Меню

Кпд электрической цепи через силу тока

КПД источника тока

В процессе перемещения зарядов внутри замкнутой цепи, источником тока совершается определенная работа. Она может быть полезной и полной. В первом случае источник тока перемещает заряды во внешней цепи, совершая при этом работу, а во втором случае – заряды перемещаются во всей цепи. В этом процессе большое значение имеет КПД источника тока, определяемого, как соотношение внешнего и полного сопротивления цепи. При равенстве внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления нагрузки, половина всей мощности будет потеряна в самом источнике, а другая половина выделится на нагрузке. В этом случае коэффициент полезного действия составит 0,5 или 50%.

  1. КПД электрической цепи
  2. Что такое КПД источника тока
  3. Исследование мощности и КПД источника тока
  4. Задачи на мощность тока и КПД

КПД электрической цепи

Рассматриваемый коэффициент полезного действия в первую очередь связан с физическими величинами, характеризующими скорость преобразования или передачи электроэнергии. Среди них на первом месте находится мощность, измеряемая в ваттах. Для ее определения существует несколько формул: P = U x I = U2/R = I2 x R.

В электрических цепях может быть различное значение напряжения и величина заряда, соответственно и выполняемая работа тоже отличается в каждом случае. Очень часто возникает необходимость оценить, с какой скоростью передается или преобразуется электроэнергия. Эта скорость представляет собой электрическую мощность, соответствующую выполненной работе за определенную единицу времени. В виде формулы данный параметр будет выглядеть следующим образом: P=A/∆t. Следовательно, работа отображается как произведение мощности и времени: A=P∙∆t. В качестве единицы измерения работы используется джоуль (Дж).

Для того чтобы определить, насколько эффективно какое-либо устройство, машина электрическая цепь или другая аналогичная система, в отношении мощности и работы используется КПД – коэффициент полезного действия. Данная величина определяется как отношение полезно израсходованной энергии, к общему количеству энергии, поступившей в систему. Обозначается КПД символом η, а математически определяется в виде формулы: η = A/Q x 100% = [Дж]/[Дж] х 100% = [%], в которой А – работа выполненная потребителем, Q – энергия, отданная источником. В соответствии с законом сохранения энергии, значение КПД всегда равно или ниже единицы. Это означает, что полезная работа не может превышать количество энергии, затраченной на ее совершение.

Таким образом, определяются потери мощности в какой-либо системе или устройстве, а также степень их полезности. Например, в проводниках потери мощности образуются, когда электрический ток частично превращается в тепловую энергию. Количество этих потерь зависит от сопротивления проводника, они не являются составной частью полезной работы.

Существует разница, выраженная формулой ∆Q=A-Q, наглядно отображающей потери мощности. Здесь очень хорошо просматривается зависимость между ростом потерь мощности и сопротивлением проводника. Наиболее ярким примером служит лампа накаливания, КПД у которой не превышает 15%. Остальные 85% мощности превращаются в тепловое, то есть в инфракрасное излучение.

Что такое КПД источника тока

КПД источника тока

Рассмотренный коэффициент полезного действия всей электрической цепи, позволяет лучше понять физическую суть КПД источника тока, формула которого также состоит из различных величин.

В процессе перемещения электрических зарядов по замкнутой электрической цепи, источником тока выполняется определенная работа, которая различается как полезная и полная. Во время совершения полезной работы, источника тока перемещает заряды во внешней цепи. При полной работе, заряды, под действием источника тока, перемещаются уже по всей цепи.

В виде формул они отображаются следующим образом:

  • Полезная работа – Аполез = qU = IUt = I2Rt.
  • Полная работа – Аполн = qε = Iεt = I2(R +r)t.

На основании этого, можно вывести формулы полезной и полной мощности источника тока:

  • Полезная мощность – Рполез = Аполез /t = IU = I2R.
  • Полная мощность – Рполн = Аполн/t = Iε = I2(R + r).

