1.6. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля – Ленца

Источник электрической энергии совершает полезную работу в замкнутой электрической цепи, при этом возникает электрический ток. Работа источника связана с перемещением электрического заряда Q и зависит от ЭДС:

A = E∙Q. (1.49)

Так как Q = I∙ t, E = U+UBT, то A = (U+UBT)I∙t или A = U∙I∙t + UBТ ∙I∙t,

где U∙I∙t = А - работа, совершаемая источником на внешнем участке цепи,

UBТ ∙I∙t = АBT - потери энергии внутри источника.

Используя закон Ома для участка цепи, можно записать:

. (1.50)

Мощностью источника постоянного тока называют работу источника, совершаемую за единицу времени:

. (1.51)

Мощность потребителей:

. (1.52)

Мощность потерь энергии внутри источника:

. (1.53)

Единица мощности - ватт (Вт):

.

Единица электрической работы - джоуль (Дж):

.

На практике пользуются единицей мощности киловатт (кВт): и единицей работы (киловатт-час): .

При прохождении тока по проводнику свободные электроны, перемещаясь под действием поля, сталкиваются с ионами кристаллической решетки проводника. При этом кинетическая энергия электронов передается ионам, увеличивая при этом их амплитуду колебания, что приводит к нагреванию проводника. Количество теплоты, выделяемой в проводнике при прохождении тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока, и носит название закона Джоуля - Ленца:

(Дж). (1.54)

Преобразование электрической энергии в тепловую энергию имеет большое практическое значение и широко используется в нагревательных приборах, в устройствах электрического освещения. Однако часто тепловые потери являются нежелательными, например, в электрических машинах, трансформаторах и других устройствах, что снижает их КПД. Во избежание перегрева проводов, обмоток электрических машин, электрических аппаратов установлены нормы допустимого значения силы тока и сечений проводников, которые приводятся в Правилах устройства электрических установок.

Например, необходимо рассчитать сечение провода на допустимый ток. Если расстояние между источником электрической энергии и потребителем (м), то длина двух проводов - 2(м). Сопротивление проводов сечением S (м²) с удельным сопротивлением (Ом · м) равно: . Падение напряжения на проводах , тогда сечение проводов . Найденное сечение проводов округляют до большего стандартного ближайшего значения.

Для защиты электрических аппаратов, машин и приборов от больших токов используются предохранители и автоматы.

При расчете параметров электрических цепей необходимо соблюдать баланс мощностей: алгебраическая сумма мощностей всех источников энергии электрической цепи равна арифметической сумме мощностей всех приемников энергии:

. (1.55)

Если и совпадают по направлению, то мощности источников электрической энергии положительны. При несовпадении направлений и - мощности источников электрической энергии отрицательны.