Электричество шаг за шагом

Т-51. Иногда работу или энергию указывают не в джоулях, а в ватт-секундах или киловатт-часах. Получив очередной счёт от вашей электрической компании, вы обнаружите, что израсходованная вами электроэнергия указана не в джоулях, а в неизвестных нам пока единицах киловатт-час. Но это не какая-нибудь новая единица энергии, а всего лишь иное представление уже знакомых джоулей. Если какой-нибудь прибор работал 1 с, имея мощность 1 Вт, то за 1 с он выполнил работу 1 Дж. Это значит, что 1 Дж = 1 Вт∙1 с, или, как иногда записывают, 1 Дж = 1 Вт-с. Вспомним, что 1000 Вт = 1 кВт (киловатт) и 3600 с = 1 ч. Отсюда получается, что при мощности 1 кВт = 1000 Вт в течение 3600 с = 1 ч потребляется энергия 3 600 000 Вт-с, или, что то же самое, 1 кВт∙-ч. Единицей киловатт-час пользуются вместо джоулей в тех случаях, когда это упрощает расчёты. Так, скажем, если известно, что мощность, потребляемая из сети вашим телевизором, 200 Вт (это 0,2 кВт), то можно очень просто подсчитать, что за 10 часов он возьмёт из сети 2 кВт∙ч электрической энергии.

В нескольких последних разделах мы как-то незаметно перешли к оценке работы, энергии и мощности в электрических системах, и это напоминает, что пора ввести ещё три важные характеристики этих систем: электродвижущую силу, напряжение и сопротивление.

Т-52. Единица электродвижущей силы — вольт (В). Важнейшая характеристика электрических генераторов — электродвижущая сила (сокращённо э.д.с.). Электродвижущая сила, так же как и сила тока, не есть разновидность уже известной нам физической величины «сила», которая измеряется в ньютонах. Но в словосочетании «сила тока» слово «сила» вообще употребляется в сравнительно редком своём значении — так же как в выражениях «сильный дождь» или «сильное волнение». А вот электродвижущая сила (э.д.с.) хотя и косвенно, но всё же говорит о силе, например, о силе выталкивания электронов из «минуса» химического генератора. Эта сила выталкивания зависит, в частности, от типа химических реакций, от того, насколько много лишних электронов они помогают накопить в отрицательном электроде. И чем больше скопление этих избыточных электронов, тем активнее, тем сильнее они выталкивают друг друга из «минуса» во внешний мир — в электрическую цепь. В принципе силу выталкивания электронов можно было бы сделать основной характеристикой генератора. Но оказалось, что удобней и проще рассказать о том запасе энергии, который получит от генератора вытолкнутый во внешнюю цепь электрон, а значит, и о той работе, которую этот электрон сможет выполнить. Конечно, работоспособность электрона зависит от силы с которой его выталкивает «минус», но характеристика «электродвижущая сила» (э.д.с.) говорит не о силе, а именно о работе, и поэтому в единицу измерения э.д.с. входит не ньютон, а джоуль. Объяснив, что никаких нарушений в этом нет, что всё логично и законно, сообщим результат.

ВК-63.Часть э.д.с., которая теряется на внутреннем сопротивлении R_{внт. г} зависит от величины самого этого сопротивления: чем оно больше, тем большая часть э.д.с. останется на нём, тем меньше выходное напряжение генератора U_г = Е — U_{внт. г}. Но само U_{внт. г}, а значит, и U_г, зависит ещё и от потребляемого тока — с его увеличением растёт внутреннее падение напряжения U_{внт. г} и уменьшается та часть э.д.с., которая достаётся внешней цепи, — уменьшается реальное напряжение генератора U_г.

В системе СИ единица электродвижущей силы — вольт (В), такую э.д.с. имеет генератор, который, продвинув по электрической цепи заряд 1 кулон (К), снабдит его энергией настолько, что этот заряд выполнит работу 1 джоуль (Дж). Если генератор выталкивает заряды с такой силой, что заряд 1 К, проходя по цепи, выполнит работу 5 Дж, то, значит, э.д.с. генератора 5 В — заряды, отправляясь в путь, получают от генератора в 5 раз больший запас энергии, чем при э.д.с. 1 В. Ещё раз отметим: электродвижущая сила говорит о работоспособности, которая приходится на один кулон зарядов, проходящих по всей цепи — от «плюса» до «минуса». Коротко говоря, 1 В = 1 Дж/1 К.