В результате, формула КПД источника тока приобретает следующий вид:

  • η = Аполез/ Аполн = Рполез/ Рполн = U/ε = R/(R + r).

Максимальная полезная мощность достигается при определенном значении сопротивления внешней цепи, в зависимости от характеристик источника тока и нагрузки. Однако, следует обратить внимание на несовместимость максимальной полезной мощности и максимального коэффициента полезного действия.

Исследование мощности и КПД источника тока

Коэффициент полезного действия источника тока зависит от многих факторов, которые следует рассматривать в определенной последовательности.

Источник

Полная цепь

теория по физике 🧲 постоянный ток

Полная цепь содержит источник тока — элемент электрической цепи, который поддерживают энергию с заданными параметрами. При этом энергоснабжение цепи не зависит от характеристик элементов, входящих в её состав, в частности, сопротивления.

В полной цепи действует электродвижущая сила, или ЭДС — скалярная физическая величина, которая характеризует работу сторонних сил, действующих в электрических цепях постоянного и переменного тока.

Сторонние силы — это силы любой природы (кроме электрической), которые разделяют заряды внутри источника тока. Виды сторонний сил:

  • механические;
  • магнитные;
  • химические;
  • световые;
  • тепловые.

Принято считать, что сторонние силы переносят положительные заряды в направлении от «–» к «+».

Электродвижущая сила обозначается как ε . Единица измерения — Вольт (В). Численно ЭДС равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда к величине этого заряда:

A с т (Дж) — работа сторонних сил по перемещению заряда q (Кл).

Не следует путать напряжение и ЭДС. Напряжение характеризует работу электрического поля, а ЭДС — работу сторонних сил.

Закон Ома для полной цепи

Сила тока прямо пропорциональна сумме ЭДС цепи, и обратно пропорциональна сумме сопротивлений источника и цепи:

R (Ом) полное сопротивление внешней цепи, r (Ом) — внутреннее сопротивление источника тока.

Пример №1. Рассчитайте силу тока в замкнутой цепи, состоящей из источника тока, у которого ЭДС равна 10 В, а внутреннее сопротивление равно 1 Ом. Сопротивление резистора равно 4 Ом.

I = ε R + r . . = 10 1 + 4 . . = 2 ( А )

Напряжение на внешней цепи

Напряжение на внешней цепи — это напряжение на клеммах источника, или падение напряжения на внешней цепи. Оно равно:

Выразим сопротивление через ЭДС:

Следовательно, напряжение на внешней цепи равно:

U = I ( ε I . . − r ) = ε − I r

КПД источника тока

Не вся работа сторонних сил идет непосредственно на перемещение зарядов. Для выражения доли, которая идет именно на перемещение зарядов, вводится понятие КПД (коэффициента полезного действия).

КПД источника тока равен:

η = U ε . . 100 % = R R + r . . 100 %

Пример №2. Напряжение на внешней цепи равно 6 В, ЭДС источника тока равно 12 В. Определить КПД источника тока.

Читайте также:  Какого рода сварочный ток вырабатывает источник питания инверторного типа ответ

η = U ε . . 100 % = 6 12 . . = 50 %

Короткое замыкание

Рассмотрим простую электрическую цепь:

Она состоит из источника тока (1), ключа (2) и потребителя (3). Теперь поговорим о том, что же произойдет, если цепь замкнуть проводником так, как показано на рисунке ниже.

Соединив точки А и В напрямую, мы заставим течь ток, минуя потребитель тока, поскольку сопротивление проводника АВ много меньше сопротивления потребителя. А ток всегда течет по пути наименьшего сопротивления.

В результате соединения точек А и В сопротивление в электрической цепи резко упадет, что приведет к резкому скачку силы тока. Такое явление называется коротким замыканием.

Короткое замыкание — соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Если полное сопротивление внешней цепи R стремится к нулю, то сила тока при коротком замыкании равна:

В цепи, изображённой на рисунке, идеальный амперметр показывает 1 А. Найдите ЭДС источника, если его внутреннее сопротивление 1 Ом.

Алгоритм решения

Решение

Запишем исходные данные:

Закон Ома для полной цепи:

R — полное сопротивление внешней цепи. Цепь состоит из последовательно соединенного третьего резистора с параллельным участком цепи, состоящим из первого и второго резисторов. Вычислим сопротивление параллельного участка цепи:

1 R 1 2 . . = 1 R 1 . . + 1 R 2 . .

R 12 = R 1 R 2 R 1 + R 2 . .

Полное сопротивление внешней цепи равно:

R = R 12 + R 3 = R 1 R 2 R 1 + R 2 . . + R 3

Следовательно, ЭДС источника тока равен:

ε = I ( R + r ) = I ( R 1 R 2 R 1 + R 2 . . + R 3 + r )

Полная сила тока равна силе тока параллельного участка цепи, так как I = I3 = I12. А сила тока параллельного участка цепи равна сумме силы тока на первом и втором резисторе:

I 12 = I 1 + I 2 = I

Сначала найдем напряжение на первом резисторе, используя закон Ома для участка цепи:

Так как это параллельный участок, то:

U 1 = U 2 = U 1 2

Следовательно, сила тока на втором резисторе равна:

I 2 = U 2 R 2 . . = I 1 R 1 R 2 . .

Сила тока на всем участке цепи равна:

I = I 12 = I 1 + I 1 R 1 R 2 . . = I 1 ( 1 + R 1 R 2 . . )

Теперь можем вычислить ЭДС источника тока:

ε = I 1 ( 1 + R 1 R 2 . . ) ( R 1 R 2 R 1 + R 2 . . + R 3 + r )

ε = 1 ( 1 + 3 1 . . ) ( 3 · 1 3 + 1 . . + 5 + 1 ) = 6 , 75 · 4 = 27 ( В )

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Конденсатор ёмкостью С = 2 мкФ присоединён к батарее с ЭДС ε = 10 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом. В начальный момент времени ключ К был замкнут (см. рисунок). Какой станет энергия конденсатора через длительное время (не менее 1 с) после размыкания ключа К, если сопротивление резистора R = 10 Ом? Ответ округлите до сотен.

Алгоритм решения

Решение

Запишем исходные данные:

Запишем закон Ома для полной цепи:

Энергия конденсатора определяется формулой:

Напряжение внешней цепи связано с ЭЛС источника формулой:

Используя закон Ома для полной цепи, получаем:

U = ε − ε r R + r . . = ε R + ε r − ε r R + r . . = ε R R + r . .

Тогда энергия конденсатора через длительное время станет равной:

W = 1 2 . . C ( ε R R + r . . ) 2

Округлим ответ до сотен и получим 100 мкДж.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Реостат R подключен к источнику тока с ЭДС E и внутренним сопротивлением r (см. рисунок). Зависимость силы тока в цепи от сопротивления реостата представлена на графике. Найдите сопротивление реостата, при котором мощность тока, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника, равна 8 Вт.

Алгоритм решения

Решение

Запишем исходные данные:

Мощность тока, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника, определяется формулой:

P в н у т р = ( ε R + r . . ) 2 r

Выразим отсюда сопротивление реостата:

R = ε √ r P в н у т р . . − r

Запишем закон Ома для полной цепи:

Согласно графику, при нулевом сопротивлении реостата, сила тока, равна 6 Амперам. Следовательно:

I ( 0 О м ) = ε r . . = 6

Но при сопротивлении реостата в 4 Ом сила тока равна 2 Амперам. Следовательно:

I ( 4 О м ) = ε 4 + r . . = 2

Получили систему уравнений:

Теперь можем вычислить искомое сопротивление:

R = 12 √ 2 8 . . − 2 = 4 ( О м )

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Конденсатор подключён к источнику тока последовательно с резистором R=20 кОм (см. рисунок). В момент времени t=0 ключ замыкают. В этот момент конденсатор полностью разряжен. Результаты измерений силы тока в цепи представлены в таблице.

