20.4:20.4 Nguvu ya Umeme na Nishati

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Tumia nguvu iliyosababishwa na kupinga na nguvu zinazotolewa na umeme.
• Tumia gharama za umeme chini ya hali mbalimbali.

Nguvu katika Mzunguko wa umeme

Nguvu inahusishwa na watu wengi wenye umeme. Kujua kwamba nguvu ni kiwango cha matumizi ya nishati au uongofu wa nishati, ni nini maana ya umeme? Nguvu maambukizi mistari inaweza kuja akilini. Sisi pia kufikiri juu ya lightbalbu katika suala la ratings yao nguvu katika watts. Hebu tulinganishe bomba la 25-W na bulb ya 60-W (Kielelezo\(\PageIndex{1a}\).) Kwa kuwa wote wanafanya kazi kwenye voltage sawa, bulb ya 60-W inapaswa kuteka zaidi ya sasa ili kuwa na kiwango kikubwa cha nguvu. Hivyo upinzani wa bulb ya 60-W lazima uwe chini kuliko ule wa bulb 25-W. Ikiwa tunaongeza voltage, sisi pia huongeza nguvu. Kwa mfano, wakati bomba la 25-W ambalo limeundwa kufanya kazi kwenye 120 V limeunganishwa na 240 V, inaangaza kwa ufupi sana na kisha huwaka. Hasa ni jinsi gani voltage, sasa, na upinzani kuhusiana na nguvu za umeme?

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): (a) Ni ipi kati ya hizi za taa, bomba la 25-W (juu kushoto) au bulb ya 60-W (juu kulia), ina upinzani wa juu? Ambayo huchota zaidi ya sasa? Ambayo inatumia nishati zaidi? Je! Unaweza kusema kutoka kwa rangi ambayo filament 25-W ni baridi? Je! Bonde lenye mkali ni rangi tofauti na ikiwa ni kwa nini? (mikopo: Dickbauch, Wikimedia Commons; Greg Westfall, Flickr) (b) Mwanga huu wa umeme wa kompakt (CFL) unaweka kiwango sawa cha mwanga kama bulb 60-W, lakini saa 1/4 hadi 1/10 nguvu ya pembejeo. (mikopo: dbgg1979, Flickr)

Nishati ya umeme inategemea voltage zote zinazohusika na malipo yalihamia. Hii inaelezwa kwa urahisi zaidi kama\(PE = qV\), wapi\(q\) malipo yamehamishwa na\(V\) ni voltage (au zaidi, tofauti tofauti ya malipo hupitia). Nguvu ni kiwango ambacho nishati ni wakiongozwa, na hivyo umeme ni

\[P = \frac{PE}{t} = \frac{qV}{t}.\label{20.5.1}\]

Kutambua kwamba sasa ni\(I = q/t\) (kumbuka kuwa\(\Delta t = t\) hapa), kujieleza kwa nguvu inakuwa

\[P = IV.\label{20.5.2}\]

Nguvu ya umeme (\(P\)) ni tu bidhaa ya voltage ya sasa. Nguvu ina vitengo vya kawaida vya watts. Kwa kuwa kitengo cha SI cha nishati inayoweza (PE) ni joule, nguvu ina vitengo vya joules kwa pili, au watts. Hivyo,\(1 A \cdot V = 1 W\). Kwa mfano, magari mara nyingi huwa na maduka ya nguvu moja au zaidi ambayo unaweza kulipa simu ya mkononi au vifaa vingine vya elektroniki. Maduka haya yanaweza kupimwa kwa 20 A, ili mzunguko uweze kutoa nguvu ya juu\(P = IV = \left(20A\right) \left(12V\right) = 240W\). Katika baadhi ya programu, nguvu za umeme zinaweza kuelezwa kama volt-amperes au hata kilovolt-amperes (\(1kA \cdot V = 1kW\)).

