Что такое электрическая энергия

Электрическая энергия — это способность электромагнитного поля производить работу, преобразовываясь в другие виды энергии.

Электроэнергия — наиболее совершенный и универсальный вид, сравнительно легко преобразующийся в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую, химическую и др.

Совершение работы связано с перемещением зарядов через элементы, обладающие сопротивлением. Единица измерения электроэнергии (работы) — джоуль (Дж). Она соответствует работе по перемещению заряда в один кулон между точками цепи с напряжением в один вольт: 1 Дж = 1 В • 1 Кл.

Электрическая мощность — это работа по перемещению электрических зарядов в единицу времени.

Дж Единица измерения мощности — ватт (Вт), Вт =Дж/с.

Различают активную, реактивную и полную мощности. Активная мощность — это мощность, связанная с преобразованием электроэнергии в тепловую или механическую энергию.

В цепях постоянного тока активная мощность, Вт,

Р = U I = I 2 R, в цепях переменного синусоидального тока

Р = U I cos  = I 2 R

где U — действующее значение напряжения. В, U = ;

I — действующее значение тока. A, I= .

— угол сдвига между векторами напряжения и тока, град.

Реактивная (индуктивная) мощность в цепях переменного синусоидального тока в установившихся режимах связана с созданием магнитных полей в элементах цепи и покрытием потерь на так называемые магнитные поля рассеяния этих элементов. QL= U I sin  = I 2 XL .

Реактивная (емкостная) мощность в цепях переменного синусоидального тока в установившихся режимах направлена на создание электрических полей в диэлектрических средах элементов цепи.

QC= U I cos  = I 2 XC.

Единица измерения реактивной мощности — вар.

В цепях постоянного тока в установившихся режимах реактивные мощности равны нулю.

Полная мощность элемента в цепи переменного синусоидального тока определяется как геометрическая сумма активной и реактивной мощностей: или S = UI, или S = I 2 z,

где z = — полное сопротивление цепи. Ом. Единица измерения полной мощности — В-А

2. Основные законы электротехники

Закон Кулона. Сила взаимодействия между двумя точечными неподвижными зарядами q1 и q2, расположенными на расстоянии R друг от друга в однородной среде прямо пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Закон Ома справедлив для цепей постоянного и переменного синусоидального тока и связывает между собой величины сопротивления элемента цепи, его тока и напряжения.

Падение напряжения на участке цепи пропорционально току и величине сопротивления этого участка:

при постоянном токе U = IR,

при переменном токе U = I z.

Например, для электрической цепи (рис. 1.1): U = I1 R1.

Обобщенный закон Ома имеет место для цепи (ветви) тп постоянного или переменного тока, содержащей источники ЭДС и J, и сопротивления R или Z:

Урок 1. Что такое ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

при постоянном токе

при переменном токе

где Umn — напряжение между началом и концом ветви тп,

— алгебраическая сумма всех ЭДС, находящихся в этой ветви;

— арифметическая сумма всех сопротивлений в ветви;

— алгебраическая сумма всех комплексных сопротивлений в ветви при переменном токе.

Из обобщенного закона Ома следует, в частности, что напряжение на зажимах источника ЭДС равно величине ЭДС минус падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника.

. Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма всех токов, сходящихся в любом узле электрической цепи, равна нулю.

Первый закон Кирхгофа является одним из непосредственных следствий закона сохранения энергии.

Для цепи постоянного тока:

Для цепи переменного тока: или

где — комплексные действующие значения синусоидальных токов;

ik(t) —мгновенные значения токов;

 = -1 если ток ветви втекает в узел и  = +1 если ток вытекает из узла.

Второй закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма электродвижущих сил какого-либо замкнутого контура электрической цепи равна алгебраической сумме падений напряжений в нем.

Для цепей постоянного тока:

Для цепей переменного тока: или

где ek(t) — мгновенные значения переменных ЭДС;

uk(t) , — мгновенные значения падения напряжений на пассивных элементах контура;

— векторы комплексных действующих значений ЭДС;

— векторы комплексных действующих значений падений напряжений. Направление обхода контура выбирается произвольным. ЭДС имеют знак плюс, если их направление совпадает с направлением обхода контура. Падения напряжений имеют знак плюс, если выбранные знаки токов в ветвях контура совпадают с направлением обхода контура.

