 |
|
РОБОТА І ПОТУЖНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ
Здатність тіла виконувати роботу називається енергією цього тіла. Наприклад, піднятий на висоту вантаж має певний запас: енергії і, падаючи, виконує роботу. Енергія тіла тим більша, чим більшу роботу воно може виконати під час свого руху. Енергія не зникає, а переходить з однієї форми в іншу. Наприклад, електрична енергія може бути перетворена в механічну, теплову, хімічну, а механічна — в електричну і т. д.
Щоб перенести заряди в замкненому колі, джерело електричної енергії витрачає енергію, що дорівнює добуткові ЕРС джерела на електричний заряд, перенесений через це коло, тобто
Проте не вся ця енергія є корисною, тобто не вся робота, виконана джерелом енергії, передається приймачеві, бо частина її витрачається на подолання внутрішнього опору джерела і провідників. Отже, джерело енергії виконує корисну роботу А = UQ, де U — напруга на затискачах приймача.
Оскільки електричний заряд (кількість електрики) дорівнює добуткові сили струму в колі на час його проходження (Q = It), то формулу роботи можна записати у вигляді
тобто електрична енергія, або робота, являє собою добуток напруги на силу струму в колі та на час його проходження.
Якщо напругу на затискачах ділянки кола виразити добутком сили струму на опір цієї ділянки (U = IR), то формулу роботи можна записати ще так:
Проте жодна з наведених формул не обумовлює розмірів генератора електричної енергії, від якого одержано цю роботу, через те що і великий і малий генератори можуть виконати однакову роботу, але за різні проміжки часу. Тому розміри генератора обумовлюються не виконаною роботою, а його потужністю. Це стосується будь-якого електричного апарата й машини — чи такого, що постачає електричну енергію, а чи такого, що споживає її (наприклад, електродвигуни, електричні лампи, нагрівальні прилади тощо).
Потужністю називається робота, яка виконується (або споживається) за одну секунду. Потужність виражається такими формулами:
Якщо у формулах роботи та потужності напруга виражена у вольтах, сила струму — в амперах, опір — в омах і час — в секундах, то робота виражається в ньютон-метрах або у ват-секундах (Вт·с), тобто у джоулях (Дж), а потужність — у ватах (Вт). Для вимірювання малих потужностей застосовують одиницю, в тисячу разів меншу від одного вата, — міліват (мВт); 1 Вт = 1000 мВт. Великі потужності вимірюють одиницями, в тисячу разів більшими за ват, — кіловатами (кВт); 1 кВт = 1000 Вт.
Оскільки джоуль є малою одиницею, то роботу виражають в більших одиницях — ват-годинах (Вт·год), гектоват-годинах (гВт·год) та кіловат-годинах (кВт·год). Співвідношення між цими одиницями та джоулем такі: 1 Вт · год = 3600 Дж; 1 гВт · год = 100 Вт · год; 1 кВт · год = 1000 Вт · год.
За дуже малого зовнішнього опору R сила струму в колі буде велика, а напруга на затискачах генератора — мала. Якщо опір зовнішнього кола Р дорівнює нулеві, напруга на затискачах генератора U також дорівнює нулеві. Отже, і потужність Р, що передається в зовнішнє коло, дорівнює нулеві.
За дуже великого зовнішнього опору (коли зовнішнє коло розімкнене, опір його нескінченно великий) сила струму в колі дорівнює нулеві і потужність, що передається в зовнішнє коло, теж дорівнює нулеві.
Отже, зі збільшенням опору зовнішнього кола потужність спочатку збільшується від нуля до якогось максимального значення, а потім зменшується до нуля.
Щоб одержати максимальну потужність у зовнішньому колі, опір його повинен дорівнювати внутрішньому опорові генератора. Проте слід мати на увазі, що, коли внутрішній опір генератора дорівнює опорові зовнішнього кола, корисна дія генератора незначна і. робота за таких умов не економічна, через те що половина всієї потужності, яку може розвинути генератор, використовується на подолання внутрішнього опору.
Потужність, яку віддає джерело енергії в зовнішнє коло, є корисною потужністю Р2, а потужність, одержувана джерелом ззовні (від джерела енергії механічної, хімічної тощо) — споживаною Р1. Приймач електричної енергії, споживаючи енергію з мережі джерела електричної енергії, перетворює її в енергію іншого виду — механічну, теплову та ін.
Відповідно до закону збереження енергії корисна потужність джерела або приймача електричної енергії менша від потужності Р1 споживаної ним, оскільки в процесі роботи джерела або приймача неминуче втрачається частина перетворюваної ним енергії. У перетворювачах енергії втрата її відбувається внаслідок нагрівання проводів їхніх обмоток струмами, що протікають в них, внаслідок перемагнічування сталі, від вихрових струмів і т. д.
Для оцінки властивостей перетворювача енергії (джерела або приймача електричної енергії) служить коефіцієнт корисн о ї д і ї (ККД, або видатність), який дорівнює відношенню корисної потужності джерела або приймача енергії Р2 до споживаної ним потужності Р1:
де ΔP — потужність, витрачувана на подолання втрат у джерелі чи приймачі енергії.
Цей вираз показує, що ККД джерела або приймача електричної енергії тим більший, чим менші втрати енергії в ньому.
ЗАКОН ЛЕНЦА—ДЖОУЛЯ
Під час проходження електричного струму через металевий провідник електрони стикаються з нейтральними молекулами та з молекулами, що втратили електрони. Рухомий електрон або відщеплює від нейтральної молекули новий електрон, втрачаючи свою кінетичну енергію й утворюючи новий позитивний іон, або з'єднується з молекулою, яка втратила електрон (з позитивним іоном), утворюючи нейтральну молекулу. Під час зіткнення електронів з молекулами витрачається енергія, яка перетворюється в теплоту. Будь-який рух, за якого переборюється опір, вимагає витрат певної енергії. Наприклад, для переміщення якогось тіла долається опір тертя, і робота, витрачена на це, перетворюється в теплоту. Електричний опір провідника відіграє таку ж роль, що й опір тертя. Отже, для проходження струму через провідник джерело струму витрачає деяку енергію, яка перетворюється в теплоту. Перехід електричної енергії в теплову відображає закон Ленца —Джоуля, або закон теплової дії струму.
Російський учений Ленц та англійський фізик Джоуль одночасно і незалежно один від одного встановили, що під час проходження електричного струму по провіднику кількість теплоти, що виділяється провідником, прямо пропорційна квадратові сили струму, опорові провідника та часові, протягом якого електричний струм протікав по провіднику. Це положення називається законом Ленца — Джоуля.
Якщо позначити кількість теплоти, що утворюється струмом, літерою Q, силу струму, що протікає по провіднику,— I, опір провідника — R і час, протягом якого струм протікав по провіднику,— t, то закону Ленца — Джоуля можна надати такого виразу: Q = I2Rt. Оскільки I = U/R і R = U/I, то