Kuona uhusiano wa nguvu kwa upinzani, tunachanganya sheria ya Ohm na\(P = IV\). Kubadilisha Sheria ya Ohm (\(I = V/R\)) katika Equation\ ref {20.5.2} inatoa

\[P = \left( V/R \right) V = V^{2} / R.\]

Vile vile, badala ya\(V = IR\) anatoa

\[P = \left( IR \right) = I^{2}R.\]

Maneno matatu ya umeme yameorodheshwa pamoja hapa kwa urahisi:

\[P = IV \label{20.5.3}\]

\[P = \frac{V^{2}}{R}\label{20.5.4}\]

\[P = I^{2}R.\label{20.5.5}\]

Kumbuka kuwa equation ya kwanza daima ni halali, wakati wengine wawili wanaweza kutumika tu kwa resistors. Katika mzunguko rahisi, na chanzo kimoja cha voltage na kupinga moja, nguvu inayotolewa na chanzo cha voltage na ambayo imeshuka na kupinga ni sawa. (Katika nyaya ngumu zaidi,\(P\) inaweza kuwa nguvu dissipated na kifaa kimoja na si nguvu ya jumla katika mzunguko.)

Ufahamu tofauti unaweza kupatikana kutokana na maneno matatu tofauti ya umeme. Kwa mfano,\(P = V^{2} / R\) ina maana kwamba chini ya upinzani kushikamana na chanzo cha voltage kilichopewa, nguvu kubwa zaidi iliyotolewa. Zaidi ya hayo, tangu voltage ni squared in\(P = V^{2} / R\), athari ya kutumia voltage ya juu ni labda kubwa kuliko ilivyotarajiwa. Hivyo, wakati voltage ni mara mbili kwa bulb 25-W, nguvu zake karibu quadruples kwa karibu 100 W, kuchoma nje. Ikiwa upinzani wa babu ulibakia mara kwa mara, nguvu zake zingekuwa 100 W, lakini kwa joto la juu upinzani wake ni wa juu, pia.

Mfano\(\PageIndex{1}\): Calculating Power Dissipation and Current: Hot and Cold Power

(a) Fikiria mifano iliyotolewa katika 20.3 na 20.4. Kisha kupata nguvu iliyopigwa na kichwa cha gari katika mifano hii, wote wakati wa moto na wakati ni baridi.

Mkakati

Kwa kichwa cha moto, tunajua voltage na sasa, hivyo tunaweza kutumia\(P = IV\) ili kupata nguvu. Kwa kichwa cha baridi, tunajua voltage na upinzani, hivyo tunaweza\(P=V^{2}/R\) kutumia kupata nguvu.

Suluhisho

Kuingia maadili inayojulikana ya sasa na voltage kwa headlight moto, sisi kupata\[P = IV = \left(2.50 A\right)\left(12.0 V\right) = 30.0 W.\] Upinzani baridi ilikuwa\(0.350 \Omega\), na hivyo nguvu inatumia wakati wa kwanza switched juu ni

\[P = \frac{V^{2}}{R} = \frac{\left(12.0 V\right)^{2}}{0.350 \Omega} = 411 W.\]

Majadiliano

The 30 W dissipated na headlight moto ni kawaida. Lakini 411 W wakati baridi ni ya kushangaza juu. Nguvu ya awali inapungua haraka kama joto la bulb linaongezeka na upinzani wake huongezeka.

(b) Je, ni sasa gani inayotoa wakati wa baridi?

Suluhisho

Ya sasa wakati bulb ni baridi inaweza kupatikana njia kadhaa tofauti. Sisi upya moja ya equations nguvu,\(P = I^{2}R\), na kuingia maadili inayojulikana, kupata

\[I = \sqrt{\frac{P}{R}} = \sqrt{\frac{411 W}{0.350 \Omega}} = 34.3 A.\]

Majadiliano

Ya sasa ya baridi ni ya juu zaidi kuliko thamani ya hali ya kutosha ya 2.50 A, lakini sasa itapungua haraka kwa thamani hiyo kama joto la bulb linaongezeka. Fuses nyingi na wavunjaji wa mzunguko (kutumika kupunguza sasa katika mzunguko) wameundwa kuvumilia mikondo ya juu sana kwa ufupi kama kifaa kinakuja. Katika baadhi ya matukio, kama vile motors umeme, sasa inabakia juu kwa sekunde kadhaa, inahitaji maalum “pigo la polepole” fuses.

