Elektrický prúd ohrieva vodič
V ktorých domácich spotrebičoch to využívame?
Prečo sa vodič elektrickým prúdom zohrieva? To, čo sa deje vo vnútri vodiča, si môžeme predstaviť ako hranie futbalu v hustom lese. Vykopnutá lopta neletí ďaleko, hneď narazí do stromu. Elektrón, ktorý sa pohybuje v kryštáli kovu, je na tom rovnako ako lopta. Každú chvíľu narazí na ión v kryštálovej mriežke. Pri náraze odovzdá iónu trochu svojej energie - elektrón sa trochu zabrzdí a ión zase urýchli. Preto ióny kmitajú pri prechode prúdu stále rýchlejšie. Rýchlejšie kmitanie iónov v kove navonok vnímame ako zvyšovanie teploty kovu. Elektróny sa však týmito nárazmi brzdia. Ďalej sa pohybujú len preto, že na ne stále pôsobí elektrická sila, ktorá ich po každom náraze zase urýchli. Inak by sa hneď zastavili.
Prečo elektrický prúd koná prácu?
Pri nabíjaní batéria vykonala prácu a dopravila elektróny k zápornému pólu. Elektróny tam majú polohovú energiu. Môžu konať prácu - prúdiť od záporného póla ku kladnému, a tak roztočiť napríklad motor. Alebo sa ich polohová energia môže premeniť napríklad na tepelnú - vodič sa trochu zohreje.
Výkon a príkon
Keď elektróny, pri svojom pohybe vo vodiči alebo spotrebiči, vykonajú každú sekundu prácu 100 J, alebo vyrobia teplo 100 J, aký majú výkon P [W]?
P = W / t = 100 J / 1 s = 100 W
Hovoríme, že výkon elektrického prúdu je 100 W.
Úloha: Aké ťažké činky by ste museli zdvihnúť, každú sekundu, aby ste mali výkon 100 W?
Riešenie:
Musíte vykonať prácu W = 100 J pri zdvíhaní po dráhe asi 1 m.
Musíte teda pôsobiť silou F = W / s = 100 J / 1 m = 100 N
Dvíhanú hmotnosť vieme z pôsobiacej sily určiť ako m = F / g = 100 N / 10 N/kg = 10 kg.
Ak máme v každej ruke 1 činku, musí mať hmotnosť 5 kg. Ako dlho dokážete udržať taký výkon?
Nie všetka práca elektrického prúdu je pre nás užitočná. Napríklad, keď elektrický prúd prechádza elektromotorom, len časť spotrebovanej elektrickej energie sa premení na užitočnú prácu. Ďalšia časť sa premení na teplo, keď prúd prechádza vodičom, a ďalšia časť sa premení na teplo trenia v ložiskách. Preto v spotrebičoch rozlišujeme výkon a príkon.
Príkon hovorí, koľko elektrickej energie spotrebič spotrebuje za sekundu.
Výkon hovorí, užitočnej práce spotrebič vykoná za sekundu.
Výkon - Príkon = Straty
Straty sa obyčajne prejavia tak, že vzniká teplo.
Výkon / príkon = Účinnosť
Napríklad v žiarovke na obrázku je celkový výkon elektrického prúdu 40 W. Z toho sa ale len asi 1 W využije užitočne - na výrobu svetla. Zostatok je neužitočné teplo. Povieme teda, že žiarovka má príkon 40 W, nie výkon 40 W. Jej skutočný svetelný výkon, približne 1 W, je oveľa menší.
Na väčšine spotrebičoch je uvedené, aký majú príkon a k akému napätiu majú byť pripojené.
Zistite príkon a napätie z nasledujúcich štítkov na spotrebičoch:
Vysávač
Elektrická energia ako ju meriame
Čo je potrebné na to, aby elektrina v našom dome svietila, otáčala motor alebo vyrábala teplo?
-
Postaviť elektráreň, kupovať a dovážať do nej palivo, obsluhovať ju a udržiavať ju v dobrom stave.
