§ 4.3 Работа и мощность тока источники тока

Источниками тока называются устройства, обеспечивающие возникновение сторонних сил и поддерживающие постоянную разность потенциалов на своих полюсах.

Источниками тока являются, например, гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы. В этих устройствах создается запас энергии для совершения работы по перемещению зарядов в электрической цепи.

Внутри источника тока на каждую заряженную частицу действуют две силы: сила электрического поля и сторонняя сила. Эти силы совершают работу против электростатических сил по разделению положительных и отрицательных зарядов, что приводит к поддержанию электрического поля в цепи и разности потенциалов между любыми ее точками. Работа сторонних сил связана с превращением энергии не электрической в энергию электрического тока

Источник тока имеет два электрода. Электрод с более высоким потенциалом, называется положительным полюсом (+), с более низким – отрицательным полюсом (-). Между полюсами образуется разность потенциалов – напряжение. ЭДС численно равна напряжению на полюсах разомкнутого источника: (рис. 39).

Каждый источник тока имеет внутреннее сопротивление r. В химических источниках тока – это сопротивление электролита, в генераторах - сопротивление медного провода электромагнитов.

Током короткого замыкания называется ток, текущий по цепи, полученной при замыкании электродов источника между собой

,

где - ЭДС источника тока;

- внутреннее сопротивление.

Режим короткого замыкания – это аварийный режим, при котором реальные источники тока выходят из строя.

РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Рассмотрим однородный проводник, к которому приложено напряжение . За время через поперечное сечение проводника переносится заряд

,

где - сила тока в проводнике.

Так как ток представляет собой перемещение заряда под действием электрического поля, то работа тока равна

Работой электрического тока называется физическая величина численно равная произведению напряжения, силы тока в цепи и промежутка времени, в течение которого измеряется ток

(*)

В СИ: = Дж.

На практике применяют внесистемные единицы работы тока: ватт·час (Вт·ч) и киловатт·час (кВт·ч).

1 Вт·ч – работа тока мощностью в 1 Вт в течение 1 часа.

1 Вт·ч=3600 Вт·с=3,6·10³Дж.

1 кВт·ч=10³Вт·ч=3,6·10⁶ Дж.

Учитывая закон Ома можно выразить работу тока через сопротивление участка цепи

(*), так как , то (*),

где R – сопротивление проводника.

Для постоянного тока имеем:

Коэффициент полезного действия КПД источника тока можно определить по формуле

Полезная работа - работа электрического тока

Затраченная работа – работа источника электрической энергии

, тогда

Сила тока равна (**)

Из закона Ома для полной цепи

(**)

Напряжение на внешнем участке цепи равно (**)

Тогда формула для КПД источника тока с учетом выражений (**) примет вид

,

где R – сопротивление внешнего участка цепи;

r – сопротивление источника тока.

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока идет на его нагревание. Тогда по закону сохранения энергии

Учитывая формулы (*), получим

и

Закон Джоуля-Ленца в интегральной форме: при прохождении электрического тока по проводнику в нем выделяется количество теплоты, которое прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока

Для постоянного тока = const

МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Мощность тока характеризует работу тока, совершаемую за единицу времени.

Мощностью электрического тока называется физическая величина, численно равная отношению работы тока ко времени, за которое она совершается

В СИ: = Вт

Мощность, выделяемая во внешней цепи, равна

(***)

Выражения (***) справедливы как для переменного, так и для постоянного тока, причем в случае переменного тока этими формулами определяется мгновенное значение мощности.