OHMOV ZAKON ZA KOMPLETNO KRUG:

I je jačina struje u kolu; E je elektromotorna sila izvora struje spojenog na kolo; R - otpor vanjskog kola; r je unutrašnji otpor izvora struje.

NAPAJANJE ISPORUČENO U SPOLJNOM KOLU

. (2)

Iz formule (2) jasno je da u slučaju kratkog spoja ( R®0) i na R® ova snaga je nula. Za sve ostale konačne vrijednosti R moć R 1 > 0. Dakle, funkcija R 1 ima maksimum. Značenje R 0, što odgovara maksimalnoj snazi, može se dobiti diferenciranjem P 1 u odnosu na R i izjednačavanjem prve derivacije sa nulom:

. (3)

Iz formule (3), uzimajući u obzir činjenicu da su R i r uvijek pozitivni, a E? 0, nakon jednostavnih algebarskih transformacija dobijamo:

dakle, snaga oslobođena u vanjskom kolu dostiže svoju najveću vrijednost kada je otpor vanjskog kola jednak unutrašnjem otporu izvora struje.

U ovom slučaju, jačina struje u kolu (5)

jednaka polovini struje kratkog spoja. U tom slučaju, snaga oslobođena u vanjskom kolu dostiže svoju maksimalnu vrijednost jednaku

Kada je izvor zatvoren na vanjski otpor, tada struja teče unutar izvora i istovremeno se određena količina topline oslobađa na unutrašnjem otporu izvora. Snaga koja se troši za oslobađanje ove topline jednaka je

dakle, puna snaga, koji se oslobađa u cijelom lancu, određuje se formulom

= I 2(R+r) = I.E. (8)

EFIKASNOST

EFIKASNOST izvor struje je jednak . (9)

Iz formule (8) slijedi da

one. R 1 se mijenja s promjenom struje u kolu prema paraboličkom zakonu i uzima nulte vrijednosti pri I = 0 i na . Prva vrijednost odgovara otvorenom krugu (R>> r), druga kratkom spoju (R<< r). Зависимость к.п.д. от силы тока в цепи с учётом формул (8), (9), (10) примет вид

Dakle, efikasnost dostiže najveću vrijednost h =1 u slučaju otvorenog kola (I = 0), a zatim opada prema linearnom zakonu, postajući nula u slučaju kratkog spoja.

Zavisnost snaga P 1, P puna = EI i efikasnosti. izvor struje i jačina struje u kolu prikazani su na slici 1.

Fig.1. I 0 E/r

Iz grafikona je jasno da se dobije i korisna snaga i efikasnost. nemoguće. Kada snaga oslobođena u vanjskom dijelu kola P 1 dostigne svoju najveću vrijednost, efikasnost. u ovom trenutku iznosi 50%.

NAČIN I POSTUPAK MJERENJA

Sastavite kolo prikazano na slici na ekranu. 2. Da biste to uradili, prvo kliknite levim tasterom miša iznad dugmeta emf. na dnu ekrana. Pomerite marker miša na radni deo ekrana gde se nalaze tačke. Kliknite lijevom tipkom miša u radnom dijelu ekrana gdje će se nalaziti izvor emf.

Zatim postavite otpornik u seriju sa izvorom, koji predstavlja njegov unutrašnji otpor (prvo pritiskom na dugme na dnu ekrana) i ampermetar (dugme je na istom mestu). Zatim rasporedite otpornike opterećenja i voltmetar na isti način, mjereći napon na opterećenju.

Spojite spojne žice. Da biste to učinili, kliknite na žičanu tipku na dnu ekrana, a zatim pomaknite marker miša na radno područje kruga. Kliknite lijevom tipkom miša u područjima radne površine ekrana gdje bi se trebale nalaziti spojne žice.

4. Postavite vrijednosti parametara za svaki element. Da biste to uradili, kliknite levim tasterom miša na dugme sa strelicom. Zatim kliknite na ovaj element. Pomaknite marker miša na klizač regulatora koji se pojavi, kliknite na lijevu tipku miša i, držeći je pritisnutu, promijenite vrijednost parametra i podesite brojčanu vrijednost navedenu u tabeli 1 za svoju opciju.

Tabela 1. Početni parametri električnog kola

opcija

5. Podesite otpor spoljašnjeg kola na 2 Ohma, pritisnite dugme „Broj“ i zapišite očitanja električnih mernih instrumenata u odgovarajuće redove tabele 2.

