Робота та потужність електричного струму

 

 Робота й потужність електричного струму

Робота й потужність електричного струму. Електричне поле, створюючи впорядкований рух заряджених частинок у провіднику, виконує роботу, яку прийнято називати роботою струму.

Робота електричного струму А — фізична величина, що характеризує зміну електричної енергії струму — перетворення її на інші види.

Одиниця роботи електричного струму — джоуль, 1 Дж.

У побуті й техніці використовують також позасистемну одиницю — кіловат-годину (кВт · год), 1 кВт · год = 3,6 · 106 Дж.

Якщо розглядати зовнішню ділянку електричного кола, то робота струму визначається як А = qU = UIt, де q — заряд, що пройшов через поперечний переріз провідника за час t, U — електрична напруга на ділянці кола, I — сила струму в ній.

Якщо на ділянці кола, якою проходить струм, не виконується механічна робота й не відбуваються хімічні реакції, то результатом роботи електричного струму буде тільки нагрівання провідників. Нагрітий провідник унаслідок теплообміну віддає отриману енергію в навколишнє середовище. Згідно із законом збереження енергії, кількість виділеної теплоти дорівнює роботі струму: Q = А — й обчислюється за законом Джоуля — Ленца: кількість теплоти Q, що виділяється за час t в провіднику з опором R під час проходження по ньому струму силою I, дорівнює Q = I2Rt.

Потужність електричного струму Р — фізична величина, що характеризує здатність електричного струму виконувати певну роботу й вимірюється роботою, виконаною за одиницю часу,

тут А — робота електричного струму, t — час, за який цю роботу виконано.

Якщо коло складається з кількох споживачів, то за будь-якого їх з’єднання загальна потужність струму в усьому колі дорівнює сумі потужностей окремих споживачів. Це варто взяти до уваги. У побуті ми користуємося потужними електричними приладами. Якщо одночасно їх увімкнути, то загальна потужність може перевищувати ту, на яку розрахована електрична мережа в помешканні.

З’ясуємо, у якому разі в електричному колі виділяється максимальна потужність. Скористаємося графічним способом і для цього запишемо закон Ома для повного кола в такому вигляді: ε = IR + Ir. Помноживши обидві частини рівняння на I, отримаємо: εI = I2R + I2r, де εI — повна потужність, яку розвиває джерело струму, I2R — потужність споживачів зовнішньої ділянки кола, I2r — потужність, яку споживає внутрішня частина кола. Отже, потужність, яка споживається зовнішньою частиною кола, становить: Р = εI - I2r. Графіком залежності Р(I) є парабола (мал. 48), вершина якої має координати

Мал. 48. Графік залежності потужності, що споживається в зовнішній частині кола, від сили струму

Із графіка видно, що максимальна потужність споживається в зовнішньому колі за сили струму

і дорівнює нулю, коли І = 0, і

Коефіцієнт корисної дії джерела струму. Коефіцієнт корисної дії джерела струму η визначається як відношення потужності Рк, яку споживає зовнішня частина кола (корисна потужність), до повної потужності Рп, яку розвиває джерело струму:

Залежність коефіцієнта корисної дії джерела струму η від зовнішнього опору R графічно має вигляд, як на малюнку 49, а.

Мал. 49. Графіки залежності: а — η(R); б — Pк(R)