Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

       При замыкании электрической цепи возникает электрический ток и расходуется электрическая энергия. При этом источник питания затрачивает энергию на перемещение зарядов по цепи, т.е. совершает работу. Единица измерения энергии (работы) – Джоуль (Дж). Энергия, затраченная источником, определяется по формуле:

       где E – электродвижущая сила источника, I – сила тока, t – время.

       Поскольку, как следует из закона Ома для замкнутой цепи, э.д.с. можно представить в виде:

        где U – напряжение потребителя, U₀ – падение напряжения на источнике питания, выражение для энергии источника можно представить в виде:

       Где W – энергия потребителя, W₀ – потери энергии внутри источника питания.

       Величина, представляющая собой скорость преобразования энергии (совершения работы), называется мощностью и выражается формулой:

Где W- энергия, t – время. Единица измерения мощности – Ватт (1Вт=1Дж/1с).

Мощность источника питания можно определить по формуле:

Мощность потребителя:

Мощность потерь:

В замкнутой цепи мощности источника, потребителя и потерь связаны выражением:

Отношение мощности потребителя (полезной мощности) к мощности источника питания называется электрическим коэффициентом полезного действия (КПД) и выражается формулой:

При прохождении электрического тока через сопротивление R свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки вещества. При этом кинетическая энергия электронов передается ионам, что приводит к увеличению их амплитуды колебаний, а, следовательно, к нагреванию проводника. При этом выделяется определенное количество теплоты, которое определяется законом Джоуля-Ленца: количество теплоты, выделяемой при прохождении тока в проводнике, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Математически закон Джоуля-Ленца выражается формулой:

где Q – количество теплоты, I- сила тока, R – сопротивление, t – время.

Потери напряжения в проводах

       При передаче энергии по проводам большой протяженности нельзя не считаться с их сопротивлением, на котором происходят потери напряжения:

где I – сила тока, R_л – сопротивление линии электропередач, l – длина провода, S – площадь поперечного сечения, γ – удельная проводимость материала, из которого сделан провод.

       Величина потерь напряжения не должна превышать определенных значений для разных видов нагрузки (для осветительной нагрузки 2% от номинального значения напряжения).