Робота і потужність електричного струму

Електричний струм, проходячи по колу, здійснює робо­ту, причому U = A/Q. Звідси випливає, що робота електрич­ного струму

A=QU. Підставивши сюди величину заряду Q = It, матимемо А = UIt,

де А — робота джерела, Дж; U — напруга джерела, В; I — струм у колі, А; t — час дії струму, с.

Одиницею роботи є джоуль (Дж).

Робота, яка здійснюється в електричному колі, дорів­нює одному джоулю, якщо при напрузі в один вольт у колі проходить струм в один ампер за секунду:

Дж = В •А •с.

Застосовуючи закон Ома, з формули дістаємо :

A=UIt=I²Rt=U²t/R.

Джерело електричної енергії здійснює роботу на зов­нішній і внутрішній ділянках кола. Тому повна робота електричного кола

A=EIt=(U+Uo)It= UIt+ U₀It=UIt+I²R_it.

При роботі джерела електрична енергія перетворюється в інші види енергії. Прилад, яким вимірюють роботу електричного струму, називається електролічиль­ником.

Потужність електричного струму. Потужність електрич­ного струму характеризує швидкість перетворення електричної енергії в інші види і визначається роботою, виконуваною за одиницю часу. Потужність, яка використовується споживачем, називається корисною потужністю і визначається за формулою :

Р = А/t = UIt/t = UI

Застосовуючи закон Ома, маємо:

P=UI=I²R=U²/R.

Одиницею потужності є ват (Вт).

Один ват — це потужність, за якої за одну секунду виконується робота в один джоуль: Вт = В А с= Дж/с.

Прилад, яким вимірюється потужність, називається ватметром, він одночасно враховує і струм, і напругу.

Схему включення ватметра в електричне коло подано на рис. Якщо ватметр включено в електричне коло, то між котушками виникає електродинамічна взаємодія, рухома котушка відхиляється, і стрілка, закріплена на осі цієї котушки, показує корисну потужність.

Уся потужність джерела електричної енергії називається пов­ною потужністю, або потуж­ністю джерела (Рд),

Рд=EI=(U+U₀)I=UI+I²R_i=P+P_ви ,

де Рд—повна потужність джерела, Вт; Р — корисна потужніють на навантаженні; Рвн — потужність на внутрішньому опорі джерела.

Корисною потужністю (Р) називається потужність, яка віддається джерелом на зовнішнє коло споживання :

P=UI.

Внутрішньою потужністю втрат (Рви) називається потужність, витрачена на нагрівання всередині джерела енергії.

Проте , цей підхід виправданий для кіл з малим опором проводів. Для довгих ліній передачі електроенергії слід враховувати опір проводів Rп і додавати до Ri:

Rвт=Ri + Rn,

де Rвт— загальний опір втрат, 0м; Ri — внутрішній опір джерела, 0м; Rn — опір провідників, 0м.

Щоб дістати максимальну потужність на навантаженні, слід створити узгоджений режим включення генератора, тобто внутрішній опір джерела (разом з опором проводів) повинен дорівнювати опору навантаження. Тоді на наван­таженні виділяється потужність P=E²/4R_i , яка і є мак­симальною. При цьому треба враховувати і ККД генератора електричної енергії.

За максимальної потужності на навантаженні генера­тора його ККД становить 50 %. Збільшити ККД можна, збільшивши опір навантаження, а зменшити — зменшивши опір. При цьому відповідно зменшуватиметься корисна потужність.

Оптимальні режими включення вибирають залежно від потреб і умов.

Теплові дії електричного струму. Одним з видів перетворення електричної енергії в інші види є перетворення електричної енергії в теплову. Кількість тепла, що виділяється в провідниках, визначається законом Джоуля — Ленца:

Q=I²Rt ,

де Q — кількість тепла, Дж; I — струм у провіднику, А; R — опір провідника, 0м; t — час, с.

Кількість тепла, що виділяється струмом у провіднику при сталому опорі, прямо пропорційна опору провідника, квадрату величини струму і часу його проходження.

Теплова енергія, яка виділяється, нагріває провідники i навколишнє середовище. Температура провідників підвищується до рівноваги, коли теплова енергія, що надходить у навколишнє середовище, стає такою, що дорівнює енергії, яка виділяється провідниками.