Работа через мощность формула: Физика (7 класс)/Работа и мощность. Энергия — Викиверситет

Содержание

Работа. Мощность. — FizikatTYT

Каждое тело, совершающее движение, можно охарактеризовать работой. Иными словами, она характеризует действие сил.

Работа определяется как:
Произведение модуля силы и пути пройденного телом, умноженное на косинус угла между направлением силы и движения.

Работа измеряется в Джоулях:
1 [Дж] = [H * м] = [кг* м2/c2]

К примеру, тело A под действием силы в 5 Н, прошло 10 м. Определить работу совершенную телом.

Так как направление движения и действия силы совпадают, то угол между вектором силы и вектором перемещения будет равен 0°. Формула упроститься, потому что косинус угла в 0° равен 1.

Подставляя исходные параметры в формулу, находим:
A= 15 Дж.

Рассмотрим другой пример, тело массой 2 кг, двигаясь с ускорением 6 м/ с2, прошло 10 м. Определить работу проделанную телом, если оно двигалось по наклоненной плоскости вверх под углом 60°.

Для начала, вычислим какую силу нужно приложить, что бы сообщить телу ускорение 6 м/ с2.

F = 2 кг * 6 м/ с2 = 12 H.
Под действием силы 12H, тело прошло 10 м. Работу можно вычислить по уже известной формуле:

Где, а равно 30°. Подставляя исходные данные в формулу получаем:
A= 103, 2 Дж.

Мощность

Множество машин механизмов выполняют одну и ту же работу за различный промежуток времени. Для их сравнения вводится понятие мощности.
Мощность – это величина, показывающая объем работы выполненный за единицу времени.

Мощность измеряется в Ватт, в честь Шотландского инженера Джеймса Ватта.
1 [Ватт] = 1 [Дж/c].

К примеру, большой кран поднял груз весом 10 т на высоту 30 м за 1 мин. Маленький кран на эту же высоту за 1 мин поднял 2 т кирпича. Сравнить мощности кранов.
Определим работу выполняемую кранами. Груз поднимается на 30м, при этом преодолевая силу тяжести, поэтому сила, затрачиваемая на поднятие груза, будет равна силе взаимодействия Земли и груза(F = m * g). А работа – произведению сил на расстояние пройденное грузами, то есть на высоту.

Для большого крана A1 = 10 000 кг * 30 м * 10 м / с2 = 3 000 000 Дж, а для маленького A2 = 2 000 кг * 30 м * 10 м / с2 = 600 000 Дж.
Мощность можно вычислить, разделив работу на время. Оба крана подняли груз за 1 мин (60 сек).

Отсюда:
N1 = 3 000 000 Дж/60 c = 50 000 Вт = 50 кВт.
N2 = 600 000 Дж/ 60 c = 10 000 Вт = 10 к Вт.
Из выше приведенных данных наглядно видно, что первый кран в 5 раз мощнее второго.

Репетитор-онлайн — подготовка к ЦТ

Пример 22. Два автомобиля одновременно трогаются с места и движутся равноускоренно. Массы автомобилей одинаковы. Во сколько раз средняя мощность первого автомобиля больше средней мощности второго, если за одно и то же время первый автомобиль развивает скорость вдвое большую, чем второй? Сопротивлением движению пренебречь.

Решение. Мощность двигателей автомобилей определяется фор­мулой:

  • для первого автомобиля

N1*=Fтяги1v1cosα,

  • для второго автомобиля

N2*=Fтяги2v2cosα,

где Fтяги1 — величина силы тяги двигателя первого автомобиля; v1 — модуль скорости первого автомобиля; Fтяги2 — величина силы тяги двигателя второго автомобиля; v2 — модуль скорости второго автомобиля; α = 0° — угол между векторами силы тяги и скорости.

Силы, действующие на первый и второй автомобиль, направление движения и выбранная система координат показаны на рисунке.

Для определения величины силы тяги запишем второй закон Ньютона с учетом того, что автомобили движутся равноускоренно:

  • для первого автомобиля

F→тяги1+m1g→+N→1=m1a→1,

или в проекциях на координатные оси —

Ox: Fтяги1=m1a1;Oy: N1−m1g=0,}

  • для второго автомобиля

F→тяги2+m2g→+N→2=m2a→2,

или в проекциях на координатные оси —

Ox: Fтяги2=m2a2;Oy: N2−m2g=0,}

где m1 — масса первого автомобиля; m2 — масса второго автомобиля; g — модуль ускорения свободного падения; N1 — модуль силы нормальной реакции, действующей на первый автомобиль со стороны дороги; N2 — модуль силы нормальной реакции, действующей на второй автомобиль со стороны дороги; a1 — модуль ускорения первого автомобиля; a2 — модуль ускорения второго автомобиля.

Из записанных уравнений следует, что величины сил тяги первого и второго автомобиля определяются формулами:

  • для первого автомобиля

Fтяги1 = m1a1,

  • для второго автомобиля

Fтяги2 = m2a2.

Отношение модулей сил тяги (Fтяги1/Fтяги2) определяется отношением

Fтяги1Fтяги2=m1a1m2a2.

Движение автомобилей происходит равноускоренно без начальной скорости, поэтому их скорость с течением времени изменяется по законам:

  • для первого автомобиля

v1 = a1t,

  • для второго автомобиля

v2 = a2t,

где t — время.

Отношение модулей скоростей (v1/v2) определяется отношением величин ускорений (a1/a2):

v1v2=a1a2,

а отношение мощностей —

N1*N2*=Fтяги1v1cosαFтяги2v2cosα=Fтяги1Fтяги2v1v2.

Подставим в полученное отношение выражения для (Fтяги1/Fтяги2) и (v1/v2):

N1*N2*=m1a1m2a2a1a2=m1m2(a1a2)2.

Преобразование формулы с учетом равенства масс автомобилей (m1 = m2 = m) и замены (a1/a2 = v1/v2) дает искомое отношение мощностей:

N1*N2*=(v1v2)2=(2v2v2)2=22=4.