Внутренним сопротивлением источника и сопротивлением проводов пренебречь. Выберите два верных утверждения о процессах, наблюдаемых в опыте.

а) Ток через резистор в процессе наблюдения увеличивается.

б) Через 6 с после замыкания ключа конденсатор полностью зарядился.

в) ЭДС источника тока составляет 6 В.

г) В момент времени t = 3 с напряжение на резисторе равно 0,6 В.

д) В момент времени t = 3 с напряжение на конденсаторе равно 5,7 В.

Алгоритм решения

Решение

Согласно утверждению «а», ток через резистор в процессе наблюдения увеличивается. Но это не так, поскольку в таблице с течением времени сила тока уменьшается. Утверждение «а» неверно.

Согласно утверждению «б», через 6 с после замыкания ключа конденсатор полностью зарядился. Если это было бы так, то сила тока была бы равна 0. Но в момент времени t = 6 с она равна 1 мкА. Следовательно, утверждение «б» неверно.

Согласно утверждению «в», ЭДС источника тока составляет 6 В. Напряжение в цепи в начальный момент времени равно ЭДС источника. Следовательно:

ε = U ( п р и t = 0 c ) = I R = 300 м к А · 20 к О м = 0 , 3 · 10 − 3 А · 20 · 10 3 О м = 6 ( В )

Вывод: утверждение «в» верное.

Согласно утверждению «г», в момент времени t = 3 с напряжение на резисторе равно 0,6 В. Чтобы проверить это, нужно умножить соответствующую силу тока на сопротивление резистора:

U = I R = 15 м к А · 20 к О м = 0 , 015 · 10 − 3 А · 20 · 10 3 О м = 0 , 3 ( В )

Вывод: утверждение «г» неверное.

Согласно утверждению «д», в момент времени t = 3 с напряжение на конденсаторе равно 5,7 В. Чтобы проверить это, нужно из ЭДС в этот момент времени вычесть напряжение на внешней цепи. Его мы уже нашли. Оно равно 0,3 В. ЭДС мы тоже нашли. Она равна 6 В. Их разность равна 5,7 В. Следовательно, утверждение «д» верно.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

На рис. 1 изображена зависимость силы тока через светодиод D от приложенного к нему напряжения, а на рис. 2 – схема его включения. Напряжение на светодиоде практически не зависит от силы тока через него в интервале значений 0,05 А 1. Записать исходные данные.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Электротехника часть 3 электрические цепи

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказал о таких понятиях, как электрический ток, напряжение, сопротивление и основополагающем законе постоянного тока – законе Ома. Но этого, несомненно, мало для полного понимания процессов и возникающих закономерностей при функционировании электронных схем. В дальнейших статьях я постепенно буду формировать целостную картину такой интересной области техники как электроника.

Читайте также:  Максимальное по модулю значение силы тока

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Составные части электрических цепей

Как известно, для того, чтобы электрический ток в проводниках существовал длительное время необходимо, во-первых, существование разности потенциалов или напряжения, а во-вторых, восполнение необходимого количества разноимённых зарядов для возникновения этой разности потенциалов. Данным условиям соответствует некоторая совокупность элементов называемая электрической цепью.

Таким образом, электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, которые образуют путь для электрического тока и электромагнитные процессы, в которых могут быть описаны с помощью понятий ЭДС, напряжения и электрического тока. Кроме того, для протекания электрического тока необходима замкнутая электрическая цепь. В общем случае электрическая цепь состоит из источника электрической энергии, приемника электрической энергии, соединительных проводов, а также вспомогательных элементов, выполняющих разнообразные функции.

Источником электрической энергии является устройство, которое выполняет преобразование неэлектрической энергии в электрическую. Например, аккумуляторы осуществляют преобразование энергии химических реакций в электрическую энергию, а генераторы – преобразование механической энергии. Таким образом, как известно из предыдущей статьи источники энергии называют также источниками ЭДС.