Закон электромагнитной индукции Фарадея. Закон связывает ЭДС, наводимую в произвольном контуре или проводнике, помещенном в магнитное поле, со скоростью изменения магнитного потока поля или скоростью движения контура или проводника относительно неизменного по величине магнитного потока поля. ЭДС измеряется в вольтах (В).

Электродвижущая сила е, наводимая в проводнике или контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф, пронизывающего этот проводник или контур, взятой со знаком минус:

В соответствии с законом Фарадея изменение тока, протекающего в контуре с индуктивностью L, вызывает изменения его магнитного потока, что наводит в этом контуре ЭДС, называемую ЭДС самоиндукции: ,

ЭДС взаимоиндукции наводится в одном из магнитносвязанных контуров, если в другом происходит изменение величины тока:

где M12— коэффициент взаимоиндукции, Гн.

Знак (+) ставят при встречных направлениях магнитных потоков, (-) — при согласных направлениях.

При перемещении проводника в магнитном поле с неизменным магнитным потоком в нем наводится ЭДС, В: е = В l  sin,

где В — магнитная индукция поля, Тл;

l— длина проводника, м;

— скорость движения проводника, м/с;

 — угол между векторами магнитной индукции и скорости, град.

Закон электромагнитной индукции носит фундаментальный характер и лежит в основе принципа действия всех современных электромеханических преобразователей энергии: электрических машин, электрических аппаратов и т.д.

Закон Ленца. Если по произвольному контуру, протекает изменяющийся ток, то он создает собственный изменяющийся магнитный поток, наводящий в контуре противо -ЭДС, направленную так, чтобы воспрепятствовать всякому изменению тока.

Указанную противо-ЭДС называют также ЭДС самоиндукции. Это обстоятельство отмечается в приведенных выше соотношениях знаком минус. Таким образом, появление в контуре с током ЭДС самоиндукции возможно при двух непременных условиях: изменяющемся характере тока и наличии индуктивности в цепи.

Это свидетельствует об ошибочности представлений некоторых авторов, полагающих, что ЭДС самоиндукции определяет меру электромагнитной инерции элемента цепи. Мерой инерции является величина индуктивности элемента цепи. ЭДС самоиндукции играет в электротехнических устройствах важную роль.

Закон Джоуля-Ленца. Закон определяет меру теплового действия электрического тока.

Количество теплоты, выделяющейся током в проводнике, равно работе электрического поля по перемещению заряда за время t:

Q=Ut=I 2 r t.

Единица измерения количества теплоты — джоуль (Дж). Поскольку 1 кал = 4.1868 Дж, а 1 Дж = 0,24 кал, то количество теплоты, измеряемое в калориях: Q=0,24 I 2 r t.

Закон электромагнитных сил Ампера. Сила механического взаимодействия проводника с током I и магнитного поля с индукцией В прямо пропорциональна произведению магнитной индукции, длины проводника и силы тока в проводнике: F = В l I sin,

где F — сила взаимодействия, Н;

l — длина проводника, м;

— угол между векторами магнитной индукции и тока.

Сила взаимодействия двух достаточно длинных проводов (l = l1 =l2), расположенных параллельно на расстоянии :

где F — сила взаимодействия, Н;

I1 и I2 — токи в проводах. А;

r , 0— относительная и абсолютная магнитная проницаемости.

Электроэнергия простыми словами

Заряжаете ли вы свой смартфон или просматриваете веб-страницы, электрическая энергия является неотъемлемой частью вашей повседневной жизни. Этот термин состоит из двух компонентов — «электрический» и «энергия». Термин «энергия» может иметь различные значения. В этой статье вы можете думать о ней как о потенциальной энергии. С помощью слова «электрический» вам дают понять, что здесь имеется в виду потенциальная энергия электрически заряженной частицы.

