План:
1. Расчет параметров электрического тока.
2. Закон Джоуля – Ленца.
При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время 
t по цепи протекает заряд 
. Электрическое поле на выделенном участке совершает работу:
где 
– напряжение.
Эту работу называют работой электрического тока.
Если обе части формулы 
, выражающей закон Ома для однородного участка цепи с сопротивлением R, умножить на IΔt, то получится соотношение:
Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи.
В процессе столкновений электронов и молекул происходит расход энергии, в дальнейшем превращающейся в тепло. Затраты определенного количества энергии связаны со всеми движениями, во время которых приходится преодолевать сопротивление. В это время происходит превращение работы, затраченной на преодоление сопротивления трения, в тепловую энергию.
Сопротивление в электрических проводниках обладает теми же качествами, как и у обычного сопротивления. Для того чтобы провести ток через проводник, источником тока затрачивается определенное количество энергии, превращающейся в тепло. Данное превращение как раз и отражает закон Джоуля - Ленца, известного так же, как закон теплового действия тока.
Закон Джоуля – Ленца: Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло 
, выделяющееся на проводнике:
Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем[1] и Э. Ленцем[2].
Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени 
, за которое эта работа была совершена:
Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах [3] (Вт).
Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой 
и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. Закон Ома для полной цепи записывается в виде: 
.
Умножив обе части этой формулы на , мы получим соотношение, выражающее закон сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:
Первый член в левой части 
– тепло, выделяющееся на внешнем участке цепи за время Δt, второй член 
– тепло, выделяющееся внутри источника за то же время.
Выражение 
равно работе сторонних сил 
, действующих внутри источника.
При протекании электрического тока по замкнутой цепи работа сторонних сил ΔAст преобразуется в тепло, выделяющееся во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист): 
.
Следует обратить внимание, что в это соотношение не входит работа электрического поля. При протекании тока по замкнутой цепи электрическое поле работы не совершает; поэтому тепло производится одними только сторонними силами, действующими внутри источника. Роль электрического поля сводится к перераспределению тепла между различными участками цепи.
Внешняя цепь может представлять собой не только проводник с сопротивлением R, но и какое-либо устройство, потребляющее мощность, например, электродвигатель постоянного тока. В этом случае под R нужно понимать эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, выделяемая во внешней цепи, может частично или полностью преобразовываться не только в тепло, но и в другие виды энергии, например, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Поэтому вопрос об использовании энергии источника тока имеет большое практическое значение.
Полная мощность источника, то есть работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равна: 
.
|
Рис. 3.4.1. Зависимость мощности источника Pист, мощности во внешней цепи  и КПД источника η от силы тока.
|
Во внешней цепи выделяется мощность: 
.
Отношение 
равное 
называется коэффициентом полезного действия источника.
На рис. 3.4.1 графически представлены зависимости мощности источника Pист, полезной мощности P, выделяемой во внешней цепи, и коэффициента полезного действия 
от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением 
. Ток в цепи может изменяться в пределах от 
(при 
) до 
(при 
).
Из приведенных графиков видно, что максимальная мощность во внешней цепи 
, равная 
достигается при 
. При этом ток в цепи 
, а КПД источника равен 50%. Максимальное значение КПД источника достигается при 
, т.е. при 
. В случае короткого замыкания полезная мощность 
и вся мощность выделяется внутри источника, что может привести к его перегреву и разрушению. КПД источника при этом обращается в нуль.
[1] Джеймс Прескотт Джоуль (1818 – 1889) – английский физик, Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока.
[2] Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) – русский физик немецкого происхождения. Является одним из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.
[3] Джеймс Уатт (1736 – 1819) – шотландский инженер, изобретатель-механик. Ввёл первую единицу мощности – лошадиную силу. Его именем названа единица мощности – ватт.