Мощность и электрическая энергия

Электрическая энергия — это потенциальная работа, которую сможет совершить электрический заряд в электромагнитном поле. На некоторое время электрическую энергию можно сохранить в конденсаторе, в катушке с током, можно даже в колебательном контуре. И в конце концов электрическая энергия может быть преобразована в механическую или в тепловую энергию, в энергию разряда, свечения и т. д.

Вообще, произнося словосочетание «электрическая энергия», можно иметь ввиду заряд конденсатора или аккумулятора, а можно — количество намотанных счетчиком киловатт-часов. В любом случае, речь всегда идет об измерении некого количества работы, уже совершенной электричеством, или той, которая еще только будет совершена. Так или иначе, электрическая энергия — это всегда энергия электрического заряда.

Если электрический заряд покоится (или движется по эквипотенциальной траектории), находясь в электрическом поле, то речь идет о потенциальной энергии A, которая зависит от количества заряда Q (измеряется в кулонах) и от разности потенциалов U в поле, между той точкой, где заряд находится в начальный момент, и той точкой, относительно которой вычисляется энергия данного заряда.

Потенциальная электрическая энергия связана с положением заряда в электрическом поле. Например 1 кулон заряда (6,24 квинтиллионов электронов) при разности потенциалов (напряжении) в 12 вольт обладает энергией в 12 джоуль. Это значит, что при перемещении в данных условиях всего этого заряда из точки с потенциалом 12 вольт в точку с потенциалом 0 вольт, электрическое поле совершит работу A, равную 12 Дж. Когда заряд движется, то речь идет о кинетической энергии носителя заряда или об энергии электрического тока.

Когда заряд движется под действием электрического поля, от точки с более высоким потенциалом — в сторону потенциала более низкого, электрическое поле совершает работу, потенциальная энергия заряда уменьшается, преобразуясь в энергию магнитного поля движущегося заряда и в кинетическую энергию движущегося носителя заряда.

Если, например, заряженные частицы движутся под действием сторонних сил (допустим, ЭДС создается аккумулятором) внутри вольфрамовой спирали, то они преодолевают сопротивление вещества спирали, взаимодействуют с атомами вольфрама, сталкиваются с ними, раскачивают их, при этом спираль нагревается, выделяется тепло и излучается свет. Врезаясь в вещество спирали, заряженные частицы теряют свою кинетическую энергию, энергия частиц, движущихся под действием сторонних сил, преобразуется теперь в тепловую энергию колебаний кристаллической решетки спирали и в энергию электромагнитных волн света.

Когда мы говорим об электрической мощности, то имеем ввиду скорость преобразования электрической энергии. Например, скорость преобразования энергии электростанции при питании лампы накаливания мощностью 100 ватт, равна 100 Дж/с — 100 джоуль энергии в секунду — есть 100 ватт. Обычно для нахождения мощности перемножают ток I и напряжение U. Так делают потому, что ток I — это количество заряда Q, прошедшее через потребитель за время t, равное одной секунде. Напряжение — разность это та самая разность потенциалов, которую преодолел заряд. Вот и получается, что мощность W=Q*U/t=Q*U/1=I*U.

Номинальная мощность источника питания обычно ограничена напряжением на его клеммах и током, который способен данный источник обеспечить в номинальном режиме. Мощность потребителя — это скорость потребления электроэнергии при номинальном напряжении, приложенных к выводам потребителя.

Диафильм фабрики экранных учебно-наглядных пособий «Энергия и мощность электрического тока»:

Источник

Энергия и мощность электрического тока

а) Энергия электрического тока.

Для создания электрического тока в цепи источник должен обладать необходимой энергией.

Величина этой энергии определяется по формуле:

или

Где: W – энергия электрического тока, Вт·ч

U – напряжение на зажимах цепи, В.

R – сопротивление цепи, Ом.

t – время протекания тока, час.

б) мощность электрического тока

Различные источники электрической энергии могут за один и тот же промежуток времени выдавать различное количество электрической энергии.

Способность источника выдавать в единицу времени определенное количество электрической энергии, а потребитель, соответственно, – потреблять эту энергию характеризуется мощностью источника (потребителя).

Значение мощности электрического тока определяется из выражения:

или

Где: W – энергия электрического тока, Вт·ч

Р – мощность источника (потребителя), Вт.

R – сопротивление цепи, Ом.

Она определяется по формуле:

В общем виде электрическая цепь состоит из внешнего участка (нагрузки) с сопротивлением R и внутреннего участка с сопротивлением R₀ (сопротивлением источника тока).