6. Koristite klizač regulatora da dosljedno povećavate otpor vanjskog kola za 0,5 oma sa 2 oma na 20 oma i, pritiskom na tipku „Broj“, zabilježite očitanja električnih mjernih instrumenata u tabeli 2.

7. Izračunajte koristeći formule (2), (7), (8), (9) P 1, P 2, P ukupno i h za svaki par očitanja voltmetra i ampermetra i upišite izračunate vrijednosti u tablicu 2.

8. Konstruirajte na jednom listu milimetarskog papira grafove zavisnosti P 1 = f (R), P 2 = f (R), P total = f (R), h = f (R) i U = f (R) .

9. Izračunajte greške mjerenja i izvedite zaključke na osnovu rezultata eksperimenata.

Tabela 2. Rezultati mjerenja i proračuna

P puna, VT

Pitanja i zadaci za samokontrolu

1. Napišite Joule-Lenzov zakon u integralnom i diferencijalnom obliku.
2. Šta je struja kratkog spoja?
3. Šta je bruto snaga?
4. Kako se izračunava efikasnost? trenutni izvor?
5. Dokažite da se najveća korisna snaga oslobađa kada su vanjski i unutrašnji otpori kola jednaki.
6. Da li je tačno da je snaga koja se oslobađa u unutrašnjem delu kola konstantna za dati izvor?
7. Na terminale baterije baterijske lampe spojen je voltmetar koji je pokazivao 3,5 V.
8. Zatim je voltmetar isključen i na njegovo mjesto spojena je lampa na čijem postolju je pisalo: P = 30 W, U = 3,5 V. Lampa nije izgorjela.
9. Objasnite fenomen.
10. Kada je baterija naizmjenično kratko spojena na otpore R1 i R2, u njima se istovremeno oslobađa jednaka količina topline. Odredite unutrašnji otpor baterije.

Snaga koju razvija strujni izvor u cijelom kolu naziva se puna snaga.

Određuje se formulom

gdje je P rev ukupna snaga koju razvija strujni izvor u cijelom kolu, W;

E-uh. d.s. izvor, u;

I je veličina struje u kolu, a.

Općenito, električni krug se sastoji od vanjskog dijela (opterećenja) s otporom R i unutrašnji dio sa otporom R0(otpor izvora struje).

Zamjena vrijednosti e u izrazu za ukupnu snagu. d.s. kroz napone na dijelovima kola, dobijamo

Magnituda UI odgovara snazi ​​razvijenoj na vanjskom dijelu kola (opterećenju), i naziva se korisna snaga P sprat =UI.

Magnituda U o I odgovara snazi ​​koja se beskorisno troši unutar izvora, zove se gubitak snage P o =U o I.

Dakle, ukupna snaga je jednaka zbroju korisne snage i snage gubitka P ob =P sprat +P 0.

Odnos korisne snage i ukupne snage koju razvija izvor naziva se efikasnost, skraćeno efikasnost i označava se sa η.

Iz definicije slijedi

Pod bilo kojim uslovima, efikasnost η ≤ 1.

Ako snagu izrazimo kroz struju i otpor dijelova kola, dobićemo

Dakle, efikasnost zavisi od odnosa između unutrašnjeg otpora izvora i otpora potrošača.

Obično se električna efikasnost izražava u postocima.

Za praktičnu elektrotehniku, dva su pitanja od posebnog interesa:

1. Uslov za dobijanje najveće korisne snage

2. Uslov za postizanje najveće efikasnosti.

Uslov za dobijanje najveće korisne snage (snaga u opterećenju)

Električna struja razvija najveću korisnu snagu (snagu na opterećenju) ako je otpor opterećenja jednak otporu izvora struje.

Ova maksimalna snaga jednaka je polovini ukupne snage (50%) koju razvija strujni izvor u cijelom kolu.

Polovina snage se razvija na opterećenju, a polovina se razvija na unutrašnjem otporu izvora struje.

Ako smanjimo otpor opterećenja, tada će se snaga razvijena na opterećenju smanjiti, a snaga razvijena na unutrašnjem otporu izvora struje će se povećati.

