Физика
Коэффициент полезного действия источника тока ( КПД ) определяется долей полезной мощности от полной мощности источника тока:
η = P полезн P полн ⋅ 100 % ,
где P полезн — полезная мощность источника тока (мощность, выделяющаяся во внешней цепи); P полн — полная мощность источника тока:
P полн = P полезн + P потерь ,
т.е. суммарная мощность, выделяющаяся во внешней цепи ( P полезн ) и в источнике тока ( P потерь ).
Коэффициент полезного действия источника тока (КПД) определяется долей полезной энергии от полной энергии, вырабатываемой источником тока:
η = E полезн E полн ⋅ 100 % ,
где E полезн — полезная энергия источника тока (энергия, выделяющаяся во внешней цепи); E полн — полная энергия источника тока:
E полн = E полезн + E потерь ,
Мощность разных устройств
По статистике, во время работы прибора теряется до 25% энергии. При функционировании двигателя внутреннего сгорания топливо сгорает частично. Небольшой процент вылетает в выхлопную трубу. При запуске бензиновый мотор греет себя и составные элементы. На потерю уходит до 35% от общей мощности.
При движении механизмов происходит трение. Для его ослабления используется смазка. Но она неспособна полностью устранить явление, поэтому затрачивается до 20% энергии. Пример на автомобиле: если расход составляет 10 литров топлива на 100 км, на движение потребуется 2 л, а остаток, равный 8 л — потеря.
Если сравнивать КПД бензинового и дизельного моторов, полезная мощность первого механизма равна 25%, а второго — 40%. Агрегаты схожи между собой, но у них разные виды смесеобразования:
- Поршни бензинового мотора функционируют на высоких температурах, поэтому нуждаются в хорошем охлаждении. Тепло, которое могло бы перейти в механическую энергию, тратится впустую, что способствует снижению КПД.
- В цепи дизельного устройства топливо воспламеняется в процессе сжатия. На основе данного фактора можно сделать вывод, что давление в цилиндрах высокое, при этом мотор экологичнее и меньше первого аналога. Если проверить КПД при низком функционировании и большом объёме, результат превысит 50%.
Мощность источника тока и внутреннее сопротивление
Пусть рассматривается простая схема, в которой аккумулятор имеет ЭДС Е и внутреннее сопротивление r и подает ток I на внешний резистор сопротивлением R. Внешний резистор может быть любой активной нагрузкой. Основной целью схемы является передача энергии от батареи к нагрузке, где она делает что-то полезное, например, идет на освещение помещения.
Можно вывести зависимость полезной мощности от сопротивления:
- Эквивалентное сопротивление схемы – R + r (так как сопротивление нагрузки включено последовательно с внешней нагрузкой);
- Ток, протекающий в цепи, будет определяться выражением:
- Выходная мощность ЭДС:
Рвых. = E x I = E²/(R + r);
- Мощность, рассеиваемая как тепло, при внутреннем сопротивлении батареи:
Pr = I² x r = E² x r/(R + r)²;
- Мощность, передаваемая нагрузке:
P(R) = I² x R = E² x R/(R + r)²;
Таким образом, часть выходной энергии батареи сразу теряется из-за рассеивания тепла на внутреннем сопротивлении.
Теперь можно построить график зависимости P(R) от R и выяснить, при какой нагрузке полезная мощность примет максимальное значение. При анализе функции на экстремум выясняется, что при увеличении R будет монотонно возрастать и P(R) до того пункта, когда R не сравняется с r. В этой точке полезная мощность будет максимальной, а затем начинает монотонно уменьшаться при дальнейшем увеличении R.
P(R)max = E²/4r, когда R = r. При этом I = E/2r.
Важно! Это очень значимый результат в электротехнике. Передача энергии между источником питания и внешней нагрузкой наиболее эффективна, когда сопротивление нагрузки соответствует внутреннему сопротивлению источника тока
Если сопротивление нагрузки слишком велико, то ток, протекающий по цепи мал, чтобы передавать энергию на нагрузку с заметной скоростью. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, то большая часть выходной энергии рассеивается как тепло внутри самого ИП.