Заменяя в выражении полной мощности величину э. д. с. через напряжения на участках цепи, получим

Величина UI соответствует мощности, развиваемой на внешнем участке цепи (нагрузке), и называется полезной мощностью Pпол=UI

Величина U_oI соответствует мощности, бесполезно расходуемой внутри источника, её называют мощностью потерь P_o = U_oI.

Таким образом, полная мощность равна сумме полезной мощности и мощности потерь

в) Коэффициент полезного действия электрической цепи

Отношение полезной мощности к полной мощности, развиваемой источником, называется коэффициентом полезного действия, сокращенно к. п. д.,и обозначается η

Из определения следует:

При любых условиях коэффициент полезного действия η ≤ 1.

Рис.13.1 Энергетическая диаграмма электрической цепи

Рассмотрим элементарную электрическую цепь, содержащую источник ЭДС с внутренним сопротивлением r, и внешним сопротивлением R

Рис.13.2. Схема электрической цепи

КПД определяется как отношение полезной мощности к затраченной:

Обычно электрический к. п. д. принято выражать в процентах.

Источник

Что называется электрической энергией

Согласно современным научным представлениям, энергия – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии. Различают энергию механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную, ядерную, химическую, гравитационную и др.

Для жизнедеятельности человека наиболее важное значение имеет потребление электрической и тепловой энергии, которые возможно извлекать из природных источников – энергоресурсов.

Энергоресурсы – это первичные источники энергии находящиеся в окружающей природе.

Среди различных видов энергии, используемых человеком, особое место занимает наиболее универсальный из ее видов – электрическая энергия.

Широкое распространение электрическая энергия получила благодаря следующим ее свойствам:

возможность получения практически из любых энергоресурсов при умеренных затратах;

простоте трансформации в другие формы энергии (механическую, тепловую, звуковую, световую, химическую);

способность сравнительно легко передаваться в значительных количествах на большие расстояния с огромной скоростью и относительно небольшими потерями;

возможность использования в устройствах, различающихся по мощности, напряжению, частоте.

Электрической энергией человечество пользуется с 80-х годов XIX века.

Поскольку общее определение энергии – это мощность за единицу времени, то единица измерения электрической энергии представляет собой киловатт за час (кВт·ч).

Основными величинами и параметрами, с помощью которых можно охарактеризовать электрическую энергию, описать ее качество, есть общеизвестные:

электрическое напряжение – U, В;

электрический ток – I, А;

полная, активная и реактивная мощности – S, P, Q в киловольт-амперах (кВА), киловаттах (кВт) и киловольт-амперах реактивных (квар) соответственно;

коэффициент мощности cosфи;

Электрическая энергия имеет ряд особенностей:

она непосредственно не подлежит визуальному восприятию;

легко превращается в иные виды энергии (например, в тепловую, механическую);

достаточно просто и с большой скоростью передается на большие расстояния;

простота ее распределения в электрических сетях;

проста в использовании с помощью машин, установок, приборов;

позволяет изменять свои параметры (напряжение, ток, частота);

удобна для контроля и управления;

качество ее определяет качество работы оборудования, которое потребляет эту энергию;

качество энергии в месте производства не может служить гарантией ее качества в месте потребления;

неразрывность во временном измерении процессов производства и потребления энергии;

процесс передачи энергии сопровождается ее потерями.

Диафильм фабрики экранных учебно-наглядных пособий «Энергия и мощность электрического тока»:

Широкое использование электроэнергии является основой технического прогресса. На любом современном промышленном предприятии все производственные машины и механизмы приводятся в движение электрической энергией.

Так, например, она позволяет по сравнению с другими видами энергии с наибольшими удобствами и наилучшим технологическим эффектом осуществлять термическую обработку материалов (нагрев, плавка, сварка). В настоящее время в больших масштабах используется действие электрического тока для разложения химических веществ и получения металлов, газов, а также для поверхностной обработки металлов с целью повышения их механической и коррозийной устойчивости.

Для получения электрической энергии необходимы энергетические ресурсы, которые могут быть возобновляемые и невозобновляемые. К возобновляемым ресурсам относят те, которые полностью восстанавливаются в пределах жизни одного поколения (вода, ветер, древесина и т. д.). К невозобновляемым ресурсам относят ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся – уголь, нефть, газ.

Любой технологический процесс получения электрической энергии подразумевает однократное или многократное преобразование различных видов энергии. При этом энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, и т. д.), называется первичной. Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на электростанциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т. д.).

