Работа и мощность электрического тока

Способность тела производить работу называется энергией этого тела.

Для переноса зарядов в замкнутой цепи источник электрической энергии затрачивает энергию, равную произведению э.д.с. источника на количество электричества, перенесенного через эту цепь, т.е. A_o = Eq.

Однако не вся энергия является полезной, т.е. не вся работа, произведенная источником энергии, сообщается приемнику энергии, т.к. часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов.

Таким образом, источник электрической энергии производит полезную работу, равную

A = Uq, где U –напряжение на зажимах приемника.

При неизменном токе: q = It, тогда формулу работы можно записать:

A = UIt

Если подставить значение U = Ir, та формула работы примет вид

A = I²rt

Однако ни одна формула работы (энергии) не определяет размеров источников электрической энергии, т.к. и большой и малый генераторы могут производить одинаковую работу, но в различные промежутки времени. Поэтому вводится понятие мощности.

Мощностью называется работа, производимая (или потребляемая) в единицу времени: P = A/t = Uq/t =UI = I²r

Работа измеряется в ньютон-метр (Н·м) или в ватт-секунда (Вт·сек), т.е. работа в джоулях (Дж), а мощность – в ваттах (Вт).

На практике мощность измеряют обычно в киловаттах, а работу – в киловат-часах

1 Квтчас = 3600000 дж

Мощность во внешней цепи при напряжении U:

P = UI

При очень малом внешнем сопротивлении сила тока в цепи велика, а напряжение на зажимах генератора при этом мало. При коротком замыкании напряжение равно нулю и мощность Р, отдаваемая во внешнюю цепь, равна нулю.

При очень большом внешнем сопротивлении (когда внешняя цепь разомкнута) сила тока равна нулю. Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь равна нулю. Таким образом, с увеличением сопротивления внешней цепи мощность сначала возрастает от нуля до какой-то наибольшей величины, а затем убывает до нуля.

Сопротивление внешней цепи r, при котором источник энергии отдает приемник наибольшую мощность, равно внутреннему сопротивлению источника, т.е. r = r_o.

Работа источника электрической энергии в режиме максимальной отдачи мощности во внешнюю цепь не является наиболее экономичной, т.к. половина вырабатываемой энергии расходуется на преодоление внутренних потерь.

Пример:Исчточник энергии с э.д.с. Е=120 В и внутренним сопротивлением r_o=10 Ом замыкается на нагрузку, сопротивление которой последовательно принимает следующие значения: r=30; 20; 10; 5 и 2 Ом. Определить мощность, отдаваемую источником энергии во внешнюю цепь, при различных сопротивлениях нагрузки.

Решение: I=E/(r+r_o) Р= I²r

При r=30 Ом I=3 А Р=270 Вт

При r= 20 Ом I=4 А Р=320 Вт

При r=10 Ом I=6 А Р=360 Вт

При r= 5 Ом I=8 А Р=320 Вт

При r= 2 Ом I=10 А Р=200 Вт