Физика. 10 класс

Коэффициент полезного действия источника тока. При перемещении заряда q на внешнем участке цепи, напряжение на котором U, за промежуток времени t сила электрического поля совершает работу:

A = Uq.

Используя выражение , получим формулу для расчёта работы электрического тока, совершённой на внешнем участке

A = IUt.

В общем случае работа тока может превращаться в механическую работу А_мех электродвигателей, расходоваться на увеличение внутренней энергии участка цепи (выделение количества теплоты Q), обеспечивать увеличение химической энергии ΔE_хим , а также преобразовываться в энергию возникающего электромагнитного излучения E_изл:

IUt = A_мех + Q + ΔE_хим + E_изл.

Если к источнику тока подключён только электродвигатель, то IUt = A_мех + Q и полезной работой будет А_мех.

Если прохождение тока сопровождается химическими реакциями (например, зарядка аккумулятора), то IUt = ΔE_хим + Q и полезная работа будет равна ΔE_хим.

При работе электроосветительного оборудования IUt = E_изл + Q и полезная работа равна E_изл.

При включении в цепь только электронагревательных приборов IUt = Q и полезная работа равна Q.

При изучении физики в 8-м классе вы узнали, что, согласно экспериментально установленному закону Джоуля‒Ленца, количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении электрического тока, определяют по формуле Q = I²Rt.

Следовательно, работа тока на произвольном участке цепи в общем случае не равна количеству теплоты, выделяющемуся на этом участке при прохождении тока, т. е. IUt ≠ I²Rt.

Равенство IUt = I²Rt выполняется только в том случае, если на участке цепи имеет место превращение энергии электрического поля, поддерживаемого источником тока, во внутреннюю энергию этого участка.

Если внешним участком цепи является нагревательный элемент (или резистор), то с учётом закона Джоуля–Ленца формула для расчёта полезной работы электрического тока на внешнем участке цепи:

A_полезн = I²Rt.

Учитывая, что мощность , получим выражение для определения полезной мощности тока на тепловом потребителе, являющемся внешним участком цепи:

P_полезн = I²R = IU.

Поскольку работа сторонних сил источника тока:

A_ст = A_полн = It,

то мощность, развиваемая сторонними силами источника тока при наличии в цепи только нагревательного элемента:

P_ст = P_полн = I = IU + I²r.

Следовательно, P_полн = P_полезн + I²r.

Коэффициент полезного действия (КПД) источника тока — отношение полезной мощности тока на внешнем участке цепи к полной мощности, развиваемой сторонними силами источника тока:

 

Согласно формуле :

Так, например, при зарядке аккумулятора источником тока с ЭДС при силе зарядного тока I КПД этого источника определяют по формуле .

Если внешний участок цепи — нагревательный элемент, то

P_полезн = I²R,

P_полн = I²(R + r).

Тогда КПД источника тока