Приёмником электрической энергии, также называемые нагрузками является устройство, в котором выполняется действие противоположное источнику энергии, то есть электрическая энергия преобразуется в неэлектрическую. Например, в лампочке электрическая энергия преобразуется в световую и тепловую энергию, а в электродвигателе – в механическую энергию.

К вспомогательным устройствам относятся различные коммутирующие, распределительные и измерительные приборы и объекты.

Электрические цепи изображают на чертежах в виде принципиальных электрических схем, где каждому элементу электрической цепи соответствует свой графический элемент. Принципиальные схемы показывают назначение каждого элемента цепи, а также его взаимодействие с остальными элементами, однако при расчётах они не очень удобны. Поэтому при расчётах пользуются так называемыми схемами замещения, которые также как и принципиальные схемы изображаются с помощью графических элементов, однако элементы схем замещения выбираются так, чтобы с необходимым приближением описать работу электрической цепи. Пример изображения принципиальных электрических схем и схем замещения показано ниже

Принципиальная и схема замещения

Принципиальная схема (слева) и схема её замещения (справа).

Схемы замещения состоят из следующих элементов: контур, ветвь и узел. Ветвь – это один элемент либо последовательное соединение нескольких элементов. Узел – место соединения трёх и более ветвей. Контур – замкнутый путь, проходящий по ветвям так, чтобы ни один узел и ни одна ветвь не встречались больше одного раза.

Таким образом, зная параметры всех элементов схемы замещения, возможно при помощи законов электротехники определить электрическое состояние всей электрической цепи, то есть рассчитать режим её работы.

Источник ЭДС и источник тока

При анализе электрических цепей, часто используют понятие идеального элемента, то есть такого элемента, в котором сосредоточен только один параметр, в отличие от реального элемента, в котором кроме одного основного параметра имеют место быть паразитные параметры. Например, резистор можно представить в виде идеального сопротивления, однако в реальном резисторе присутствует как емкость (например, между выводами), так и индуктивность (в проволочном резисторе, где используется намотанная на керамический каркас проволока). То есть идеальные элементы используются для упрощения анализа электрической цепи.

Источники энергии в электрических цепях при анализе схем также упрощают, кроме того их делят на два типа: источники ЭДС и источники тока. Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Идеальный источник ЭДС характеризуется тем, что напряжение на его выводах не зависит от протекающего через него тока, то есть внутри такого источника ЭДС отсутствуют пассивные элементы (сопротивление R, индуктивность L, емкость С), и поэтому падение напряжения на пассивных элементах отсутствует.

Таким образом, напряжение на его выводах равно ЭДС, а ток теоретически не имеет ограничения, то есть если замкнуть его выходные зажимы, то электрический ток должен быть бесконечно большим. Поэтому идеальный источник ЭДС можно рассматривать, как источник бесконечной мощности. Однако в реальности ток имеет конечное значение, так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении при коротком замыкании выводов уравновешивает ЭДС источника. Таким образом, реальный источник ЭДС можно изобразить в виде идеального источника ЭДС с последовательно подключённым пассивным элементом, который ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю цепь.

Источники ЭДС

Источники ЭДС: идеальный (слева) и реальный (справа).

Идеальный источник тока характеризуется тем, что ток протекающий через него не зависит от напряжения, которое присутствует на его выводах, то есть сопротивление внутри источника тока бесконечно велико и поэтому параметры внешних элементов электрической цепи не влияют на ток протекающий через источник.

Таким образом, при бесконечном увеличении сопротивления также увеличивается напряжение на выводах идеального источника тока, поэтому и мощность растёт до бесконечности, то есть получается источник бесконечной мощности. Так как в реальности мощность всё же конечна, то реальный источник тока изображается, как идеальный источник тока с параллельно подключенным пассивным компонентом, характеризующим внутренние параметры источника тока, и ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю цепь.