Подобно тому, как ваша потенциальная энергия увеличивается, когда вы поднимаетесь в гору, электрическая энергия положительной частицы увеличивается, когда она «карабкается» в электрическом поле. Электрическое поле оставляет электрический потенциал в каждой точке пространства (аналогично горному ландшафту, который имеет разную высоту в каждой точке). Под «подъемом вверх по электрическому полю» подразумевается, что положительная частица перемещается из точки с низким электрическим потенциалом в точку с более высоким электрическим потенциалом.

Формулы

Подобно потенциальной энергии в гравитационном поле, существует формула для электрической энергии заряда с величиной заряда q, который находится в месте с электрическим потенциалом U : Eпот, эл = q * U . Приведенная формула отражает электрическую потенциальную энергию заряда q.

Но что происходит, когда течет электрический ток? Затем вы заменяете электрический заряд q в формуле для Epot на I * t, т.е. силу тока I, умноженную на время t. То есть вы получите формулу: Eпот, эл = I * t * U .

Конденсатор также может накапливать электрическую энергию. Формула для расчета накопленной энергии следующая: Ec = 0.5 * C * U 2 , где C — емкость конденсатора.

Электрическая энергия.

В наши дни электрическая энергия является главным видом энергии, на котором работает невообразимое множество устройств и приборов по всему миру. Производство электроэнергии на районной электростанции осуществляется в большинстве случаев электромашинными генераторами переменного тока. При передаче и распределении электроэнергии, для уменьшения потерь применяются повышающие трансформаторные подстанции. Они изменяют напряжение вырабатываемое генераторами, в более высокое напряжение. Далее электрическая энергия с помощью высоковольтных линий электропередач (ЛЭП) передается на дальние расстояния, на десятки и сотни километров. Для того, чтобы доставить электроэнергию к местным центрам электропотребления, к ЛЭП подключено множество распределительных подстанций. Дальнейшим этапом передачи электрической энергии по населенным пунктам, является еще одно понижение напряжения до безопасного уровня на понижающих трансформаторных подстанциях. Потом электроэнергия подается в магистральную сеть, подключенную к понижающим трансформаторам подстанций. В разных участках этой сети находятся пункты ответвления для распределительной сети электропотребителей.

Электростанции. Электростанции разных видов, находящиеся довольно далеко друг от друга, с помощью высоковольтных ЛЭП могут быть объединены в единую энергосистему. В такой энергосистеме постоянную нагрузку, создаваемую потреблением электрической энергии на протяжении суток, принимают на себя атомные электростанции (АЭС), гидроэлектростанции (ГЭС), а также очень эффективные паротурбинные тепловые электростанции и электроцентрали (ТЭС, ТЭЦ). Во время пиковых нагрузок, к единой сети ЛЭП энергосистемы подключают дополнительно газотурбинные установки (ГТУ) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

При сравнении электроснабжения идущего от отдельных электростанций с электроснабжением поступающим от энергосистем, четко видно превосходство энергосистем по ряду параметров: требуется меньшая резервная мощность; надежность электроснабжения серьезно повышена; себестоимость электрической энергии снижена, благодаря экономичному распределению нагрузки между электростанциями; энергоресурсы района используются более эффективно и так далее.

Коэффициент нагрузки. Насколько сильно может изменяться потребительская нагрузка, в меньшую или большую сторону зависит от множества факторов: погоды и климата; от времени суток; от месяца года; от экономического положения потребителей.

Бывает так, что электрическая энергия потребляется с максимальной силой всего лишь несколько часов в году, но мощность энергосистемы или изолированной электростанции должна быть рассчитана и на пиковую нагрузку. Запасная мощность энергосистемы, также позволяет отключать на электростанциях подлежащие ремонту или тех. обслуживанию отдельные энергоблоки. Собранные данные за много лет о размерах потребления электрической энергии показывают, что при наличии у энергосистемы 25 % резервной мощности она легко выдерживает пиковые нагрузки.

Эффективность работы энергосистемы, а также электростанции можно представить, в виде процентного соотношения выработанной за год электрической энергии, к максимально возможной годовой производительности. Если коэффициент нагрузки будет достигать 100%, то при аварийном выходе энергоблоков из строя, ряд городов и сел погрузиться в темноту.

КПД электростанции. При расчете КПД ТЭС следует посмотреть, сколько угля в килограммах сжигается для получения одного киловатт-часа электрической энергии. Этот показатель, благодаря постоянно совершенствующимся технологиям постоянно улучшался. В 1920-х годах он равнялся 15,3 кг/кВтЧч, в 1960-х доходил до 3,95 кг/кВтЧч, но по ряду обстоятельств к 1990-м годам повысился до 4,59 кг/кВтЧч. Повышение произошло из-за массового внедрения на тепловых электростанциях оборудования (газоочистители, пылезолоуловители), съедающего до 10% выходной мощности этих электростанций, а также в связи с использованием более экологически безопасного угля. Термическое КПД современных ТЭС достигает 36%. Такая величина КПД из-за того, что отходящие газы возникающие при горении уносят много тепла.

У паротурбинных электростанций величина термического КПД зависит от давления пара и рабочих температур. В начале 20-го века паротурбинные электростанции работали с параметрами равными 1,37 МПА и 260°С, а сейчас с давлением выше 34 МПа и температурой превышающей 590°С. КПД может достигать 35-37%.

Газотурбинные установки с котлом-утилизатором и дополнительной паровой турбиной обладают неплохим КПД в 40%.

У АЭС в основном полное КПД равняется 32%, из-за того, что АЭС работает при более низких температурах и давлениях, чем ТЭС, так как нормативы безопасности ограничивают максимально допустимую температуру активной зоны реактора.

ГОДОВОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ДУШУ НАСЕЛЕНИЯ
(кВт.ч, начало 1990-х годов)

Электроэнергия

В каждой квартире пользуются электроэнергией. Расход электроэнергии зависит от мощности используемых приборов и от времени их действия.
Обычно совершённую током работу называют потреблённой электроэнергией (E) ( E = A ) .

Обрати внимание!
Электроэнергия = Электрическая мощность · Время

Потреблённую электроэнергию в быту обычно выражают в киловатт-часах кВт ⋅ ч , а не в джоулях ((Дж)).

Перевод киловатт-часов в джоули:

1 кВт ⋅ ч = 1000 Вт ⋅ 3600 с = 3 600000 Вт ⋅ с = 3 600 000 Дж = 3,6 МДж .

Потребление электроэнергии в киловатт-часах учитывают счётчики

электроэнергии.

За электроэнергию необходимо платить по установленному тарифу. (1) кВт ⋅ ч электроэнергии стоит (4,5) руб.

Сколько стоит (4)-часовой просмотр телевизора, если его мощность равна (200) Вт?
Переводим данные единицы не в единицы СИ (ватты и секунды), а в единицы, в которых учитывается количество потреблённой электроэнергии (киловатты и часы).

P = 200 Вт = 0, 2 кВт t = 4 ч Тариф = 4,5 руб / кВт ⋅ ч Стоимость − ? Стоимость = E ⋅ Тариф E = P ⋅ t Стоимость = P ⋅ t ⋅ Тариф Стоимость = 0, 2 ⋅ 4 ⋅ 4,5 = 3, 6 ( руб .)

Чтобы определить количество потреблённой за месяц электроэнергии или совершённую током работу, необходимо:

1. Определить показания счётчика в начале и в конце месяца.
2. Разница показаний — количество потреблённой электроэнергии в течение месяца в киловатт-часах.
3. Полученное количество электроэнергии умножить на тариф.

Электрическая энергия

Электрическая энергия — это энергия электромагнитного поля, являющегося особым видом материи. Особым в том смысле, что существует в пустоте. В тоже время обладает энергией:

Энергия электрона

,

Масса электрона

кг/м 2

и количеством движения:

Скорость электрона

.

Электрическая энергия — это спрособность тела производить работу.

Это поле имеет две составляющие — электрическую и магнитную. Это можно показать на примере линии передачи постоянного тока.

Картина электрического и магнитного поля между проводами

Провода линии изолированы друг от друга и находятся под напряжением U. Следовательно, между проводами возникает электрическое поле. На рисунке силовые линии изображены пунктиром. По проводам протекает электрический ток I. Следовательно, в проводах и вне их создается магнитное поле (сплошные линии на рисунке).