Основу традиционной энергетики составляют тепловые электрические станции (ТЭС), использующие энергию органического топлива и ядерного горючего, и гидроэлектростанции (ГЭС). Единичная мощность электростанций, как правило, велика (сотни МВт установленной мощности) и они объединены в крупные энергосистемы. На больших электростанциях вырабатывается более 90 % всей потребляемой электроэнергии, и они составляют основу комплекса централизованного электроснабжения потребителей.

В названиях электростанций обычно отражено какой вид первичной энергии в какую вторичную преобразуется, например:

тепловая электрическая станция (ТЭС) преобразует энергию тепла в электричество;

гидроэлектростанция (ГЭС) преобразует энергию движения воды в электроэнергию;

ветроэлектростанция (ВЭС) преобразует энергию ветра в электрическую энергию.

Для сравнительной характеристики технологических процессов производства электрической энергии используют такие показатели, как коэффициент полезного использования энергии, удельная стоимость 1 кВт установленной мощности электростанции, себестоимость вырабатываемой электроэнергии и т. п.

Электрическую энергию передает электромагнитное поле проводника, этот процесс имеет волновой характер. Причем часть электроэнергии, которая передается, расходуется в самом проводнике, т. е. теряется. Отсюда вытекает понятие «потери электроэнергии». Потери электроэнергии есть во всех элементах электрической системы: генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи и т. п., а также в электроприёмниках (электрических двигателях, электротехнологических устройствах и агрегатах).

Общая потеря электроэнергии складывается из двух частей: номинальных потерь, которые определяются условиями работы при номинальных режимах и оптимальном выборе параметров системы электроснабжения, и дополнительных потерь, обусловленных отклонением режимов и параметров от номинальных значений. Экономия электроэнергии в системах электроснабжения основывается на минимизации как номинальных, так и дополнительных потерь.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электрическая энергия, ее свойства и применение

Содержание:

Электрическая энергия:

Из всех видов энергии в настоящее время наиболее широко применяется электромагнитная энергия, которую в практике обычно называют электрической.

Энергия — это количественная мера движения и взаимодействия всех форм материи. Для любого вида энергии можно назвать материальный объект, который является ее носителем.

Механическую энергию несут, например, вода, падающая на лопасти гидротурбины, заведенная пружина, тепловую — нагретый газ, пар, горячая вода.

Носителем электрической энергии является особая форма материи — электромагнитное поле, главная особенность которого состоит в том, что оно оказывает силовое воздействие на электрически заряженные частицы, зависящее от их скорости и величины заряда. Это свойство электромагнитного поля является основой связанных между собой электрических и магнитных явлений, известных из курса физики — взаимодействия электрически заряженных или намагниченных тел, электрического тока, электромагнитной индукции и др.

Использованием этих явлений для получения, передачи и преобразования электрической энергии занимается электротехника. Применение электромагнитного поля и его энергии для передачи информации без проводов — задача радиотехники.

Применение электрической энергии

Широкое применение электрической энергии объясняется ее ценными свойствами, возможностью эффективного преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую) с целью приведения в действие машин и механизмов, получения тепла и света, изменения химического состава вещества, производства и обработки материалов и т. д.

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью электродвигателей позволяет наиболее удобно, технически совершенно и экономически выгодно приводить в движение многочисленные и разнообразные рабочие машины и механизмы (металлорежущие станки, прокатные станы; подъемно-транспортные машины, насосы, вентиляторы, швейные и обувные машины, молотилки, зерноочистительные, мукомольные машины и т. д.).

Электродвигатели приводят в движение поезда, морские и речные суда, городской транспорт. С применением в промышленности электродвигателей стало возможным отказаться от неудобного и малоэффективного группового трансмиссионного привода, перевести рабочие машины на индивидуальный привод (у каждой рабочей машины — свой электродвигатель), а сложные машины (например, прокатный стан, бумагоделательная машина и т. п.) — на многодвигательный привод, когда каждый из группы электродвигателей выполняет в приводе свою определенную функцию.

Электрификация рабочих машин дает возможность не только механизировать, но и максимально автоматизировать силовые процессы, так как электродвигатель позволяет в широких диапазонах регулировать мощность и скорость привода.

Во многих технологических процессах используют преобразование электрической энергии в тепловую и химическую. Так, например, электронагрев и электролиз дают возможность получать высококачественные специальные стали, цветные металлы, обеспечивают наивысшую чистоту производимых материалов. При электротермической обработке металлов, резиновых изделий, пластмасс, стекла, древесины получают продукцию высокого качества.

Электрохимические процессы, составляющие основу гальванотехники, позволяют получать антикоррозионные покрытия, идеальные поверхности для отражения лучей и т. д.

