E4  Práce elektrického proudu.

        Ověření vztahů mezi veličinami popisujícími stejnosměrný a střídavý proud a napětí.


 Práce a výkon stejnosměrného proudu


            Při přenesení náboje Q ve vnější části jednoduchého elektrického obvodu mezi svorkami
zdroje o napětí U vykonají síly elektrického pole práci


Pokud je elektrický proud  I v obvodu konstantní, platí


                                                 ,


Má-li vnější část obvodu odpor R, platí užitím Ohmova zákona


Jednotka elektrické práce je joule (J).


            Změny vnitřní energie vodičů způsobené průchodem proudu vedou ke zvýšení jejich
teploty. Takto přenesená energie  se nazývá Joulovo teplo. Nedochází-li současně k jiným přeměnám
elektrické energie (např. na energii mechanickou nebo chemickou), je Joulovo teplo rovno elektrické
práci

                                                                                            (1)


Výkon elektrického proudu ve spotřebiči o odporu  R je dán vztahy


Práce a výkon střídavého proudu (s odporem)


            V obvodu střídavého proudu se proud a napětí neustále mění,  měnit se bude i výkon a
jeho okamžitá hodnota

o obvod, který má jen odpor, platí



Okamžitá hodnota výkonu se tedy mění s dvojnásobnou frekvencí než proud a dosahuje amplitudy


Střední hodnota výkonu v průběhu periody je



To znamená, že střídavý proud o amplitudě  má střední výkon jako ustálený stejnosměrný proud takové
hodnoty I, že platí

čili

Zcela obdobně dostaneme pro napětí

                                                                                           (2)


Tyto hodnoty proudu I  a napětí U  nazýváme efektivní.


            Efektivní hodnoty střídavého proudu a napětí odpovídají hodnotám stejnosměrného proudu
a napětí, při nichž je výkon v obvodu s odporem stejný jako výkon daného střídavého proudu.

Pro výkon  P střídavého proudu v obvodu s odporem platí


                                              P = UI


Efektivní hodnoty proudu a napětí ukazují měřící přístroje pro střídavý proud a napětí.



            Elektrický kalorimetr je přístroj, který nám umožňuje změřit velikost přeměněné
elektrické energie v teplo.  Je tvořen dobře izolovanou nádobou s tekutinou, ve které je topná
spirála elektrického odporu R.

                                                                               Obr.1



Zanedbáme-li tepelné ztráty, pak teplo uvolněné průchodem elektrického proudu spirálou zvýší
teplotu  tekutiny hmotnosti m , měrné tep. kapacity c o  :


Platí
               (3)


Vzhledem k tomu, že kalorimetr je sestaven z celé řady součástí ( nádoba, topná spirála, míchadlo,
teploměr ) o různých hmotnostech a různých tep. kapacitách, zavádíme veličinu K – tepelnou kapacitu
kalorimetru jako součet součinů hmotností a měrné tep. kapacity jednotlivých částí kalorimetru.

   Rovnice má pak tvar



     (4)


ze které můžeme K vypočíst.


Chceme-li vyloučit tep. kapacitu kalorimetru, provedeme dvoje měření z různým množstvím kapaliny.
Aplikujeme-li rozdíl těchto dvou měření, K se vyloučí :






  Rozdíl                                                                             (5)


  Úkoly:


1.   Pomocí elektrického kalorimetru experimentálně ověřte tepelné účinky stejnosměrného a
střídavého proudu a platnost vztahů  (4) a (5). Určete tepelnou kapacitu kalorimetru  K  z rovnice
( 4 ) .

Proveďte dvě měření  pro stejnosměrný proud a hmotnosti  a  a dvě měření
        pro střídavý proud a hmotnosti a . Do vztahů pro ověření  použijte teplotní a časové
rozdíly získané z grafů závislosti vzrůstu teploty na čase.



2.   Pomocí osciloskopu ověřte vztahy pro efektivní hodnotou  střídavého napětí  (2) .

Pozn.  Součástí úlohy je práce s osciloskopem.


Pomůcky:


střídavý a stejnosměrný zdroj proudu, elektrický kalorimetr, teploměr, stopky, ampérmetr a voltmetr
na stejnosměrný i střídavý proud, osciloskop, reostat, spojovací vodiče.