ПОВЫШЕНИЕ КПД ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Актуальность исследования:

Государству необходимы люди, имеющие творческие идеи, проявляющие интерес к разработке и реализации новых идей, программ, способные использовать инновационные технологии в науке, технике, руководстве.

Участие студентов в научных исследованиях способствует развитию познавательной деятельности, а так же интереса к изучению технических дисциплин, в том числе физики.

В работе «Повышение КПД использования электроэнергии», теоретически и экспериментально доказывается, что при выборе потребителя электрической энергии необходимо стремиться, чтобы активное сопротивление нагрузки и внутреннее сопротивление источника были равны. Даны практические рекомендации по увеличению мощности потребителя электрической энергии.

The “Increase of EFFICIENCY of use of the electric power”.

Theoretically and experimentally it is proved that while making the choice of

Electric energy of user the active resistance of load and the inner resistance of

Current source must be equal.

Practical recommendations for increasing of power capacity of electric energy of user are given in this work.

Цель исследования: найти зависимость мощности потребляемой электрической энергии от величины нагрузочного сопротивления.

Объект исследования: источник тока, нагрузочные сопротивления

Предмет исследования: ЭДС и внутреннее сопротивление источника  нагрузочное сопротивление

Гипотеза:

Коэффициент использования электроэнергии будет эффективным, если при выборе источника тока и потребителя их сопротивления одинаковые, то это не противоречит основной формуле расчета КПД, так как чем больше активное сопротивление превышает сопротивление источника, тем выше коэффициент использования электрической энергии.

Задачи:

• Определить зависимость коэффициента полезного действия потребителя от активного сопротивления.
• Найти зависимость мощности электрического тока от нагрузочного сопротивления.

·     Сформировать практические рекомендации по эффективному использованию источника тока и потребителя

Методы исследования:

Теоретические: анализ научной литературы, синтез, сравнение, индукция, дедукция

Практические: эксперимент, наблюдение

Научная новизна:

на основании закона сохранения энергии и знаний о потерях электрического тока при использовании потребителя теоретически и экспериментально доказывается, что повышение мощности потребляемой энергии достигается при условии равенства внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки.

Практическая значимость:

Теоретические выводы и экспериментальные данные показывают, что при выборе нагрузочного сопротивления  равного внутреннему сопротивлению источника мощность потребления электрической энергии будет максимальная. Это позволяет при использовании источника тока и потребителя экономить электрическую энергию.

ГЛАВА 1.

Рассмотрим схему, изображенную на рисунке [1]. Обозначим сопротивление потребителя тока через R, а сопротивление источника тока через r, получим следующее выражение для коэффициента использование электроэнергии:

ŋ= = =

Эту формулу можно представить в таком виде ŋ= 

Рисунок 1.

Из данного выражения видно, что чем больше R (внешнее сопротивление) превышает r (внутреннее сопротивление источника), тем коэффициент использования электроэнергии всей установки выше.

Почему же в таком случае потребитель и источник тока подбираются так, что бы их сопротивления были по возможности равными, хотя при этом достигает КПД только 50%?

Действительно, чем больше R, тем коэффициент использование электроэнергии больше. Он достигает значение, равного единице, при «бесконечно большом» сопротивлении потребителя. Но это практически не осуществимо, хотя приблизиться к этому можно сколь угодно близко.

Делать сопротивление подключенного к источнику тока потребителя слишком большим нецелесообразно. При этом возрастает напряжение на нем, но больше ЭДС источника оно стать все равно не может, а сила тока при неограниченном увеличении R уменьшается [J= ], имея пределом нуль. Таким образом, в формуле мощности N=JU, J - стремиться к нулю при неограниченном росте сопротивления потребителя, а U — не превышает некоторое конечное значение (равного ЭДС). Отсюда следует, что забираемая от источника внешним участком мощность будет стремиться к нулю.

Не следует брать потребитель и со слишком малым сопротивлением, т. к. в приведенной формуле мощности первый множитель (сила тока) не может стать больше  (такой ток потечет при коротком замыкании, когда сопротивление потребителя станет равным нулю J=  = ), тогда как напряжение на нагрузке при неограниченном уменьшении ее сопротивления будет стремиться к нулю.

ГЛАВА 2.

Я хочу доказать, что максимальное значение потребляемой внешним участком мощности достигается в том случае, когда его сопротивление равно сопротивлению источника тока.

Запишем выражение для мощности, потребляемой внешним участкам в виде N=J²R, J= , тогда N= R, (J — сила тока, R — сопротивление нагрузки,r — внутреннее сопротивление источника тока, E — ЭДС источника, N — мощность, потребляемая внешним участком)

Умножим числитель и знаменатель на 4r N=

Получим после несложных преобразований N= [1- ], из этого выражения видно, что N=0 при R=0 и R=∞, а при R=r мощность достигает максимума. Эти доказательства я смог получить в результате эксперимента. Взяв источник тока с электродвижущей силой 4В и внутренним сопротивлением 1 ОМ. Присоединяя к источнику тока различные нагрузочные сопротивления и с помощью амперметра определяя силу тока, рассчитал мощность потребляемую нагрузочным сопротивлением:

Таблица 1.

Эти результаты измерений и расчетов можно показать графически:

Рисунок 2.

Таким образом, мы видим, что наибольшая мощность потребляемая нагрузочным сопротивлением будет при равенстве нагрузочного сопротивления и внутреннего сопротивления источника тока. Для нашего случая это 1 Ом, тогда КПД ŋ= = =0,5 или 50%.

Поэтому эффективно использовать потребитель с сопротивлением приблизительно равным внутреннему сопротивлению источника.

На практике это можно использовать при включении, например, динамиков в радиоприемниках, магнитофонах, сотовых телефонах. Так как электродинамики имеют сопротивление 5‑10 Ом (изготовить более высокоомные динамики технически трудно), то, включив такой низкоомный динамик можно получить лишь небольшую звуковую мощность. Поэтому включают добавочно выходной трансформатор с высокоомной первичной обмоткой и низкоомной вторичной.

Список литературы:

1. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 2. Электричество и магнетизм. 2-е изд., перераб. — М.: Наука, 1982.— 496 с.

2. Селезнев Ю. А. Основы элементарной физики: учеб. пособие. М.: Наука, Физматлит, 1974. — 544 с.

3. Яворский Б. М. Справочник по физике: М.: Наука, 1985. — 512 с.