Работа и мощность электрического тока

Электрическая энергия. В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рисунок 9). В ис­точниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Так, например, в электрических генераторах проис­ходит превращение механической, в термогенераторах – тепловой, в аккуму­ляторах и гальванических элементах – химической, в фотоэлементах – лучи­стой энергии в электрическую.

Рисунок 9 – Пути превращения энергии:

1 – генератор, 2 – термогенератор, 3, 8 – аккумуляторы, 4 – гальванический элемент, 5 – фотоэлемент, 6 – электродви­гатель, 7 – электрическая печь, 9 – радиостанция, 10 – электрическая лампа

Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии – тепловую, механическую, лучистую и пр.

Работа, произведенная электрическим током за время t при известном напряжении U и силе тока I, равна

(14)

Работа, совершаемая электрическим током в 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии – джоуль (Дж). 1 Дж=1 В•А•с. Джоуль – очень маленькая единица измерения, поэтому на прак­тике приняты более крупные единицы, а именно: 1 ватт-час (Вт•ч)=3600 Дж; 1 киловатт-час (кВт•ч) = 1000 Вт•ч = 3,6•10⁶ Дж; 1 мегаватт-час (МВт•ч) = 1000 кВт•ч = 3,6•10⁹ Дж. Электрическая энергия, потребляемая заводами, фабриками и электрическими локомотивами, а также расходуемая для осве­щения и питания бытовых нагревательных приборов, измеряется обычно в киловатт-часах.

Электрическая мощность. Энергия, получаемая приемником или от­даваемая источником электрической энергии в единицу времени (в течение 1 с), называется мощностью Р

(15)

Используя закон Ома для определения силы тока и напряжения в зави­симости от сопротивления r и проводимости g, можно получить и другие вы­ражения для мощности. Если заменить в формуле (26) напряжение или силу тока

то получим:

;

;

Мощность на участке цепи при токе в 1 А и напря­жении 1 В принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами – киловаттами (кВт) и мегаваттами (МВт). 1 кВт = 1000 Вт; 1 МВт = 1000000 Вт.

Потери энергии. При превращении электрической энергии в другие виды энергии или, наоборот, не вся энергия превращается из одного вида в другой; часть ее непроизводительно затрачивается (теряется), например, на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов, т. е. пре­вращается в тепло. Эти потери энергии неизбежны в любой машине или ап­парате.

Тепловое действие тока

Выделение тепла электрическим током. При прохождении электриче­ского тока по проводнику в результате столкновений электронов с его ато­мами и ионами проводник нагревается. Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца – Джоуля. Согласно этому закону количество выделенного тепла Q прямо пропорционально квадрату силы тока I², сопротивлению проводника r и времени t прохождения тока через проводник:

(16)

В Международной системе единиц СИ все виды энергии – механиче­ская, тепловая, электрическая и т. д. измеряют в джоулях.

Из сравнения формул (25) и (27) вытекает, что количество выделивше­гося тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока. Количество тепла в теплотех­нике часто выражают в калориях (калория – количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1°С; 1 Дж=0,24 кал); в этом случае формула за­кона Ленца-Джоуля принимает вид

(17)

Допустимая сила тока. Превращение электрической энергии в тепло­вую нашло широкое применение в технике, например, в различных производ­ственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электроплитках, электрических паяльниках и пр.), в электрических лампочках накаливания, аппаратах для электрической сварки. Однако во многих элек­трических устройствах, например в электрических машинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превращение электрической энергии в тепло нежелательно, так как оно ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в не­которых случаях может вызвать повреждения и аварии.

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать через себя, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторую допустимую величину.

Часто для определения токовых нагрузок проводов пользуются поня­тием допустимой плотности тока (сила тока I, приходящаяся на 1 мм² площади поперечного сечения s проводника). Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь или алюминий), вида применяемой изо­ляции, условий охлаждения и поперечного сечения. Так, например, допусти­мая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна пре­вышать 3-6 А/мм², в нити осветительной электрической лампы – 15 А/мм².

