Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Если вы приняли точку зрения, согласно которой вольтметры измеряют энергию, передаваемую единицей заряда, т. е. что каждый вольт равен отношению джоуль/кулон, то можно перейти к двум важным вопросам: к расчету мощности и экспериментальному исследованию «закона Ома».

Мощность

Если, накопив достаточно опыта в электротехнике, вы окончательно удостоверились в том, что напряжение — это действительно энергия, передаваемая единицей заряда, то вы можете приступить к изучению проблемы электроснабжения. С этой целью предлагаем вам проработать следующие задачи:

Задача 13. Расчет мощности

Предположим, что амперметр, включенный в цепь лампочки, показывает силу тока 3 а. Лампочка подключена к сети 120 в.

Вопросы:

а) Какое количество энергии рассеивается лампочкой в виде тепла и излучения за 10 сек [21]?

б) Какую мощность «потребляет» лампочка, т. е. насколько быстро лампочка преобразует электрическую анергию в тепловую и др.?

Ответы:

а) 1. Сила тока равна 3 а. ЭТО ЗНАЧИТ, ЧТО КАЖДУЮ СЕКУНДУ ЧЕРЕЗ ЛАМПОЧКУ ПРОХОДИТ 3 КУЛОНА.

Следовательно, за 10 сек через лампочку проходит заряд, равный ___∙___ (единицы)

2. Напряжение на лампочке равно 120 в. ЭТО ЗНАЧИТ, ЧТО КАЖДЫЙ КУЛОН, ПРОХОДЯЩИЙ ЧЕРЕЗ ЛАМПОЧКУ, ОТДАЕТ 120 дж (лампочке). (Иначе говоря, в лампочке на каждый кулон преобразуется 120 дж из электрической энергии в тепловую и др.)

Объединяя данные, содержащиеся в пунктах 1 и 2, получаем, что

ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛИВШАЯСЯ за 10 сек =

= (___∙___)∙(___∙___ (единицы)) =

= ______∙______ (единицы)

б) МОЩНОСТЬ = СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ = ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ / Время

= ___∙___ (единицы)

Но для единицы дж/сек принято сокращенное наименование «ватт».

Следовательно, мощность… = ___∙___ (новые единицы).

Задача 14. Мощность

Автомобильная лампочка, подсоединенная толстым проводом к 6-вольтовому аккумулятору, потребляет 12 а. Вычислите потребляемую мощность в ваттах, используя видоизмененную форму записи ответа предыдущей задачи.

Задача 15. Мощность

Электромотор потребляет от 100-вольтового источника питания ток величиной 20 а. Три четверти мощности идет на поднятие груза. Оставшаяся четверть теряется в виде тепла в моторе.

Вопросы:

а) Вычислите полезную мощность.

б) Часто мощность электромотора указывают в лошадиных силах.

Подсчитайте приближенно мощность этого электромотора в л. с., имея в виду его полезную мощность.

в) С какой скоростью поднимается вверх груз 50 кг?

г) Предположим, что для поднятия того же груза используются источник питания с напряжением 1000 в и электромотор, работающий не от 100 в, а от 1000 в. Какой ток потреблял бы новый мотор и почему? (Предполагается, что речь идет о подъеме точно такого же пятидесятикилограммового груза с такой же скоростью; коэффициент полезного действия нового мотора также равен 75 %.)

д) Какими, по вашему мнению, преимуществами и недостатками должна обладать система с напряжением 1000 в по сравнению со 100-вольтовой? A л. с. равна 746 вт, или приблизительно 3/ 4киловатта. Примите 1 кет равным 4/ 3л. с., а 1 л. с. — 75 кГм/сек.)

Ответы:

а) СИЛА ТОКА равна 20 а. ЭТО ЗНАЧИТ, ЧТО…

НАПРЯЖЕНИЕ равно 100 в. ЭТО ЗНАЧИТ, ЧТО…

Следовательно, энергия, выделяющаяся за каждую секунду, равна…

Поэтому МОЩНОСТЬ равна ___∙___ (единицы)

ПОЛЕЗНАЯ МОЩНОСТЬ равна ___∙___ (единицы)

б) Учитывая полезную мощность, величина мощности мотора должна быть близкой к ___ л. с.

