Физика

Электрическая энергия

Электрический ток может быть использован для передачи энергии. Источник напряжения переводит какой-то другой тип энергии в энергию электрического тока, а в приборах энергия электрического тока вновь переходит в другой тип. Таким образом, электрическая энергия может быть переведена в другой тип энергии: механическую, тепловую, световую или химическую. Например, в работе утюга, чайника, лампочки, электродвигателя или аккумулятора.

Как вычислить энергию электрического тока? 

Рассмотрим аккумулятор, подключенный к резистору. Вся энергия источника в этом случае переходит в тепловую. Тепло, которое выделяется на резисторе, может быть вычислено по формуле:

Q=IU △ t

Перепишем эту формулу в другом виде, используя закон Ома:

I = $\frac{\mathrm{U}}{\mathrm{R}}$ → U = IR

Q = IU△t = I²R△t

Q = I²R△t

 

Эта формула выражает закон Джоуля-Ленца: тепло, выделившееся на проводнике, равно произведению квадрата тока, протекающего через проводник, сопротивления проводника и времени, в течении которого течет ток.

Таким образом, мы имеем две формулы для энергии электрического поля:

 W = $\frac{\mathrm{A}}{\mathrm{△t}}$ = IU  – наиболее общая формула для мощности источника

 W = $\frac{\mathrm{Q}}{\mathrm{△t}}$ = I²R  - формула для тепловой мощности, выделяющейся на проводнике

В случае постоянного тока, когда вся энергия переходит в тепловую, эти формулы эквивалентны. Но в общем случае, при переменном токе, между ними есть существенная разница.

Например, рассмотрим, параллельное соединение двух проводников. Это могут быть две лампочки, подключенные в бытовую сеть. На каком проводнике выделится больше тепла, на большем или на меньшем?

Т.е. 100-ватная лампочка имеет меньшее сопротивление, чем 50-ватная. Рассмотрим теперь последовательное соединение двух сопротивлений. Например, этими сопротивлениями могут быть лампочка и подводящие провода.

W_r = I²r

W_R = I²R

$\frac{W_r}{W_R}=\frac{r}{R}$

Более сложный пример: вы подсоединяете удлинитель в розетку, и подключаете к нему холодильник, стиральную машину, чайник и утюг. Так делать нежелательно, т.к. удлинитель или розетка могут не выдержать.

Разберемся в этом подробней: для простоты примера, вы подключили несколько одинаковых приборов, скажем N утюгов с сопротивлением R.

Эту схему можно перерисовать в другом виде.

Допустим, через каждый утюг протекает ток I. Тогда по подводящему току будет течь ток в N раз больший, так как при параллельном соединении токи суммируются. Что из этого следует?

1. Никакого вечного двигателя здесь нет. Энергия, выделяющаяся на каждом проводнике, I^2 R . Т.к. ток через подводящий провод в N раз больший, то мощность, выделяемая источником, равна INU, т.е. примерно в N раз больше. Т.е. чем больше утюгов вы подключите, тем больше источнику потребуется работать.

2. При большом количестве утюгов тепло, выделяющееся на подводящем проводе, оказывается немалым. Допустим, сопротивление подводящего провода r. Тогда на нем выделится тепловая мощность (IN)² Rr. Т.е. мощность будет пропорциональна N².

3. Если сопротивление подводящих проводов слишком велико, то выделяющаяся теплота превысит некоторое пороговое значение.

При подключении большого числа электроприборов или мощных электроприборов стоит помнить о том, что подводящие провода должны быть достаточно толстыми, чтобы выдержать эту нагрузку.