§ 7. Мощность тока. Закон Джоуля – Ленца.
При перенесении заряда q вдоль проводника, между концами которого имеется разность потенциалов U=φ1- φ2 сила электрического поля совершает над зарядом работу А = Uq.
При силе тока I за время t из одного конца проводника в другой переносится заряд q=I·t.
Следовательно, силы поля совершают за время t работу
А= Uq= U·I·t
Согласно закону Ома I= U/R, или U=IR. Поэтому выражение для работы можно написать также в виде А = I 2Rt, или А = (U 2/R)t
Разделив работу А на время t, в течение которого она совершается, получим
мощность N, развиваемую током на данном участке цепи:
N=
U·I= I 2R=
В этих формулах R - внешнее сопротивление и, следовательно, N - полезная мощность.
Полная (затраченная) мощность Nзатр= I 2(R+r)
Поэтому к.п.д. электрогенератора, когда в цепи имеются только сопротивления, η =N/ Nзатр
Единицей работы служит 1 Дж =1В·1А·1с==1В·1Кл=1Вт·1с.
Единицами мощности электрического тока являются
1Вт=1В·1IА=IДж/с, 1кВт=IкДж/с.
В технике чаще употребляют внесистемные единицы:
1 Вт-ч=3600 Дж, 1 кВт.ч=3600 кДж.
Мощность, развиваемая током, может затрачиваться на вращение электромоторов (в этом случае электрическая энергия превращается в механическую):, на поддержание химических реакций и, наконец, на нагревание проводов в специальных нагревательных приборах. В электроосветительных приборах ток либо вызывает разогрев этих устройств до очень высокой температуры, в результате чего они становятся источниками световых волн (лампы накаливания), либо вызывает возбуждение атомов газа, которые, возвращаясь в основное состояние, излучают свет (газосветные лампы).
На участках цепи,
на которых нет движущихся частей и не
происходит химических реакций, вся
мощность тока идет на нагревание этих
участков, иначе говоря, выделяется в
виде тепла. В этом случае количество
выделившейся теплоты равно работе,
совершаемой над носителями тока силами
электрического поля: Q=А.
Заменив А,
найдем выражение для количества теплоты,
выделившейся в участке цепи за время
t:
Q =
I 2Rt=
= U·I·t
где I- сила тока в цепи, R- сопротивление данного участка цепи.
Эта формула выражает закон Джоуля— Ленца, установленный опытным путем в середине прошлого столетия: при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяющейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Количество теплоты Q = I 2Rt= = U·I·t