Электрический ток широко используется в промышленности и быту. Знание основных понятий о работе и мощности электрического тока позволяет грамотно подбирать электроприборы и оптимизировать их использование. Давайте разберемся в ключевых аспектах этой темы.
Определение работы электрического тока
Работа электрического тока определяется по формуле:
A = Q·U = I·t·U
где A - работа тока в джоулях, Q - количество электричества в кулонах, I - сила тока в амперах, t - время в секундах, U - напряжение в вольтах.
Используя закон Ома, можно записать работу тока через сопротивление R:
A = I2·R·t
А также через напряжение U:
A = U2·t/R
Рассмотрим пример расчета работы тока в электрической цепи. По проводнику с сопротивлением R = 5 Ом течет ток I = 2 A в течение t = 10 c. Напряжение на проводнике U = 10 B. Работу тока можно рассчитать тремя способами:
- A = Q·U = I·t·U = 2·10·10 = 200 Дж
- A = I2·R·t = 22·5·10 = 200 Дж
- A = U2·t/R = 102·10/5 = 200 Дж
Как видно из примера, все три способа дают один и тот же результат.
Тепловое действие электрического тока
При прохождении электрического тока по проводнику, проводник нагревается. Это связано с тем, что носители заряда взаимодействуют с атомами проводника и передают им часть своей кинетической энергии. В результате атомы начинают интенсивнее колебаться и температура проводника повышается.
Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты Q, выделяющееся в проводнике, численно равно работе A электрического тока и рассчитывается по формуле:
Q = A = I2·R·t
Это соответствует закону сохранения и превращения энергии - вся работа тока преобразуется в тепло.
Рассмотрим в качестве примера тостер, работающий от сети 220 В с током потребления 10 А в течение 5 минут. Сопротивление нагревательного элемента R = 22 Ом. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество выделившейся теплоты составит:
Q = I2·R·t = 102·22·300 = 66000 Дж
Вся эта теплота будет передана хлебу, что приведет к его прогреву и подрумяниванию.
Примеры преобразования энергии тока
Электрический ток может преобразовываться не только в тепло, но и в другие виды энергии. Рассмотрим в качестве примера электродвигатель.
При прохождении тока по обмоткам электродвигателя, создается вращающий момент, приводящий ротор в движение. Часть работы мощности электрического тока преобразуется в механическую энергию вращения вала двигателя.
КПД электродвигателя
Для оценки эффективности преобразования энергии тока в механическую энергию используют понятие коэффициента полезного действия (КПД). КПД показывает, какая доля мощность тока пошла на полезную работу:
η = (Амех/Аэл)·100%
где η - КПД двигателя, Амех - механическая работа на валу, Аэл - полная затраченная работа мощность электрического тока.
Чем выше КПД, тем меньше потерь энергии. Для хороших электродвигателей η может достигать 90-95%.
Потери энергии на нагрев обмоток
Хотя большая часть мощности тока преобразуется в механическую энергию, часть все же идет на нагрев обмоток за счет теплового действия тока согласно закону Джоуля-Ленца. Это так называемые потери на нагрев.
Зная ток I, напряжение U и время работы t электродвигателя, можно рассчитать полную затраченную работа мощность электрического тока и механическую работу на валу. Разность этих работ будет равна тепловым потерям:
Кпотери = Аэл - Амех
Экономия электроэнергии с помощью электродвигателей
Знание принципов работы и основных характеристик позволяет экономить электроэнергию при использовании электродвигателей.
Например, выбор двигателя с оптимальной мощностью под конкретную нагрузку позволит избежать ненужных потерь. Также важно отключать оборудование, когда оно простаивает. Это снизит расход энергии и увеличит срок службы электродвигателей.
Регулирование скорости вращения электродвигателя
Для многих применений требуется изменять скорость вращения вала электродвигателя в соответствии с технологическим процессом. Существует несколько способов регулирования оборотов.
Регулирование напряжения питания
Простейший способ - уменьшать подаваемое на обмотки двигателя напряжение с помощью регулятора напряжения, так называемого диммера. При этом по закону Ома будет уменьшаться сила тока в обмотках, а значит и вращающий момент. Недостаток этого способа в меньшем КПД при пониженном напряжении.
Использование преобразователей частоты
Более эффективный вариант - использование инверторов и преобразователей частоты для плавного изменения частоты напряжения питания электродвигателя. При этом КПД остается высоким в широком диапазоне оборотов. Но стоимость такой системы выше.
Переход на энергосберегающие электродвигатели
Широкое распространение в последнее время получили высокоэффективные электродвигатели классов IE2 и IE3. Они характеризуются повышенным КПД за счет усовершенствованной конструкции и высококачественных материалов.
Использование таких электродвигателей позволяет на 20-30% снизить потребление электроэнергии на привод различного оборудования, несмотря на более высокую цену. Срок окупаемости во многих случаях не превышает 2-3 лет.
Применение вентильных электродвигателей
Еще более высоким КПД обладают современные бесколлекторные вентильные электродвигатели. Отсутствие механического коммутатора устраняет искрение, а улучшенная конструкция дает экономию до 40% энергии по сравнению с обычными асинхронными двигателями.
Несмотря на повышенную стоимость, такие двигатели быстро окупаются за счет экономии электроэнергии в процессе эксплуатации.