Таким образом, мощность первого автомобиля в 4 раза больше мощности второго автомобиля.

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца – FIZI4KA

1. Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу, и электрическая энергия превращается в другие виды энергии: во внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля и пр.

Как было показано, напряжение ​\( (U) \)​ на участке цепи равно отношению работы ​\( (F) \)​, совершаемой при перемещении электрического заряда ​\( (q) \)​ на этом участке, к заряду: ​\( U=A/q \)​. Отсюда ​\( A=qU \)​. Поскольку заряд равен произведению силы тока ​\( (I) \)​ и времени ​\( (t) \)​ ​\( q=It \)​, то ​\( A=IUt \)​, т.е. работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.

Единицей работы является джоуль (1 Дж). Эту единицу можно выразить через электрические единицы:

​\( [A] \)​= 1 Дж = 1 В · 1 А · 1 с

Для измерения работы используют три измерительных прибора: амперметр, вольтметр и часы, однако, в реальной жизни для измерения работы электрического тока используют счётчики электрической энергии.

Если нужно найти работу тока, но при этом сила тока или напряжение неизвестны, то можно воспользоваться законом Ома, выразить неизвестные величины и рассчитать работу по формулам: ​\( A=\frac{U^2}{R}t \)​ или ​\( A=I^2Rt \)​.

2. Мощность электрического тока равна отношению работы ко времени, за которое она совершена: ​\( P=A/t \)​ или ​\( P=IUt/t \)​; ​\( P=IU \)​, т.е. мощность электрического тока равна произведению напряжения и силы тока в цепи.

Единицей мощности является ватт (1 Вт): ​\( [P]=[I]\cdot[U] \)​; ​\( [P] \)​ = 1 А · 1 В = 1 Вт.

Используя закон Ома, можно получить другие формулы для расчета мощности тока: ​\( P=\frac{U^2}{R};P=I^2R \)​.

Значение мощности электрического тока в проводнике можно определить с помощью амперметра и вольтметра, измерив соответственно силу тока и напряжение. Можно для измерения мощности использовать специальный прибор, называемый ваттметром, в котором объединены амперметр и вольтметр.

3. При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию. Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: ​\( Q=A \)​ или ​\( Q=IUt \)​. Учитывая, что ​\( U=IR \)​, ​\( Q=I^2Rt \)​.

Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока но проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Этот закон называют законом Джоуля-Ленца.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Силу тока в проводнике увеличили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в нём за единицу времени, при неизменном сопротивлении проводника?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

2. Длину спирали электроплитки уменьшили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в спирали за единицу времени, при неизменном напряжении сети?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

3. Сопротивления резистор ​\( R_1 \)​ в четыре раза меньше сопротивления резистора ​\( R_2 \)​. Работа тока в резисторе 2

1) в 4 раза больше, чем в резисторе 1
2) в 16 раз больше, чем в резисторе 1
3) в 4 раза меньше, чем в резисторе 1
4) в 16 раз меньше, чем в резисторе 1

4. Сопротивление резистора ​\( R_1 \)​ в 3 раза больше сопротивления резистора ​\( R_2 \)​. Количество теплоты, которое выделится в резисторе 1

1) в 3 раза больше, чем в резисторе 2
2) в 9 раз больше, чем в резисторе 2
3) в 3 раза меньше, чем в резисторе 2
4) в 9 раз меньше, чем в резисторе 2

5. Цепь собрана из источника тока, лампочки и тонкой железной проволоки, соединенных последовательно. Лампочка станет гореть ярче, если

1) проволоку заменить на более тонкую железную
2) уменьшить длину проволоки
3) поменять местами проволоку и лампочку
4) железную проволоку заменить на нихромовую

6. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения напряжения на концах двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока ​\( A_1 \)​ и ​\( A_2 \)​ в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​\( A_1=A_2 \)​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

7. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения силы тока в двух проводниках (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока \( A_1 \)​ и ​\( A_2 \) в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​\( A_1=A_2 \)​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

8. Если в люстре для освещения помещения использовать лампы мощностью 60 и 100 Вт, то

А. Большая сила тока будет в лампе мощностью 100 Вт.
Б. Большее сопротивление имеет лампа мощностью 60 Вт.

Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я)

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

9. Электрическая плитка, подключённая к источнику постоянного тока, за 120 с потребляет 108 кДж энергии. Чему равна сила тока в спирали плитки, если её сопротивление 25 Ом?

1) 36 А
2) 6 А
3) 2,16 А
4) 1,5 А

10. Электрическая плитка при силе тока 5 А потребляет 1000 кДж энергии. Чему равно время прохождения тока по спирали плитки, если её сопротивление 20 Ом?

1) 10000 с
2) 2000 с
3) 10 с
4) 2 с

11. Никелиновую спираль электроплитки заменили на нихромовую такой же длины и площади поперечного сечения. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при включении плитки в электрическую сеть. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) электрическое сопротивление спирали
Б) сила электрического тока в спирали
B) мощность электрического тока, потребляемая плиткой

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

12. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
A) работа тока
Б) сила тока
B) мощность тока

ФОРМУЛЫ
1) ​\( \frac{q}{t} \)​
2) ​\( qU \)​
3) \( \frac{RS}{L} \)​
4) ​\( UI \)​
5) \( \frac{U}{I} \)​

Часть 2

13. Нагреватель включён последовательно с реостатом сопротивлением 7,5 Ом в сеть с напряжением 220 В. Каково сопротивление нагревателя, если мощность электрического тока в реостате составляет 480 Вт?

Ответы

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

4 (80%) 2 votes

формула, мгновенный и средний расчет силы

В общем смысле этим термином обозначают энергетические изменения определенной системы. Классическая формула механической мощности устанавливает связь между работой и временем, которое понадобилось на завершение соответствующего процесса. В этой публикации дополнительно рассмотрены электрические и гидравлические параметры энергии, методики вычислений, измерительные приборы.

