Енергія та сила
2. Енергія та електрична потужність
2.1. Енергія, що подається на електричне навантаження
Розглянемо електричний заряд q, який приводиться в рух рівномірним електричним полем модуля Е. Коли заряд рухається на відстань d, електрична сила F = qE спрацьовує ΔW = qE.d. Між точкою відправлення A і точкою прибуття B навантаження зазнало різниці потенціалів або електричної напруги (V B - V A) = U = E.d .
Таким чином, навантаження q, що зазнає електричної напруги U, отримує енергію ΔW = q.U
ΔW виражається в Джоулях (J), q в Кулоні (C) і U у Вольтах (V).
Розглянемо тепер групу навантажень Q, середня швидкість яких однакова в напрямку, в напрямку та в нормі. Ця група навантажень утворює a постійний струм інтенсивність яких I задовольняє співвідношенню Q = I.Δt, де Δt відповідає тривалості переміщення.
Замінивши Q = I.Δt у відношенні ΔW = Q.U, отримаємо:
відношення, що дає енергію, отриману диполем, який зазнає постійної напруги U і перетинається постійним струмом I, має вигляд:
ΔW = U.I.Δt
ΔW виражається в Джоулях (J), U у Вольтах (V), I в Амперах (A) і Δt в секундах (с).
Вправа: Акумулятор напругою 12 В протягом однієї години втягує струм 10 А в електричний приймач. Обчисліть зміну внутрішньої енергії акумулятора.
2.2. Електрична енергія
У безперервній роботі поглинена диполем електрична потужність P перевіряє співвідношення P = ΔW/Δt, ми виводимо наступну залежність:
Електрична потужність диполя, який піддається постійній напрузі U і перетинається постійним струмом I, становить:
P = U.I
Р виражається у ватах (W), U в Вольт (V) а я в Ампер (AT).
Примітка: Це співвідношення є дійсним лише в умовах безперервної роботи, проте воно залишається вірним для миттєвого значення потужності p (t) змінних швидкостей.
2.3. Енергія, накопичена конденсатором
Визначте енергію, що зберігається в зарядженому конденсаторі.
Для цього ми розглянемо заряджений конденсатор при постійному струмі I C = cte. На практичній роботі ми побачили, що напруга u C на клемах конденсатора пропорційно збільшується з часом, те саме стосується потужності p C, поглиненої конденсатором, оскільки p C = u C .I C. Ми отримуємо зміни потужності як функцію часу на графіку, зображеному на фіг.2.
Розміри змінні, ми не перебуваємо в режимі безперервної роботи, тому ми не можемо застосувати співвідношення ΔW = U.I.Δt. Тим не менше, протягом досить короткого періоду Δt, ми можемо вважати, що потужність майже постійна, тоді накопичена енергія дорівнює ΔW = P.Δt, що відповідає площі прямокутника, вилупленого зеленим на малюнку 3.
Роздумуючи таким чином поетапно, ми отримуємо, що загальна енергія, накопичена конденсатором, зарядженим під напругою UC, представлена площею трикутника, вилупленого червоним на малюнку 3. Таким чином, ΔW = 1/2 P f. tf = 1/2 U f .I f .tf = 1/2 U f .Q f, де індекс f відповідає кінцевим значенням навантаження.
Енергія, що зберігається в конденсаторі, залежить не від того, як він був заряджений, а від накопиченого заряду Q і напруги U на його клемах:
ΔW = 1/2 Q.U = 1/2 Q²/C = 1/2 C.U²
ΔW виражається у (J), Q у Кулоні (C), U у Вольтах (V) та C у Фараді (F).
Вправа: Обчисліть енергію, накопичену конденсатором ємністю 1000 мкФ, зарядженому при напрузі 25 В.
2.4. Закон Джоуля
Енергія, що розсіюється ефектом Джоуля в резисторі з опором R і перетинається постійним струмом інтенсивності I, становить:
ΔW J = R.IІ.Δt
Це закон Джоуля.
Вправа: Обчисліть теплову енергію, що передається назовні резистором опору 50 Ом, через який проходить струм інтенсивністю 10 А протягом 30 хв.
2.5. Вимірювання потужності та електричної енергії
Для вимірювання електричної потужності ми використовуємо a ватметр. Цей вимірювальний пристрій містить 4 термінали: 2 клеми напруги, з'єднані як вольтметр (в шунті) і 2 клеми струму, з'єднані як амперметр (послідовно); що дає схему на фіг.4.
Для вимірювання електричної енергії, споживаної установкою, ми використовуємо a лічильник енергії (див. рисунок 5) .
1 джоуль = 1 вольт х 1 ампер х 1 секунда: цей прилад не дуже підходить для вимірювання електричної енергії, споживаної силовими пристроями, оскільки швидко отримується дуже велике значення. Ми часто віддаємо перевагу ват-годині (ват-год) або кіло-ват-годині (кВт-год).
Вправа: виразити в Джоулях, значення 1 кВт.год.
Вправа: електрична лампочка працює поодинці протягом 3 годин 30 хвилин у установці, вище якої встановлений лічильник енергії на рис.5. Ми бачимо, що лічильник повернувся на 33 кола наприкінці 3:30. Обчисліть енергію, спожиту у Вт, а потім у Дж. Розрахуйте потужність лампочки.