Большое развитие, особенно в нашей стране, получила электросварка, обеспечивающая высокую производительность труда и другие технико-экономические показатели.

Электрические источники света обеспечивают высокое качество искусственного освещения. Благодаря применению электрической энергии получены выдающиеся результаты в технике связи, автоматике, электронике, в управлении и контроле технологических процессов и т. д.

В таких областях, как медицина, биология, астрономия, геология, математика и т. д., еще недавно применялись только электрические устройства общего назначения (электролампы, электронагреватели, электродвигатели и т. п.), а теперь все шире внедряются специализированные электрические приборы, аппараты, установки, которые обеспечивают дальнейшее развитие этих областей как в научном, так и в прикладном отношении.

Большое значение для развития науки и техники имеют электронные вычислительные машины, которые становятся распространенным и высокоэффективным средством научных исследований, экономических расчетов, планирования, управления производственными процессами, диагностики болезней и т. д.

Получение электрической энергии

Электрическую энергию можно получить из других видов энергии непосредственно или путем промежуточных преобразований.

В больших количествах электрическую энергию получают на электростанциях с помощью электромеханических генераторов — преобразователей механической энергии в электрическую.

На гидроэлектростанциях механическая энергия к электрогенераторам поступает от гидротурбин, которые воспринимают постоянно возобновляемую в природе энергию течения рек. На тепловых электростанциях используют энергию органического топлива. Тепловая энергия, полученная при сжигании топлива, поступает в тепловые турбины (паровые, газовые), превращается в них в механическую и передается электрогенераторам.

На атомных электростанциях тепловую энергию получают за счет энергии, содержащейся в ядрах атомов, а в остальном схема получения электрической энергии такая же, как на тепловой станции.

Прямое преобразование химической, тепловой, лучистой энергии в электрическую осуществляют с помощью электрохимических, термоэлектрических, термоэмиссионных, фотоэлектрических генераторов. Эти устройства имеют малую мощность и поэтому для большой энергетики непригодны, а применяются в радиотехнике, автоматике, космической технике.

Для получения электроэнергии в больших количествах более перспективны магнитогидродинамические генераторы и устройства для прямого преобразования термоядерной энергии в электрическую.

Передача и распределение электрической энергии

Повсеместное использование электрической энергии при концентрации природных энергетических ресурсов в отдельных географических районах привело к необходимости передачи ее на большие расстояния, распределения между приемниками в большом диапазоне мощностей.

В Советском Союзе действуют электропередачи протяженностью более 1000 км (крупнейшая из них между Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС и Москвой). Решаются вопросы, связанные со строительством сверхдальних электропередач (3500—5000 км) из районов Сибири в европейскую часть страны.

Электрическая энергия легко распределяется по приемникам любой мощности. В технике связи, в автоматике и измерительной технике используют устройства малой мощности (единицы и доли ватта). Вместе с тем имеются электрические устройства (двигатели, нагревательные установки) мощностью в тысячи и десятки тысяч киловатт.

Для линий передачи и распределительных сетей применяют металлические провода (из алюминия, стали, меди). Действием электрогенератора в проводах и окружающем их диэлектрике устанавливается электромагнитное поле, несущее энергию.

При наличии проводов поле достигает высокой концентрации, поэтому передача осуществляется с высоким коэффициентом полезного действия и в количестве, достаточном для приведения в действие различных приемников, в том числе большой мощности.

В радиотехнике используется передача электромагнитного поля без соединительных проводов, поэтому поле, распространяясь в пространстве, рассеивается в большом объеме. Приемные устройства улавливают лишь небольшую часть энергии, которой недостаточно для приведения в действие машин, нагревательных устройств, источников света и т. п. Однако для передачи информации такой способ пригоден, так как для воспроизведения сигналов достаточно принять ничтожно малую часть энергии передатчика.

Электрификация народного хозяйства и ее значение

Ценные свойства электрической энергии были замечены еще тогда, когда наука и техника делали первые шаги с целью ее использования.
Более 100 лет назад К. Маркс и Ф. Энгельс предсказали глубокое влияние электрификации на развитие человеческого общества.

Об этом неоднократно писал и говорил В. И. Ленин. Он видел не только технические и экономические возможности, но и исключительное социальное значение электрификации.