Механическая мощность характеризует скорость выполнения работы

Механическая мощность характеризует скорость выполнения работы

Используемые обозначения

В стандартных формулах мощность часто обозначают буквой N без уточнения происхождения. Достаточно часто применяют P. В этом варианте понятен исходный смысл: от латинского слова potestas – действие, мощь, сила. В электротехнике часто применяют W (watt – англ., ватт). Дополнительными символами отмечают специфическое назначение NH – гидравлическая мощность от hydraulics.

Основные формулы

Когда рассчитывается средняя мощность формула содержит значения для определенных промежутков: ΔА (работа) и Δt (время). Мгновенные показатели обозначают dA и dt, соответственно. Чтобы узнать количество потребленной энергии, берут интеграл за необходимый временной интервал.

Единицы измерения

В действующей системе единиц «СИ», утвержденной на международном уровне, мощность предлагается указывать в ваттах (один Вт = работе 1 Джоуль, сделанной за 1 секунду). Устаревшее обозначение «лошадиная сила» рекомендовано изъять из оборота. Для удобства применяют производные значения с определенными приставками (один киловатт (1кВт) = 10 в третьей степени ватт = 1 000 Вт).

Перевод 1 Вт в иные обозначения:

  • килограмм-сила-метр в секунду (кгс*м/с) – 0,102;
  • эрг в секунду (эрг/с) – 107;
  • лошадиная сила (л.с.) метрическая/ английская – 1,36*10-3/ 1,34*10-3.

К сведению. Если в описании автомобиля указано 125 кВт, это равнозначно 170 л.с. (125*1,36=169,95).

Мощность в механике

В ходе исследования механических процессов необходимо учитывать точку приложения усилия и направление действия. Рассчитать мощность можно по формуле (N=F*v) с учетом скорости движения (v) определенного тела. Если направления не совпадают, добавляют корректирующий множитель (cosα).

Электрическая мощность

В этой области не важны тяжесть предметов, сила трения, другие механические термины и определения. Тем не менее, суть рассматриваемой физической величины остается неизменной, подобны принципы отдельных вычислений.

Можно применить для расчета мгновенной мощности формулу:

P(a-b) = А/ Δt,

где:

  • (a-b) – обозначают энергию, затраченную на перемещение заряда (q) из одной в другую точку;
  • А – выполненная в ходе этого процесса работа.

Если взять все заряды (Q), напряжение в контрольных точках (U), нетрудно вычислить суммарную мощность:

P = (U/ Δt) * Q = U * Q/ Δt = U *I.

Последнее преобразование основано на классическом определении тока (количество зарядов, протекающих по соответствующему проводнику за определенное время).

Для пассивных цепей можно пользоваться законом Ома и соответствующими формулами без дополнительных коррекций. Учитывают (при наличии) источник электродвижущей силы (направление движения токов).

Формулы для расчета мощности и других параметров

Формулы для расчета мощности и других параметров

При подключении техники к источникам переменного тока вычисления усложняются. Приходится интегрировать мгновенные значения с учетом определенных периодов, частоты и формы сигналов. На практике часто решают задачи по вычислению мощности потребителей, подключенных к источнику питания с синусоидальным током (напряжением).

Активная составляющая энергии в этом случае будет зависеть от фазового сдвига. Значение вычисляют по формуле:

Pa = U * I * cosϕ (для 220V).

При работе с трехфазными источниками пользуются измененным вариантом выражения:

Pa = √3 * U * I * cosϕ = 1,732 * U * I * cosϕ.

Реактивная переменная потребляется и возвращается в источник питания. Для расчета берут следующую зависимость базовых параметров:

Pq = U * I * sinϕ.

Полная мощность:

Ps = √( Pa2 + Pq2).

Приборы для измерения электрической мощности

С учетом основных компонентов формулы несложно понять, что значения необходимых параметров (ток и напряжение) можно узнать с помощью обычного мультиметра. По необходимому уровню точности выбирают методику и класс измерительного прибора.

Современный ваттметр может передавать информацию в режиме онлайн для удаленного контроля телеметрии

Современный ваттметр может передавать информацию в режиме онлайн для удаленного контроля телеметрии

Специализированные изделия (ваттметры) способны отображать результаты исследований при работе в сетях постоянного и переменного тока. Специальные модификации (варметры) замеряют реактивную составляющую.

Гидравлическая мощность

Узнать производительность асинхронного электродвигателя насоса можно косвенным методом, по выполненной работе. Для этого умножают перепад измеренных (вход/ выход) давлений (ΔP) на количество перекачанной жидкости (V) в м куб. за секунду.

Пример:

  • напор по манометрам – 220 кгс/ см кв.;
  • производительность – 65 л/мин. = 3,9 куб. м/ час = 0,001083 куб. м /с.;
  • мощность NH = ΔP * V = 220 * 100 (перевод см в м) * 0,001083 = 23,83 кВт.

Мощность силы

Для решения практических задач меняют рассмотренные выражения необходимым образом. Расчет энергетических изменений отображает пример с падающим предметом:

  • в исходных данных известны высота и масса тела;
  • требуется установить мощность силы формула которой отображает результат на половине пути при свободном падении;
  • подставляют вместо базовых компонентов известные величины:
  1. F = m *g;
  2. V (скорость в определенной точке) = Vn (начальная скорость) + g*t.
  • после завершения преобразований получают:

P = m*√(g3*h).

Мощность вращающихся объектов

Для расчета подобной системы применяют формулу:

N = M * w = (2π * M* n)/60,

где:

  • M – момент силы;
  • w – угловая скорость, характеризующая вращение;
  • n – количество оборотов, которое совершает двигатель или другое устройство за 60 секунд.

Приведенные сведения используют с учетом целевого назначения и реальных условий. Так, в термодинамике необходимо помнить о зависимости эффективности системы от температуры окружающей среды. Тепловые потери нагревателя оценивают по соответствующей мощности на единицу площади поверхности. Аналогичным образом поступают при решении механических задач для расчета тяги, КПД, иных рабочих параметров. Как правило, приходится специальным коэффициентом компенсировать трение.

