Лампы установлены в цепи последовательно.
Напряжение цепи, состоящее из двух ламп, равно
U = 6 + 6 = 12 В.
Мощность определяется по формуле сила тока умножить на напряжение.
P = IU = 0,3*12 = 3,6 Вт.
Необходимо перевести время, заданное в часах в единицы системы СИ.
2*60*60=7200 с.
Работа есть произведение мощности на время.
Работа в данном случае равна
A = PT = 3,6*7200 = 25920 Дж = 25,92 кДж.
Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Задания Д16 № 2549 
i
На велосипеде установлен генератор, вырабатывающий электрическую энергию для двух последовательно соединённых ламп. В каждой лампе сила тока 0,3 А при напряжении на каждой лампе 6 В. Чему равна работа тока генератора за 2 часа?
1) 6,48 кДж
2) 12,96 кДж
3) 25,92 кДж
4) 51,84 кДж
Спрятать решение
Решение.
Электрическая мощность равна произведению напряжения на силу тока. Работа равна произведению мощности на промежуток времени. Таким образом, на одной лампе совершается работа тока: 0,3 А · 6 В · 7200 с = 12960 Дж.
Следовательно работа тока генератора за два часа на двух лампах равна 2 · 12960 Дж = 25,92 кДж.
Правильный ответ указан под номером 3.
Работа источника тока в режиме генератора
а)
Внешняя
характеристика.
Основными
характеристиками источника тока являются
электродвижущая сила (ЭДС) Ε
и
внутреннее сопротивление r.
При разомкнутой цепи разность потенциалов
φа – φв
(в дальнейшем напряжение Uав)
на
его концах (точки «а» и «в»
рис.2) равна (ЭДС) Е.
Если
к источнику тока подключить внешнее
сопротивление R,
называемое
сопротивлением нагрузки, то по цепи
пойдет ток, равный:
I
= Е/(R+r)
(1)
При
этом напряжение Uав
на
зажимах источника станет меньше ЭДС на
величину падения напряжения внутри
источника (на внутреннем сопротивлении):
U
= Е
— I·r
(2)
З
ависимость
U = f(I)
называется
внешней или рабочей характеристикой
источника. У многих источников Е
и r
не зависят от тока I,
поэтому
для них график U(I)
представляет прямую линию (рис.3), наклон
которой определяется внутренним
сопротивлением.
рис.2
рис.3
Отсюда
следует способ определения r:
r
= (U1 – U2)/(I2
—
I1)
(3).
При
R
=
0, из формулы (1) получаем IКЗ
=
Е/r.
Эта величина называется током короткого
замыкания. В этом режиме из формулы (2)
следует, что напряжение на зажимах
источника U = 0.
Если внутреннее сопро-тивление порядка
0.001 Ома, то ток короткого замыкания
достигает тысяч ампер. При таких токах
источник быстро выходит из строя. Обычно
для каждого источника известен наибольший
допустимый ток при длительной работе
(номинальный ток), который не следует
превышать в процессе эксплуатации.
б)
Мощность.
Полная
мощность, развиваемая источником, равна
РO = I·Е.
Часть этой мощности выделяется внутри
источника на его внутреннем сопротивлении
в виде джоулева тепла Рr =
I2·r.
Другая
часть полной мощности, выделяемая во
внешней цепи РН
(на
сопротивлении нагруз-ки) может быть
использована и называется полезной.
Величина полезной мощности может быть
выражена несколькими способами.
P
= I2·R
=
I·U
=
I·E
— I2·r
(4)
Первые
два выражения не дают возможности
определить вид зависимости РН
от I,
так как сопротивление R
и
напряжение U
не
остаются постоянными при изменении I.
Последнее
(подчеркнутое) выражение дает зависимость
РН
от I
в явном виде. Видно, что график зависимости
РН(I)
представляет собой параболу с ветвями,
направленными вниз. Определите, при
каких значениях тока РН
равна нулю и при каком токе она максимальна.
в)
Коэффициент
полезного действия.