В проводах силовых и осветительных сетей плотность тока определя­ется поперечным сечением провода и его изоляцией. Так, для медных прово­дов с резиновой изоляцией, проложенных открыто, при поперечном сечении 4 мм² допускается плотность тока 10,2 А/мм², а при сечении 50 мм² – только 4,3 А/мм²; для голых проводов тех же сечений соответственно 12,5 и 5,6 А/мм². Уменьшение допускаемой плотности тока при увеличении попереч­ного сечения провода объясняется тем, что в проводе небольшого сечения удельная поверхность теплоотдачи (отношение периметра провода к площади его поперечного сечения) меньше, чем при большом сечении, поэтому он лучше отдает тепло окружающей среде. Для голых проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных. Превышение допус­тимой силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение его температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, гене­раторов и электрических сетей обугливается и даже горит, что может при­вести к короткому замыканию и пожару. Неизолированные провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.

Допускаемая температура нагрева для проводов, используемых в элек­трических машинах и аппаратах, зависит от нагревостойкости применяемой изоляции. Все электроизоляционные материалы в зависимости от нагрево­стойкости подразделяются на семь классов: У; А; Е; В; F; Н; С. Для каждого класса установлена предельная допустимая температура при длительной ра­бот (в пределах от 80° С для класса У до более 180° С для класса С).

Стандартами на электрические машины и аппараты установлены более низкие предельные температуры отдельных их деталей в зависимости от кон­струкции этих деталей и расположения их в машине или аппарате. Для про­водов и кабелей силовых и осветительных сетей допустимые длительные то­ковые нагрузки приводятся в правилах устройства электроустановок (ПУЭ). В электрических установках должны находиться автоматические устройства, отключающие эти установки при недопустимом увеличении силы тока, а сле­довательно, и температуры нагрева проводов от источников электрической энергии. В качестве таких устройств применяют плавкие предохранители, тепловые реле, автоматические выключатели и др.

Расчет проводов электрических линий на нагревание. При выборе по­перечного сечения провода сначала проводят расчет на основании допусти­мой потери напряжения и округляют полученное сечение до ближайшего стандартного. Затем это сечение проверяют по условиям допустимого на­грева, т. е. по таблицам, приведенным в ПУЭ, находят допускаемую для этого сечения силу тока. Если сила тока согласно таблицам ПУЭ будет больше за­данной (для которой производился расчет по допустимой потере напряже­ния), то полученное при расчете сечение является допустимым и по условиям нагревания. В противном же случае следует принять сечение, которое по таб­лицам ПУЭ соответствует заданной силе тока.

Для относительно коротких линий (осветительных сетей промышлен­ных предприятий, жилых и общественных зданий) ПУЭ рекомендуют рас­считывать провода по условиям нагрева (находить в таблицах сечение про­вода, соответствующее расчетной силе тока) и проверять результаты по до­пустимой потере напряжения.

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев проводника, как следует из закона Ленца-Джоуля, может происходить не только вследст­вие прохождения по нему тока большой величины, но и вследствие повыше­ния сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электриче­ских установок большое значение имеет величина сопротивления в месте со­единения отдельных проводников.

При неплотном электрическом контакте и плохом соединении провод­ников электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переход­ное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает и усиленно выделяется тепло. В результате место неплотного соединения проводников становится опасным в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к перегоранию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при соединении проводов в электротехнических установках концы их тщательно очищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, ко­торые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и ап­паратов.

Специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопро­тивления между контактами электрических аппаратов, служащих для вклю­чения и выключения тока.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как формулируется закон Ома для электрической цепи?

2. Как формулируется закон Ома для участка электрической цепи?

3. Как формулируются первый закон Кирхгофа?

4. Как формулируются второй закон Кирхгофа?

5. Как формулируется правила знаков при составлении уравнений Кирхгофа?

6. Последовательное соединение приемников электрической энергии.

7. Параллельное соединение приемников электрической энергии.

8. Смешанное соединение приемников электрической энергии.

9. Схема электрического моста.

10. Эквивалентные схемы источника электрической энергии.

11. Пути превращения энергии?

12. Что называется электрической мощностью? Формулы для ее определения?

13. Потери энергии.

14. Как формулируются закон Джоуля – Ленца?

15. Чем определяется допустимая сила тока проводника?

16. К чему приводит превышение допустимой силы тока?

17. Устройства, отключающие электроустановки при недопустимом увеличении силы тока.

18. Расчёт проводов электрических линий на нагревание.

19. Нагрев в переходном сопротивлении, его последствия и меры предотвращения.

Литература

1.Электротехника с основами промышленной электроники, А. Е. Зорохович, В.К. Калинин: М., Высшая школа, 1975.

2. Касаткин А. С., Немцов М.В., Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 2002г.