2.6 Электрическая работа и мощность. Преобразование электрической энергии в тепловую

Если электрическую цепь замкнуть, то в ней возникнет электрический ток. При этом энергия источника будет расходоваться. Найдем работу, которую совершает источник тока для перемещения заряда q по всей замкнутой цепи. Исходя из определения ЭДС получим

W_H = Eq (2.24)

Но так как , то, или , где - работа, совершаемая источником на внешнем участке цепи; - потеря энергии внутри источника.

Используя закон Ома для участка цепи, можно записать

(2.25)

Величину, характеризуемую скоростью, с которой совершается работа, называют мощностью:

(2.26)

Соответственно мощность, отдаваемая источником,

(2.27)

Мощность потребителей

(2.28)

Мощность потерь энергии внутри источника

(2.29)

Единица мощности — ватт (Вт):

[Р]=1 Дж/1 с=1 Вт (2.30)

т. е. мощность равна 1 Вт, если за 1 с совершается работа в 1 Дж.

Электрическая работа выражается в джоулях, но согласно формуле имеем , откуда

1 Дж=1 Вт-1 с=1 Втс. (2.31)

На практике пользуются такими единицами работы, как киловатт-час (кВтч):1кВтч=3 600 000 Втс.

Когда в цепи с сопротивлением R существует ток, электроны, перемещаясь под действием поля, сталкиваются с ионами кристаллической решетки проводника. При этом кинетическая энергия электронов передается ионам, что приводит к увеличению амплитуды колебательного движения нонов, и, следовательно, к нагреванию проводника. Количество теплоты, выделенной в проводнике,

(2.32)

Приведенная зависимость носит название закона Ленца — Джоуля: количество теплоты, выделяемой при прохождении тока в проводнике, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Преобразование электрической энергии в тепловую имеет большое практическое значение и широко используется в различных нагревательных приборах как в промышленности, так и в быту. Однако часто тепловые потери являются нежелательными, так как они вызывают непроизводительные расходы энергии, например в электрических машинах, трансформаторах и Других устройствах, что снижает их КПД.

2.7 Токовая нагрузка проводов и защита от перегрузок

Рассмотрим процесс нагревания проводов в электрической цепи. В первый момент, когда температура провода равна температуре окружающей среды, вся теплота, выделенная током, идет на нагрев провода. В результате его температура быстро повышается. По мере ее роста увеличивается количество теплоты, отдаваемой проводом среде, а количество теплоты, расходуемой на нагрев, уменьшается. Наконец, наступает момент установления температурного баланса: количество отдаваемой энергии равно количеству полученной энергии и повышение температуры провода прекращается. Температуру провода, соответствующую моменту баланса, называют установившейся. Время, в течение которого провода нагреваются до установившейся температуры, зависит от их геометрических размеров и условий охлаждения. Нагрев провода допускается до температур порядка 60—80° С. В соответствии с допустимой температурой вводится понятие допустимого тока. Допустимым называют ток, при котором устанавливается наибольшая допустимая температура.

Площадь сечения проводов в зависимости от токовой нагрузки для медных проводов с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией, проложенных открыто, определяют по табл. 2.2.

Таблица 2.2.

S, мм2	I, А	S, мм2	I, А	S, мм2	I, А	S, мм2	I, А	S, мм2	I, А	S, мм2	I, А
0,5	11	10	80	120	385	2,5	30	50	215	300	695
0,75	15	16	100	150	440	4	41	70	270	400	830
1,0	17	25	140	185	510	6	50	95	330
1,5	23	35	170	240	605

Коротким замыканием называют соединение двух неизолированных проводов различного потенциала.

При нормальном режиме работы (рис. 2.8, а) ток , так как . При коротком замыкании . Тогда .

Р исунок 2.8 Схема цепи при нормальном режиме работы (а) и режиме короткого замыкания (б)

Ток короткого замыкания может практически в десятки и сотни раз превышать номинальный ток цепи, что может вызвать тепловые и механические повреждения ее отдельных элементов. Для защиты цепи от перегрузок служат плавкие предохранители (вставки), которые при определенном токе плавятся, разрывая электрическую цепь. Схема включения плавкого предохранителя показана на рис. 2.9.

Р исунок 2.9 Схема цепи с защитой от короткого замыкания

Под номинальным понимают такой режим работы, при котором напряжение, ток и мощность в элементах электрической цепи соответствуют тем значениям, на которые они рассчитаны заводом-изготовителем. При этом гарантируются наилучшие условия работы (экономичность, долговечность и т. д.).

Кроме номинального режима работы источника существуют режимы короткого замыкания и холостого хода. Режимом короткого замыкания называют режим, при котором напряжение на внешних зажимах источника равно нулю. Режимом холостого хода источника называют режим, при котором ток в нем равен нулю.