В электрических цепях ток ограничивает сопротивление проводника. Для небольших расстояний при малой мощности тщательные расчеты не нужны. Однако проект магистральной трассы обязательно содержит соответствующие вычисления. На основе полученных результатов делают выводы о среднегодовых экономических показателях. Следует помнить о необходимости учета искажений, которые добавляют при работе с переменным напряжением реактивные нагрузки.

Видео

ФИЗИКА: Задачи на механическую мощность

Задачи на механическую мощность
с решениями

Формулы, используемые на уроках «Задачи на механическую мощность».

Название величины
Обозначение
Единица измерения
Формула
Работа
A
Дж
A = Nt,
А = mgh,
A = Fs
Мощность
N
Вт
N = A / t
Время
t
с
t = А / N
Постоянная
g ≈ 10 Н/кг
Н/кг



ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ


Задача № 1.
 Действуя силой 80 Н, человек поднимает из колодца глубиной 10 м ведро воды за 20 с. Какую мощность развивает при этом человек?


Задача № 2.
 Мощность тягового электродвигателя троллейбуса равна 86 кВт. Какую работу может совершить двигатель за 2 ч?


Задача № 3.
 Какую мощность развивает альпинист массой 80 кг, поднявшийся на высоту 500 м за 2 ч?


Задача № 4.
 Человек, поднимающий ведро воды из колодца за 15 с, развивает мощность 0,16 кВт. Какую работу он при этом совершает?


Задача № 5.
 Какую мощность развивает двигатель мотороллера, движущегося со скоростью 57,6 км/ч при силе тяги 245 Н?


Задача № 6.
 Для выборки кошелькового невода неводовыборочная машина с электрическим приводом развивает мощность, равную 2 кВт. За сколько времени она выберет невод длиной 500 м при силе тяги 5 кН?


Задача № 7.
 Мощность подъемного крана 10 кВт. Им можно равномерно поднять груз массой 2 т за 0,5 мин. Какую работу произведет в этом случае кран? На какую высоту переместит он груз?


 

Краткая теория для решения задачи на механическую мощность

Задачи на механическую мощность

 


Конспект урока «Задачи на механическую мощность с решениями».

Следующая тема: «Задачи на простые механизмы».

 

формула, правила расчета, виды и классификация электродвигателей

В электромеханике существует много приводов, которые работают с постоянными нагрузками без изменения скорости вращения. Их используют в промышленном и бытовом оборудовании как, например, вентиляторы, компрессоры и другие. Если номинальные характеристики неизвестны, то для расчетов используют формулу мощности электродвигателя. Вычисления параметров особенно актуальны для новых и малоизвестных приводов. Калькуляция выполняется с использованием специальных коэффициентов, а также на основе накопленного опыта работы с подобными механизмами. Данные необходимы для правильной эксплуатации электрических установок.

Электрические двигателя

Что такое электродвигатель?

Электрический двигатель представляет собой устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Работа большинства агрегатов зависит от взаимодействия магнитного поля с обмоткой ротора, которая выражается в его вращении. Функционируют они от источников питания постоянного или переменного тока. В качестве питающего элемента может выступать аккумулятор, инвертор или розетка электросети. В некоторых случаях двигатель работает в обратном порядке, то есть преобразует механическую энергию в электрическую. Такие установки находят широкое применение на электростанциях, работающие от потока воздуха или воды.

Электродвигатели переменного тока

Электродвигатели классифицируют по типу источника питания, внутренней конструкции, применению и мощности. Также приводы переменного тока могут иметь специальные щетки. Они функционируют от однофазного, двухфазного или трехфазного напряжения, имеют воздушное или жидкостное охлаждение. Формула мощности электродвигателя переменного тока

P = U х I,

где P — мощность, U — напряжение, I — сила тока.

Приводы общего назначения со своими размерами и характеристиками находят применение в промышленности. Самые большие двигатели мощностью более 100 Мегаватт используют на силовых установках кораблей, компрессорных и насосных станций. Меньшего размера используют в бытовых приборах, как пылесос или вентилятор.

Конструкция электрического двигателя

Привод включает в себя:

  • Ротор.
  • Статор.
  • Подшипники.
  • Воздушный зазор.
  • Обмотку.
  • Коммутатор.

Ротор — единственная подвижная деталь привода, которая вращается вокруг своей оси. Ток, проходя через проводники, образует индукционное возмущение в обмотке. Формируемое магнитное поле взаимодействует с постоянными магнитами статора, что приводит в движение вал. Их рассчитывают по формуле мощности электродвигателя по току, для которой берется КПД и коэффициент мощности, в том числе все динамические характеристики вала.

Ротор двигателя

Подшипники расположены на валу ротора и способствуют его вращению вокруг своей оси. Внешней частью они крепятся к корпусу двигателя. Вал проходит через них и выходит наружу. Поскольку нагрузка выходит за пределы рабочей зоны подшипников, ее называют нависающей.

Статор является неподвижным элементом электромагнитной цепи двигателя. Может включать в себя обмотку или постоянные магниты. Сердечник статора выполнен из тонких металлических пластин, которые называют пакетом якоря. Он призван снижать потери энергии, что часто происходит с твердыми стержнями.

Ротор и статор двигателя

Воздушный зазор — расстояние между ротором и статором. Эффективным является небольшой промежуток, так как он влияет на низкий коэффициент работы электродвигателя. Ток намагничивания растет с увеличением размера зазора. Поэтому его всегда стараются делать минимальным, но до разумных пределов. Слишком маленькое расстояние приводит к трению и ослаблению фиксирующих элементов.

Обмотка состоит из медной проволоки, собранной в одну катушку. Обычно укладывается вокруг мягкого намагниченного сердечника, состоящего из нескольких слоев металла. Возмущение индукционного поля происходит в момент прохождения тока через провода обмотки. В этот момент установка переходит в режим конфигурации с явными и неявными полюсами. В первом случае магнитное поле установки создает обмотка вокруг полюсного наконечника. Во втором случае, в распределенном поле рассредотачивается слотов полюсного наконечника ротора. Двигатель с экранированными полюсами имеет обмотку, которое сдерживает магнитное возмущение.

