Работа и мощность тока. Кпд источника тока

Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока.

Согласно закону сохранения энергии эта работа должна быть равна изменению энергии рассматриваемого участка цепи. Поэтому энергия, выделяемая на данном участке цепи за время ∆t, равна работе тока.

Работа тока на участке с сопротивлением R за время t равна:

A = ∆qU = IU∆t = I²R∆t

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.

Мощность тока равна отношению работы тока за время ∆t к этому интервалу времени:

P = = UI = I²R =

Работа выражается, как обычно, в джоулях, мощность – в ваттах.

Если на участке цепи под действием электрического поля не совершается работа и не происходят химические реакции, то работа приводит к нагреванию проводника.

При этом работа равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током:

Q = I²R ∆t (Закон Джоуля-Ленца).

Нагревание проводника под действием тока происходит следующим образом. Электрическое поле ускоряет электроны. При столкновении с ионами кристаллической решетки они передают им часть своей энергии. В результате энергия беспорядочного движения ионов около положений равновесия возрастает. Это означает увеличение внутренней энергии и температуры тела.

В электрической цепи работа совершается не только на внешнем участке, но и в батарее. Электрическое сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением r. На внутреннем участке цепи выделяется количество теплоты, равное (по закону Джоуля-Ленца):

Q = I²r ∆t

Полная работа сил электростатического поля при движении по замкнутому контуру равна нулю, поэтому вся работа оказывается совершенной за счет внешних сил, поддерживающих постоянное напряжение.

Отношение работы внешних сил к переносимому заряду называется электродвижущей силой источника:

ε =

q – переносимый заряд.

Если в результате прохождения постоянного тока произошло только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии (и учитывая что I = q/t) :

A = A_ст = Q_полн qε = I²(R + r) t  ε = I(R + r)  I =

Cила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Полная мощность источника тока :

P = = Iε = I²(R + r) = I²R + I²r = P_полезн + P_потерь

КПД источника тока:

η = = =

Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу вре­мени.

ДОБАВИТЬ МОЩНОСТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Закон джоуля-ленца

Количество теплоты определяется по закону Джоуля – Ленца:

Если электроток протекает в цепи, где не происходят химические реакции и не совершается механическая работа, то энергия электрического поля превращается во внутреннюю энергию проводника и его температура возрастает.

Путем теплообмена эта энергия передается окружающим, более холодным телам.

Нагревание проводника под действием тока происходит следующим образом. Электрическое поле ускоряет электроны. При столкновении с ионами кристаллической решетки они передают им часть своей энергии. В результате энергия беспорядочного движения ионов около положений равновесия возрастает. Это означает увеличение внутренней энергии и температуры тела.

Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским ученым Д.Джоулем и русским ученым Эмилем Христофоровичем Ленцом:

Закон Джоуля-Ленца:

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику

Q = I²R ∆t

Из закона сохранения энергии следует, что количество теплоты равно работе электрического тока.

Важной характеристикой любого электроприбора является энергия, потребляемая в единицу времени, или мощность тока.

Мощность электрического тока – работа, совершаемая в единицу времени электрическим полем при упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике.

Средняя мощность тока, учитывая, что по закону Джоуля-Ленца Q = I²R ∆t:

P = = = I²R = = IU

При последовательном соединении проводников (I = const) мощность, выделяемая в проводниках, пропорциональна их сопротивлению.

При параллельном соединении проводников (U = const) мощность, выделяемая в проводниках, обратно пропорциональна их сопротивлению.

ДОБАВИТЬ ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА ДЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА