Fizika · Elektr va magnetizm · 8-sinf

Elektr tokining ishi va quvvati

Oylik elektr hisobining katta qismini qaysi asbob «yeydi»?

Vaziyat

Oy oxirida uyga elektr hisobi keladi: «412 kVt·soat». Bu qancha energiya va uning katta qismini qaysi asbob «yeydi» — kuniga bir necha marta qaynaydigan choynakmi, yozda tinimsiz ishlaydigan konditsionermi yoki kechqurun yonadigan chiroqlarmi? Hisoblagich diski nega ba’zan sekin, ba’zan juda tez aylanadi? Kvartirada asboblarni yoqib, o‘lchab va hisoblab ko‘ring.

Mavzu

Elektr tokining ishi va quvvati. Choynak, konditsioner, lampochka: oylik kVt·soat hisobi

Asosiy tushunchalar

Quvvat P = UI
Energiya, kVt·soat
Joul–Lens qonuni

Formulalar

P = U I, P_{\sim} = U I \cos φ

Elektr quvvati: 220 V da 2 kVt li choynak $I = P / U \approx 9,1$ A tok oladi. O‘zgaruvchan tokda $U$ , $I$ — ta’sir etuvchi qiymatlar, $\cos φ$ — quvvat koeffitsiyenti.

A = P t, 1 kVt·soat = 3,6 \cdot 10^{6} J

Tokning ishi (iste’mol qilingan energiya). Hisob kilovatt-soatda yuritiladi.

Q = I^{2} R t

Joul–Lens qonuni: o‘tkazgichda ajraladigan issiqlik. Simlar ham, lampa tolasi ham shu tufayli qiziydi.

η = \frac{P_{f o y d a l i}}{P_{s a r f}}

Foydali ish koeffitsienti: lampa uchun foydali qism — yorug‘lik.

P = \frac{n}{C t}

Hisoblagich bo‘yicha quvvat: $n$ — disk aylanishlari, $C = 600$ ayl./kVt·soat, $t$ — vaqt (soat).

Nazariya

Ish va quvvat

Kuchlanish $U$ ostida zaryad $q$ ko‘chganda tok $A = U q = U I t$ ish bajaradi. Bir sekundda bajarilgan ish — quvvat: $P = U I$ . Asbobda yozilgan «2 kVt» — 220 V dagi quvvat. Quvvat katta bo‘lsa, tok ham katta: choynak ≈ 9,1 A, LED lampa atigi ≈ 0,05 A oladi.

Kilovatt-soat va oylik hisob

Iste’mol qilingan energiya $A = P t$ . 1 kVt quvvatli asbob 1 soat ishlasa, 1 kVt·soat = 3,6 MJ energiya sarflaydi. Oylik hisob = har bir asbob quvvati × kunlik ishlash vaqti × 30 kun. Kam vaqt ishlaydigan, lekin kuchli asbob (choynak) bilan doim ishlaydigan kuchsiz asbob bir xil energiya olishi mumkin — jadvalni solishtiring. Odatda eng ko‘p iste’molchi — konditsioner.

Joul–Lens qonuni va LED

Tok o‘tganda o‘tkazgich qiziydi: $Q = I^{2} R t$ . Simlarda bu — isrof (kvartira simlarida $I^{2} R$ HUD da ko‘rinadi), cho‘g‘lanma lampada esa yorug‘lik shu yo‘l bilan olinadi: tola ≈ 2500 °C gacha qiziydi, lekin energiyaning faqat ≈ 5 % i ko‘zga ko‘rinadigan yorug‘likka aylanadi. LED lampa bir xil yorug‘likni (≈ 1000 lm) 7–8 marta kam quvvat bilan beradi: ≈ 100 lm/Vt va ≈ 14 lm/Vt. Joul–Lens qonuni ishlatiladigan joylar: choynak, dazmol va isitgichlarning qizdirish elementlari (yuqori solishtirma qarshilikli nixrom), elektr payvandlash va eriydigan saqlagich — ortiqcha tokda ingichka sim erib, zanjirni uzadi.

Hisoblagich va model soddalashtirishlari

Induksion hisoblagichning alyuminiy diski quvvatga proporsional tezlikda aylanadi: $C = 600$ ayl./kVt·soat — 1 kVt da minutiga 10 marta. Disk aylanishlari sanagich barabanlarini buradi. Model: har bir asbobning o‘rtacha quvvati o‘zgarmas deb olingan (muzlatgich kompressori sutkaning ≈ 1/3 qismida 150 Vt bilan ishlaydi, kir yuvish mashinasi o‘rtacha 0,5 kVt), kvartira simlarining qarshiligi 0,25 Ω. «Simlar FIK» $η = P / (P + I^{2} R)$ — tok manbaining FIK $η = R / (R + r)$ bilan bir xil ma’noda: energiyaning bir qismi yo‘lda (manba ichida yoki simlarda) issiqlikka aylanadi (batafsil «Tok manbalari, EYuK, ichki r» tajribasida). Tarif — faqat misol: haqiqiy tarifni elektr hisobingizdan oling.

Laboratoriya: lampaning quvvatini aniqlash

Ampermetr lampa bilan ketma-ket, voltmetr esa unga parallel ulanadi; quvvat $P = U I$ dan hisoblanadi. 220 V da 75 Vt li lampa uchun $I \approx 0,341$ A va $P \approx 75$ Vt chiqadi — lampada yozilgan qiymat. Rostlagich bilan kuchlanishni kamaytirib, bir necha nuqtada o‘lchang: 110 V da quvvat 4 marta emas, taxminan 3 marta kamayadi, chunki soviyotgan volfram tolaning qarshiligi ham kamayadi (model: $R \propto T^{1,2}$ , nurlanish $\propto T^{4}$ ). Xuddi shu quvvatni hisoblagich diskidan ham topish mumkin: $P = n / (C t)$ .

O‘zgaruvchan tokning ishi va quvvati

Uydagi kuchlanish o‘zgaruvchan: $u = U_{m} \sin ω t$ . «220 V» — ta’sir etuvchi (effektiv) qiymat: shunday o‘zgarmas kuchlanish rezistorda xuddi shuncha issiqlik chiqaradi; amplituda $U_{m} = \sqrt{2} \cdot 220 \approx 311$ V. Oniy quvvat $p = u i$ sekundiga 100 marta tebranadi. Choynakda tok kuchlanish bilan bir fazada va o‘rtacha quvvat $P = U I$ . Motorli asboblarda tok $φ$ burchakka orqada qoladi: davrning bir qismida $p < 0$ — energiya tarmoqqa qaytadi, o‘rtacha (aktiv) quvvat $P = U I \cos φ$ . Hisoblagich aktiv energiyani sanaydi, lekin past $\cos φ$ da bir xil $P$ uchun tok katta va simlardagi isrof $I^{2} R$ ortadi — «cos φ» slayderida tekshiring.

Bilasizmi?

1 kVt·soat = 3,6 MJ: bu energiya 1 tonna yukni taxminan 367 m balandlikka ko‘tarishga yetadi ( $h = A / m g$ ).
Samarali ko‘k yorug‘lik diodlarini yaratgani uchun Isamu Akasaki, Xiroshi Amano va Shuji Nakamura 2014-yilda fizika bo‘yicha Nobel mukofotini olgan — shu ixtiro tufayli oq LED lampalar paydo bo‘ldi.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Elektrlanish, Kulon qonuni — 7-sinf
Elektr zanjiri, Om qonuni — 7-sinf
O‘tkazgich, dielektrik, chaqmoq — 7-sinf
Tok manbalari, EYuK, ichki r — 7-sinf
Elektr dvigatel — 8-sinf
Qutb yog‘dusi va Lorens kuchi — 8-sinf
Elektr maydon va potensial — 8-sinf
Kondensator va elektr sig‘imi — 8-sinf
Sxemalar va Kirxgof qoidalari — 8-sinf
Metallarda elektr toki — 8-sinf