Графики зависимости мощности и КПД от сопротивления
Это условие получило название согласования. Одним из примеров соответствия сопротивления источника и внешней нагрузки является звуковой усилитель и громкоговоритель. Выходной импеданс Zout усилителя задается от 4 до 8 Ом, а номинальный входной импеданс динамика Zin только 8 Ом. Затем, если громкоговоритель 8 Ом будет подключен к выходу усилителя, он будет видеть динамик в качестве нагрузки 8 Ом. Подключение двух громкоговорителей на 8 Ом параллельно друг другу эквивалентно усилителю, работающему на одном громкоговорителе 4 Ом, и обе конфигурации находятся в пределах выходных характеристик усилителя.
Расчёт величины тока по мощности и напряжению
Для обеспечения безопасности при эксплуатации бытовых электроприборов необходимо верно вычислить сечение питающего кабеля и проводки. Поскольку ошибочно выбранное сечение жил кабеля способно привести к возгоранию проводки из-за короткого замыкания. Это грозит возникновением пожара в здании. Это также относится к выбору кабеля для подключения электрических двигателей.
Расчет тока
- От значения этой величины зависит выбор питающего кабеля (провода), по которому могут быть подключены приборы электропотребления к сети.
- Зная напряжение электрической сети и полную нагрузку электроприборов, можно по формуле вычислить силу тока, который потребуется пропускать по проводнику (проводу, кабелю). По его величине выбирают площадь сечения жил.
Если известны электропотребители в квартире или доме, необходимо выполнить несложные расчёты, чтобы правильно смонтировать схему электроснабжения.
Однофазная сеть напряжением 220 В
Сила тока I (в амперах, А) подсчитывается по формуле:
I = P / U,
где P – электрическая полная нагрузка (обязательно указывается в техническом паспорте устройства), Вт (ватт);
U – напряжение электрической сети, В (вольт).
Ниже в таблице представлены величины нагрузки типичных бытовых электроприборов и потребляемый ими ток (для напряжения 220 В).
| Электроприбор | Потребляемая мощность, Вт | Сила тока, А |
| Стиральная машина | 2000 – 2500 | 9,0 – 11,4 |
| Джакузи | 2000 – 2500 | 9,0 – 11,4 |
| Электроподогрев пола | 800 – 1400 | 3,6 – 6,4 |
| Стационарная электрическая плита | 4500 – 8500 | 20,5 – 38,6 |
| СВЧ печь | 900 – 1300 | 4,1 – 5,9 |
| Посудомоечная машина | 2000 — 2500 | 9,0 – 11,4 |
| Морозильники, холодильники | 140 — 300 | 0,6 – 1,4 |
| Мясорубка с электроприводом | 1100 — 1200 | 5,0 — 5,5 |
| Электрочайник | 1850 – 2000 | 8,4 – 9,0 |
| Электрическая кофеварка | 6з0 — 1200 | 3,0 – 5,5 |
| Соковыжималка | 240 — 360 | 1,1 – 1,6 |
| Тостер | 640 — 1100 | 2,9 — 5,0 |
| Миксер | 250 — 400 | 1,1 – 1,8 |
| Фен | 400 — 1600 | 1,8 – 7,3 |
| Утюг | 900 — 1700 | 4,1 – 7,7 |
| Пылесос | 680 — 1400 | 3,1 – 6,4 |
| Вентилятор | 250 — 400 | 1,0 – 1,8 |
| Телевизор | 125 — 180 | 0,6 – 0,8 |
| Радиоаппаратура | 70 — 100 | 0,3 – 0,5 |
| Приборы освещения | 20 — 100 | 0,1 – 0,4 |
На рисунке представлена схема устройства электроснабжения квартиры при однофазном подключении к сети напряжением 220 В.
Как видно из рисунка, различные потребители электроэнергии подключены через соответствующие автоматы к электросчётчику и далее общему автомату, который должен быть рассчитан на нагрузку приборов, которыми будет оборудована квартира. Провод, который подводит питание также должен удовлетворять нагрузке энергопотребителей.
