Справочник мастера-электрика. Проводка, розетки, техника безопасности, инструмент

Работа и мощность электрического тока

При движении единичного заряда q0 по участку электрической цепи поле совершит работу А (Дж), численно равную электрическому напряжению U, действующему на участке цепи. Иными словами, напряжение U — это и есть работа электрического тока А по переносу пробного электрического заряда q из точки 1 в точку 2, к величине пробного заряда. Таким образом: A = Uq.

При этом заряд — это произведение силы тока I на время t, в течение которого этот заряд протекает по проводнику: q = It. Таким образом, A = UIt.

Следовательно, работа электрического тока равна произведению силы тока на участке цепи, напряжению на концах этого участка и времени, в течение которого протекает ток по проводнику.

Работа измеряется в джоулях, также ее можно выразить через единицы измерения силы тока, напряжения и времени: 1 Дж = 1 В × 1 А × 1 с.

Мощность электрического тока Р — работа А в единицу времени:

Р = А / t = UI = I2R = U2 / R

Мощность измеряют в ваттах (Вт). В электричестве иногда применяется внесистемная единица работы — кВт × ч (киловатт-час).

1 кВт. ч = 3,6×106 Дж

Виды соединения проводников

Последовательное соединение (рис. 90)

Рис. 90. Последовательное соединение проводников

1. Сила тока во всех последовательно соединенных участках цепи одинакова:

I1 = I2 = I3 =… = In =…

2. Напряжение в цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных участков, равно сумме напряжений на каждом участке:

U = U1+U2+…+Un+…

3. Сопротивление цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных участков, равно сумме сопротивлений каждого участка:

R = R1+R2+…+Rn+…

Если все сопротивления в цепи одинаковы, то:

R = R1N

При последовательном соединении общее сопротивление увеличивается максимально.

4. Работа электрического тока в цепи, состоящей из последовательно соединенных участков, равна сумме работ на отдельных участках:

A = A1+A2+…+An+…, т. к. A = I2Rt = I2(R1+R2+…+Rn+…)t

5. Мощность электрического тока в цепи, состоящей из последовательно соединенных участков, равна сумме мощностей на отдельных участках:

P = P1+P2+…+Pn+…

6. Так как сила тока во всех участках одинакова, то: U1/U2/…/Un… = R1/R2/…/Rn/…

Для двух резисторов U1/U2 = R1/R2 — чем больше сопротивление, тем больше напряжение.

Параллельное соединение (рис. 91)

Рис. 91. Параллельное соединение проводников

1. Сила тока в неразветвленном участке цепи равна сумме сил токов во всех параллельно соединенных участках.

I = I1+I2+…+In+…

2. Напряжение на всех параллельно соединенных участках цепи одинаково:

U1 = U2 = U3 =… = Un =…

3. При параллельном соединении проводников проводимости складываются (складываются величины, обратные сопротивлению):

1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 … + 1 / Rn

Если все сопротивления в цепи одинаковы, то R = R1/n.

При параллельном соединении общее сопротивление уменьшается (минимально).

Правила КирХгофа для разветвленных цепей

Для упрощения расчетов сложных электрических цепей, содержащих неоднородные участки, используются правила Кирхгофа, которые являются обобщением закона Ома на случай разветвленных цепей.

В разветвленных цепях можно выделить узлы, в которых сходятся не менее трех проводников (рис. 92). Токи, втекающие в узел, принято считать положительными; вытекающие из узла — отрицательными.

Рис. 92. Узел электрической цепи. I1, I2 > 0; I3, I4 < 0

В узлах цепи постоянного тока не происходит накопление зарядов. Отсюда следует первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма сил токов для каждого узла в разветвленной цепи равна нулю:

I1 + I2 + I3 +… + In = 0

Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения электрического заряда.

В разветвленной цепи всегда можно выделить некоторое количество замкнутых путей, состоящих из однородных и неоднородных участков. Такие замкнутые пути называются контурами. На разных участках выделенного контура могут протекать различные токи. На рис. 93 представлен простой пример разветвленной цепи. Цепь содержит два узла a и d, в которых сходятся одинаковые токи; поэтому только один из узлов является независимым (a или d).

Рис. 93. Пример разветвленной электрической цепи. Цепь содержит один независимый узел (a или d) и два независимых контура (например, abcd и adef)

В цепи можно выделить три контура abcd, adef и abcdef. Из них только два являются независимыми (например, abcd и adef), так как третий не содержит никаких новых участков.