Ako je otpor opterećenja nula, tada će struja u krugu biti maksimalna, to jest način kratkog spoja (kratki spoj) . Gotovo sva snaga će se razviti na unutrašnjem otporu izvora struje. Ovaj način rada je opasan za izvor struje, a također i za cijeli krug.

Ako povećamo otpor opterećenja, struja u krugu će se smanjiti, a snaga na opterećenju će se također smanjiti. Ako je otpor opterećenja vrlo visok, u strujnom krugu uopće neće biti struje. Ovaj otpor se naziva beskonačno velikim. Ako je strujni krug otvoren, njegov otpor je beskonačno velik. Ovaj način rada se zove režim mirovanja.

Dakle, u režimima bliskim kratkom spoju i praznom hodu, korisna snaga je u prvom slučaju mala zbog niskog napona, au drugom zbog niske struje.

Uslov za postizanje najveće efikasnosti

Faktor efikasnosti (efikasnost) je 100% u praznom hodu (u ovom slučaju se ne oslobađa korisna snaga, ali se u isto vrijeme izvorna snaga ne troši).

Kako se struja opterećenja povećava, efikasnost se smanjuje prema linearnom zakonu.

U režimu kratkog spoja, efikasnost je nula (nema korisne snage, a snaga koju razvija izvor u potpunosti se troši unutar nje).

Sumirajući gore navedeno, možemo izvući zaključke.

Uslov za postizanje maksimalne korisne snage (R = R 0) i uslov za postizanje maksimalne efikasnosti (R = ∞) se ne poklapaju. Štaviše, kada dobijete maksimalnu korisnu snagu iz izvora (režim usklađenog opterećenja), efikasnost je 50%, tj. polovina snage koju razvija izvor troši se unutar njega.

U snažnim električnim instalacijama, usklađeni način opterećenja je neprihvatljiv, jer to rezultira rasipnim trošenjem velikih snaga. Stoga su za električne stanice i trafostanice načini rada generatora, transformatora i ispravljača proračunati tako da se osigura visoka efikasnost (90% ili više).

Situacija je drugačija kod slabe trenutne tehnologije. Uzmimo, na primjer, telefonski aparat. Kada govorite ispred mikrofona, u strujnom kolu uređaja stvara se električni signal snage oko 2 mW. Očigledno, da bi se postigao najveći komunikacijski domet, potrebno je prenijeti što je moguće više snage u liniju, a za to je potreban koordiniran režim prebacivanja opterećenja. Da li je efikasnost bitna u ovom slučaju? Naravno da ne, jer se gubici energije računaju u frakcijama ili jedinicama milivata.

Način usklađenog opterećenja se koristi u radio opremi. U slučaju kada nije osiguran koordiniran način rada kada su generator i opterećenje direktno povezani, koriste se mjere za usklađivanje njihovih otpora.

Snaga tehničke opreme ili elektrana (uređaja, jedinica) koje oni isporučuju za obavljanje radova navedena je u njihovim tehničkim karakteristikama. Ali to ne znači da se sve koristi za namjeravanu svrhu za postizanje rezultata. Za obavljanje posla koristi se samo korisna snaga.

Definicija i formula korisne snage

Vrijedi razmotriti koncept korisne snage i formulu na primjeru električnog kruga. Snaga koju izvor napajanja (PS), posebno struja, razvija u zatvorenom kolu bit će ukupna snaga.

Kolo uključuje: izvor struje sa EMF (E), eksterno kolo sa opterećenjem R i unutrašnje kolo izvora napajanja čiji je otpor R0. Formula za ukupnu (ukupnu) snagu je:

Ovdje je I vrijednost struje koja prolazi kroz kolo (A), a E je vrijednost emf (B).

Pažnja! Pad napona u svakoj sekciji će biti jednak U i U0, respektivno.

Dakle, formula će poprimiti oblik:

Ptotal = E*I = (U + U0) *I = U*I + U0*I.

Može se vidjeti da je vrijednost proizvoda U*I jednaka snazi ​​koju izvor dovodi do opterećenja i odgovara korisnoj snazi ​​Ppol.

Vrijednost jednaka proizvodu U0*I odgovara snazi ​​koja se gubi unutar izvora napajanja za grijanje i savladavanje unutrašnjeg otpora R0. Ovo je gubitak snage P0.

Vrijednosti koje su zamijenjene u formulu pokazuju da zbir korisne i izgubljene snage čini ukupnu snagu IP-a:

Ptotal=Pkat+P0.