-
Natiahnuť vedenie a postaviť všetky zariadenia, ktoré k nemu patria, udržiavať ich v poriadku a odstraňovať poruchy.
To stojí peniaze, a preto sa za elektrinu platí. Koľko zaplatíte, závisí od toho, koľko práce vykonali elektrické sily vo vašej domácnosti. A nielen užitočnej práce, musíte zaplatiť aj za straty, napríklad teplo, ktoré vzniká v žiarovke a uniká do okolia. Preto sa oplatí používať spotrebiče s čo najmenšími stratami.
Keď máte zapnutý súčasne elektrický varič s príkonom 600 W, žiarovku s príkonom 100 W a mixér s príkonom 300 W, je celkový príkon vašej domácnosti 1000 W = 1 kW. To znamená, že:
- za 1 sekundu vykonajú elektrické sily prácu 1000 J,
- za 1 minútu prácu 60 . 1000 J = 60 000 J
- a za 1 hodinu prácu 60 . 60 000 J = 3 600 000 J.
Elektrickú energiu nemeriame bežne v jouloch ale v kilowatthodinách (kWh). Pretože spomínané spotrebiče majú príkon 1 kW, spotrebujú za hodinu energiu 1 kWh. 1 kWh = 3 600 000 J práca (kWh) = výkon (kW) . čas (h)
Spotrebovanú elektrickú energiu meria elektromer. V súčasnosti sa používajú digitálne elektromery. Na displeji je zobrazená nameraná hodnota v kWh a úroveň na akej sa meria.
Domácnosti a podniky neodoberajú z elektrárne stále rovnaký príkon. Obdobie, keď sa zo siete odoberá najväčší príkon, sa nazýva špička. Taká špička nastáva zvyčajne dopoludnia, keď najviac energie odoberajú podniky, a večer, keď najviac odoberajú domácnosti. Naopak, popoludní a v noci sa zo siete odoberá menší výkon.
V dobe špičky je elektrická energia najdrahšia, aby ju ľudia, ak môžu, neodoberali. Naopak, v dobe slabého odberu je lacnejšia, aby vtedy ľudia zapínali elektrické bojlery, pračky a pod.
Nasledujúci diagram zobrazuje množstvo spotrebovanej elektrickej energie za 24 hodín.
Zopakujte si:
1. Vysvetlite, prečo sa žehlička zohreje, keď ňou prechádza elektrický prúd.2. Na svietiacej 40 W žiarovke vysvetlite, čo je jej výkon a čo jej príkon.
3. V akých jednotkách sa meria spotreba elektrickej energie v domácnosti?
4. Kedy počas dňa sa z elektrickej siete odoberá najväčší príkon, a prečo?
Použitá literatúra:
Fyzika pre 9. ročník základnej školy a 4. ročník gymnázia s osemročným štúdiom, doc. RNDr. Viera Lapitková, CSc., Mgr. Ľubica MorkováZdroje obrazkov:
http://www.shark.sk/biela-technika/pre-domacnost/zehlicka-bosch-2100-w-naparovacia-vystup-pary-25-g-min-zehl-platna-palladium-glissee-0/http://www.alexanderrybak.estranky.sk/clanky/novinky/alexander-rybak-----posilnovanie-mi-dodava-sebadoveru---.html
http://www.svietidla-eshop.sk/svietidlo/jenny-lampa-na-pracovny-stol-titanovo-ruzova/
http://fyzikalniulohy.cz/uloha.php?uloha=72
http://www.odkurzacze.vysavace-domacnost.cz/odkurzacze/zelmer-solaris-5000.php
http://www.schrack.sk/eshop/elektromer-digitalny-diz-3-faz-65a-1-tar-6te-mid-mgdiz065.html
http://www.kves.uniza.sk/kvesnew/dokumenty/elektroenergetika1/ELEN2007/EENERGETIKA/ELEN-3_1.htm