Коэффициент
полезного действия источника равен
отношению полезной мощности, выделяемой
во внешней цепи, к полной мощности,
развиваемой
источником:
η
=РН/РO
(5)
Подставляя
в (5) вместо значения мощностей их
выражения через токи, напряжения, ЭДС
и сопротивления, получите выражения
η(I),
η(U),
η(R)
в
явном виде.
Работа источника тока в режиме потребителя
Для
осуществления этого режима необходим
другой источник ЭДС Ε1,
включенный навстречу исследуемому Ε2
(рис.4).
ЭДС
Ε1
должна
превышать ЭДС Ε2
(Ε1>Ε2).
Β
этом
случае ток пойдет навстречу ЭДС Ε2.
Исходя
из потенциальной диаграммы понятно,
что напряжение на зажимах источника
Uав
будет больше Ε2
на величину падения напряжения
(Ir)
на его внутреннем сопротивлении
U
=
E
+ Ir
(6)
рис.4
С
ледовательно,
энергетические процессы на участке
«a-E2-в»
описываются следующим образом. Так как
ток течет от точки «а» к точке «в»
и φа
>
φB,
то в этом случае работа, совершаемая
электростатическим полем положительная.
Энергия, приобретенная зарядами от
электростатического поля, расходуется
на тепло (на сопротивлении r)
и на работу против сторонних сил. Эта
работа в зависимости от типа источника
превращается в химическую энергию
(например, при зарядке аккумулятора)
или в механическую (при работе машины
в режиме двигателя).
Выражение
(6) можно считать формулой (2) при I < 0.
Тогда графически зависимость напряжения
на зажимах источника от величины тока
при работе источника в режиме потребителя
будет изображаться отрезком прямой (2)
на рис.3. Область I
<
0.
Продумайте,
что происходит в этом режиме с мощностью
развиваемой сторонними силами (IE),
с «полезной» мощностью (IU),
с мощностью превращения электрической
энергии в тепловую (I2r).
Каков при этом КПД ?
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
При изменении тока в секции создается э. д. с. самоиндукции которая может достигать сравнительно больших значений.
Кроме того, поскольку процесс коммутации происходит одновременно в нескольких секциях под всеми щетками, то в каждой секции создаются э. д. с. взаимоиндукции.
Э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции, называемые реактивными э. д. с, препятствуя изменениям тока, вызывают неравномерное распределение плотности тока под щеткой, что является причиной образования искрения, которое особенно интенсивно в момент размыкания щеткой секции обмотки.
Чрезмерная плотность тока при наличии разности потенциалов между щеткой и коллектором вызывает возникновение дугового разряда, который ионизирует тончайшие слои воздуха, находящегося между щеткой и коллектором, и способствует развитию дуги. Дуга может перейти к щетке другой полярности, образовав круговой огонь на коллекторе, и это приведет к повреждению послед него.
Искрение щеток может быть также вызвано рядом других причин, как-то: неровностью поверхности коллектора, биением щеток загрязненностью поверхности коллектора, наличием влаги на не и т. д.
Даже незначительное искрение щеток является нежелательный так как увеличивается износ щеток и коллектора и повышаете нагрев последнего за счет увеличения переходного сопротивления между щеткой и коллектором.
Наиболее эффективным способом улучшения коммутации является компенсация реактивных э. д. с. Для этого в зоне коммутации, в которой находятся. активные стороны коммутируемы: секций, необходимо создать такое внешнее магнитное поле, при ко тором индуктируемая в секциях э. д. с. вращения еv„ будет равен; и противоположна реактивной э. д.с. еr, т. е. еv = —еr. Для создания такого внешнего магнитного поля устанавливают дополнительны полюсы Nк и Sк, размещая их между главными полюсами.