На рисунке видно характерное различие между электрическим и магнитным полями. Силовые линии электрического поля не замкнуты они начинаются и оканчиваются на заряженных проводах. Магнитные силовые линии всегда замкнуты они не имеют ни начала, ни конца.

Связь электрических и магнитных явлений была установлена в двадцатых годах прошлого века, когда Ампер и Эрстед доказали, что электрический ток сопровождается возникновением магнитного поля. Окончательная связь электрического поля и магнитного поля была подтверждена Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции E=-dФ/dt (1831г.)

До создания Доливо – Добровольским м.о. системы трехфазного тока электротехника развивалась как техника постоянного тока.

Теория электромагнитного поля в законченной математической форме была создана Максвеллом в 1873 году.

Введенное Максвеллом представление об электромагнитных волнах подтверждённых, экспериментами Герца об электромагнитных волнах, позволило создать отрасль — радиотехнику.

Генерирование, передача преобразование и потребление электрической энергий возможно лишь при наличии электромагнитного поля.

Электрическая энергия.

В наши дни электрическая энергия является главным видом энергии, на котором работает невообразимое множество устройств и приборов по всему миру. Производство электроэнергии на районной электростанции осуществляется в большинстве случаев электромашинными генераторами переменного тока. При передаче и распределении электроэнергии, для уменьшения потерь применяются повышающие трансформаторные подстанции. Они изменяют напряжение вырабатываемое генераторами, в более высокое напряжение. Далее электрическая энергия с помощью высоковольтных линий электропередач (ЛЭП) передается на дальние расстояния, на десятки и сотни километров. Для того, чтобы доставить электроэнергию к местным центрам электропотребления, к ЛЭП подключено множество распределительных подстанций. Дальнейшим этапом передачи электрической энергии по населенным пунктам, является еще одно понижение напряжения до безопасного уровня на понижающих трансформаторных подстанциях. Потом электроэнергия подается в магистральную сеть, подключенную к понижающим трансформаторам подстанций. В разных участках этой сети находятся пункты ответвления для распределительной сети электропотребителей.

Электростанции. Электростанции разных видов, находящиеся довольно далеко друг от друга, с помощью высоковольтных ЛЭП могут быть объединены в единую энергосистему. В такой энергосистеме постоянную нагрузку, создаваемую потреблением электрической энергии на протяжении суток, принимают на себя атомные электростанции (АЭС), гидроэлектростанции (ГЭС), а также очень эффективные паротурбинные тепловые электростанции и электроцентрали (ТЭС, ТЭЦ). Во время пиковых нагрузок, к единой сети ЛЭП энергосистемы подключают дополнительно газотурбинные установки (ГТУ) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

При сравнении электроснабжения идущего от отдельных электростанций с электроснабжением поступающим от энергосистем, четко видно превосходство энергосистем по ряду параметров: требуется меньшая резервная мощность; надежность электроснабжения серьезно повышена; себестоимость электрической энергии снижена, благодаря экономичному распределению нагрузки между электростанциями; энергоресурсы района используются более эффективно и так далее.

Коэффициент нагрузки. Насколько сильно может изменяться потребительская нагрузка, в меньшую или большую сторону зависит от множества факторов: погоды и климата; от времени суток; от месяца года; от экономического положения потребителей.

Бывает так, что электрическая энергия потребляется с максимальной силой всего лишь несколько часов в году, но мощность энергосистемы или изолированной электростанции должна быть рассчитана и на пиковую нагрузку. Запасная мощность энергосистемы, также позволяет отключать на электростанциях подлежащие ремонту или тех. обслуживанию отдельные энергоблоки. Собранные данные за много лет о размерах потребления электрической энергии показывают, что при наличии у энергосистемы 25 % резервной мощности она легко выдерживает пиковые нагрузки.

Эффективность работы энергосистемы, а также электростанции можно представить, в виде процентного соотношения выработанной за год электрической энергии, к максимально возможной годовой производительности. Если коэффициент нагрузки будет достигать 100%, то при аварийном выходе энергоблоков из строя, ряд городов и сел погрузиться в темноту.