Коммутатор используют для переключения входного напряжения. Состоит из контактных колец, расположенных на валу и изолированных друг от друга. Ток якоря подается на щетки контактов ротационного коммутатора, который приводит к изменению полярности и заставляет вращаться ротор от полюса к полюсу. При отсутствии напряжения мотор прекращает крутиться. Современные установки оборудованы дополнительными электронным средствами, которые контролируют процесс вращения.

Коммутатор двигателя

Принцип действия

По закону Архимеда ток в проводнике создает магнитное поле, в котором действует сила F1. Если из этого проводника изготовить металлическую рамку и поместить ее в поле под углом 90°, то края будут испытывать силы, направленные в противоположную сторону относительно друг друга. Они создают крутящий момент относительно оси, который начинает ее вращать. Витки якоря обеспечивают постоянное кручение. Поле создается электрическими или постоянными магнитами. Первый вариант выполнен в виде обмотки катушки на стальном сердечнике. Таким образом, ток рамки генерирует индукционное поле в обмотке электромагнита, которое порождает электродвижущую силу.

Работа электродвигателя

Рассмотрим более подробно работу асинхронных двигателей на примере установок с фазным ротором. Такие машины работают от переменного тока с частотой вращения якоря, не равной пульсации магнитного поля. Поэтому их еще называют индукционными. Ротор приводится в движение за счет взаимодействия электрического тока в катушках с магнитным полем.

Когда во вспомогательной обмотке отсутствует напряжение, устройство находится в состоянии покоя. Как только на контактах статора появляется электрический ток, образуется постоянное в пространстве магнитное поле с пульсацией +Ф и -Ф. Его можно представить в виде следующей формулы:

nпр = nобр = f1 × 60 ÷ p = n1

где:

nпр — количество оборотов, которое совершает магнитное поле в прямом направлении, об/мин;

nобр — число оборотов поля в обратном направлении, об/мин;

f1 — частота пульсации электрического тока, Гц;

p — количество полюсов;

n1 — общее число оборотов в минуту.

Испытывая пульсации магнитного поля, ротор получает начальное движение. По причине неоднородности воздействия потока, он будет развиваться крутящий момент. По закону индукции, в короткозамкнутой обмотке образуется электродвижущая сила, которая генерирует ток. Его частота пропорциональна скольжению ротора. Благодаря взаимодействию электрического тока с магнитным полем создается крутящий момент вала.

Для расчетов производительности существуют три формулы мощности асинхронного электродвигателя. По сдвигу фаз используют

S = P ÷ cos (alpha), где:

S — полная мощность, измеряемая в Вольт-Амперах.

P — активная мощность, указываемая в Ваттах.

alpha — сдвиг фаз.

Под полной мощностью понимаются реальный показатель, а под активной — расчетный.

Виды электродвигателей

По источнику питания приводы разделяют на работающие от:

  • Постоянного тока.
  • Переменного тока.

По принципу работы их, в свою очередь, делят на:

  • Коллекторные.
  • Вентильные.
  • Асинхронные.
  • Синхронные.

Вентильные двигатели не относят к отдельному классу, так как их устройство является вариацией коллекторного привода. В их конструкцию входит электронный преобразователь и датчик положения ротора. Обычно их интегрируют вместе с платой управления. За их счет происходит согласованная коммутация якоря.

Синхронные и асинхронные двигатели работают исключительно от переменного тока. Управление оборотами происходит с помощью сложной электроники. Асинхронные делятся на:

  • Трехфазные.
  • Двухфазные.
  • Однофазные.

Теоретическая формула мощности трехфазного электродвигателя при соединении в звезду или треугольником

P = 3 * Uф * Iф * cos(alpha).

Однако для линейных значений напряжения и тока она выглядит как

P = 1,73 × Uф × Iф × cos(alpha).

Это будет реальный показатель, сколько мощности двигатель забирает из сети.

Синхронные подразделяются на:

  • Шаговые.
  • Гибридные.
  • Индукторные.
  • Гистерезисные.
  • Реактивные.

В своей конструкции шаговые двигатели имеют постоянные магниты, поэтому их не относят к отдельной категории. Управление работой механизмов производится с помощью частотных преобразователей. Существуют также универсальные двигатели, которые функционируют от постоянного и переменного тока.

Общие характеристики двигателей

Все моторы имеют общие параметры, которые используются в формуле определения мощности электродвигателя. На их основе можно рассчитать свойства машины. В разной литературе они могут называться по-разному, но означают они одно и то же. В список таких параметров входит:

  • Крутящий момент.
  • Мощность двигателя.
  • Коэффициент полезного действия.
  • Номинальное количество оборотов.
  • Момент инерции ротора.
  • Расчетное напряжение.
  • Электрическая константа времени.

Вышеуказанные параметры необходимы, прежде всего, для определения эффективности электрических установок, работающих за счет механической силы двигателей. Расчетные величины дают лишь приблизительное представление о реальных характеристиках изделия. Однако эти показатели часто используют в формуле мощность электродвигателя. Именно она определяет результативность машин.

Вращательный момент

Этот термин имеет несколько синонимов: момент силы, момент двигателя, Вращательный момент, вертящий момент. Все они используются для обозначения одного показателя, хотя с точки зрения физики эти понятия не всегда тождественны.

Крутящий момент

В целях унификации терминологии были разработаны стандарты, которые приводят все к единой системе. Поэтому в технической документации всегда используются словосочетание «крутящий момент». Он представляет собой векторную физическую величину, которая равна произведению векторных значений силы и радиуса. Вектор радиуса проводится от оси вращения к точке приложенной силы. С точки зрения физики разница между крутящим и вращательным моментом заключается в точке прикладывания силы. В первом случае это внутреннее усилие, во втором — внешнее. Измеряется величина в ньютон-метрах. Однако в формуле мощности электродвигателя крутящий момент используется как основное значение.

Рассчитывается он как

M = F × r, где:

M — крутящий момент, Нм;

F — прикладываемая сила, H;

r — радиус, м.

Для расчета номинального вращающего момента привода используют формулу

Мном = 30Рном ÷ pi × нном, где:

Рном — номинальная мощность электрического двигателя, Вт;

нном — номинальное число оборотов, мин-1.

Соответственно, формула номинальной мощности электродвигателя бедует выглядеть следующим образом:

Рном = Мном * pi*нном / 30.

Обычно все характеристики указаны в спецификации. Но бывает, что приходится работать с совершенно новыми установками, информацию о которых найти очень сложно. Для расчета технических параметров таких устройств берут данные их аналогов. Также всегда известны только номинальные характеристики, которые даются в спецификации. Реальные данные необходимо рассчитывать самостоятельно.

Мощность двигателя

В общем смысле данный параметр представляет собой скалярную физическую величину, которая выражена в скорости потребления или преобразования энергии системы. Он показывает, какую работу механизм выполнит за определенную единицу времени. В электротехнике характеристика отображает полезную механическую мощность на центральном вале. Для обозначения показателя используют литеру P или W. Основной единицей измерения является Ватт. Общая формула расчета мощности электродвигателя может быть представлена как:

P = dA ÷ dt, где:

A — механическая (полезная) работа (энергия), Дж;

t — затраченное время, сек.

Механическая работа также является скалярной физической величиной, выражаемой действием силы на объект, и зависящей от направления и перемещения этого объекта. Она представляет собой произведение вектора силы на путь:

dA = F × ds, где:

s — пройденное расстояние, м.

Она выражает дистанцию, которую преодолеет точка приложенной силы. Для вращательных движений она выражается как:

ds = r × d(teta), где:

teta — угол оборота, рад.

Таким образом можно вычислить угловую частоту вращения ротора:

omega = d(teta) ÷ dt.

Из нее следует формула мощности электродвигателя на валу: P = M × omega.

Коэффициент полезного действия электромотора

КПД — это характеристика, которая отражает эффективность работы системы при преобразовании энергии в механическую. Выражается отношением полезной энергии к потраченной. По единой системе единиц измерений он обозначается как «eta» и является безразмерным значением, исчисляемым в процентах. Формула КПД электродвигателя через мощность:

eta = P2 ÷ P1, где:

P1 — электрическая (подаваемая) мощность, Вт;

P2 — полезная (механическая) мощность, Вт;

Также он может быть выражен как:

eta = A ÷ Q × 100 %, где:

A — полезная работа, Дж;

Q — затраченная энергия, Дж.

Чаще коэффициент вычисляют по формуле потребляемой мощности электродвигателя, так как эти показатели всегда легче измерить.

Снижение эффективности работы электродвигателя происходит по причине:

  • Электрических потерь. Это происходит в результате нагрева проводников от прохождения по ним тока.
  • Магнитных потерь. Вследствие излишнего намагничивания сердечника появляется гистерезис и вихревые токи, что важно учитывать в формуле мощности электродвигателя.
  • Механических потерь. Они связаны с трением и вентиляцией.
  • Дополнительных потерь. Они появляются из-за гармоник магнитного поля, так как статор и ротор имеют зубчатую форму. Также в обмотке присутствуют высшие гармоники магнитодвижущей силы.

Следует отметить, что КПД является одним из самых важных компонентов формулы расчета мощности электродвигателя, так как позволяет получить цифры, наиболее приближенные к действительности. В среднем этот показатель варьирует от 10% до 99%. Она зависит от конструктивного устройства механизма.

Номинальное количество оборотов

Еще одним ключевым показателем электромеханических характеристик двигателя является частота вращения вала. Он выражается в числе оборотов в минуту. Часто его используют в формуле мощности электродвигателя насоса, чтобы узнать его производительность. Но необходимо помнить, что показатель всегда разный для холостого хода и работы под нагрузкой. Показатель представляет физическую величину, равной количеству полных оборотов за некий промежуток времени.

Расчетная формула частоты оборотов:

n = 30 × omega ÷ pi, где:

n — частота вращения двигателя, об/мин.

Для того, чтобы найти мощность электродвигателя по формуле оборотистости вала, необходимо привести ее к расчету угловой скорости. Поэтому P = M × omega будет выглядеть следующим образом:

P = M × (2pi × n ÷ 60) = M × (n ÷ 9,55), где

t = 60 секунд.

Момент инерции

Этот показатель представляет собой скалярную физическую величину, которая отражает меру инертности вращательного движения вокруг собственной оси. При этом масса тела является величиной его инертности при поступательном движении. Основная характеристика параметра выражена распределением масс тела, которая равна сумме произведений квадрата расстояния от оси до базовой точки на массы объекта.В Международной системе единиц измерения он обозначается как кг·м2 и имеет рассчитывается по формуле:

J = ∑ r2 × dm, где

J — момент инерции, кг·м2 ;

m — масса объекта, кг.

Моменты инерции и силы связаны между собой соотношением:

M — J × epsilon, где

epsilon — угловое ускорение, с-2.

Показатель рассчитывается как:

epsilon = d(omega) × dt.

Таким образом, зная массу и радиус ротора, можно рассчитать параметры производительности механизмов. Формула мощности электродвигателя включает в себя все эти характеристики.

Расчетное напряжение

Его еще называют номинальным. Оно представляет собой базовое напряжение, представленное стандартным набором вольтажа, которые определяется степенью изоляции электрического оборудования и сети. В действительности оно может отличаться в разных точках оборудования, но не должно превышать предельно допустимых норм рабочих режим, рассчитанных на продолжительное функционирование механизмов.

Для обычных установок под номинальным напряжением понимают расчетные величины, для которых они предусмотрены разработчиком в нормальном режиме работы. Перечень стандартного вольтажа сети предусмотрен в ГОСТ. Эти параметры всегда описаны в технических характеристиках механизмов. Для расчета производительности используют формулу мощности электродвигателя по току:

P = U × I.

Электрическая константа времени

Представляет собой время, необходимое для достижения уровня тока до 63 % после подачи напряжения на обмотки привода. Параметр обусловлен переходными процессами электромеханических характеристик, так как они быстротечны ввиду большого активного сопротивления. Общая формула расчета постоянной времени:

te = L ÷ R.

Однако электромеханическая константа времени tm всегда больше электромагнитной te. Первый параметр получается из уравнения динамических характеристики двигателя при сохранении условии, когда ротор разгоняется с нулевой скоростью до максимальных оборотов холостого хода. В этом случае уравнение принимает вид

M = Mст + J × (d(omega) ÷ dt), где

Mст = 0.

Отсюда получаем формулу:

M = J × (d(omega) ÷ dt).

По факту электромеханическую константу времени рассчитывают по пусковому момент — Mп. Механизм, работающий в идеальных условиях, с прямолинейными характеристиками будем иметь формулу:

M = Mп × (1 — omega ÷ omega0), где

omega0 — скорость на холостом ходу.

Такие расчеты используют в формуле мощности электродвигателя насоса, когда ход поршня напрямую зависит от оборотистости вала.

Основные формулы расчета мощности двигателей

Для вычисления реальных характеристик механизмов всегда нужно учитывать много параметров. в первую очередь нужно знать, какой ток подается на обмотки электродвигателя: постоянный или переменный. Принцип их работы отличается, следовательно, отличаются метод вычислений. Если упрощенный вид расчета мощности привода выглядит как:

Pэл = U × I, где

I — сила тока, А;

U — напряжение, В;

Pэл — подведенная электрическая мощность. Вт.

В формуле мощности электродвигателя переменного тока необходимо также учитывать сдвиг фаз (alpha). Соответственно, расчеты для асинхронного привода выглядят как:

Pэл = U × I × cos(alpha).

Кроме активной (подведенной) мощности существует также:

  • S — реактивная, ВА. S = P ÷ cos(alpha).
  • Q — полная, ВА. Q = I × U × sin(alpha).

В расчетах также необходимо учитывать тепловые и индукционные потери, а также трение. Поэтому упрощенная модель формулы для электродвигателя постоянного тока выглядит как:

Pэл = Pмех + Ртеп +Ринд + Ртр, где

Рмех — полезная вырабатываемая мощность, Вт;

Ртеп — потери на образование тепла, ВТ;

Ринд — затраты на заряд в индукционной катушке, Вт;

Рт — потери в результате трения, Вт.

Заключение

Электродвигатели находят применение практически во всех областях жизни человека: в быту, в производстве. Для правильного использования привода необходимо знать не только его номинальные характеристики, но и реальные. Это позволит повысить его эффективность и снизить затраты.

Обзор работы, энергии и мощности: термины и формулы

условия

  • Консервативная сила

    Любая сила, сохраняющая механическую энергию, в отличие от неконсервативной
    сила. См. Заявление о консервации механических
    энергия.

  • Консервативная система

    Система, в которой сохраняется энергия.

  • Энергия

    Умение делать работу.

  • Кинетическая энергия

    Энергия движения.

  • Неконсервативная сила

    Любая сила, не сохраняющая механическую энергию, в отличие от
    консервативная сила.

  • Независимость от пути

    Собственность консервативных сил, утверждающая, что
    работа выполняется на любом пути между двумя заданными
    очков то же самое.

  • Потенциальная энергия

    Энергия конфигурации консервативной системы. Для формул
    видеть
    Определение потенциальной энергии, гравитационной
    потенциальная энергия, и
    Определение потенциальной энергии в зависимости от положения
    сила.

  • Общая механическая энергия

    Сумма кинетической и потенциальной энергии консервативного
    система. См. Определение полной механической энергии.

  • работай

    Сила, приложенная на расстоянии. Для формул см. Работу, выполненную постоянной
    сила, параллельная перемещению, и работа, выполняемая любым
    постоянная сила, и
    работа, выполняемая позиционно-зависимой силой.

  • Джоуль

    Единицы работы, эквивалентные Ньютон-метру.Также единицы энергии.

  • Мощность

    Выполненная работа за единицу времени. Формулы см. В разделе Формула среднего
    мощность,
    Определение мгновенной мощности и формула
    для мгновенной мощности.

  • Ватт

    Единица мощности; равно джоуль в секунду.

  • Формулы


    Работа, выполняемая постоянной силой, параллельной перемещению
    W = Fx

    Работа, выполняемая любой постоянной силой
    W = Fx cos θ

    Теорема работы-энергии
    W = ΔK

    Формула для средней мощности
    =

    Определение мгновенной мощности
    P =

    Формула мгновенной мощности
    P = Fv cos θ

    Работа, выполняемая силами, зависящими от позиции
    W = F ( x ) dx усилие.

    Определение потенциальной энергии.
    ΔU = — Вт

    Гравитационно потенциальная энергия.
    U G = мг / час

    Заявление о сохранении механической энергии.
    Δ ( U + K ) = 0

    Определение полной механической энергии.
    U + K = E

    Определение потенциальной энергии с учетом силы, зависящей от положения.
    ΔU = — F ( x ) dx

    .

    Работа, энергия и сила — IB Physics Stuff

    2.5.1 Определение работы

    Работа — это не энергия, это средство передачи энергии посредством силы, приложенной к движущемуся объекту. Если объект не движется или сила направлена ​​не в направлении движения, значит, сила не передает энергию объекту, или мы говорим: «Сила не выполняет работу с объектом». Математически мы определяем работу как:

    (1)

    \ begin {align} W = \ vec F \ bullet s \ end {align}

    Или в мире IB:

    (2)

    \ begin {align} W = Fs \ cos {\ theta} \ end {align}

    Где W — работа, F — сила, s — смещение, а θ — угол между силой и смещением.Вторая формула — это формула, которую дает IB, и вы должны ее понять. Первое — это «реальное» уравнение, это векторное скалярное произведение, но его можно упростить до второго уравнения.

    Обратите внимание, что если сила и смещение перпендикулярны, то сила не совершает никакой работы. Если угол равен 180 °, сила выполняет отрицательную работу, примером этого может быть автомобиль, движущийся вперед, когда водитель нажимает на тормоза…

    2.5.2 Определите работу, совершаемую непостоянной силой, интерпретируя график силы смещения

    Приведенное выше уравнение хорошо работает, если сила постоянна, но в большинстве случаев сила не постоянна… Таким образом, мы можем либо выполнить некоторые вычисления, либо посмотреть на график (фактически, все еще выполняя вычисления).

    Представьте, что к тележке прилагается сила в том же направлении, что и перемещение. Если сила меняется со временем, и мы строим график зависимости силы от смещения:

    В этом случае формулу использовать нельзя, по крайней мере, не просто. Однако площадь под кривой зависимости силы от смещения — это работа, совершаемая на тележке силой.

    2.5.4 Определить кинетическую энергию

    Если масса m ускоряется силой F от начальной скорости u до конечной скорости v. Смещение массы во время ускорения можно найти, решив следующее уравнение для s:

    (3)

    \ begin {уравнение} v ^ 2 = u ^ 2 + 2as \ end {уравнение}

    (4)

    \ begin {align} s = {v ^ 2 — u ^ 2 \ over 2a} \ end {align}

    Сейчас на объекте выполнено работ:

    (5)

    \ begin {уравнение} W = Fs \ end {уравнение}

    (6)

    \ begin {align} W = F \ left (\ frac {v ^ 2 — u ^ 2} {2a} \ right) \ end {align}

    А вот сила:

    (7)

    \ begin {уравнение} F = ma \ end {уравнение}

    Если предположить, что объект стартовал с нулевой начальной скоростью, то работу можно записать как:

    W = ma \ left ({v ^ 2 \ over 2a} \ right) = \ frac {1} {2} mv ^ 2

    Это последнее выражение определяется как кинетическая энергия.2 \ end {align}

    Первый член справа — это начальная кинетическая энергия, а последний член — конечная кинетическая энергия. Таким образом, работа, выполняемая при ускорении объекта, равна изменению кинетической энергии.

    2.5.5 Опишите концепции гравитационной потенциальной энергии и упругой потенциальной энергии

    Если объект массы m поднять вертикально на расстояние h, то работа, выполненная над объектом, составит:

    (9)

    \ begin {уравнение} W = Fs \ end {уравнение}

    (10)

    \ begin {уравнение} W = Fh \ end {уравнение}

    Сила, необходимая для подъема объекта:

    (11)

    \ begin {уравнение} F = мг \ end {уравнение}

    Или вес объекта, мы можем описать проделанную работу как:

    (12)

    \ begin {уравнение} W = mgh \ end {уравнение}

    Последнее выражение — это гравитационная потенциальная энергия объекта.Потенциальная энергия — это энергия, которую объект имеет исключительно из-за его положения или конфигурации.

    Если объект поднимается с начальной высоты hI до конечной высоты hf. Тогда смещение будет:

    (13)

    \ begin {уравнение} s = h_f — h_i \ end {уравнение}

    А по объекту выполнено работ:

    (14)

    \ begin {уравнение} W = мг (h_f — h_i) \ end {уравнение}

    (15)

    \ begin {уравнение} W = mgh_f — mgh_i \ end {уравнение}

    Другими словами, работа, выполняемая при поднятии объекта, равна изменению потенциальной энергии.2 \ end {формула}

    Это также потенциальная энергия растяжения пружины.

    2.5.6 Изложить принцип сохранения энергии

    Энергосбережение — это принцип, согласно которому в замкнутой системе энергия не приобретается и не теряется. В открытой системе энергия может быть добавлена ​​или потеряна. Это определение также можно перевернуть. Если система получает или теряет энергию, то это открытая система. Единственная действительно открытая система во Вселенной, Земля постоянно получает энергию от Солнца в течение дня и излучает энергию обратно ночью.

    Можно сказать, что полная энергия перед событием равна полной энергии после события или:

    (18)

    \ begin {формула} Начальная энергия = Конечная энергия \ end {формула}

    По кинетической и потенциальной энергии:

    (19)

    \ begin {уравнение} KE_i + PE_i = KE_f + PE_f \ end {уравнение}

    Итак, для закрытой системы падающий шар является хорошим приближением, поскольку по мере падения шара его потенциальная энергия уменьшается, но его кинетическая энергия увеличивается с той же, но противоположной скоростью.

    Примечание. Потенциальная и кинетическая энергия являются примерами механической энергии, они не единственные типы энергии.

    Это видео показывает два пути (или пути) преобразования потенциальной энергии в кинетическую. Начальные потенциальные энергии одинаковы, поскольку оба шара падают с одинаковой высоты. Конечная кинетическая энергия «отображается» временем, когда мяч прошел через фотозатвор. Время, необходимое для прохождения фотозатвора, зависит только от скорости и, следовательно, от кинетической энергии.Поскольку два времени одинаковы, две конечные кинетические энергии одинаковы.

    2.5.7 Перечислите различные формы энергии и опишите примеры преобразования энергии из одной формы в другую.

    Украдено из Advanced Physics, Стив Адамс и Джонатан Алдей

    2.5.8 Определить мощность

    Мощность — это скорость выполнения работы или скорость передачи энергии.

    (20)

    \ begin {align} P = {W \ over t} \ end {align}

    Единица измерения мощности — Ватты, $ Ватт = {Нм \ over s} $.Это тот же блок, что и у ваших лампочек и электроприборов.

    Мы также можем переписать мощность как:

    (21)

    \ begin {align} P = {Fs \ over t} = Fv \ end {align}

    Где F — приложенная сила, s — смещение, t — время, а v — скорость.

    2.5.9 Определение и применение концепции эффективности

    Когда работа выполняется с объектом, иногда энергия преобразуется в нежелательные или бесполезные формы (часто в тепло). Отношение полезной энергии к количеству приложенной энергии — это КПД, его также можно определить в единицах мощности:

    (22)

    \ begin {align} КПД \% = {Полезная энергия \ сверх общей энергии} \ times 100 \% = {Полезная мощность \ сверх общей мощности} \ times 100 \% \ end {align}


    Хотите добавить или прокомментировать эти заметки? Сделайте это ниже.

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *