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

г) Какое общее утверждение можно сделать относительно разности электрических потенциалов между двумя точками X и Y при условии отсутствия «источников»?

Задача 28

Электрический заряд, проходя разность потенциалов, приобретает электрическую энергию и отдает ее в какой-то другой форме. В какой форме отдается энергия

а) В проволоке?

б) Когда к потоку электронов в радиолампе прикладывают напряжение?

в) Когда пропускают ток через аккумулятор в обратном направлении, «заряжая» его?

Задача 29. Задача о системе электроснабжения

Электростанция снабжает током отдаленный поселок по длинному тонкому медному кабелю, сопротивление которого составляет 0,1 ом от электростанции до поселка и 0,1 ом от поселка обратно к электростанции. Поселок потребляет 50 а, которые расходуются на освещение и другие нужды.

а) Какой СИЛЫ ТОК проходит по медному кабелю от электростанции до поселка?

б) Какое НАПРЯЖЕНИЕ необходимо, чтобы под действием его ток такой силы проходил через сопротивление 0,1 ом?

в) Под действием какого НАПРЯЖЕНИЯ ток идет по кабелю от поселка до электростанции?

г) Если НАПРЯЖЕНИЕ в поселке 100 в, то каково полное напряжение, вырабатываемое генератором на электростанции?

д) Какую МОЩНОСТЬ потребляет поселок?

е) Какая МОЩНОСТЬ теряется в обоих отрезках кабеля? (Чтобы найти МОЩНОСТЬ, умножьте НАПРЯЖЕНИЕ на СИЛУ ТОКА, но нужно правильно взять напряжение для рассматриваемого участка цепи.)

Задача 30. Задача об электроснабжении фабрики: коэффициент полезного действия системы электроснабжения.

Для решения этой задачи перепечатайте на машинке приведенный ниже текст, оставляя пустые места, куда потом нужно будет вписывать ответы.

На фабрику по кабелю с общим сопротивлением 0,1 ом поступает 200 кет при напряжении на фабрике а) 100 в, б) 1000 в.

Вычислите для каждого случая:

1) СИЛУ ТОКА; 2) НАПРЯЖЕНИЕ, которое теряется на кабеле при прохождении по нему этого тока; 3) МОЩНОСТЬ, которая теряется в кабеле; 4) КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ системы электроснабжения (определяемый как отношение мощность, потребляемая фабрикой / общая мощность, поступающая от электростанции )

Чтобы ответить на поставленные в задаче вопросы, дополните приведенные ниже утверждения.

Фабрика потребляет электроэнергию со скоростью 200 квт.

Это означает, что ___

Вольтметр на фабрике показывает, что напряжение сети на фабрике 100 в. Это означает, что ___ на фабрике ___.

Вольтметр на фабрике показывает, что напряжение сети на фабрике 100 в. Это означает, что на фабрике?/? или ___ кулон/сек

Этот ток течет от удаленной электростанции по питающему кабелю с общим сопротивлением (от станции и обратно) 0,1 ом.

Закон Ома утверждает, что для большинства проводников отношение НАПРЯЖЕНИЕ/СИЛА ТОКА равно постоянной, называемой СОПРОТИВЛЕНИЕМ.

Значит, в данном случае напряжение, необходимое, чтобы под действием него шел ток по питающему кабелю, должно быть ___, или ___ вольт. Это означает, что ___ в кабеле в виде тепла.

Но сила тока в кабеле равна ___ кулон/сек.

Следовательно, мощность, теряемая в кабеле, равна (___)(___), или ___ джоуль/сек, или ___ киловатт.

Следовательно, коэффициент полезного действия системы электроснабжения, или отношение:

МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБЛЯЕМАЯ ФАБРИКОЙ / ОБЩАЯ МОЩНОСТЬ, ПОСТУПАЮЩАЯ ОТ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

равен ___, или ___ %.

ПОВТОРИТЕ РАСЧЕТ ПРИ ТОМ ЖЕ ПОТРЕБЛЕНИИ МОЩНОСТИ ФАБРИКОЙ И ТОМ ЖЕ СОПРОТИВЛЕНИИ КАБЕЛЯ, НО ПРИ НАПРЯЖЕНИИ НА ФАБРИКЕ 1000 в.

ЗАПИСЫВАЙТЕ ОТВЕТЫ В КОЛОНКЕ СПРАВА.

Задача 31. Мощность

Утверждение «вольты, умноженные на амперы, дают ватты» представляет собой вульгарный, но удобный способ формулировки очень важного соотношения:

МОЩНОСТЬ в ваттах = (НАПРЯЖЕНИЕ в вольтах)∙(СИЛА ТОКА в амперах).

Проведите рассуждение, показывающее, что это соотношение верно. (Рассмотрите любое устройство, между концами которого существует напряжение V в при силе тока через него I а. Объясните, что означают эти данные, и покажите, что МОЩНОСТЬ должна быть равна V∙ Iвт.)

Задача 32. Мощность и энергия, отдаваемые в резисторе

(При решении этой задачи оставляйте ответы в виде произведения сомножителей.)

а) По проводнику течет ток силой 2 а, напряжение между концами проводника равно 42 в.

Фиг. 49. К задаче 32.

1) Чему равна МОЩНОСТЬ (скорость выделения энергии) в ваттах?

2) Чему равна МОЩНОСТЬ в калориях в секунду?

3) Какое количество ЭНЕРГИИ в джоулях рассеивается проводником за 10 сек?

4) Какое количество ЭНЕРГИИ в калориях рассеивается проводником за 10 сек?

б) По проводнику сопротивлением 21 ом течет ток силой 2 а.

1) С помощью закона Ома найдите напряжение между концами проводника.

2), 3), 4), 5) Ответьте на вопросы 1)-4) , поставленные выше в а) ,

в) Решите задачу б) для случая, когда по проводнику сопротивлением 21 ом течет вдвое больший ток, 4 а.

г) Сравните б) и в) : как изменяются выделяемые в проводнике МОЩНОСТЬ и ЭНЕРГИЯ» если СИЛА ТОКА удваивается, а сопротивление остается неизменным?

Задача 33. Закон Джоуля-Ленца для теплового действия тока

(Открытие этого закона относится к первому этапу изучения электрической цепи и представляет собой замечательное достижение»)

В проводнике, по которому течет ток силой I а при напряжении V в между концами проводника, выделяется энергия со скоростью V ∙ I вт, за t сек выделяется V∙ I∙ tдж. Во многих случаях мы знаем сопротивление проводника и текущий по нему ток, но не знаем непосредственно напряжения на проводнике. Поэтому нужно вычислить мощность или энергию, зная СИЛУ ТОКА и СОПРОТИВЛЕНИЕ. Предположим, у нас имеется отрезок провода сопротивлением R ом, по которому течет ток силой I а.

а) Запишите закон Ома и выразите напряжение через R и I .

б) Подставьте результат, полученный в а), в выражение для мощности НАПРЯЖЕНИЕ∙СИЛА ТОКА и дайте выражение для скорости выделения энергии в ваттах, используя R и I .

в) Выразите результат, полученный в б) , в калориях в секунду,

г) Дайте выражение для энергии, выделившейся за t секунд, 1) в джоулях, 2) в калориях.

Ответы на вопросы б), в) и г) представляют собой выражения закона Джоуля — Ленца (количества «джоулева тепла»). Это ответы задачи 32 в общей форме. Рядовой инженер с этими формулами на короткой ноге, для техника они радость и гордость. Творчески мыслящие физики и инженеры тоже ценят их, но пользуются подобными формулами только тогда, когда понимают, как они получены. Ну, а что касается вас…