Važno! Prilikom rada bilo kojeg aparata (mehaničkog ili električnog), korisna snaga će biti ona koja ostaje za obavljanje potrebnog rada nakon savladavanja faktora koji uzrokuju gubitke (zagrijavanje, trenje, suprotstavljene sile).

Parametri napajanja

U praksi često morate razmišljati kolika bi trebala biti snaga izvora struje, koliko wata (W) ili kilovata (kW) je potrebno da bi se osigurao nesmetan rad uređaja. Da biste razumjeli suštinu, morate razumjeti koncepte koji se koriste u fizici kao što su:

• ukupna energija kola;
• EMF i napon;
• unutrašnji otpor napajanja;
• gubici kod individualnog preduzetnika;
• korisna snaga.

Bez obzira koju vrstu energije izvor proizvodi (mehaničku, električnu, toplinsku), njegovu snagu treba odabrati s malom marginom (5-10%).

Ukupna energija kola

Kada je opterećenje priključeno na kolo, koje će trošiti energiju iz izvora struje (IT), struja će obaviti posao. Energija koju oslobađaju svi potrošači i elementi kola uključeni u kolo (žice, elektronske komponente, itd.) naziva se ukupna energija. Izvor energije može biti bilo koji: generator, baterija, termo kotao. Ukupna energetska vrijednost bit će zbir energije koju izvor potroši na gubitke i količine utrošene na obavljanje određenog posla.

EMF i napon

Koja je razlika između ova dva koncepta?

EMF je elektromotorna sila, to je napon koji vanjske sile (hemijska reakcija, elektromagnetna indukcija) stvaraju unutar izvora struje (IT). EMF je sila kretanja električnih naboja u IT.

FYI.Čini se da je moguće izmjeriti vrijednost E (EMF) samo u stanju mirovanja (idle). Spajanje bilo kojeg opterećenja uzrokuje gubitak napona unutar napajanja.

Napon (U) je fizička veličina koja predstavlja razliku potencijala ϕ1 i ϕ2 na izlazu izvora napona (VS).

Neto snaga

Definicija koncepta ukupne snage koristi se ne samo u odnosu na električna kola. Primjenjivo je i na elektromotore, transformatore i druge uređaje koji mogu trošiti i aktivne i reaktivne komponente energije.

Gubici unutar napajanja

Slični gubici se javljaju na unutrašnjem otporu mreže sa dva terminala. Za bateriju, ovo je otpor elektrolita za generator, ovo je otpor namotaja, čije žice izlaze iz kućišta.

Unutrašnji otpor napajanja

Nećete moći jednostavno izmjeriti R0 pomoću testera, svakako ga morate znati da biste izračunali gubitke P0. Stoga se koriste indirektne metode.

Indirektna metoda za određivanje R0 je sljedeća:

• u x.x modu mjera E (B);
• kada je opterećenje Rn (Ohm) uključeno, mjere se Uout (V) i struja I (A);
• Pad napona unutar izvora izračunava se pomoću formule:

U posljednjoj fazi, R0=U0/I je pronađen.

Odnos korisne snage i efikasnosti

Faktor efikasnosti (efikasnost) je bezdimenzionalna veličina, izražena numerički u procentima. Efikasnost je označena slovom η.

Formula izgleda ovako:

• A – koristan rad (energija);
• Q – potrošena energija.

Kako se efikasnost povećava u različitim motorima, dozvoljeno je izgraditi sljedeću liniju:

• elektromotor – do 98%;
• ICE – do 40%;
• parna turbina – do 30%.

U smislu snage, efikasnost je jednaka omjeru korisne snage i ukupne snage koju isporučuje izvor. U svakom slučaju, η ≤ 1.

Važno! Efikasnost i Ppol nisu ista stvar. U različitim procesima rada postižu maksimum jednog ili drugog.

Dobivanje maksimalne energije na izlazu IP

FYI. Da bi se povećala efikasnost dizalica, pumpi za ubrizgavanje ili motora aviona, potrebno je smanjiti sile trenja mehanizama ili otpor zraka. To se postiže upotrebom raznih maziva, ugradnjom ležajeva više klase (zamjena kliznih kotrljanjem), promjenom geometrije krila itd.