Указывая на необходимость электрификации, В. И. Ленин не ограничивал ее роль периодом восстановления народного хозяйства и построения фундамента социализма, а видел в ней материально-техническую базу коммунистического общества. «Если не перевести Россию на иную технику, более высокую, чем прежде, не может быть речи о восстановлении народного хозяйства и о коммунизме. Коммунизм есть Советская власть плюс электрификация всей страны, ибо без электрификации поднять промышленность невозможно».
В феврале 1920 г. приступила к работе созданная по инициативе В. И. Ленина Государственная комиссия по электрификации России (ГОЭЛРО). При постоянном внимании и поддержке В. И. Ленина комиссия подготовила комплексный план восстановления и развития наиболее важных отраслей народного хозяйства на основе электрификации. В декабре того же года план был принят на VIII Всероссийском съезде Советов. Сравнительно с современным уровнем электрификации план ГОЭЛРО невелик—было намечено построить за 10 — 15 лет 30 электростанций общей мощностью 1,5 млн. кВт при годовом производстве 8,8 млрд. кВт•ч электроэнергии. Но тогда, в годы разрухи и голода, и такой план многим казался нереальным. В; И. Ленин твердо верил в успех дела и, отмечая выдающееся хозяйственное и политическое значение плана, сказал о нем: «На мой взгляд, это — наша вторая программа партии».
План ГОЭЛРО был выполнен за 10 лет, а к 1935 г. мощность построенных электростанций превысила плановые наметки почти в 2,5 раза.
О дальнейшем развитии электроэнергетики можно судить по динамике производства электрической энергии (табл. В.1).

Годовая выработка электроэнергии стремительно росла и растет в основном за счет ввода в действие новых тепловых и гидравлических электростанций. При этом на первый план выступает тенденция увеличения единичной мощности электростанций и их энерго-агрегатов.

Потребности народного хозяйства в электрической энергии непрерывно растут, этим и обусловливается рост ее производства. Для того чтобы удовлетворять эти потребности, необходимо строить не только новые электростанции, но и линии электропередачи, различные потребляющие энергию электроустановки, увеличивать производство трансформаторов, электродвигателей, коммутационной аппаратуры, электротехнических материалов, различной аппаратуры и приборов для автоматизации производственных процессов, электрификации быта и т. д.

В электрической системе (источник — линия— приемник) энергия не накапливается, т. е. одновременно с получением в генераторе она полностью преобразуется в другой вид в приемнике. Поэтому быстрый рост производства электроэнергии свидетельствует о таких же темпах электрификации в целом, включая ее передачу, распределение и использование.

В настоящее время во всем мире на производство электрической энергии используется около 1/3 всех добываемых энергоресурсов. Потребление электроэнергии растет в среднем вдвое быстрее, чем потребление энергетических ресурсов в целом. В 1960 г. произведено 2000 млрд. кВт•ч электроэнергии, а в 1975 г. — 6500 млрд. По прогнозам специалистов также примерно втрое вырастет потребление электроэнергии за период с 1980 по 2000 г. и к началу следующего века достигнет колоссальной цифры — 30 000 млрд. кВт•ч.

Еще более быстрыми темпами развивается электрификация в СССР, которая есть и будет основой непрерывного научно-технического и социального прогресса. Решается грандиозная задача — осуществление полной электрификации всей страны, создание материальной базы коммунистического общества.

Полная электрификация означает использование электрической энергии повсеместно: в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту. При этом особое внимание уделяется комплексной механизации и автоматизации производства с широким применением электронных вычислительных машин, электрификации тех участков и технологических процессов во всех отраслях народного хозяйства, в которых применение электрической энергии по тем или иным причинам было недостаточно.
Важнейшей задачей является рациональное использование электрической энергии, максимальное сокращение потерь в процессе ее потребления, производства, передачи и распределения.

Задача экономии ставится не только в отношении электрической энергии, а распространяется на все энергетические ресурсы. Она является частью общей большой работы по экономии и рациональному использованию всех видов материальных, трудовых и финансовых ресурсов.

В отчетном докладе XXVI съезду КПСС указано, что от выполнения этой работы, от умелого и эффективного использования всех имеющихся ресурсов зависит дальнейшее развитие экономики страны. Хозяйское отношение к общественному добру, умение полностью, целесообразно использовать все виды ресурсов съезд провозгласил одним из важнейших принципов экономической стратегии КПСС на предстоящий период.

Планируемое ускорение строительства атомных электростанций вызывается не только необходимостью экономить органическое топливо, но и их решающими преимуществами в отношении загрязнения окружающей среды.
Для избавления человечества от угрозы «энергетического голода», устранения вредного воздействия на окружающую среду ученые ищут новые пути получения электрической энергии, увеличения мощности и коэффициента полезного действия установок для прямого преобразования тепловой, химической, солнечной энергии в электрическую.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник