РАБОТА И МОЩНОСТЬ ТОКА

Практическое использование электрической энергии связано с явлением электрического тока, который служит средством передачи, распределения и преобразования электроэнергии.

Электрический ток — это направленное (упоря­доченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за положительное направление тока принимают направление движения положительных за­рядов.

Различают электрический ток проводимости в провод­никах и электрический ток поляризации (смещения) в диэлектриках.

В проводниках первого рода (металлах) электриче­ский ток проводимости создается направленным (упоря­доченным) движением электронов. В проводниках вто­рого рода — электролитах (водные растворы солей, кислот, щелочей) электрический ток обусловлен движе­нием заряженных атомов и молекул (положительных и отрицательных ионов).

Электрический ток можно создать также в ионизи­рованном газе (в результате ионизации молекул газа возникают свободные носители заряда: электроны и ионы).

В электронно-лучевых трубках (кинескоп телевизора), электронных лампах и других устройствах электрический ток_создается за счет движения электронов в вакууме. В диэлектриках ток проводимости незначительный - и им, как правило, пренебрегают. Однако в установках переменного тока за счет непрерывного изменения направ­ления электрического поля в диэлектриках происходит интенсивное движение связанных заряженных частиц (диполей), обусловливающих ток поляризацию.

Значение тока проводимости определяется совокупным электрическим зарядом q всех частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени:

I = q/t (2.1)

Единица тока [А] – ампер

Электрический ток можно сравнить с током воды
в трубе. Заряды в проводнике, подобно воде в трубе,
перемещаются одновременно во всех сечениях. Поэто­му значение тока во всех сечениях проводника одинаково (1).

Однако в различных сечениях проводника разная плотность тока. Она равна отношению тока в про­воднике к площади его поперечного сечения

j = I/S. J=[А/м²]

Различают постоянный и переменный ток.

Постоян­ным называется ток, который не изменяется во времени (прямая 1 на рис. 2.2), а переменным — ток, изменяю­щийся с течением времени (кривые 2, 3).

Единицей тока является ампер (А). Применяют также:

1 килоампер (кА) = 10³А — для измерения больших то­ков, 1 миллиампер (мА) = 10 ^-3 А и 1 микроампер (мкА) = 10 ^-6 А — для измерения малых токов.

Диапазон токов, применяемых на практике, очень велик. Ток в электронных схемах бывает равным 10^-10 — 10^-12А, ток лампы накаливания 100 Вт при напряжении 127В равен 0,79А, токи двигателей средней мощности достигают десятков и сотен ампер, токи в цепях электролизных ванн — десятков тысяч ампер.

В большинстве случаев электрический ток создается и поддерживается в замкнутой электрической цепи.

Электрическая цепь — это совокупность устройств и соединяющих их проводников, образующих путь для электрического тока.

В электрической цепи имеется множество свободных носителей зарядов, например электронов у металлов. Источник питания создает электрическое поле, которое вовлекает эти заряды в движение.

Так, в электрической цепи (рис. 2.3, а) электрическое поле конденсатора при включении цепи создает кратковременный ток.

Рис. 2.3

График этого тока показан на рис. 2.2 (кривая 2). Схема гидравлической модели этой цепи приведена на рис. 2.3,б. Сравните электрическую и гид­равлическую цепи. Главными элементами этих цепей являются источники энергии и ее приемники.

Заряды в электрической цепи, подобно воде в гидрав­лической цепи, начинают двигаться сразу во всех элемен­тах, так как электрическое поле, вовлекающее их в дви­жение, существует на всех участках.

Из этого следует, что в электрической цепи процессы производства, пере­дачи, распределения и преобразования электрической энергии происходят одновременно (2).

Вдоль электрической цепи заряды нигде не ответвля­ются, из цепи не уходят и проходят одновременно по всем участкам, поэтому на всех участках неразветвленной электрической цепи значение тока одинаково (3).

Конденсатор как источник совершает работу А_и по созданию тока, расходуя на это всю свою энергию. Ток совершает работу А на приемнике и ∆А, которая теряется на нагрев проводов. В соответствии с законом сохране­ния энергии

А_и = А + ∆А. (2.2)

Конденсатор является несовершенным источником тока, так как быстро иссякает запас его энергии и пре­кращается ток. Аккумулятор, батарейка, электрический генератор и другие источники способны длительно под­держивать необходимое значение тока за счет непре­рывного преобразования других видов энергии (хими­ческой, механической) в электрическую энергию тока (рис. 2.4). В свою очередь энергия тока в проводах

и приемниках преобразуется в тепловую, механическую, световую и другие виды энергии, которые рассеиваются в окружающем пространстве или используются для раз­личных практических целей.

Интенсивность преобразования энергии в электриче­ской цепи оценивается мощностью.

Мощность источника — это скорость преобразования в электрическую энергию других видов энергии в источ­нике:

Р_и = А_и/t. (2.3)

Численно мощность источника равна электрической энергии, получаемой в источнике за одну секунду.

Мощность приемника — это скорость преобразования электрической энергии в приемнике в другие виды энер­гии:

P = A/t. (2.4)

Численно мощность приемника выражается величиной энергии, преобразуемой в приемнике за одну секунду.

Единица мощности — ватт (Вт). Применяют также: 1 киловатт (кВт) = 10³ Вт и 1 мегаватт (МВт) = 10⁶ Вт.

В технике имеют дело с мощностями от долей ватта (в электронике и измерительной технике) до тысяч мега­ватт (на крупных электростанциях).

Единица электроэнергии — ватт-секунда (Вт•с).

В электротехнике чаще используют единицы ватт-час (Вт • ч) и киловатт-час (кВт • ч). В Международной систе­ме единиц (СИ) энергия выражается в джоулях (1 Дж = 1 Вт • с). Следует иметь в виду, что

1 Вт • ч = 3600 Дж, 1 кВт-ч = 3,6- 10⁶Дж.

Для оценки эффективности работы источников и при­емников используют коэффициент полезного дей­ствия (КПД).

КПД источника

η_и = (Р_и-∆Р_и)/Р_и,

где ∆Р_И — мощность потерь энергии в источнике.

КПД приемника η = (Р-∆Р)/Р,

где ∆Р — мощность потерь энергии в приемнике. Разделив уравнение (2.2) на время t, получим

Р_И = Р + ∆Р, (2.5)

где ∆Р — мощность потерь энергии в проводах цепи.

Это уравнение отражает баланс мощностей цепи: сумма мощностей источников цепи равна сумме мощно­стей приемников и потерь (4).

Из баланса мощностей вытекает, что при изменении мощностей приемников (например, при их включении или отключении) автоматически изменяется мощность источников цепи. Происходит это за счет изменения тока. Ток цепи как средство передачи, распределения и пре­образования электроэнергии при изменении числа при­емников в цепи и их мощности изменяет свое значение так, чтобы обеспечивалось соблюдение баланса мощности и закона сохранения энергии (5).