КПД электростанции. При расчете КПД ТЭС следует посмотреть, сколько угля в килограммах сжигается для получения одного киловатт-часа электрической энергии. Этот показатель, благодаря постоянно совершенствующимся технологиям постоянно улучшался. В 1920-х годах он равнялся 15,3 кг/кВтЧч, в 1960-х доходил до 3,95 кг/кВтЧч, но по ряду обстоятельств к 1990-м годам повысился до 4,59 кг/кВтЧч. Повышение произошло из-за массового внедрения на тепловых электростанциях оборудования (газоочистители, пылезолоуловители), съедающего до 10% выходной мощности этих электростанций, а также в связи с использованием более экологически безопасного угля. Термическое КПД современных ТЭС достигает 36%. Такая величина КПД из-за того, что отходящие газы возникающие при горении уносят много тепла.

У паротурбинных электростанций величина термического КПД зависит от давления пара и рабочих температур. В начале 20-го века паротурбинные электростанции работали с параметрами равными 1,37 МПА и 260°С, а сейчас с давлением выше 34 МПа и температурой превышающей 590°С. КПД может достигать 35-37%.

Газотурбинные установки с котлом-утилизатором и дополнительной паровой турбиной обладают неплохим КПД в 40%.

У АЭС в основном полное КПД равняется 32%, из-за того, что АЭС работает при более низких температурах и давлениях, чем ТЭС, так как нормативы безопасности ограничивают максимально допустимую температуру активной зоны реактора.

ГОДОВОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ДУШУ НАСЕЛЕНИЯ
(кВт.ч, начало 1990-х годов)

Основные группы производства электроэнергии в зависимости от типа источников энергии:

Производство возобновляемой электроэнергии:

  • возобновляемая энергия поступает из природных источников, таких как энергия ветра, воды или солнечного тепла. Поэтому ВИЭ являются неисчерпаемыми источниками энергии и более экологичны.
  • невозобновляемые источники энергии:
  • используют ограниченные природные ресурсы для производства электроэнергии,
  • как правило, не так доступны, поскольку встречаются только в определенных частях планеты,
  • 2 группы:
  • энергия из ископаемого топлива (сжигания ископаемого топлива, такого как нефть, уголь и природный газ),
  • энергия из ядерного топлива. Уран является наиболее распространенным ядерным топливом и встречается в природе в 3 различных изотопах. Процесс ядерного деления является наиболее широко используемым и наиболее известным для производства ядерной энергии. За счет реакций, запускаемых в этом процессе, может высвободиться огромное количество энергии. Однако у него есть тот недостаток, что после процесса образуются радиоактивные ядерные отходы.

Источники питания — Активные устройства

Если электрический ток протекает через устройство в направлении от более низкого электрического потенциала к более высокому, так что положительные заряды перемещаются от отрицательной клеммы к положительной, над зарядами будет совершена работа, и энергия преобразуется в электрический потенциал, энергию из какого-либо другого типа энергии, например механической энергии или химической энергии.
Устройства, в которых это происходит, называются активными устройствами или источниками питания: электрические генераторы и батареи.
Некоторые устройства могут быть как источником, так и нагрузкой, в зависимости от напряжения и тока, проходящего через них.
Например, аккумуляторная батарея действует как источник, когда она обеспечивает питание цепи, и как нагрузка, когда она подключена к зарядному устройству и перезаряжается.

Если электрический ток течет через устройство в направлении от более высокого потенциала (напряжения) к более низкому потенциалу, положительный заряд перемещается от положительной (+) клеммы к отрицательной (-), работа совершается зарядами на устройстве.
Потенциальная энергия зарядов за счет напряжения между клеммами преобразуется в устройстве в кинетическую энергию.
Эти устройства называются пассивными компонентами или нагрузками; они потребляют электроэнергию из цепи, преобразуя ее в другие формы энергии, такие как механическая работа, тепло, свет и др.
В цепях переменного тока (AC) направление напряжения периодически меняется на противоположное, но ток всегда течет от стороны с более высоким потенциалом к ​​стороне с более низким потенциалом.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий