Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра - [23]

∙I вт.)

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∙t дж. 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…

Задача 34. Двухполупериодный выпрямитель

На фиг. 50 показана пара диодов, с помощью которых можно получить «двухполупериодное выпрямление». Чтобы с помощью такой комбинации диодов зарядить аккумулятор X от сети переменного тока, мы можем воспользоваться схемой, представленной на фиг. 50 (хотя в действительности вместо делителя напряжения берут трансформатор).

Фиг. 50.Схема двухполупериодного выпрямителя, используемого для зарядки аккумулятора.

_{Примечание. Цепь накала диодов не показана.}

К делителю напряжения ab прикладывается напряжение переменного тока с максимальным значением 200 в. Значит, когда напряжение между а и b равно 200 в, причем а положительно, напряжение между а и центральной точкой с равно 100 в и а положительно, а напряжение между Ь и с равно —100 в, причем Ь отрицательно. Четверть периода спустя напряжения эти равны нулю, а спустя еще четверть периода равны соответственно —100 и +100 в.

а) Что происходит внутри обеих половин лампы в каждой из следующих стадий периода:

1) Когда напряжение ас равно +100 в, а напряжение bс равно —100 в.

2) Четверть периода спустя, когда оба напряжения равны нулю.

3) Еще четверть периода спустя, когда напряжение ас равно —100 в, а напряжение be равно +100 в.

б) Начертите график временной зависимости (например, такой, как на экране осциллографа) для суммарного потока электронов через обе половины лампы (или через аккумулятор X).

в) Начертите график временной зависимости для потока электронов, который получится, если удалить один анод (т. е. если лампа представляет собой простой диод).

Задача 35. Экономика электроснабжения

Какие факторы следует учитывать при проектировании системы передачи электроэнергии с точки зрения наилучшего использования системы и снижения ее стоимости? Ответьте на этот вопрос, рассмотрев перечисленные ниже изменения в проекте системы, к которым может привести учет этих факторов. В каждом случае 1) скажите, как повлияет производимое изменение в проекте на рассматриваемую величину: приведет к ее увеличению, уменьшению или не изменит ее сколько-нибудь значительно, и 2) дайте обоснование вашему ответу на вопрос 1).

а) От электростанции до поселка и обратно проложен питающий кабель. Изменится ли при данном кабеле коэффициент полезного действия при увеличении тока (включении большего числа осветительных ламп)? Почему?

б) Изменится ли коэффициент полезного действия при повышении напряжения питания (скажем, со 100 в до 1000 в) и соответствующей замене ламп накаливания? Почему?

в) Повлияет ли переход к высокому напряжению на стоимость крепления кабеля на опорах (ТОГО ЖЕ САМОГО КАБЕЛЯ) и стоимость монтажа скрытой проводки? Почему?

г) Повлияет ли переход к высокому напряжению на условия безопасности работы на электростанции, на линии электропередачи, а также на безопасность потребителей электроэнергии? Почему?