Источники тока

Источники тока: идеальный (слева) и реальный (справа).

Закон Ома для полной цепи

В предыдущей статье я рассказал о законе Ома, который устанавливает зависимость между напряжением и током, протекающим через участок цепи. Однако при попытке его применить ко всей цепи, содержащей кроме сопротивления ещё и источник напряжения, приводит к неверным результатам, так как реальный источник напряжения, как мы знаем, имеет некоторое внутреннее сопротивление.

Закон Ома для полной цепи

Закон Ома для полной цепи.

Поэтому полное сопротивление цепи является суммой внутреннего сопротивления источника энергии RВН (обычно небольшого) и внешнего сопротивления нагрузки RН (практически всегда значительно большего, чем RВН), поэтому для полной цепи закон Ома будет иметь следующий вид

1701201701

Проанализировав данное выражение можно прийти к следующим практически выводам:

При подключении к источнику питания нагрузки, напряжение источника питания меньше его ЭДС, так как на внутреннем сопротивлении RВН источника питания происходит падение некоторого напряжения UВН

1701201702

Следовательно, при отключенной нагрузке напряжение источника питания будет равно ЭДС. Данное приложение используется для измерения ЭДС источников питания.

Напряжение источника питания при подключении различных нагрузок изменяется, причем, чем меньше величина сопротивления нагрузки, тем меньше величина напряжения источника питания, так как разная величина сопротивления нагрузки вызывает разный ток в цепи, а следовательно изменяется падение напряжение на внутреннем сопротивлении источника

Читайте также:  В электрической цепи напряжение 220 в сила тока 30 а какое количество теплоты

1701201703

  • В некоторых случаях возникает необходимость в измерении внутреннего сопротивления источника энергии. Это возможно сделать с помощью следующей схемы
  • измерение внутреннего сопротивления

    Схема для измерения источника энергии.

    В начале проводят замер ЭДС источника питания Е, путём размыкая ключа S1, затем замыкая ключ S1 замеряют протекающий по цепи ток I и напряжение источника питания под нагрузкой UH. Таким образом, вычисляют падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания UВН. Тогда, величина внутреннего сопротивления RВН будет вычислена, как отношение внутреннего падения напряжения к протекающему в цепи току

    1701201704

    Например, при разомкнутом ключе S1 напряжение на выходе источника питания составило U = E = 1,5 В. При замыкании ключа S1 ток составил I = 0,18 А, а напряжение составило UH = 1,42 В. Тогда внутренне сопротивление RВН источника питания составит

    1701201705

    КПД источника энергии

    Кроме внутреннего сопротивления RВН и ЭДС Е источник энергии характеризуется также коэффициентом полезного действия КПД при работе на конкретную нагрузку RН.

    Коэффициентом полезного действия КПД источника энергии называется отношение мощности приёмника энергии (мощности нагрузки) или полезной мощности РН к мощности источника энергии Р. Как известно мощность выражается произведением напряжения на ток протекающий через источник энергии, то есть по отношению к источнику энергии это будет

    1701201706

    где PBH – мощность потерь внутри источника энергии.

    Таким образом, КПД будет равен

    1701201707

    Из вышесказанного возникает резонный вопрос, при каком КПД в нагрузку отдается наибольшая мощность? Можно было бы предположить, что максимальная мощность в нагрузку поступает при КПД η = 1 или 100 %, однако в этом случае напряжение U на источнике питания равняется ЭДС Е, то есть ток в цепи равен нулю I = 0, а значит и мощность на нагрузке также равна нулю Р = 0

    1701201708

    Данный режим называется режимом холостого хода.

    Другой случай, когда КПД η = 0, в этом случае ток имеет максимальное значение и фактически ограничен лишь внутренним сопротивлением источника питания I = E/RBH. Следовательно, напряжение нагрузки равно нулю UH = 0 и мощность в нагрузке также нулевая Р = 0

    1701201709

    Данный режим называется режимом короткого замыкания.

