \sqrt{U^2 - 4P_M R}}{2R}

и

I2=U+U2−4PMR2R.I_2 = \frac{U + \sqrt{U^2 - 4P_M R}}{2R}.

Объясним физический смысл этой неоднозначности. Запишем закон Ома для обмотки мора:

U=EиндIR+IR,U = \frac{E_{\text{инд}}}{I R} + I R,

где EиндE_{\text{инд}} — ЭДС индукции, которая возникает вседействие вращения обмотки в магнитном поле (знак «плосс» в формуле выбран в соответствии с правилом Ленца). По закону электромагнитной индукции EиндE_{\text{инд}} пропорционально скорости вращения. Следовательно, различные значения тока соответствуют разным значениям ЭДС и, соответственно, разным скоростям вращения мора: одна и ту же механическую мощность motor может развивать, поднимая медленно тяжелый груз или быстро — легкий.

Рис. 3.

Задача 6. Какую полезную мощность развивается мотор, включенный в семь с напряжением U=220U = 220 В, при потребляемом тока I1=10I_1 = 10 А? Известно, что при полном заморживании якоря через обмотку мчемток I2=40I_2 = 40 А.

При полной остановке мтора ЭДС индукции в обмотке равна нулю; следовательно, U=I2RU = I_2 R. Отсюда найдем сопротивление RR обмотки мора: R=U/I2=5,5R = U/I_2 = 5,5 Ом. Полезная (механическая) мощность при тока I1I_1 равна

PM=UI1−I12R=1650 Вт.P_M = UI_1 - I_1^2 R = 1650 \text{ Вт.}

Теперь обсуждим вопрос о тепловых потерях при передаче энергии по проводам на далекие расстояния. Как известно, для того чтобы тепловые потери сделать минимальным, в линиях передач используют высокое напряжение. Не следует путать передаваеме напряжение UU—разность потенциаль между проводами линии электропередачи и падание на пряжении в линии ΔU=IR\Delta U = IR, которое связано с текущим по проводам током II и сопротивлением линии RR. Передаваемая по проводам мощность равна P=UIP = UI, а тепловые потери—PT=I2R=ΔU2RP_T = I^2 R = \frac{\Delta U^2}{R}. Однако и ту же мощность PP можно передать при меньше тока, если уvelличить передаваемое напряжение UU. При этом падение на пряжении в линии ΔU\Delta U и тепловые потери PTP_T уменьшается.

Задача 7. Линия электропередачи должна передать мощность P=100P = 100 кВт на расстояние L=100L = 100 км. Помери энергии не должны превышать 2%. Какое минимальноеечение провода (с удельным сопротивлением ρ=1,7⋅10−8\rho = 1,7 \cdot 10^{-8} Ом·м) пригодно для этой цели, если передаваемое напряжение U=5000U = 5000 В?

Во сколько раз можно уvelличитьечение провода при уvelличении напряжения в 10 раз?

Сила тока в линии I=P/UI = P/U. Максимальные тепловые потери PT=I2R=P2RU2P_T = I^2 R = \frac{P^2 R}{U^2} должны составлять 0,02 PP. Отсюда сопротивление линии равно R=U250PR = \frac{U^2}{50P}. Используя известное выражение

49

Использование соответствия, для отношения напряжения на источнике получаем:

Un2Un1=100+n10(1+n)\frac{U_{n2}}{U_{n1}} = \frac{100 + n}{10(1 + n)}

Так как передаваемый ток уменьшается в 10 раз, то для того чтобы напряжение потребляла ту же мощность, ее сопротивление необходимо увеличить в 100 раз.

Упражнения

  1. Имеется путь электрических лампок, расчитанных на напряжение 110 В. Мощность трех лампок 40 Вт, а двух — 60 Вт. Как следует включить их в сеть с напряжением 220 В, чтобы все они горели полным накалом?

  2. Кольцо из однородной проводки включено в цель, как показано на рисунке 5. При каком положении движка B в колце будет выделяться минимальное количество теплоты? Считать, что напряжение на источнике постоянное.

  3. Аккумулятор с внутренним сопротивлением r=0,5r=0,5 Ом замкнут на внешнюю цель. При токе I1=2I_1=2 А на внешнем сопротивлении выделяется мощность P1=8P_1=8 Вт. Какая мощность выделится во внешней цели при токе I2=1I_2=1 А? Чему равна ЭДС аккумулятора?

  4. Почему электриотор, работаюший в холодную, нагревается меньше, чем когда он нагружен? В каком случае в обмотке motor выделяется наиболее количество теплоты?

  5. Двигатель локомотива массой m=50m=50 т при подъеме в гору с уклоном α=0,01\alpha=0,01 потребляет ток I1=100I_1=100 А, а при спуске с той же горы — ток I2=50I_2=50 А. Найти скорости поезда в обихах служах. Напряжение в линии U=2000U=2000 В; КПД двигателя η=0,7\eta=0,7; коэффициент трения k=0,02k=0,02.

  6. Obъясните, почему при включении в сеть электриоприборов, потребляющих большую мощность, яркость горяших лампок уменьшается. Расчитайте, во сколько раз уменьшается яркость лампочки с номинальной мощностью P1=100P_1=100 Вт при включении параллельно ей утюга мощность P2=1000P_2=1000 Вт (считать, что яркость лампочки пропорциональна выделяемой мощностью в ней количество теплоты). Сопротивление подводящих провода от источника номинального напряжения U=127U=127 В до розетки R=2R=2 Ом.