Η Δύναμη του Νόμου του Watt (Εφαρμογές - Ασκήσεις)
Χρέωση ηλεκτρικών υπηρεσιών εξαρτάται από την κατανάλωση του ηλεκτρική ενέργειαΕπομένως, είναι πολύ χρήσιμο να κατανοήσουμε τι είναι, πώς μετράται και πώς να μειώνεται η κατανάλωση εφαρμόζοντας το νόμο του Watt. Επιπλέον, είναι μια βασική μεταβλητή για τη μελέτη των ηλεκτρικών δικτύων και για το σχεδιασμό των ηλεκτρικών συσκευών.
Ο επιστήμονας Watt θέσπισε έναν νόμο, που πήρε το όνομά του, που μας επιτρέπει να υπολογίσουμε αυτήν τη σημαντική μεταβλητή. Στη συνέχεια, η μελέτη αυτού του νόμου και των εφαρμογών του.
ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ:
- Ηλεκτρικό κύκλωμα: Διασύνδεση ηλεκτρικών στοιχείων μέσω των οποίων μπορεί να ρέει ηλεκτρικό ρεύμα.
- Ηλεκτρικό ρεύμα: Ροή ηλεκτρικού φορτίου ανά μονάδα χρόνου μέσω αγώγιμου υλικού. Μετράται σε ενισχυτές (Α).
- Ηλεκτρική τάση: Επίσης γνωστό ως ηλεκτρική τάση ή διαφορά δυναμικού. Είναι η ενέργεια που απαιτείται για τη μετακίνηση ενός ηλεκτρικού φορτίου μέσω ενός στοιχείου. Μετράται σε βολτ (V).
- Energía: Ικανότητα εργασίας. Μετράται σε joule (J) ή σε watt-hour (Wh).
- Ηλεκτρική ενέργεια: ποσότητα ενέργειας που ένα στοιχείο παραδίδει ή απορροφά σε ένα δεδομένο χρόνο. Η ηλεκτρική ισχύς μετράται σε Watt ή Watt, συμβολίζεται με το γράμμα W.
Ίσως σας ενδιαφέρει: Ο νόμος του Ωμ και τα μυστικά του, ασκήσεις και τι δημιουργεί
Ο νόμος του Watt
Ο νόμος του Watt αναφέρει ότι "Η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνει ή παρέχει μια συσκευή καθορίζεται από την τάση και το ρεύμα που ρέει μέσω της συσκευής."
Η ηλεκτρική ισχύς μιας συσκευής, σύμφωνα με τον νόμο του Watt, δίνεται από την έκφραση:
P = V x Ι
Η ηλεκτρική ισχύς μετράται σε Watt (W). Το «τρίγωνο ισχύος» στο Σχήμα 1 χρησιμοποιείται συχνά για τον προσδιορισμό ισχύος, τάσης ή ηλεκτρικού ρεύματος.
Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται οι τύποι που περιέχονται στο τρίγωνο ισχύος.
James Watt (Greenok, Σκωτία, 1736-1819)
Ήταν μηχανικός μηχανικός, εφευρέτης και χημικός. Το 1775 κατασκεύασε ατμομηχανές, χάρη στη συμβολή του στην ανάπτυξη αυτών των μηχανών, ξεκίνησε η βιομηχανική ανάπτυξη. Είναι ο δημιουργός του περιστροφικού κινητήρα, του κινητήρα διπλού εφέ, του οργάνου ένδειξης πίεσης ατμού, μεταξύ άλλων.
Στο διεθνές σύστημα μονάδων, η μονάδα ισχύος είναι το «watt» (Watt, W) προς τιμήν αυτού του πρωτοπόρου.
Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας και χρέωσης ηλεκτρικών υπηρεσιών με βάση το νόμο της Watt
Ξεκινώντας από το γεγονός ότι η ηλεκτρική ενέργεια είναι η ποσότητα ενέργειας που ένα στοιχείο παραδίδει ή απορροφά σε ένα δεδομένο χρόνο, η ενέργεια δίνεται από τον τύπο στο σχήμα 3.
Η ηλεκτρική ενέργεια μετριέται συνήθως στη μονάδα Wh, αν και μπορεί επίσης να μετρηθεί σε joule (1 J = 1 Ws) ή σε ιπποδύναμη (hp). Για να κάνετε τις διάφορες μετρήσεις, σας συνιστούμε να διαβάσετε το άρθρο μας ηλεκτρικά όργανα μέτρησης.
Άσκηση 1 εφαρμογή του νόμου του Watt
Για το στοιχείο στο σχήμα 4, υπολογίστε:
- Απορροφημένη ισχύς
- Η ενέργεια απορροφάται για 60 δευτερόλεπτα
Άσκηση Λύσης 1
A.- Η ηλεκτρική ισχύς που απορροφάται από το στοιχείο προσδιορίζεται σύμφωνα με το σχήμα 5.
Β. Απορροφημένη ενέργεια
αποτέλεσμα:
p = 10 W; Ενέργεια = 600 J
Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας:
Οι πάροχοι υπηρεσιών ηλεκτρικής ενέργειας καθορίζουν τιμές ανάλογα με την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας - Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται από την ισχύ που καταναλώνεται ανά ώρα. Μετράται σε κιλοβατώρες (kWh) ή ιπποδύναμη (hp).
Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας = Ενέργεια = pt
Άσκηση 2 εφαρμογή του νόμου του Watt
Για ένα ρολόι στο Σχήμα 8, αγοράζεται μια μπαταρία λιθίου 3 V. Η μπαταρία έχει αποθηκευμένη ενέργεια 6.000 joule από το εργοστάσιο. Γνωρίζοντας ότι το ρολόι καταναλώνει ηλεκτρικό ρεύμα 0.0001 A, πόσες ημέρες θα χρειαστεί για την αντικατάσταση της μπαταρίας;
Άσκηση Λύσης 2
Η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνεται από την αριθμομηχανή προσδιορίζεται με βάση το Watt's Law:
Εάν η ενέργεια που καταναλώνεται από την αριθμομηχανή δίνεται από τη σχέση Energy = pt, επιλύοντας το χρόνο "t" και αντικαθιστώντας τις τιμές της ενέργειας και της ηλεκτρικής ισχύος, λαμβάνεται ο χρόνος ζωής της μπαταρίας. Βλέπε σχήμα 6
Η μπαταρία έχει την ικανότητα να διατηρεί την αριθμομηχανή για 20.000.000 δευτερόλεπτα, που ισοδυναμεί με 7,7 μήνες.
αποτέλεσμα:
Η μπαταρία ρολογιού πρέπει να αντικατασταθεί μετά από 7 μήνες.
Άσκηση 3 εφαρμογή του νόμου του Watt
Πρέπει να γνωρίζουμε την εκτίμηση των μηνιαίων εξόδων στην υπηρεσία ηλεκτρικής ενέργειας για έναν τοπικό, γνωρίζοντας ότι το ποσοστό κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας είναι 0,5 $ / kWh. Το σχήμα 7 δείχνει τις συσκευές που καταναλώνουν ηλεκτρισμό εντός των εγκαταστάσεων:
- Φορτιστής τηλεφώνου 30 W, που λειτουργεί 4 ώρες την ημέρα
- Επιτραπέζιος υπολογιστής, 120 W, λειτουργεί 8 ώρες την ημέρα
- Λαμπτήρας πυρακτώσεως, 60 W, λειτουργεί 8 ώρες την ημέρα
- Λάμπα γραφείου, 30 W, λειτουργεί 2 ώρες την ημέρα
- Φορητός υπολογιστής, 60 W, λειτουργεί 2 ώρες την ημέρα
- Τηλεόραση, 20 W, λειτουργεί 8 ώρες την ημέρα
Λύση:
Για τον προσδιορισμό της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιείται η σχέση κατανάλωσης ενέργειας = pt. 30 W και χρησιμοποιείται 4 ώρες την ημέρα, καταναλώνει 120 Wh ή 0.120Kwh την ημέρα, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.
Ο Πίνακας 1 δείχνει τον υπολογισμό της ηλεκτρικής κατανάλωσης των τοπικών συσκευών. 1.900 Wh ή 1.9kWh καταναλώνονται καθημερινά.
Με ρυθμό 0,5 $ / kWh, η ηλεκτρική υπηρεσία κοστίζει:
αποτέλεσμα:
Το κόστος της ηλεκτρικής υπηρεσίας στις εγκαταστάσεις είναι 28,5 $ ανά μήνα, για κατανάλωση 57 kWh ανά μήνα.
Σύμβαση παθητικών σημείων:
Ένα στοιχείο μπορεί να απορροφήσει ή να παρέχει ενέργεια. Όταν η ηλεκτρική ισχύς ενός στοιχείου έχει θετικό σημάδι, το στοιχείο απορροφά ενέργεια. Εάν η ηλεκτρική ισχύς είναι αρνητική, το στοιχείο παρέχει ηλεκτρική ενέργεια. Βλέπε σχήμα 9
Καθιερώθηκε ως "σύμβαση παθητικών σημείων" ότι η ηλεκτρική ισχύς:
- Είναι θετικό εάν το ρεύμα εισέρχεται μέσω του θετικού ακροδέκτη της τάσης στο στοιχείο.
- Είναι αρνητικό εάν το ρεύμα εισέλθει μέσω του αρνητικού τερματικού. Βλέπε σχήμα 10
Άσκηση 4 εφαρμόζοντας το νόμο του Watt
Για τα στοιχεία που φαίνονται στο Σχήμα 11, υπολογίστε την ηλεκτρική ισχύ χρησιμοποιώντας τη σύμβαση θετικών σημείων και υποδείξτε εάν το στοιχείο τροφοδοτεί ή απορροφά ενέργεια:
Λύση:
Το σχήμα 12 δείχνει τον υπολογισμό της ηλεκτρικής ισχύος σε κάθε συσκευή.
Αποτέλεσμα
ΠΡΟΣ ΤΗΝ. (Έτος κέρδους Α) Όταν το ρεύμα εισέρχεται μέσω του θετικού τερματικού, η ισχύς είναι θετική:
p = 20W, το στοιχείο απορροφά ενέργεια.
Β. (Κέρδος για άσκηση Β) Όταν το ρεύμα εισέρχεται μέσω του θετικού τερματικού, η ισχύς είναι θετική:
p = - 6 W, το στοιχείο παρέχει ισχύ.
Συμπεράσματα για τον νόμο του Watt:
Η ηλεκτρική ισχύς, μετρούμενη σε Watt (W), δείχνει πόσο γρήγορα μπορεί να μετασχηματιστεί η ηλεκτρική ενέργεια.
Ο νόμος του Watt παρέχει την εξίσωση για τον υπολογισμό της ηλεκτρικής ισχύος σε ηλεκτρικά συστήματα, καθορίζοντας την άμεση σχέση μεταξύ ισχύος, τάσης και ηλεκτρικού ρεύματος:
Η μελέτη της ηλεκτρικής ισχύος είναι χρήσιμη για τον προσδιορισμό της απόδοσης του εξοπλισμού, στο σχεδιασμό του ίδιου για τη μείωση της ηλεκτρικής κατανάλωσης, για τη συλλογή της ηλεκτρικής υπηρεσίας, μεταξύ άλλων εφαρμογών.
Όταν μια συσκευή καταναλώνει ενέργεια, η ηλεκτρική ισχύς είναι θετική, εάν παρέχει ενέργεια, η ισχύς είναι αρνητική. Για την ανάλυση ισχύος σε ηλεκτρικά κυκλώματα, χρησιμοποιείται συνήθως η σύμβαση θετικών σημείων, η οποία δείχνει ότι η ισχύς σε ένα στοιχείο είναι θετική εάν το ηλεκτρικό ρεύμα εισέρχεται μέσω του θετικού τερματικού.
Επίσης στον ιστότοπό μας μπορείτε να βρείτε: Ο νόμος του Kirchhoff, τι θεσπίζει και πώς να τον εφαρμόσει