Maksimalna energija ili snaga na izlazu IP može se postići usklađivanjem otpora opterećenja Rn i unutrašnjeg otpora R0 IP. To znači da je Rn = R0. U ovom slučaju, efikasnost je 50%. Ovo je sasvim prihvatljivo za niskostrujna kola i radio uređaje.

Međutim, ova opcija nije prikladna za električne instalacije. Kako bi se izbjeglo trošenje velikih količina energije, način rada generatora, ispravljača, transformatora i elektromotora je takav da je efikasnost približava se 95% i više.

Postizanje maksimalne efikasnosti

Formula za efikasnost izvora struje je:

η = Pn/Ptotal = R/Rn+r,

• Pn – snaga opterećenja;
• Ptotal – ukupna snaga;
• R je ukupni otpor kola;
• Rn – otpor opterećenja;
• r – unutrašnji otpor IT-a.

Kao što se može vidjeti iz grafikona prikazanog na Sl. veća, snaga Pn teži nuli kako se struja u kolu smanjuje. Efikasnost će, zauzvrat, dostići svoju maksimalnu vrijednost kada je krug otvoren i struja je nula, ako postoji kratki spoj u krugu, ona će postati nula.

Ako pogledamo elementarni toplinski stroj koji se sastoji od klipa i cilindra, tada je njegov omjer kompresije jednak omjeru ekspanzije. Povećanje efikasnosti takvog motora moguće je ako:

• inicijalno visoki parametri: pritisak i temperatura radnog fluida prije početka ekspanzije;
• približavanje njihovih vrijednosti parametrima okoliša na kraju ekspanzije.

Postizanje ηmax moguće je samo uz najefikasniju promjenu pritiska radne komponente u rotacionom kretanju osovine.

FYI. Toplotna efikasnost se povećava sa povećanjem udjela topline dovedene u radni fluid, koji se pretvara u rad. Isporučena toplota se deli na dve vrste energije: unutrašnju u obliku temperature i energiju pritiska.

Mehanički rad, zapravo, obavlja samo druga vrsta energije. To dovodi do niza nedostataka koji usporavaju proces povećanja efikasnosti:

• dio pritiska ide u vanjsko okruženje;
• postizanje maksimalne efikasnosti je nemoguće bez povećanja procenta energije pritiska koja se koristi za pretvaranje u rad;
• nemoguće je povećati efikasnost toplotnih motora bez promene S površine primene pritiska i bez uklanjanja ove površine sa tačke rotacije;
• upotreba samo gasovitog radnog fluida ne doprinosi povećanju η toplotnih motora.

Da biste postigli visoku efikasnost toplotnog motora, potrebno je donijeti niz odluka. Tome doprinose sljedeći modeli uređaja:

• uvesti drugi radni fluid sa različitim fizičkim svojstvima u ciklus ekspanzije;
• maksimalno iskoristiti obje vrste energije radnog fluida prije ekspanzije;
• stvaraju dodatni radni fluid direktno tokom ekspanzije gasa.

Informacije. Sve modifikacije motora sa unutrašnjim sagorevanjem u vidu: turbopunjača, organizacije višestrukog ili distribuiranog ubrizgavanja, kao i povećanja vlažnosti vazduha, dovođenja goriva u stanje pare tokom ubrizgavanja, nisu dale opipljive rezultate u naglom povećanju efikasnost.

Efikasnost opterećenja

Bez obzira na snagu izvora, efikasnost električnih uređaja nikada neće biti 100%.

Izuzetak. Princip toplotne pumpe koji se koristi u radu frižidera i klima uređaja približava njihovu efikasnost 100%. Tu grijanje jednog radijatora dovodi do hlađenja drugog.

U suprotnom, energija se troši na vanjske efekte. Da biste smanjili ovaj trošak, morate obratiti pažnju na sljedeće faktore:

• pri uređenju rasvjete - o dizajnu svjetiljki, dizajnu reflektora i boji prostorija (reflektirajuća ili apsorbirajuća svjetlost);
• pri organizaciji grijanja - za toplinsku izolaciju toplinskih cijevi, ugradnju ispušnih uređaja za povrat topline, izolaciju zidova, stropova i podova, ugradnju visokokvalitetnih prozora s dvostrukim staklom;
• prilikom organiziranja električnih instalacija odaberite ispravnu marku i poprečni presjek vodiča prema budućem priključenom opterećenju;
• kod ugradnje elektromotora, transformatora i drugih AC potrošača - po vrijednosti cosϕ.

Smanjenje troškova gubitaka jasno dovodi do povećanja efikasnosti kada izvor energije obavlja rad na opterećenju.

Smanjenje uticaja faktora koji uzrokuju gubitak snage povećava procenat korisne snage potrebne za obavljanje posla. To je moguće identificiranjem uzroka gubitaka i njihovim otklanjanjem.

Video

8.5. Toplotni efekat struje

8.5.1. Struja izvora struje

Ukupna snaga izvora struje:

P ukupno = P korisni + P gubici,

gdje je P korisna - korisna snaga, P korisna = I 2 R; P gubici - gubici snage, P gubici = I 2 r; I - jačina struje u kolu; R - otpor opterećenja (vanjski krug); r je unutrašnji otpor izvora struje.

Ukupna snaga se može izračunati pomoću jedne od tri formule:

P pun = I 2 (R + r), P pun = ℰ 2 R + r, P pun = I ℰ,

gdje je ℰ elektromotorna sila (EMF) izvora struje.

Neto snaga- ovo je snaga koja se oslobađa u vanjskom kolu, tj. na opterećenje (otpornik), i može se koristiti u neke svrhe.

Neto snaga se može izračunati pomoću jedne od tri formule:

P korisno = I 2 R, P korisno = U 2 R, P korisno = IU,

gdje je I jačina struje u kolu; U je napon na stezaljkama (stezaljkama) izvora struje; R - otpor opterećenja (vanjski krug).

Gubitak snage je snaga koja se oslobađa u izvoru struje, tj. u unutrašnjem kolu, a troši se na procese koji se odvijaju u samom izvoru; Gubitak snage se ne može koristiti u druge svrhe.

Gubitak snage se obično izračunava pomoću formule

P gubici = I 2 r,

gdje je I jačina struje u kolu; r je unutrašnji otpor izvora struje.

Tokom kratkog spoja, korisna snaga ide na nulu

P korisno = 0,

budući da nema otpora opterećenja u slučaju kratkog spoja: R = 0.

Ukupna snaga tokom kratkog spoja izvora poklapa se sa snagom gubitka i izračunava se po formuli

P pun = ℰ 2 r,

gdje je ℰ elektromotorna sila (EMF) izvora struje; r je unutrašnji otpor izvora struje.

Korisnu snagu ima maksimalna vrijednost u slučaju kada je otpor opterećenja R jednak unutrašnjem otporu r izvora struje:

R = r.

Maksimalna korisna snaga:

P korisni max = 0,5 P pun,

gdje je Ptot ukupna snaga izvora struje;

P pun = ℰ 2 / 2 r. Eksplicitna formula za proračun maksimalna korisna snaga

izgleda ovako:

P korisni max = ℰ 2 4 r .

• ako se sa dva otpora opterećenja R 1 i R 2 ista korisna snaga oslobađa u kolu, tada unutrašnji otpor izvor struje r je povezan sa naznačenim otporima formulom

r = R 1 R 2 ;

• ako se maksimalna korisna snaga oslobodi u krugu, tada je struja I * u krugu polovina struje kratkog spoja i:

I * = i 2 .

Primjer 15. Kada je kratko spojena na otpor od 5,0 Ohma, baterija ćelija proizvodi struju od 2,0 A. Struja kratkog spoja baterije je 12 A. Izračunajte maksimalnu korisnu snagu baterije.

Rješenje . Hajde da analiziramo stanje problema.

1. Kada je baterija povezana na otpor R 1 = 5,0 Ohma, struja jačine I 1 = 2,0 A teče u kolu, kao što je prikazano na sl. a, određeno Ohmovim zakonom za kompletno kolo:

I 1 = ℰ R 1 + r,

gdje je ℰ - EMF izvora struje; r je unutrašnji otpor izvora struje.

2. Kada je baterija kratko spojena, struja kratkog spoja teče u kolu, kao što je prikazano na sl. b. Struja kratkog spoja određena je formulom

gdje je i struja kratkog spoja, i = 12 A.

3. Kada je baterija povezana na otpor R 2 = r, struja sile I 2 teče u kolu, kao što je prikazano na sl. u , određeno Ohmovim zakonom za kompletno kolo:

I 2 = ℰ R 2 + r = ℰ 2 r;

u ovom slučaju, maksimalna korisna snaga se oslobađa u krugu:

P korisni max = I 2 2 R 2 = I 2 2 r.

Dakle, da bi se izračunala maksimalna korisna snaga, potrebno je odrediti unutrašnji otpor izvora struje r i jačinu struje I 2.

Da bismo pronašli jačinu struje I 2, pišemo sistem jednačina:

i = ℰ r , I 2 = ℰ 2 r )

i podijelimo jednačine:

i I 2 = 2 .

Iz ovoga proizilazi:

I 2 = i 2 = 12 2 = 6,0 A.

Da bismo pronašli unutrašnji otpor izvora r, pišemo sistem jednačina:

I 1 = ℰ R 1 + r, i = ℰ r)

i podijelimo jednačine:

I 1 i = r R 1 + r .

Iz ovoga proizilazi:

r = I 1 R 1 i − I 1 = 2,0 ⋅ 5,0 12 − 2,0 = 1,0 Ohm.

Izračunajmo maksimalnu korisnu snagu:

P korisni max = I 2 2 r = 6,0 2 ⋅ 1,0 = 36 W.

Dakle, maksimalna upotrebljiva snaga baterije je 36 W.

Prilikom spajanja električnih uređaja na električnu mrežu, obično je bitna samo snaga i učinkovitost samog električnog uređaja. Ali kada koristite izvor struje u zatvorenom kolu, korisna snaga koju proizvodi je važna. Izvor može biti generator, akumulator, baterija ili elementi solarne elektrane. Ovo nije od fundamentalnog značaja za proračune.

Parametri napajanja

Prilikom spajanja električnih uređaja na napajanje i stvaranja zatvorenog kruga, osim energije P koju troši opterećenje, uzimaju se u obzir i sljedeći parametri:

• Rob. (ukupna snaga izvora struje) oslobođena u svim dijelovima kola;
• EMF je napon koji generiše baterija;
• P (neto snaga) koju troše svi dijelovi mreže, osim trenutnog izvora;
• Po (gubitak snage) potrošen unutar baterije ili generatora;
• unutrašnji otpor baterije;
• Efikasnost napajanja.

Pažnja! Ne treba brkati efikasnost izvora i opterećenja. Ako je koeficijent baterije u električnom uređaju visok, može biti nizak zbog gubitaka u žicama ili samom uređaju, i obrnuto.

Više o ovome.

Ukupna energija kola

Kada električna struja prolazi kroz strujni krug, stvara se toplina ili se obavlja drugi rad. Akumulator ili alternator nisu izuzetak. Energija koja se oslobađa na svim elementima, uključujući žice, naziva se ukupna. Izračunava se pomoću formule Rob.=Ro.+Rpol., gdje je:

• Rob. – puna snaga;
• Ro. – unutrašnji gubici;
• Rpol. – korisna snaga.

Pažnja! Koncept prividne snage koristi se ne samo u proračunima kompletnog kola, već iu proračunima elektromotora i drugih uređaja koji uz aktivnu energiju troše i reaktivnu energiju.

EMF ili elektromotorna sila je napon koji generiše izvor. Može se mjeriti samo u X.X modu. (u mirovanju). Kada je opterećenje priključeno i pojavi se struja, Uo se oduzima od EMF vrijednosti. – gubitak napona unutar uređaja za napajanje.

Neto snaga

Korisna je energija koja se oslobađa u cijelom krugu, osim za napajanje. Izračunava se po formuli:

1. “U” – napon na stezaljkama,
2. “I” – struja u kolu.

U situaciji u kojoj je otpor opterećenja jednak otporu izvora struje, on je maksimalan i jednak je 50% pune vrijednosti.

Kako se otpor opterećenja smanjuje, struja u krugu raste zajedno s unutarnjim gubicima, a napon nastavlja padati, a kada dostigne nulu, struja će biti maksimalna i ograničena samo Ro. Ovo je K.Z način rada. – kratki spoj. U ovom slučaju, energija gubitka je jednaka ukupnoj.

Kako otpor opterećenja raste, struja i unutrašnji gubici padaju, a napon raste. Kada se postigne beskonačno velika vrijednost (prekid mreže) i I=0, napon će biti jednak EMF-u. Ovo je X..X način rada. - broj obrtaja u praznom hodu.

Gubici unutar napajanja

Baterije, generatori i drugi uređaji imaju unutrašnji otpor. Kada struja teče kroz njih, oslobađa se energija gubitka. Izračunava se pomoću formule:

gdje je “Uo” pad napona unutar uređaja ili razlika između EMF i izlaznog napona.

Unutrašnji otpor napajanja

Za izračunavanje gubitaka Ro. morate znati unutrašnji otpor uređaja. Ovo je otpor namotaja generatora, elektrolita u bateriji ili iz drugih razloga. Nije uvijek moguće izmjeriti ga multimetrom. Moramo koristiti indirektne metode:

• kada je uređaj uključen u stanju mirovanja, mjeri se E (EMF);
• kada je opterećenje priključeno, Uout je određen. (izlazni napon) i struja I;
• Pad napona unutar uređaja izračunava se:

• unutrašnji otpor se izračunava:

Korisna energija P i efikasnost

U zavisnosti od specifičnih zadataka, potrebna je maksimalna korisna snaga P ili maksimalna efikasnost. Uslovi za to ne odgovaraju:

• P je maksimum pri R=Ro, sa efikasnošću = 50%;
• Efikasnost je 100% u H.H. modu, sa P = 0.

Dobivanje maksimalne energije na izlazu uređaja za napajanje

Maksimum P se postiže pod uslovom da su otpori R (opterećenje) i Ro (izvor električne energije) jednaki. U ovom slučaju, efikasnost = 50%. Ovo je režim „podudarnog opterećenja“.

Osim toga, moguće su dvije opcije:

• Otpor R opada, struja u kolu se povećava, a gubici napona Uo i Po unutar uređaja rastu. U režimu kratkog spoja (kratki spoj) otpor opterećenja je “0”, I i Po su maksimalni, a efikasnost je takođe 0%. Ovaj način rada je opasan za baterije i generatore, pa se ne koristi. Izuzetak su generatori za zavarivanje i automobilski akumulatori koji su praktički van upotrebe, koji pri pokretanju motora i uključivanju startera rade u režimu bliskom "kratkom spoju";
• Otpor opterećenja je veći od unutrašnjeg. U ovom slučaju, struja opterećenja i snaga P padaju, a sa beskonačno velikim otporom jednaki su "0". Ovo je način rada X.H. (u mirovanju). Unutrašnji gubici u režimu skoro C.H su veoma mali, a efikasnost je blizu 100%.

Shodno tome, „P” je maksimalno kada su unutrašnji i spoljašnji otpori jednaki, a minimalan je u ostalim slučajevima zbog velikih unutrašnjih gubitaka tokom kratkog spoja i niske struje u hladnom režimu.

Način maksimalne neto snage pri 50% efikasnosti se koristi u elektronici pri malim strujama. Na primjer, u telefonskom aparatu Pout. mikrofon - 2 miliwatt-a, i važno je da ga što više prebacite u mrežu, žrtvujući efikasnost.

Postizanje maksimalne efikasnosti

Maksimalna efikasnost se postiže u režimu H.H. zbog odsustva gubitaka snage unutar izvora Po napona. Kako struja opterećenja raste, efikasnost se linearno smanjuje u režimu kratkog spoja. je jednako “0”. Način maksimalne efikasnosti se koristi u generatorima u elektranama gdje usklađeno opterećenje, maksimalno korisno Po i 50% efikasnosti nisu primjenjivi zbog velikih gubitaka, koji čine polovicu ukupne energije.

Efikasnost opterećenja

Efikasnost električnih uređaja ne zavisi od baterije i nikada ne dostiže 100%. Izuzetak su klima uređaji i frižideri koji rade na principu toplotne pumpe: hlađenje jednog radijatora nastaje zagrevanjem drugog. Ako ne uzmete u obzir ovu tačku, efikasnost će biti iznad 100%.

Energija se troši ne samo na obavljanje korisnog rada, već i na grijanje žica, trenje i druge vrste gubitaka. Kod lampi, pored efikasnosti same lampe, treba obratiti pažnju i na dizajn reflektora, kod grejača vazduha - na efikasnost grejanja prostorije, a kod elektromotora - na cos φ.

Poznavanje korisne snage elementa napajanja neophodno je za izvođenje proračuna. Bez toga je nemoguće postići maksimalnu efikasnost čitavog sistema.

Video