Ниже приводится таблица для скрытой проводки при однофазной схеме подключения квартиры для подбора провода при напряжении 220 В
| Сечение жилы провода, мм2 | Диаметр жилы проводника, мм | Медные жилы | Алюминиевые жилы | ||
| Ток, А | Мощность, Вт | Ток, А | Мощность, кВт | ||
| 0,50 | 0,80 | 6 | 1300 | ||
| 0,75 | 0,98 | 10 | 2200 | ||
| 1,00 | 1,13 | 14 | 3100 | ||
| 1,50 | 1,38 | 15 | 3300 | 10 | 2200 |
| 2,00 | 1,60 | 19 | 4200 | 14 | 3100 |
| 2,50 | 1,78 | 21 | 4600 | 16 | 3500 |
| 4,00 | 2,26 | 27 | 5900 | 21 | 4600 |
| 6,00 | 2,76 | 34 | 7500 | 26 | 5700 |
| 10,00 | 3,57 | 50 | 11000 | 38 | 8400 |
| 16,00 | 4,51 | 80 | 17600 | 55 | 12100 |
| 25,00 | 5,64 | 100 | 22000 | 65 | 14300 |
Трёхфазная сеть напряжением 380 В
При трёхфазном электроснабжении сила тока I (в амперах, А) вычисляется по формуле:
I = P /1,73 U,
где P -потребляемая мощность, Вт;
U — напряжение в сети, В,
так как напряжение при трёхфазной схеме электроснабжения 380 В, формула примет вид:
I = P /657, 4.
В случае подведения к дому трёхфазного электроснабжения напряжением 380 В схема подключения будет выглядеть следующим образом.
Сечение жил в питающем кабеле при различной нагрузке при трёхфазной схеме напряжением 380 В для скрытой проводки представлена в таблице.
| Сечение жилы провода, мм2 | Диаметр жилы проводника, мм | Медные жилы | Алюминиевые жилы | ||
| Ток, А | Мощность, Вт | Ток, А | Мощность, кВт | ||
| 0,50 | 0,80 | 6 | 2250 | ||
| 0,75 | 0,98 | 10 | 3800 | ||
| 1,00 | 1,13 | 14 | 5300 | ||
| 1,50 | 1,38 | 15 | 5700 | 10 | 3800 |
| 2,00 | 1,60 | 19 | 7200 | 14 | 5300 |
| 2,50 | 1,78 | 21 | 7900 | 16 | 6000 |
| 4,00 | 2,26 | 27 | 10000 | 21 | 7900 |
| 6,00 | 2,76 | 34 | 12000 | 26 | 9800 |
| 10,00 | 3,57 | 50 | 19000 | 38 | 14000 |
| 16,00 | 4,51 | 80 | 30000 | 55 | 20000 |
| 25,00 | 5,64 | 100 | 38000 | 65 | 24000 |
Для расчёта тока в цепях питания нагрузки, характеризующейся большой реактивной полной мощностью, что характерно применению электроснабжения в промышленности:
- электрические двигатели;
- дроссели приборов освещения;
- сварочные трансформаторы,;
- индукционные печи.
На практике принято считать, что при подсчёте электрических нагрузок для бытовых целей запас мощности принимают 5%. В случае расчёта электрических сетей для промышленного производства запас мощности принимают 20%.
Это интересно: Санузел в деревянном доме – сделать туалет своими руками с канализацией — что важно знать
Мощность и коэффициент полезного действия электродвигателей
Электрические двигатели имеют высокий коэффициент полезного действия (КПД), но все же он далек от идеальных показателей, к которым продолжают стремиться конструкторы. Все дело в том, что при работе силового агрегата преобразование одного вида энергии в другой проходит с выделение теплоты и неминуемыми потерями. Рассеивание тепловой энергии можно зафиксировать в разных узлах двигателя любого типа. Потери мощности в электродвигателях являются следствием локальных потерь в обмотке, в стальных деталях и при механической работе. Вносят свой вклад, пусть и незначительный, дополнительные потери.
Расчет КПД.
Магнитные потери мощности
При перемагничивании в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя происходят магнитные потери. Их величина, состоящая из суммарных потерь вихревых токов и тех, что возникают при перемагничивании, зависят от частоты перемагничивания, значений магнитной индукции спинки и зубцов якоря. Немалую роль играет толщина листов используемой электротехнической стали, качество ее изоляции.
Механические и электрические потери
Механические потери при работе электродвигателя, как и магнитные, относятся к числу постоянных. Они складываются из потерь на трение подшипников, на трение щеток, на вентиляцию двигателя. Минимизировать механические потери позволяет использование современных материалов, эксплуатационные характеристики которых совершенствуются из года в год. В отличие от них электрические потери не являются постоянными и зависят от уровня нагрузки электродвигателя. Чаще всего они возникают вследствие нагрева щеток, щеточного контакта.
Падает коэффициент полезного действия (КПД) от потерь в обмотке якоря и цепи возбуждения. Механические и электрические потери вносят основной вклад в изменение эффективности работы двигателя.
Добавочные потери
Добавочные потери мощности в электродвигателях складываются из потерь, возникающих в уравнительных соединениях, из потерь из-за неравномерной индукции в стали якоря при высокой нагрузке. Вносят свой вклад в общую сумму добавочных потерь вихревые токи, а также потери в полюсных наконечниках. Точно определить все эти значения довольно сложно, поэтому их сумму принимают обычно равной в пределах 0,5-1%. Эти цифры используют при расчете общих потерь для определения КПД электродвигателя.
Будет интересно Закон Джоуля Ленца — самая полная теория
КПД и его зависимость от нагрузки
Коэффициент полезного действия (КПД) электрического двигателя это отношение полезной мощности силового агрегата к мощности потребляемой. Этот показатель у двигателей, мощностью до 100 кВт находится в пределах от 0,75 до 0,9. для более мощных силовых агрегатов КПД существенно выше: 0,9-0,97. Определив суммарные потери мощности в электродвигателях можно достаточно точно вычислить коэффициент полезного действия любого силового агрегата. Этот метод определения КПД называется косвенным и он может применяться для машин различной мощности.
Комментарий эксперта
Лагутин Виталий Сергеевич
Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.
Задать вопрос
Для маломощных силовых агрегатов часто используют метод непосредственной нагрузки, заключающийся в измерениях потребляемой двигателем мощности. КПД электрического двигателя не является величиной постоянной, своего максимума он достигает при нагрузках около 80% мощности.
Достигает он пикового значения быстро и уверенно, но после своего максимума начинает медленно уменьшаться. Это связывают с возрастанием электрических потерь при нагрузках, более 80% от номинальной мощности. Падение коэффициента полезного действия не велико, что позволяет говорить о высоких показателях эффективности электродвигателей в широком диапазоне мощностей.
Для чего нужен расчет КПД
Как рассчитать потребление электрической энергии Наглядный пример недостаточно эффективного устройства – классическая лампа накаливания. Пропускание тока через вольфрамовую спираль повышает температуру проводника. В рабочем режиме значительное количество потребляемой мощности расходуется на генерацию излучения. Однако к видимой части диапазона относится только небольшая часть спектра. Так как вырабатываемая теплота не выполняет полезного действия, соответствующие энергетические затраты следует узнавать по излишним.
Если выразить КПД через мощность в этом случае, следует одновременно учесть долговечность. Эта методика повышает точность оценки, так как подразумевает необходимость периодической замены испорченного излучателя.
В типовом рабочем режиме лампа накаливания нагревает нить до 2600-2800К. При таком значении срок службы составляет 900-1200 часов, КПД – от 5 до 7%. Увеличить эффективность в 2-5 раз можно повышением температуры до 3400-3600К. Однако в этом варианте долговечность уменьшается до 5-6 часов. Подобные практические характеристики нельзя признать удовлетворительными.
Сравнение эффективности и других параметров разных типов ламп
Эта таблица демонстрирует превосходство экономичных источников света. Срок службы современных светодиодов измеряется десятками тысяч часов. Даже на завершающих этапах рабочих циклов обеспечиваются высокая яркость и качественное распределение спектральных составляющих.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
Рис. 2.
Соберите на экране цепь, показанную на рис. 2. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши над кнопкой э.д.с. в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен источник э.д.с.
Разместите далее последовательно с источником резистор, изображающий его внутреннее сопротивление (нажав предварительно кнопку в нижней части экрана) и амперметр (кнопка там же). Затем расположите аналогичным образом резисторы нагрузки и вольтметр , измеряющий напряжение на нагрузке.
Подключите соединительные провода. Для этого нажмите кнопку провода внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши в местах рабочей зоны экрана, где должны находиться соединительные провода.
4. Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой . Затем щелкните на данном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте величину параметра и установите числовое значение, обозначенное в таблице 1 для вашего варианта.
Таблица 1. Исходные параметры электрической цепи
| Номер варианта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Е, В | 10,0 | 9,5 | 9,0 | 8,5 | 8,0 | 8,5 | 9,0 | 9,5 |
| r, Ом | 4,8 | 5,7 | 6,6 | 7,5 | 6,4 | 7,3 | 8,2 | 9,1 |
5. Установите сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажмите кнопку «Счёт» и запишите показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки таблицы 2.
6. Последовательно увеличивайте с помощью движка регулятора сопротивление внешней цепи на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом и, нажимая кнопку «Счёт», записывайте показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.
7. Вычислите по формулам (2), (7), (8), (9) Р1, Р2, Рполн и h для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и запишите рассчитанные значения в табл.2.
8. Постройте на одном листе миллиметровой бумаге графики зависимости P1 = f(R), P2 = f(R), Pполн=f(R), h = f (R) и U = f(R).
9. Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам проведённых опытов.
Таблица 2. Результаты измерений и расчётов
| R, Ом | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 20 | |
| U, В | |||||
| I, А | |||||
| P1, Вт | |||||
| P2, ВТ | |||||
| Pполн, ВТ | |||||
| h |
Измерения
Как показано выше, некоторые исходные данные можно получить в ходе практических измерений. Ниже отмечены особенности типовых специализированных приборов.
Прямые замеры
Ваттметры выпускают в разных модификациях для сетей ~220V и ~380V. Соответствующие коррекции делают в процессе выполнения рабочих операций. Следует подключать щупы с учетом инструкций производителя и соответствующего расположения проводников. Как правило, в конструкциях приборов применяют две катушки с параллельным и последовательным подсоединением к нагрузке. Для повышенной точности пользуются профессиональными приборами «лабораторной» категории.
Косвенные замеры
Эти операции выполняют с применением мультиметров. Измеряют сопротивление, ток и напряжение, после чего вычисляют мощность.
Фазометры
С помощью этих приборов измеряют фазовый сдвиг между несколькими электрическими параметрами. Таким аппаратом можно определить cos ϕ, если паспортное значение отсутствует в сопроводительных документах к оборудованию.
Регулирование cos
Отмеченное выше негативное влияние реактивных составляющих компенсируют специальными дополнениями в общую электрическую схему. Расчеты выполняют с применением представленных формул.
Что такое КПД ИТ
Как работает и как выбрать трансформатор тока
Когда речь идёт о кпд источника тока, также рассматривают полезную и полную работу, совершаемую двухполюсником. Перемещая электроны во внешней цепи, он выполняет полезную работу, двигая их по всей цепи, включая и свою внутреннюю, он производит полную работу.
В виде формул это выглядит так:
- А полезн. = q*U = I*U*t = I2*R*t;
- А полн. = q*ε = I* ε*t = I2*(R+r)*t.
где:
- q – количество энергии, Дж;
- U – напряжение, В;
- ε – ЭДС, В;
- I – ток, А;
- R – сопротивление нагрузки, Ом;
- r – импеданс источника, Ом;
- t – время, за которое совершается работа, с.
С учётом этого можно выразить мощности двухполюсника:
- Р полезн. = А полезн./t = I*U = I2*R;
- P полн. = А полн./t = I*ε = I2*(R+r).
Формула кпд источников тока имеет вид:
η = Р полезн./P полн.= U/ε = R/ R+r.
Методика и порядок измерений
Идеальные условия можно рассматривать только в теории. Для корректной оценки замкнутой системы необходимо учитывать энергетические потери на выполнение необходимой работы. Ниже показано, как определить КПД механических силовых агрегатов с применением разных исходных данных.
Движению поршня в блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания препятствует сила трения. Поступательно-возвратные движения в ходе стандартного цикла преобразуются во вращение вала с дополнительными потерями. Высокая температура не выполняет в данном случае полезные функции. Чтобы не допустить разрушения агрегата, необходимо поддерживать определенный тепловой режим. Приходится обеспечить циркуляцию охлаждающей жидкости с помощью помпы.
Понятно, что в подобном случае сделать общий КПД расчет с учетом каждого компонента конструкции непросто. Однако можно узнать в ходе эксперимента с высокой точностью, какое количество топлива (масса – m) придется затратить на 100 км пробега машины за соответствующее время (t). Далее нужно взять из сопроводительной документации (справочников) следующие данные:
- мощность мотора – Рм;
- удельную теплоту бензина – У.
В этом варианте для расчета КПД двигателя формула преобразуется следующим образом:
η = (Pм * t) / (У * m).
Для отображения результата в % итоговое значение умножают на 100.
Если мощность силового агрегата не известна, определять эффективность можно по массе авто (Mа). Измерять ее несложно с помощью промышленных весов (на станции техосмотра, элеваторе). В ходе эксперимента разгоняются с места до контрольной скорости (v). Массу топлива вычисляют по объему (переведенному из литров в м кв.), который умножают на плотность (справочная величина в кг на куб. м).
В этом случае КПД расчет находят по формуле:
η = (Mа * v2)/(2 * У * m).
Следует перевести предварительно скорость из км/час в м/с.
Проще измеряется эффективность электродвигателя с паспортной мощностью (P). Его подключают к источнику питания с известным напряжением (U). После выхода на стабильную частоту вращения фиксируют значение тока (I) в цепи. Далее применяют классическую формулу:
η = P/ (U * I).
Если сопроводительная документация отсутствует, технические параметры берут с официального сайта производителя. Однако и в этом случае следует понимать ограниченную точность подобных данных. В процессе эксплуатации характеристики могут ухудшиться за счет естественного износа. Погрешность увеличивается после длительной интенсивной эксплуатации, при подключении редуктора или другого переходного устройства.
Значительно улучшить точность можно с применением простой методики:
- устанавливают на вал шкив с закрепленным тросом;
- поднимают на контрольную высоту (h) груз c массой m;
- секундомером фиксируют время (t) на выполнение этой работы;
- мультиметром измеряют напряжение (U) и силу тока (I) на клеммах источника питания и в разрыве цепи, соответственно.
Для нахождения КПД в физике формула выглядит следующим образом:
η = (m * h * g)/(I * U * t),
где g – это гравитационная постоянная (9,80665).
Эффективность любого силового агрегата определяют по соотношению полезной работы к расходованной энергии. Чтобы корректно определять класс техники, пользуются переводом в проценты. Следует подчеркнуть, что значение больше 100% обозначает ошибку в расчетах. Создатель подобного агрегата станет «властелином мира», так как изобретет вечный двигатель.
Решение примеров
Задача 1. Поезд на скорости 54 км/ч развивает мощность 720 кВт. Нужно вычислить силу тяги силовых агрегатов. Решение: чтобы найти мощность, используется формула N=F x v. Если перевести скорость в единицу СИ, получится 15 м/с. Подставив данные в уравнение, определяется, что F равно 48 kН.
Задача 2. Масса транспортного средства соответствует 2200 кг. Машина, поднимаясь в гору под уклоном в 0,018, проходит расстояние 100 м. Скорость развивается до 32,4 км/ч, а коэффициент трения соответствует 0,04. Нужно определить среднюю мощность авто при движении. Решение: вычисляется средняя скорость — v/2. Чтобы определить силу тяги мотора, выполняется рисунок, на котором отображаются силы, воздействующие на машину:
- тяжесть — mg;
- реакция опоры — N;
- трение — Ftr;
- тяга — F.
Первая величина вычисляется по второму закону Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для ускорения используется уравнение a=v2/2S. Если подставить последние значение и воспользоваться cos, получится средняя мощность. Так как ускорение считается постоянной величиной и равно 9,8 м/с2, поэтому v= 9 м/с. Подставив данные в первую формулу, получится: N= 9,5 kBt.
При решении сложных задач по физике рекомендуется проверить соответствие предоставленных в условиях единиц измерения с международными стандартами. Если они отличаются, необходимости перевести данные с учётом СИ.
https://youtube.com/watch?v=B0rBgKtPEZg
Что такое источник тока
Это устройство или элемент, в общем понимании – двухполюсник, у которого проходящий через него ток не зависит от величины напряжения на полюсах. Основные характеристики источника тока (ИТ):
- величина;
- внутренняя проводимость (импеданс).
Внутреннее сопротивление такого двухполюсника очень мало. У идеального источника (ИИТ) оно приближается к нулю.
Графическое обозначение и вольт-амперная характеристика (ВАХ) ИТ
Генераторы движения электронов могут быть как независимыми, так и зависимыми.
Первые представляют собой идеальный двухполюсник, с двумя зажимами. У них ток, движущийся от одного зажима к другому, не зависит от формы и величины разности потенциалов на зажимах. Его изменения происходят по своим законам.
Второй тип ИТ – идеальный двухполюсник, с двумя зажимами, у которого движение зарядов от одного зажима к другому зависит от формы и величины напряжения на этих зажимах.
Существует управляемый зависимый ИТ. Он представляет собой идеальный двухполюсник, имеющий 2 зажима на входе и 2 зажима на выходе. Его особенность в том, что выходное значение тока на выходе зависит от его величины на входе. В таком ИТ происходит усиление мощности. Изменяя нулевое значение мощности на его входе, управляют величину мощности на выходных зажимах.
Информация. Управление производителем энергии может осуществляться напряжением (ИТУН) или током (ИТУТ). Одни находят применение для полевых триодов и электровакуумных ламп, вторые – для транзисторов биполярного типа.
В реальности генераторы тока имеют определённые ограничения по напряжению. Они далеки от идеальных ИТ и создают движение электричества в таком интервале напряжений, где их верхняя граница зависит от Uпит ИТ. Следовательно, у реального источника тока есть существенные пределы по нагрузке.
КПД теплового двигателя
Максимальным КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах нагревателя T1 и холодильника T2, характеризуются тепловые двигатели, работающие по циклу Карно. В этом случае максимальный КПД составляет:
ηk = T1-T2 T1, где
T1 — это температура нагревателя,
T2 — температура холодильника.
Цикл Карно строится на четырех обратимых процессах, два из них основаны на постоянной температуре (изотермические), а два — на постоянной энтропии (адиабатные).
Суть изометрического расширения строится на том, что в начале работы рабочее тело имеет температуру нагревателя. Когда рабочее тело расширяется, то его температура не падает благодаря передаче от нагревателя. Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что расширение осуществляется изотермически, то есть при постоянной температуре. За счет этого объем рабочего тела, которое осуществляет механическую работу, можно увеличить. Мощность энергии при этом возрастает.
Адиабатическое расширение в свою очередь представляет рассоединение рабочего тела от нагревателя. При этом теплообмен с окружающей средой продолжает расширяться. Ключевым моментом является тот факт, что температура тела уменьшается до температуры холодильника. В подобных случаях тело осуществляет механическую работу, а энтропия остается неизменной.
Изометрическое сжатие — это когда рабочее тело приводится в контакт с холодильником и от этого, под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты, начинает изотермически сжиматься. Над телом совершается работа, и его энтропия уменьшается.
Суть адиабатического сжатия заключается в том, что рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остается постоянной.
Ниже визуально представлена вся суть цикла Карно:
По закону сохранения энергии и по причине энергетических потерь, которые невозможно устранить, КПД реальных систем в любом случае меньше, чем единица. Таким образом, отсутствует возможность получить полезной работы больше или столько, сколько затрачено энергии. Наглядным примером является расход топлива. Например, из 100 л. только 40 л. выполняют полезную работу, а 60 затрачивается впустую на преодоление различного рода препятствия.
Что касается закона сохранения энергии в пределах одного пространства энергия не может исчезнуть или появиться ниоткуда. В данном случае она из одной формы переходит в другую.
КПД котлов, которые функционируют на топливе органического происхождения, определяют в зависимости от низшей теплоты сгорания. При этом предполагается, что влага продуктов сгорания удаляется из котла в виде перегретого пара. В конденсационных котлах эта влага переходит в конденсат, а теплота конденсации полезно используется.
При расчете КПД по низшей теплоте сгорания показатель может составлять больше единицы. В данном случае целесообразно проводить расчеты по высшей теплоте сгорания с учетом теплоты конденсации пара. Но в этом случае характеристики рассматриваемого котла сложно сопоставить с параметрами других установок.
Преимуществом тепловых насосов, как нагревательной техники, является возможность получать больше теплоты, чем расходуется энергии на совершение ими работы. Холодильная машина способна отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается энергии на организацию процесса. В качестве показателя эффективности машин применяют холодильный коэффициент:
Q2А = Q2 Q1-Q2
где Q — тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность);
A — работа или электрическая энергия, которую тратят в процессе.
В случае тепловых насосов применимо понятие коэффициента трансформации:
η = Q1А= Q1Q1-Q2, где
Q — тепло конденсации, которое передается теплоносителю;
A — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).
При рассмотрении идеальной машины:
η = Q1-Q2Q1 = T1-T2T1, где
T1 — температура нагревателя,
T2 — температура холодильника.
Таким образом, максимально высокой производительностью отличаются холодильные машины, функционирующие на обратном цикле Карно.
Данная величина не ограничена в значении. К этой характеристике достаточно сложно приблизиться на практике. Допустимо значение холодильного коэффициента больше единицы, что не противоречит первому началу термодинамики, так как, кроме учитываемой энергии A, в тепло Q идет и энергия, отбираемая от холодного источника.
Ватт в ватте?
Единица мощности – ватт. Обычно мы видим, сколько ватт может обеспечить блок питания, на его этикетке. Большинство ПК уже имеют встроенный блок питания, поэтому при покупке нового компьютера это не проблема. Однако, если вы обновили или добавили новые компоненты к своим компьютерам, например, новый жесткий диск или новую систему охлаждения, то пора проверить мощность, которую может обеспечить блок питания вашего компьютера. Если общая мощность, необходимая компьютеру, больше, чем может обеспечить блок питания, он просто не будет работать. Теперь возникает вопрос: «Сколько ватт нужно моему компьютеру?» Это будет зависеть от общего количества энергии, необходимой компьютеру, в зависимости от мощности, необходимой каждому компоненту. Простые компьютеры на самом деле не требуют такой большой мощности, но сложные системы, например, используемые для игр,
Читать Ядра против потоков — в чем основные различия
Еще один непонятный вопрос для большинства потребителей: «Обеспечивает ли блок питания компьютер постоянную мощность?» Ответ – нет. Мощность, которую вы видите на корпусе блока питания или этикетках, указывает только на максимальную мощность, которую он теоретически может подать в систему. Например, теоретически блок питания мощностью 500 Вт может подавать на компьютер максимум 500 Вт. На самом деле, блок питания потребляет небольшую часть энергии для себя и распределяет мощность по каждому из компонентов ПК в соответствии со своими потребностями. Мощность, необходимая для компонентов, варьируется от 3,3 В до 12 В. Если общая мощность компонентов должна увеличиться до 250 Вт, он будет использовать только 250 Вт из 500 Вт, что даст вам накладные расходы на дополнительные компоненты или будущие обновления.
Кроме того, мощность, подаваемая блоком питания, варьируется в периоды пиковой нагрузки и простоя. Когда компоненты доведены до предела, например, когда видеоредактор максимизирует графический процессор для задач с большим количеством графики, ему потребуется больше энергии, чем когда компьютер используется для простых задач, таких как просмотр веб-страниц. Количество потребляемой мощности блока питания будет зависеть от двух вещей; количество энергии, необходимое для каждого компонента, и задачи, которые выполняет каждый компонент.
Исследование мощности и КПД генератора тока
Схема стабилизатора тока на полевом транзисторе
Максимальная полезная Pmax и максимальный КПДmax – несовместимые понятия. Нельзя добиться максимального КПД источника при максимальной мощности. Это обусловлено тем, что Р, отдаваемая двухполюсником, достигнет своего максимального значения только при условии согласования сопротивления нагрузки и внутреннего импеданса ИТ:
R = r.
В этом случае КПД источника будет:
η = R/ R+r = r/ r+r = 1/2, что составляет всего 50%.
Для согласования двухполюсника и нагрузки применяют электронные схемы или согласующие блоки, для того чтобы добиться максимального отбора мощности от источника.