Gharama ya Umeme

Vifaa vya umeme zaidi unayotumia na kwa muda mrefu vinasalia, juu ya muswada wako wa umeme. Ukweli huu unaojulikana unategemea uhusiano kati ya nishati na nguvu. Unalipa nishati inayotumiwa. Tangu\(P = E/t\), tunaona hiyo\[E = Pt\label{20.5.6}\] ni nishati inayotumiwa na kifaa kwa kutumia nguvu\(P\) kwa muda wa muda\(t\). Kwa mfano, taa za taa zinawaka zaidi,\(P\) zinazotumiwa zaidi; kwa muda mrefu wanaendelea,\(t\) ni kubwa zaidi. Kitengo cha nishati kwenye bili za umeme ni killowatt saa (\(kW \cdot h\)), sambamba na uhusiano\(E = Pt\). Ni rahisi kukadiria gharama za uendeshaji wa vifaa vya umeme ikiwa una wazo la kiwango cha matumizi ya nguvu katika watts au kilowatts, wakati wanao katika masaa, na gharama kwa kilowatt saa kwa matumizi yako ya umeme. Kilowatt-hours, kama vitengo vingine vyote vya nishati maalumu kama vile kalori za chakula, vinaweza kubadilishwa kuwa joules. Unaweza kuthibitisha mwenyewe kuwa\(1 kW \cdot h = 3.6 \times 10^{6} J\).

Nishati ya umeme (\(E\)) inayotumiwa inaweza kupunguzwa ama kwa kupunguza muda wa matumizi au kwa kupunguza matumizi ya nguvu ya vifaa hivyo au fixture. Hii sio tu kupunguza gharama, lakini pia itasababisha athari ndogo kwenye mazingira. Uboreshaji wa taa ni baadhi ya njia za haraka zaidi za kupunguza nishati ya umeme inayotumiwa nyumbani au biashara. Kuhusu asilimia 20 ya matumizi ya nishati ya nyumbani huenda kwenye taa, wakati idadi ya vituo vya kibiashara ni karibu na 40%. Taa za fluorescent zina ufanisi zaidi mara nne kuliko taa za incandescent-hii ni kweli kwa zilizopo za muda mrefu na taa za fluorescent za kompakt (CFL). (Angalia Mchoro 1b.) Hivyo, bulb ya incandescent 60-W inaweza kubadilishwa na CFL 15-W, ambayo ina mwangaza sawa na rangi. CFL zina bomba la bent ndani ya dunia au tube ya mviringo, yote yameunganishwa na msingi wa screw-in ambayo inafaa soketi za kawaida za mwanga za incandescent. (Matatizo ya awali na rangi, flicker, sura, na uwekezaji wa juu wa awali kwa CFL zimeshughulikiwa katika miaka ya hivi karibuni.) Uhamisho wa joto kutoka kwa CFL hizi ni mdogo, na hudumu hadi mara 10 tena. Umuhimu wa uwekezaji katika balbu hizo hushughulikiwa katika mfano unaofuata. Taa mpya za LED nyeupe (ambazo ni makundi ya balbu ndogo za LED) zinafaa zaidi (mara mbili ya CFL) na mwisho mara 5 zaidi kuliko CFL. Hata hivyo, gharama zao bado ni za juu.

Kufanya Uunganisho: Nishati, Nguvu, na Muda

Uhusiano\(E = Pt\) ni moja ambayo utapata manufaa katika mazingira mengi tofauti. Nishati mwili wako hutumia katika zoezi ni kuhusiana na kiwango cha nguvu na muda wa shughuli zako, kwa mfano. Kiasi cha kupokanzwa na chanzo cha nguvu kinahusiana na kiwango cha nguvu na wakati unatumika. Hata kipimo cha mionzi ya picha ya X-ray kinahusiana na nguvu na wakati wa kufungua.

Mfano\(\PageIndex{2}\): Calculating the Cost Effectiveness of Compact Fluorescent Lights (CFL)

(a) Ikiwa gharama za umeme katika eneo lako ni senti 12 kwa kWh, ni nini gharama ya jumla (mji mkuu pamoja na operesheni) ya kutumia bulb ya 60-W incandescent kwa masaa 1000 (maisha ya bulb hiyo) ikiwa bulb ina gharama senti 25?

Mkakati

Ili kupata gharama za uendeshaji, sisi kwanza kupata nishati kutumika katika kilowatt-hours na kisha kuzidisha kwa gharama kwa kilowatt saa.

Suluhisho

Nishati inayotumiwa katika masaa ya kilowatt hupatikana kwa kuingia nguvu na wakati katika kujieleza kwa nishati:\[E = Pt = \left(60 W\right)\left(1000 h\right) = 60,000 W \cdot h.\] Katika masaa ya kilowatt, hii ni\] E = 60.0 kW\ cdot h.\] Sasa gharama\[cost = \left(60.0 kW \cdot h\right)\left($0.12/kW \cdot h\right) = $7.20.\] ya umeme ni Gharama ya jumla itakuwa $7.20 kwa masaa 1000 (karibu nusu mwaka saa 5 kwa siku).

(b) Ikiwa tunachukua nafasi ya bulb hii kwa mwanga wa umeme wa umeme ambao hutoa pato sawa la mwanga, lakini kwa robo moja ya wattage, na ambayo gharama ya $1.50 lakini hudumu mara 10 tena (masaa 10,000), gharama hiyo itakuwa nini?

Suluhisho

Kwa kuwa CFL inatumia 15 W tu na si 60 W, gharama ya umeme itakuwa $7.20/4 = $1.80. CFL itaendelea mara 10 zaidi kuliko incandescent, ili gharama ya uwekezaji itakuwa 1/10 ya gharama ya bulb kwa kipindi hicho cha matumizi, au 0.1 ($1.50) = $0.15. Kwa hiyo, gharama ya jumla itakuwa $1.95 kwa masaa 1000.

Majadiliano

Kwa hiyo, ni rahisi sana kutumia CFL, ingawa uwekezaji wa awali ni wa juu. Kuongezeka kwa gharama ya kazi ambayo biashara lazima ijumuishe kwa kuchukua nafasi ya balbu za incandescent mara nyingi hazijaonekana hapa.

Kufanya Connections: Chukua Nyumbani Majaribio-Matumizi ya Nishati ya Umeme

1) Fanya orodha ya upimaji wa nguvu kwenye vifaa mbalimbali katika nyumba yako au chumba. Eleza kwa nini kitu kama kibaniko kina kiwango cha juu kuliko saa ya digital. Tathmini nishati inayotumiwa na vifaa hivi kwa siku ya wastani (kwa kukadiria muda wao wa matumizi). Baadhi ya vifaa inaweza tu hali ya sasa ya uendeshaji. Ikiwa voltage ya kaya ni 120 V, kisha utumie\(P = IV\).

2) Angalia jumla ya wattage kutumika katika vyumba vingine vya sakafu ya shule yako au jengo. (Unaweza haja ya kudhani kwa muda mrefu taa za umeme katika matumizi ni lilipimwa saa 32 W.) Tuseme kwamba jengo lilifungwa mwishoni mwa wiki zote na kwamba taa hizi ziliachwa kutoka 6 p.m Ijumaa hadi 8 asubuhi Jumatatu. Je, gharama hii ya usimamizi ingekuwa nini? Vipi kuhusu mwaka mzima wa mwishoni mwa wiki?

Muhtasari

• Nguvu ya umeme\(P\) ni kiwango (katika watts) kwamba nishati hutolewa na chanzo au dissipated na kifaa.
• Maneno matatu ya nguvu za umeme ni\[P = IV,\]\[P = \frac{V^{2}}{R},\] na\[P = I^{2}R.\]
• Nishati inayotumiwa na kifaa kilicho na nguvu\(P\) zaidi ya muda\(t\) ni\(E = Pt\).

faharasa

nguvu za umeme

kiwango ambacho nishati ya umeme hutolewa na chanzo au kufutwa na kifaa; ni bidhaa ya voltage ya sasa