На рис. 141 показана схема генератора, якорь которого вращается каким-либо двигателем в направлении, показанном стрелкой. В обмотке якоря индуктируется э. д. с, и при нагрузке протекает ток. Направление э. д. с. и тока в проводниках обмотки показано на схеме, на которой выделены проводники 1 п 2 коммутируемой секции. Реактивная э. д. с. er препятствуя изменениям тока коммутируемой секции, будет направлена в проводниках 1 и 2
встречно изменениям тока, как показано на схеме. Для компенсации реактивной э, д. с. в проводниках 1 и 2 нужно создать э, д. с. вращения еv = еr, для чего и установлены дополнительные полюсы Nк
и Sk
Таким образом, полярность дополнительного полюса в генераторе должна соответствовать полярности следующего за ним в направлении вращения якоря главного полюса. В двигателе полярность дополнительного полюса должна соответствовать полярности предыдущего по направлению вращения якоря главного полюса.
Обмотку возбуждения дополнительных полюсов соединяют последовательно
с обмоткой якоря для того, чтобы реактивная э. д. с. была компенсирована при любой нагрузке машины. Для этой же цели магнитная цепь дополнительных полюсов ненасыщена, т. е. между сердечником якоря и дополнительным полюсом создан сравнительно большой воздушный промежуток. Так как реактивная э. д. с. пропорциональна току в якоре, то она компенсируется при любой нагрузке машины в том случае, если э. д. с. вращения также пропорциональна току ( нагрузки. Поэтому магнитное поле в зоне коммутации должно изменяться пропорционально току якоря.
§ 110. РАБОТА МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРА
Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, развивающим вращающий момент М1. При перемещении проводников обмотки якоря в магнитном поле полюсов в них индуктируется э. д.с, направление которой определяется правилом правой руки (рис. 142). Если якорь вращается с числом оборотов в минуту п, то в его обмотке индуктируется э. д. с.
Если обмотку якоря через щетки замкнуть на какой-либо приемник энергии г (сопротивление нагрузки), то через этот приемник и обмотку якоря будет протекать ток Iя, который в обмотке якоря имеет направление, совпадающее с направлением э. д.с. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем полюсов создается электромагнитный момент Мэ, направление которого определяется правилом левой руки.
Таким образом, развиваемый машиной электромагнитный момент является тормозным, направленным встречно направлении вращения якоря машины, так что для вращения последнего первичный двигатель должен развивать вращающий момент М1 достаточный для преодоления электромагнитного тормозного момента,
следовательно, машина потребляет механическую энергию.
В случае равновесия моментов, т. е. М1== Мэ, якорь машины вращается с неизменно скоростью. При нарушении равновесия моментов число оборотов якоря начнет изменяться. Если почему-либо момент первичного двигателя уменьшится, т. е. станет меньше электромагнитного момента генератора (М1<Мэ), то число оборотов якоря машины начнет уменьшаться. При этом будет уменьшаться как э. д. с, так и ток в обмотке якоря, что вызывает уменьшение тормозного электромагнитного момента генератора. В случае увеличения момента первичного двигателя (М1>Мэ) число оборотов якоря, а также э. д. с. и ток в его обмотке будут увеличиваться, что вызывает увеличение тормозного электромагнитного момента.
При нарушении равновесия моментов число оборотов якоря, э. д.с. и ток в его обмотке претерпевают изменения до восстановления равновесия моментов, т. е. пока электромагнитный момент генератора не станет равным вращающему моменту первичного двигателя.
Таким образом, любое изменение момента первичного двигателя, т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соответствующее изменение как электромагнитного момента генератора, так и вырабатываемой им мощности. Так же при изменениях нагрузки генератора потребуется соответствующее изменение момента первичного двигателя для поддержания постоянства числа оборотов якоря генератора.
Ток обмотки якоря Iя, протекающий при нагрузке генератора, встречает на своем пути сопротивление внешней нагрузки rн, сопротивление обмотки якоря rоб и сопротивление переходных контактов между щетками и коллектором rщ. Обозначив через rя внутреннее сопротивление машины, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки якоря и щеточных контактов (rоб+rщ), для тока в якоре можем записать следующее выражение:
Сопротивление rщ непостоянно и зависит от большого числа факторов, как-то: величины и направления тока, состояния коллектора, силы нажатия щеток на коллектор, скорости вращения, радение напряжения в щеточных контактах остается примерно нанесенным при изменениях нагрузки (принимается равным 2 в на пару угольных и графитных щеток).
Поэтому внутреннее сопротивление машины rя также не являйся величиной постоянной при изменении нагрузки генератора.
Так как Iяrн=U, где (U— напряжение на зажимах генератора при нагрузке, то получим следующее уравнение равновесия э. д.с. лля генератора:
Из уравнения равновесия э. д.с. легко получить уравнение мощностей, т. е.
или
где Р2 — полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю электрической энергии,
Рэ— внутренняя или электромагнитная мощность генератора, преобразованная им в электрическую,
Роб —потери мощности в обмотке якоря и щеточных контактах.
При холостом ходе генератора электромагнитная мощность равна нулю (Рэ=0), но для вращения якоря машины первичный двигатель должен затратить некоторую мощность Р0, расходуемую на покрытие потерь холостого хода. Мощность Р0 складывается из потерь механических на трение в подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины Рмех и из потерь в стали на
гистерезис и вихревые токи Pст. В генераторах с самовозбуждением мощность Р0 включает также мощность, затраченную на создание магнитного потока, т. е. на возбуждение машины.
При нагрузке генератора первичный двигатель затрачивает мощность Р1 = Рэ + Ро.
Рассмотрим замкнутый контур (рамку) площадью S, помещенный в однородное магнитное поле, индукция которого равна B. Контур равномерно вращается вокруг оси OO’ с угловой скоростью ω.
Магнитный поток, пронизывающий контур, определяется формулой Ф = BS cosΔφ, где Δφ — угол между вектором нормали n к плоскости контура и вектором В. Рамка вращается внутри магнита с частотой v, и за время t совершает N = vt оборотов. За оборот рамка поворачивается на угол 2π рад. Угол на который поворачивается рамка за время t: Δφ = 2π vt = ωt, тогда изменение магнитного потока ΔФ = BS cos Δφ = BS cos ωt .
В замкнутом контуре возникает э.д.с. индукции, которая по закону электромагнитной индукции равна скорости изменения магнитного потока 
.
Тогда получим мгновенное значение э.д.с.
e = — Ф’ = — (BS cos ωt)’ = BSω sin ωt
Следовательно э.д.с. индукции, возникающая в замкнутом контуре, при его равномерном вращении в однородном магнитном поле меняется со временем по закону синуса. Э.д.с. индукции максимальна при sin ωt = 1, т.е. α = ωt = π/2
Величина ε0 = ωBS – называется амплитудным значением э.д.с. индукции.
Если такой контур замкнуть на внешнюю цепь, то по цепи пойдет ток, сила и направление которого изменяются. Такая рамка, вращающаяся в магнитном поле является простейшимгенератором переменного тока.
В нашей стране используется переменный ток частотой 50 Гц (в США – 60 Гц). Такой ток вырабатывается генераторами.
Генераторы электрического тока – это устройства для преобразования различных видов энергии – механической, химической, тепловой, световой и др. – в электрическую.
Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции.
В настоящее время имеется много различных типов генераторов. Но все они состоят из одних и тех нее основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС — электродвижущая сила (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка).
Неподвижную часть генератора называют статором, а подвижную – ротором.
Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Фm = BS) через каждый виток.
В изображенной на рисунке модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором. Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной. К концам обмотки ротора присоединены контактные кольца. Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью.
Модель генератора переменного тока.
Промышленные генераторы имеют намного большие размеры, для увеличения напряжения, снимаемого с клемм генератора, на рамки наматывают не один, а много витков. Во всех промышленных генераторах переменного тока витки, в которых индуцируется переменный ток, устанавливают неподвижно, а вращается магнитная система. Если ротор вращать с помощью внешней силы, то вместе с ротором будет вращаться и магнитное поле, создаваемое им, при этом в проводниках статора будет индуцироваться э.д.с.
Принцип действия генератора переменного тока следующий. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока магнитной индукции.
В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки.
Структурная схема генератора переменного тока.
Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том левее валу (В настоящее время постоянный ток в обмотку ротора чаще всего подают из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель).
В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.
Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.
Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.