Будь-яка робота передбачає зміну енергії або перетворення одного виду енергії на інший. Робота електричного струму - це також процес перетворення енергії одного виду (енергії електричного поля) на енергію іншого виду (внутрішню енергію тіл, механічну тощо). Якщо електричне коло замкнути, то в ньому виникне електричний струм. При цьому витрачатиметься енергія джерела.

Розглянемо довільну ділянку кола, наприклад нитку розжарення електричної лампи. Нехай за час At через поперечний переріз провідника проходить заряд Aq. Тоді електричне поле виконає роботу

Оскільки

ця робота дорівнює:

Одиницею роботи електричного струму, як було зазначено, є джоуль. Джоуль дорівнює роботі, яку виконує електричний струм силою 1 А напругою 1 В упродовж 1 с:

Закон Джоуля-Ленца. Якщо єдиною дією струму є теплова, то, відповідно до закону збереження енергії, кількість теплоти, що виділилася в провіднику, кількісно дорівнює роботі струму: Q = А. Отже, Q = IUt. Використовуючи закон Ома для ділянки кола, можна записати три еквівалентні формули для кількості теплоти, що виділилася у провіднику зі струмом:

Закон, що визначає кількість теплоти, яку виділяє провідник зі струмом у навколишнє середовище, відкрили експериментально англійський учений Д. Джоуль і російський учений Е. X. Ленц. Закон формулюють так: кількість теплоти, що виділилася в провіднику, дорівнює добутку квадрата сили струму на опір провідника й час проходження струму. Аналітично записують:

Перетворення електричної енергії на теплову має велике практичне значення і широко використовується в різних нагрівальних приладах як у промисловості, так і в побуті. Однак часто теплові втрати є небажаними, оскільки вони спричиняють непродуктивні витрати енергії, наприклад в електричних машинах, трансформаторах та інших пристроях, що знижує їхній коефіцієнт корисної дії (ККД).

Для захисту кола від перевантажень слугують плавкі запобіжники (вставки) - 3, які за певного струму плавляться, розриваючи електричне коло. Схему включення запобіжника показано на рис. 2.11.

Зазвичай в електротехніці визначають номінальний режим, за якого напруга, струм і потужність в елементах електричного кола відповідають тим значенням, на які вони розраховані заводом-виробником. При цьому гарантуються найкращі умови роботи (економічність, довговічність).

Крім номінального, існують режими короткого замикання і холостого ходу. За режиму короткого замикання напруга на зовнішніх затискачах джерела дорівнює нулю. За режиму холостого ходу струм у джерелі дорівнює нулю.

Потужність електричного струму. Будь-який електричний прилад розрахований на споживання певної енергії за одиницю часу. Тому, крім роботи струму, важливе значення має поняття потужності струму.

Потужністю струму Р називають відношення роботи струму А до проміжку часу t, упродовж якого цю роботу було виконано:

Оскільки А - IUt, одержуємо Р = IU. Використовуючи закон Ома для ділянки кола, можна записати три еквівалентні формули для потужності:

Потужність струму, як і будь-яка потужність, вимірюється в системі СІ у ватах (Вт). Потужність дорівнює 1 Вт, якщо за 1 с відбувається робота 1 Дж.

Будь-який електричний прилад характеризується споживаною ним потужністю, яку часто називають потужністю цього приладу (зазвичай її вказують на приладі).

Приклад 2.10. Визначити загальний опір трьох паралельно включених провідників, якщо їхні опори становлять: /?₁ = 2 Ом, R₂ = 3 Ом, /?₃ = 4 Ом.

Приклад 2.11. Визначити загальний опір трьох послідовно включених провідників, якщо їхні опори становлять:

Приклад 2.12. Визначити потужність, що споживається електричним двигуном, якщо струм у ланцюзі дорівнює 8 А і двигун увімкнений у мережу з напругою 220 В.

Приклад 2.13. Яка потужність споживається електричною плиткою, якщо плитка бере з мережі струм в 5 А, а опір спіралі плитки дорівнює 24 Ом?

Приклад 2.14. Визначити енергію, що витрачається електричною плиткою потужністю 600 Вт упродовж 5 годин.

Приклад 2.15. Визначити вартість горіння 12 електричних ламп LED протягом місяця (ЗО днів), якщо чотири з них по 10 Вт горять по 6 год на добу, а решта вісім ламп по 5 Вт горять по 4 год на добу. Ціна за енергію (тариф) -90 коп. за 1 кВт ■ год.

Розв'язання. Потужність чотирьох ламп по 10 Вт становить Р - 10-4 = = 40 Вт. Обсяг годин горіння цих ламп за місяць: t - 6 - 30 = 180 год.

Енергія, що витрачається цими лампами: А - Pt = 40 ■ 180 = 7200 Вт ■ год = = 7,2 кВт ■ год. Потужність інших восьми ламп по 5 Вт: 5 ■ 8 = 40 Вт. Кількість годин горіння цих ламп за місяць: 4 ■ 30 = 120 год.

Енергія, що витрачається цими лампами: А - Pt = 40 ■ 120 = 4800 Вт ■ год = = 4,8 кВт ■ год. Загальна кількість енергії, що витрачається: 7,2 + 4,8 = = 12 кВт · год. Вартість усієї енергії: 90 -12 = 1080 коп. = 10 грн 80 коп.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

1. Побутовий чайник (220 В, Р_ч = 2,2 кВт) і побутова праска (220 В, Р_пр = = 1,1 кВт) з'єднані послідовно і під'єднані до джерела напруги 380 В. Розрахуйте значення потужності, що виділяється: а) в кожному побутовому приладі; б) якщо праску замінили на паяльник (220 В, Р_п = 60 Вт).

2. Чотири лампочки, розраховані на напругу 12 В і струм 0,3 А, потрібно з'єднати паралельно і живити від джерела напруги 24 В. Визначте, який додатковий опір необхідно включити послідовно з джерелом. Поясніть, що саме зміниться, якщо одну лампу викрутити.

3. На лампі розжарювання написано: 40 Вт, 230 В. Визначте її струм і опір у робочому режимі.

4. В електричному обігрівачі, розрахованому на напругу 220 В, є дві спіралі по 80 Ом кожна. За допомогою перемикача можна увімкнути в мережу одну спіраль, дві спіралі послідовно або дві спіралі паралельно. Визначте потужність у кожному випадку і наведіть розрахунок.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Дайте визначення постійного струму та кола постійного струму.

2. Дайте визначення електричного струму.

3. Що таке електрорушійна сила і напруга?

4. Сформулюйте закон Ома.

5. Що таке електричний опір і провідність?

6. Розкажіть про основні провідникові матеріали й провідникові вироби.

7. Яка залежність опору від температури?

8. Схарактеризуйте способи з'єднання опорів.

9. Що таке струмові навантаження дротів? Як їх захистити від перевантажень і падіння напруги?

10. Що таке потужність електричного струму і як її розраховують?

 

Це матеріал з підручника "Електротехніка та основи електроніки" Гуржій 2020