Електрорушійна сила джерела струму. Закон Ома для повного кола. Робота і потужність електричного струму. Закон Джоуля-Ленца

Будь-яке електричне коло можна поділити на дві ділянки:

1) зовнішню ділянку кола;

2) внутрішню ділянку кола.

На зовнішній ділянці кола електричні заряди рухаються під дією електричного поля, оскільки тут струм проходить від вищого потенціалу до нижчого. На внутрішній частині кола струм проходить всередині самого джерела струму і тут заряди переміщуються від нижчого потенціалу до вищого ( від "-" до "+" ). Цю роботу з переміщення зарядів електричне поле виконувати не може, її мають виконати сторонні сили - сили не електричного походження. Природа сторонніх сил може бути різною. Це можуть бути механічні, хімічні, магнітні та інші сили.

Дія сторонніх сил характеризується важливою фізичною скалярною величиною - електрорушійною силою. Електрорушійна сила в замкненому контурі дорівнює відношенню роботи сторонніх сил під час переміщення заряду вздовж контуру до заряду:

.

Як і напругу чи потенціал у СІ ЕРС вимірюють у вольтах: [e] = B.

Закон Ома для повного кола пов'язує силу струму в колі, ЕРС, і повний опір кола R + r, де r - внутрішній опір джерела; R - опір зовнішньої ділянки кола. Цей зв'язок може бути встановлений завдяки закону Джоуля-Ленца, за яким кількість теплоти, яка виділяється провідником зі струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника R і часу проходження струму по провіднику Dt:

Q = I ²RDt.

Нехай за час Dt через поперечний переріз провідника проходить електричний заряд Dq. Тоді роботу сторонніх сил з переміщення заряду Dq можна виразити так:

A_ст = eDq, із виразу Dq = IDt.

Тому A_ст = eIDt. Унаслідок виконання певної роботи на внутрішніх і зовнішніх ділянках кола, опори яких r i R, виділяється певна кількість теплоти. За законом Джоуля-Ленца вона дорівнює:

Q = I ²RDt + I ²rDt.

Згідно із законом збереження енергії A = Q. Прирівнявши, отримуємо e = IR + Ir, звідки:

e = I(R + r).

Із цього виразу бачимо, що сила струму в замкненому колі дорівнює відношенню ЕРС джерела струму до повного опору кола.

. (4.2.4)

Вираз (4.2.4) називають законом Ома для повного кола. Під час значного зменшення опору зовнішньої ділянки кола ( ) струм досягає максимального для джерела значення:

.

Такий випадок називають коротким замиканням, а відповідне значення струму - струмом короткого замикання I_кз. Коротке замикання - головний недолік паралельного з'єднання. Унаслідок короткого замикання енергія проходить через один із паралельно з'єднаних опорів (найменший), без струму залишаються інші споживачі. Це призводить до загоряння ізоляції, розплавлення з'єднувальних провідників і спричиняє пожежу. Для уникнення цієї небезпеки в електричних колах застосовують автоматичні вимикачі струму (плавкі запобіжники, механічні реле тощо).

Напруга на зовнішньому опорі замкненого кола завжди менша від ЕРС, що дорівнює: U = IR = e - Ir. Переміщуючи заряди у провіднику, електричне поле виконує роботу. Її значення можна визначити, використавши визначення напруги і сили струму:

, де q = IDt A = UIDt. (4.2.5)

Робота струму дорівнює добутку сили струму напруги і часу, впродовж якого виконується робота. Як і в механіці, роботу струму вимірюють у джоулях. Якщо у формулу (4.2.5) підставити почергово значення сили струму, а потім напруги із закону Ома для ділянки кола, то отримаємо інший вираз для визначення роботи електричного струму:

A = UIDt, де . (4.2.6)

Формула (4.2.6) зручна для визначення роботи струму в колі з паралельним з'єднанням провідників, оскільки напруга на всіх провідниках при цьому однакова:

A = UIDt, де U = IR, A = I ²RDt. (4.2.7)

Формулою (4.2.7) зручно користуватись у разі послідовного з'єднання провідників у колі, оскільки через всі провідники проходить однаковий струм.

Будь-який електричний прилад розрахований на споживання певної енергії за одиницю часу. Тому поряд із роботою струму велике значення має потужність струму. Вона дорівнює відношенню роботи струму за час Dt до цього часу:

.

Як і в механіці, її вимірюють у ватах (Вт). На більшості приладів вказано потужність, яку вони споживають. На практиці широко застосовують одиницю потужності - кіловат і одиницю роботи - кіловат-годину:

1 кВт = 10³ Вт, 1 кВт·год = 3,6·10⁶ Дж.

Потужність струму P = IU = I ²R, що споживається зовнішньою ділянкою повного кола, називають корисною. Затраченою потужністю називають потужність джерела струму P_зат = eI = I²(R + r). Коефіцієнт корисної дії джерела

.

Коефіцієнт корисної дії зростає зі зменшенням внутрішнього опору джерела.

Запитання для самоперевірки

1. Чому електричне поле заряджених частинок не здатне підтримувати постійний електричний струм в колі?

2. Що називають сторонніми силами?

3. Що називають ЕРС джерела струму? Який фізичний зміст ЕРС? У яких одиницях її виражають?

4. Що розуміють під внутрішньою і зовнішньою частинами кола?

5. Що показує вольтметр, приєднаний до полюсів джерела струму, у разі розімкненої зовнішньої ділянки кола? Замкненої зовнішньої ділянки кола?

6. Виведіть формулу закону Ома для повного кола. Як формулюється цей закон?

7. Напишіть формулу для визначення роботи постійного струму.

8. Доведіть, що робота струму виміряється в джоулях.

9. Як записується закон Джоуля-Ленца?

10. Як залежить кількість теплоти, що виділяється під час проходження струму у провідниках, від опору цих провідників у разі їх послідовного і паралельного з'єднання?

11. Запишіть формулу потужності постійного струму.

12. Доведіть, що потужність струму виражається у ватах.

13. Яким приладом вимірюють потужність постійного струму?

14. Нарисуйте схеми ввімкнення в коло постійного струму амперметра і вольтметра.

15. Що вимірюють у кіловат-годинах?