    Не вдаваясь в длинные расчёты сказу сразу, что максимальная мощность на нагрузке выделяется при КПД η = 0,5 или 50 %, в этом случае напряжение на нагрузке равно падению напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания UH = UBH, то есть сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника питания.

    1701201710

    Данный режим называется режимом согласованной нагрузки.

    В данном режиме работает большинство слаботочных устройств автоматики, телемеханики и электросвязи, где низкий КПД не влечёт значительных потерь энергии. Однако в мощных устройствах стараются проектировать устройства так чтобы КПД η = 0,95…0,98.

    Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

    Источник

    

    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 ,

    т.е. суммарная энергия, выделяющаяся во внешней цепи ( E полезн ) и в источнике тока ( E потерь ).

    Энергия источника тока связана с мощностью источника тока следующими формулами:

    • энергия, выделяющаяся во внешней цепи (полезная энергия) за время t , связана с полезной мощностью источника P полезн —

    E полезн = P полезн t ;

    • энергия, выделяющаяся в источнике тока (энергия потерь) за время t , связана с мощностью потерь источника P потерь —

    E потерь = P потерь t ;

    • полная энергия , вырабатываемая источником тока за время t , связана с полной мощностью источника P полн —

    E полн = P полн t .

    Коэффициент полезного действия источника тока (КПД) может определяться:

    • долей, которую составляет сопротивление внешней цепи от суммарного сопротивления источника тока и нагрузки (внешней цепи), —

    где R — сопротивление цепи (нагрузки), к которой подключен источник тока; r — внутреннее сопротивление источника тока;

    • долей, которую составляет разность потенциалов на клеммах источника от его электродвижущей силы, —

    где U — напряжение на зажимах (клеммах) источника тока; ℰ — ЭДС источника тока.

    При максимальной мощности , выделяющейся во внешней цепи, КПД источника тока равен 50 %:

    так как в этом случае сопротивление нагрузки R равно внутреннему сопротивлению r источника тока:

    η * = R R + r ⋅ 100 % = r r + r ⋅ 100 % = r 2 r ⋅ 100 % = 50 % .

    Пример 16. При подключении источника тока с КПД 75 % к некоторой цепи на ней выделяется мощность, равная 20 Вт. Найти количество теплоты, выделившееся в источнике тока за 10 мин.

    Решение . Проанализируем условие задачи.

    Мощность, выделяющаяся во внешней цепи, является полезной:

    P полезн = 20 Вт,

    где P полезн — полезная мощность источника тока.

    Количество теплоты, которое выделяется в источнике тока, связано с мощностью потерь:

    Q потерь = P потерь t ,

    где P потерь — мощность потерь; t — время работы источника тока.

    КПД источника связывает полезную и полную мощности:

    η = P полезн P полн ⋅ 100 % ,

    где P полн — полная мощность источника тока.

    Полезная мощность и мощность потерь в сумме дают полную мощность источника тока:

    P полн = P полезн + P потерь .

    Записанные уравнения образуют систему уравнений:

    η = P полезн P полн ⋅ 100 % , Q потерь = P потерь t , P полн = P полезн + P потерь . >

    Для нахождения искомой величины — количества теплоты, выделившейся в источнике Q потерь , — необходимо определить мощность потерь P потерь . Выполним подстановку третьего уравнения в первое:

    η = P полезн P полезн + P потерь ⋅ 100 %

    и выразим P потерь :

    P потерь = 100 % − η η P полезн .

    Подставим полученную формулу в выражение для Q потерь :

    Q потерь = 100 % − η η P полезн t .

    Q потерь = 100 % − 75 % 75 % ⋅ 20 ⋅ 10 ⋅ 60 = 4,0 ⋅ 10 3 Дж = 4,0 кДж .

    За указанное в условии задачи время в источнике выделится 4,0 кДж теплоты.

    Источник