Робота і потужність струму
Електрична енергія легко перетворюється в інші види енергії - механічну, хімічну, світлову, внутрішню енергію речовини, що широко застосовується в промисловості і в побуті.
Мірою зміни енергії електричного струму служить робота джерела струму, що створює і підтримує електричне поле в ланцюзі.
Стаціонарне електричне поле, що переміщує заряди по провіднику, здійснює роботу. Цю роботу називають роботою струму. Робота електричного струму на ділянці ланцюга, як випливає з визначення напруги,
\ (~ A = qU, \)
де q - електричний заряд, що проходить по ділянці ланцюга, а U - напруга на ділянці.
З огляду на, що q = It, де I - сила струму в провіднику, а t - час проходження електричного струму, для роботи струму отримаємо
\ (~ A = IUt. \)
Якщо R - опір однорідної ділянки кола, то, використовуючи закон Ома для ділянки кола, можна отримати формулу для розрахунку роботи струму:
\ (~ A = I ^ 2Rt = \ frac {U ^ 2} {R} t. \)
Якщо ділянку ланцюга не є однорідним, то роботу виконує не тільки стаціонарне електричне поле, а й сторонні сили, і повна робота визначається за формулою
\ (~ A = I (\ varphi_1 - \ varphi_2 \ pm \ varepsilon) t. \)
За вищенаведеними формулами можна розрахувати повну роботу струму на даній ділянці ланцюга.
Якщо в ланцюзі є електродвигун, то енергія електричного струму, по-перше, витрачається на здійснення механічної роботи - корисна робота A meh, по-друге, витрачається на нагрівання обмоток електродвигуна і сполучних проводів - втрачається енергія. У цьому випадку коефіцієнт корисної дії можна розрахувати як
\ (~ A_0 = A_ {meh} + Q; \) \ (~ \ eta = \ frac {A_ {meh}} {A_0} = \ frac {A_ {meh}} {A_ {meh} + Q}. \ )
Говорячи про коефіцієнт корисної дії джерела струму, під корисною роботою мають на увазі роботу, що здійснюються у зовнішній ланцюга постійного струму:
\ (~ A_p = IUt = I ^ 2Rt. \)
Витрачена ж робота джерела струму дорівнює роботі сторонніх сил:
\ (~ A_z = q \ varepsilon = I \ varepsilon t, \)
де \ (~ \ varepsilon = I (R + r) \).
Тоді \ (~ A_z = I ^ 2 (R + r) t \).
ККД джерела \ (~ \ eta = \ frac {A_p} {A_z} = \ frac {IUt} {I \ varepsilon t} = \ frac {U} {\ varepsilon} = \ frac {R} {R + r} \ ), де U - напруга в зовнішньому колі (напруга на полюсах джерела струму). Графічна залежність η = f (R) при r = const приведена на рис. 1.
Мал. 1
Одиниця роботи електричного струму в СІ - джоуль (Дж). 1 Дж представляє роботу струму, еквівалентну механічної роботі в 1 Дж.
1 Дж = Кл · В = А · В · с.
Вимірюють роботу електричного струму лічильниками.
Швидкість здійснення роботи струму на даній ділянці ланцюга характеризує потужність струму. Потужність струму визначають за формулою \ (~ P = \ frac At \) або P = IU.
Використовуючи закон Ома для ділянки кола, можна записати інакше формулу для потужності струму \ [~ P = I ^ 2R = \ frac {U ^ 2} {R} \]. У цьому випадку мова йде про теплової потужності.
Одиниця потужності струму - ват: 1 Вт = Дж / с. Звідси Дж = Вт · с.
Крім того, застосовують позасистемні одиниці: кіловат-годину або гектоватт-годину: 1 кВт · год = 3,6 · 106 Дж = 3,6 МДж; 1 гВт · год = 3,6 · 105 Дж = 360 кДж.
Для вимірювання потужності струму існують спеціальні прилади - ватметри.
література
Аксеновіч Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Учеб. посібник для установ, що забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксеновіч, Н.Н.Ракіна, К. С. Фаріно; Під ред. К. С. Фаріно. - Мн .: Адукация i вихаванне, 2004. - C. 267-270.