§2.9. 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

совершаемая источником на внешнем участке цепи; UвтIt=Wвт—потеря энергии внутри источника. Используя закон Ома для участка цепи, можно записать

На практике пользуются такими единицами работы, как киловатт-час (кВт×ч):1 кВт×ч

=3600000 Вт×с.

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 ионов, и, следовательно, к нагреванию проводника. Количество теплоты, выделенной в

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.

Карточка № 2.7 (107) Электрическая работа и мощность. Преобразование электрической энергии в тепловую

§ 2.10. Токовая нагрузка проводов и защита их 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.

Коротким замыканием называют соединение двух неизолированных проводов различного потенциала.

При нормальном режиме работы (рис. 2.8, а) ток I=E/(Rн+Rпр+Rвт)≈E/Rн, так как Rн>>Rпр+Rвт. При коротком замыкании Rн≈0. Тогда Iн=Е/(Rвт+ Rпр)>>I.

При заданном напряжении U1 на входе линии напряжение на нагрузке при номинальном

токе нагрузки

Падение напряжения U не должно превышать определенных значений. Так, для осветительной нагрузки значение U не должно превышать 2% от номинального напряжения. Найдем по заданному значению U необходимую площадь сечения провода S. Из формулы (2.33)

S=2Il/(γΔU). (2.34)

Это выражение не универсально, и поэтому нагрузка линии задается в виде потребляемой мощности, а абсолютное значение потерь напряжения заменяется относительным:

e = DU 100%

U2

Использование е вместо U целесообразно, так как создается возможность универсального подхода к оценке линий электропередачи назависимо от напряжения, при котором передается энергия.

Подставив в формулу (2.34) вместо U значение, найденное из (2.35), получим

На практике приходится часто встречаться с линиями, нагрузка которых включена в различных местах (рис. 2.11).