Elektros srovės darbas

Elektros srovei tekant laidais jos energija gali virsti šviesos, vidine (šilumine) arba mechanine energija. Vykstant energijos virsmams atliekamas darbas: kaista elektrinis virdulys, šviečia elektros lemputė, sukasi skalbyklės būgnas (4.1.1 pav.). Darbą atlieka elektrinis laukas, priversdamas elektros grandinės laidininkais judėti elektronus. Tačiau elektrinio lauko atliekamą darbą priimta vadinti elektros srovės darbu (žr. temą „Elektrinė įtampa“). Belieka išsiaiškinti, nuo ko priklauso elektros srovės darbas ir kaip jį apskaičiuoti.

Iš elektrinės įtampos apibrėžimo (2.5) išplaukia, kad elektros srovės atliekamas darbas yra lygus elektros krūvio (q) ir įtampos (U) sandaugai:

Vadinasi, elektros srovės darbas priklauso nuo įtampos laidininke ir nuo elektros krūvio, pratekančio laidininku. Kuo didesnė įtampa, tuo didesnį darbą atlieka elektros srovė. Tarkime, kad įtampa grandinės dalyje lygi 10 V. Vadinasi, 1 C elektros krūvis tekėdamas šia grandinės dalimi atlieka 10 J darbą. Du kartus padidinus įtampą elektros krūvis atliks dvigubai didesnį – 20 J – darbą.

Iš (4.1) formulės išplaukia, kad elektros srovės darbas priklauso ir nuo elektros krūvio. Išmatuoti elektros krūvį tiesiogiai būtų sunku. Apie jo didumą galime spręsti iš elektros srovės stiprio:

I=\frac{q}{t};

q=It.

Gautą elektros krūvio išraišką įrašome į (4.1) formulę ir gauname:

Elektros srovės darbas (A) grandinės dalyje lygus elektros srovės stiprio (I), įtampos (U) ir laiko (t), per kurį tas darbas atliekamas, sandaugai.

Elektros srovei atliekant darbą elektros energija išorinėje grandinės dalyje virsta kitų rūšių energija: šildymo prietaisuose – šilumine, apšvietimo lempose – šviesos, elektros varikliuose – mechanine (4.1.1 pav.).

Taikant Omo dėsnį grandinės daliai galima gauti kitas (4.2) elektros srovės darbo išraiškas (4.1.2 pav.):

A=\frac{U^2}{R}t;\ (4.3)

A=I^2Rt.\ (4 . 4)

Formulę (4.3) patogu taikyti tuomet, kai laidininkai sujungti lygiagrečiai, kadangi įtampa lygiagrečiai sujungtose grandinės dalyse būna vienoda. Formulė (4.4) labiau tinka nuosekliai sujungtiems laidininkams, nes tuomet visose grandinės dalyse yra vienodas srovės stipris.

Elektros srovės darbas, kaip ir mechaninis darbas, matuojamas džauliais. Žinome į elektros srovės darbo formulę įeinančių dydžių matavimo vienetus: įtampa matuojama voltais, elektros srovės stipris – amperais, laikas – sekundėmis. Todėl galime užrašyti:

1 džaulis = 1 voltas × 1 amperas × 1 sekundė,

arba

[A] = 1 V ⋅ 1 A ⋅ 1 s = 1 J.

SI sistemoje elektros srovės darbo matavimo vienetas yra džaulis, arba vatsekundė (vatsekundė – (vat(as) + sekundė). 1 vatsekundė prilygsta 1 džauliui.

Praktikoje vartojami stambesni elektros srovės darbo matavimo vienetai: vatvalandė (Wh), kilovatvalandė (kWh):

1 Wh = 1 W ⋅ 3 600 s = 3 600 J;

1 kWh = 1 000 W ∙ 3 600 s = 3 600 000 Ws = 3 600 000 J.

Kilovatvalandė (kWh) yra dažniausiai buityje ir elektrotechnikoje vartojamas elektros energijos matavimo vienetas.

Apskaičiuokime, kokį darbą atlieka elektros srovė elektriniam prietaisui veikiant 1 valandą. Tarkime, kad elektros srovės stipris 5 A, o įtampa – 220 V. Į elektros srovės darbo formulę (4.2) įrašome fizikinių dydžių skaitines vertes. Atsižvelgdami į tai, kad valanda turi 3 600 sekundžių, gauname:

A = 220 V ⋅ 5 A ⋅ 3 600 s = 3 960 000 V ⋅ A ⋅ s ≈ 4 000 000 J ≈ 1,11 kWh.

Norint apskaičiuoti elektros srovės darbą eksperimentiniu būdu reikia į elektros grandinę įjungti voltmetrą ir ampermetrą (4.1.3 pav.). Jais išmatuojamas elektros srovės stipris ir įtampa. Laikrodžiu išmatuojama elektros srovės tekėjimo trukmė. Kuo ilgiau bus įjungtas jungiklis, tuo ilgiau tekės elektros srovė ir tuo didesnį darbą ji atliks.

Buityje elektros srovės darbas matuojamas elektros skaitikliais (4.1.4 pav., a). Jie įrengiami butuose, namuose. Elektros skaitiklyje yra lengvas aliuminis diskas, kuris sukasi per jį tekant elektros srovei. Aliuminio disko sukimosi greitis yra proporcingas elektros srovės stipriui ir įtampai. Todėl iš aliuminio disko apsisukimų skaičiaus per laiko vienetą galima spręsti apie elektros srovės atliekamą darbą. Remiantis skaitiklio rodmenimis apskaičiuojama, kiek kilovatvalandžių elektros energijos suvartota. Atsižvelgus į galiojantį elektros energijos tarifą apskaičiuojama, kiek reikia mokėti už elektros srovės darbą (buityje sakoma „už elektrą“).

Išmanieji elektros skaitikliai (4.1.4 pav., b) leidžia vartotojams sekti elektros srovės atliekamą darbą (buityje sakoma „sekti elektros energijos suvartojimą“). Informacija apie elektros energijos suvartojimą kilovatvalandėmis gali būti teikiama kas mėnesį (4.1.5 pav., a), kas dieną (4.1.5 pav., b).