Мы определяли энергию через работу. Вычислим работу электрического поля. Напряжение на участке цепи мы ввели как работу электрического поля по перемещению единичного заряда:

Тогда работа по переносу всего заряда:

Из определения силы тока можно выразить величину заряда, прошедшего через проводник:

Тогда:

Напряжение можно измерить вольтметром, силу тока – амперметром, время – секундомером. Измерив эти три величины, можно вычислить работу электрического поля по перемещению заряда или, как еще говорят, работу электрического тока. По такому принципу утроен прибор, измеряющий величину электроэнергии, которую потребляет данный участок цепи. Этот прибор называется электрическим счетчиком.

Используя закон Ома для участка цепи, можно получить еще несколько формул для расчета работы электрического тока.

1. Подставив выражение для силы тока из закона Ома, получим:

2. Выразив напряжение из закона Ома, получим еще одну формулу:

Часто, кроме самой работы, нас еще интересует скорость ее выполнения. Например, в электрочайнике работа электрического тока идет на нагревание воды, и можно вычислить величину этой работы. При этом, естественно, что нас будет интересовать не только, сколько электроэнергии мы на это потратим, но и за какое время чайник нагреет эту воду: 1 минута или 10.

В механике мы уже вводили инструмент, который позволяет нам говорить о скорости выполнения работы, это мощность. Применим этот инструмент и здесь:

Мы можем вычислить работу электрического тока, соответственно, можем определить и его мощность:

С учетом закона Ома, можно получить еще две формулы для мощности тока:

Несколько слов стоит сказать о единицах измерения. Вспомним, что величина энергии и работы измеряется в джоулях:

Мощность измеряется в ваттах:

Соответственно:

С учетом формул для работы для работы и мощности тока можно получить связь джоулей и ватт с амперами, вольтами и омами. Например:

Если вы посмотрите на электрический счетчик в своей квартире или парадной, то вы увидите, что работа тока там измеряется в кВт·час. Почему не в джоулях? Все потому, что в среднем электроприборы потребляют мощность порядка киловатт, а время их работы удобнее измерять в часах, а не секундах. Вот и удобнее измерять в таких единицах: киловатты, умноженные на час. Или просто: киловатт/час. Обратите внимание: НЕ киловатт за час или киловатт в час, ведь такая формулировка предполагает деление (кВт/час), а не умножение.

Перевести кВт·час в СИ просто: 1 кВт = 1000 Вт, 1 час = 3600 с. Тогда:

Можно определить эту единицу измерения так: 1 – это работа, которая выполняется прибором с мощностью 1 кВт за 1 ч. Или прибором с мощностью 2 кВт за 0,5 ч и т. д., главное, чтобы произведение давало единицу. У этой единицы измерения есть что-то общее с трудоднями – работа, которую выполняет один рабочий за 1 день. И если объем работ 8 трудодней, то понятно, что четверым рабочим здесь работы на 2 дня.

Обратив внимание на характеристики любого электроприбора, вы можете найти там значение его мощности, к примеру, лампа на 100 Вт.

Рис. 4. Характеристика мощности лампы

Значит ли это, что мощность электрического тока в этой лампе будет всегда 100 Вт? Нет, это так называемая номинальная мощность. Т. е. такая мощность тока в лампе, которая будет при номинальном напряжении на той лампе. Номинальное напряжение прибора также указывается в характеристиках прибора, обычно оно составляет 220 вольт – стандартное бытовое напряжение. Если подать на прибор номинальное напряжение, то мощность тока в нем будет равна его номинальной мощности. Если же напряжение будет другим, то и мощность изменится.

Подставив значения номинальной мощности и напряжения, можно вычислить сопротивление прибора:

Сопротивление – это характеристика прибора, при включении его в различные цепи оно не будет изменяться. Теперь, зная сопротивление прибора, можно вычислить мощность тока в нем при любом напряжении и токе:

Например, 100 ваттная лампа, рассчитанная на напряжение 220 вольт, имеет сопротивление:

Если включить ее в цепь с напряжением , то мощность лампы будет составлять всего:

Напряжение уменьшили в 20 раз, с 220 В до 11 В, а мощность при этом упала в 400 раз, со 100 до 0,25 Вт, зависимость мощности от напряжения квадратичная.

Здесь нет «фокуса» в том, что мы использовали именно формулу с квадратом. Возьмем формулу . Напряжение уменьшилось в 20 раз. По закону Ома сила тока прямо пропорциональна напряжению и тоже уменьшится в 20 раз (сопротивление не меняется, это все та же лампочка). В итоге получим то же падение мощности в 400 раз, по какой бы формуле ни считали.

Каждый сталкивался с тем, как иногда лампа начинает гореть менее ярко. В таких случаях как раз говорят о том, что падает напряжение в сети, а раз падает напряжение, то падает и мощность, мы только что это увидели. А если напряжение уменьшится не в 20 раз, а всего на 10%, то есть станет равно 0,9 от номинального? Мощность станет равна:

То есть мощность уменьшится на 19%, чувствительность к перепадам напряжения достаточно высокая.

Почему мы привязываемся к напряжению?

Мы разобрали примеры того, как на работу прибора влияют перепады напряжения. Когда изменяется напряжение на приборе, изменяется и сила тока через этот прибор при его неизменном сопротивлении. Почему мы говорим именно о перепадах напряжения, а о перепадах силы тока молчим как о само собой разумеющемся? В домашней сети фиксированное напряжение, в норме 220 В, поэтому оно является характеристикой этой сети. А сила тока зависит от того, какое сопротивление включенного в сеть прибора: если 220 Ом, то 1 А, если 440 Ом, то 0,5 А. То есть сила тока не информативна как характеристика цепи.