1.10. Закон Джоуля – Ленца
Если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения веществ, то работа электрического поля приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током:
. (8)
Работа
электрического тока
,
протекающего по неподвижному проводнику
с сопротивлением
,
преобразуется в тепло
,
выделяющееся на проводнике.
Закон (8) был экспериментально установлен английским ученым Джеймсом Джоулем (1818 – 1889) и русским ученым Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 – 1865), поэтому носит название закона Джоуля – Ленца.
1.11. Работа и мощность постоянного тока в замкнутой цепи
Рассмотрим теперь полную (замкнутую) цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением и внешнего однородного участка с сопротивлением , т.е. неоднородный участок цепи (рис. 12). Закон Ома для замкнутой цепи записывается в виде:
.
Умножив
обе части этой формулы на
,
мы получим соотношение, выражающее
закон сохранения энергии для полной
цепи постоянного тока:
Первый
член в левой части
– тепло, выделяющееся на внешнем участке
цепи за время
,
второй член
– тепло, выделяющееся внутри источника
за то же время.
Выражение
равно работе сторонних сил
,
действующих внутри источника.
При
протекании электрического тока по
замкнутой цепи работа сторонних сил
преобразуется в тепло, выделяющееся во
внешней цепи
и внутри источника
.
.
Следует обратить внимание, что в это соотношение не входит работа электрического поля. При протекании тока по замкнутой цепи электрическое поле работы не совершает; поэтому тепло производится одними только сторонними силами, действующими внутри источника. Роль электрического поля сводится к перераспределению тепла между различными участками цепи.
Внешняя цепь может представлять собой не только проводник с сопротивлением , но и какое-либо устройство, потребляющее мощность, например, электродвигатель постоянного тока. В этом случае под нужно понимать эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, выделяемая во внешней цепи, может частично или полностью преобразовываться не только в тепло, но и в другие виды энергии, например, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Поэтому вопрос об использовании энергии источника тока имеет большое практическое значение.
Рассмотрим также замкнутую электрическую цепь, с точки зрения развиваемой источником мощности. Как известно, мощность, выделяемая в виде тепла при прохождении электрического тока через сопротивление, определяется законом Джоуля–Ленца:
. (9)
Соотношение
(9) определяет полезную
мощность, развиваемую источником на
внешнем сопротивлении
.
Аналогичное соотношение, но с сопротивлением
;
–
определяет
мощность, выделяющуюся в виде тепла на
внутреннее сопротивление источника.
С
учетом закона Ома для участка цепи
полезную мощность можно найти, если
известны любые две величины из трех:
.
, 
, 
.
Полная мощность (т.е. работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени) является суммой полезной мощности и мощности, выделяющейся на внутреннее сопротивление:
(10)
Тогда полезная мощность может быть так же представлена в виде:
Если
ток внутри ЭДС противонаправлен градиенту
потенциала (течёт внутри ЭДС от плюса
к минусу), то мощность поглощается
источником ЭДС из сети (например, при
работе электродвигателя
или заряде аккумулятора),
если сонаправлен (течёт внутри ЭДС от
минуса к плюсу), то отдаётся источником
в сеть (скажем, при работе гальванической
батареи
или генератора).
При учёте внутреннего
сопротивления
источника ЭДС выделяемая на нём мощность
прибавляется к поглощаемой или вычитается
из отдаваемой.
Для измерения электрической мощности применяются ваттметры и варметры, можно также использовать косвенный метод, с помощью вольтметра и амперметра.
Для измерения коэффициента реактивной мощности применяют фазометры.
Государственный эталон – ГЭТ 153-2012 Государственный первичный эталон единицы электрической мощности в диапазоне частот от 1 до 2500 Гц. Институт-хранитель: ВНИИМ.