в) Согласно б) , ПОЛЕЗНАЯ МОЩНОСТЬ = ___ = л. с. = ___ кГм/сек.

Действующая СИЛА должна быть равна 50 кГ, и если груз поднимается со СКОРОСТЬЮ X м/сек, то мощность (выраженная через X ) равна ___ кГм/сек.

Следовательно, значение ___ должно быть таким же, как ___ кГм/сек. Поэтому СКОРОСТЬ ГРУЗА X должна быть равна… ___ м/сек. П. п. г) и д). См. вопросы.

Алгебраическая формула для мощности

Вместо того чтобы повторять подробные выкладки с амперами и вольтами в каждой задаче, можно выбрать раз и навсегда символы, записать с их помощью решение этих задач и получить выражение, позволяющее определить мощность в каждом случае. Если этот путь кажется вам разумным, если вы считаете, что он дает экономию времени, то действуйте и пользуйтесь полученным результатом. (Не заучивайте его как формулу, позволяющую быстро получить правильный ответ на экзамене, ибо на экзамене, если он разумно проводится, вас спросят, откуда следует формула!)

ЗАДАЧА

Лампочка (или электромотор, или какой-нибудь другой прибор) потребляет от источника питания с напряжением V в ток силы I а. Вычислите энергию, выделяющуюся за t сек, и потребляемую мощность.

ОТВЕТ

Сила тока равна I а. ЭТО ЗНАЧИТ, ЧТО ЗА КАЖДУЮ СЕКУНДУ ЧЕРЕЗ ЛАМПОЧКУ ПРОХОДИТ I КУЛОНОВ.

Поэтому за t сек через лампочку проходит заряд, равный I∙ tкулонам.

Напряжение равно V в. ЭТО ЗНАЧИТ, ЧТО КАЖДЫЙ КУЛОН, ПРОХОДЯЩИЙ ЧЕРЕЗ ЛАМПОЧКУ, ОТДАЕТ V ДЖ.

Итак, за t сек через лампочку проходит I∙ tкулонов, каждый из которых отдает V дж. Таким образом, энергия, выделившаяся за t сек, равна I∙ t∙V, или V∙ I∙ tдж.

МОЩНОСТЬ = ЭНЕРГИЯ, ОТДАННАЯ В ЦЕПИ В ЕДИНИЦУ ВРЕМЕНИ =

= ЭНЕРГИЯ, ОТДАННАЯ В ЦЕПИ / ВРЕМЯ =

= V∙ I∙ t/ t= V∙ Iдж/сек, или ватт.

Таким образом,

МОЩНОСТЬ = V∙ Iватт.

Задача 16. Линия электропередачи

Рассмотрим упрощенную модель линии электропередачи. Впоследствии мы дополним ее, чтобы приблизиться к реальной схеме, а пока нам важно познакомиться с постановкой задачи. На ферме имеется своя электростанция, которая снабжает энергией коттедж, удаленный от нее на некоторое расстояние. Коттедж потребляет силу тока 5 а. Ток идет от электростанции по медному проводу, укрепленному на столбах, проходит через лампочки накаливания в коттедже и течет обратно по такому же медному проводу, укрепленному на столбах. Вольтметр, подключенный в коттедже, показывает напряжение 100 в на каждой лампочке (и, следовательно, на подводящих проводах).

а) Вычислите мощность, которую потребляет коттедж.

б) Вычислите мощность, которую дает электростанция.

в) Где, по вашему мнению, расходуется разница в мощности б) — а) ?

В какой форме?

Фиг. 32 а . К задаче 16.

е) На фиг. 32 б изображена схема с двумя дополнительными вольтметрами V 1и V 2. Каковы их показания? (Чтобы ответить на этот вопрос, нужно проделать расчет, который потребует от вас внимания и должен сопровождаться объяснениями.)