E4 Práce elektrického proudu. Overení 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
W - UO
Pokud je elektrický proud v obvodu konstantní, platí za dobu t
Q=h, W=UIt Má-li vnější část obvodu odpor R, platí
W=RI~t =-i
R
Jednotka elektrické práce je joule (J).
Změny vnitřní energie vodičů způsobené průchodem proudu vedou ke zvýšení jejich teploty. Takto přenesená energie O, se nazývá Joulovo teplo. Nedochází-li současně k jiným
přeměnám elektrické energie (např. na energii mechanickou nebo chemickou), je Joulovo teplo rovno elektrické práci
2 ^
Q, = Vit = RI2t=-t
R
Výkon elektrického proudu ve spotřebiči o odporu Rje dán vztahy
W 2 U2
P = — = UI = RI2 =
t R
Práce a výkon střídavého proudu
V obvodu střídavého proudu se proud a napětí neustále mění, měnit se bude i výkon a jeho okamžitá hodnota
p = ui
Pro obvod, který má jen odpor, platí
p = Ri2 = RI1- sin2 M = Pm sin2 cot
Graf této funkce je na obr. 1.
Obr. 1
Okamžitá hodnota výkonu se mění s dvojnásobnou frekvencí než proud a dosahuje amplitudy
Střední hodnota výkonu v průběhu periody je
2     2 "
To znamená, že střídavý proud o amplitudě Im má střední výkon jako ustálený stejnosměrný proud takové hodnoty /, že platí
1
čili
I=7i= 0,1071,1
Zcela obdobně dostaneme pro napětí
U = 0,707í/„
Tyto hodnoty proudu a napětí 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 střídavého proudu v obvodu s odporem platí '
P=UI
Efektivní hodnoty proudu a napětí ukazují obvykle také měřící přístroje v obvodech střídavého proudu .
Elektrický kalorimetr je prístroj, který nám umožňuje změřit velikost přeměněné elektrické energie v teplo. Je tvořen tepelně izolovanou nádobou s tekutinou, ve které je topná spirála elektrického odporu R.
Obr. 2
R.
Zanedbáme-li tepelné ztráty, pak teplo uvolněné průchodem elektrického proudu spirálou zvýší teplotu # tekutiny hmotnosti m , měřeného tepla c o Ac? :
Platí
Ult = mcAS
Případné ztráty tvoří tepelnou kapacitu kalorimetru. Úkoly:
1. Pomocí elektrického kalorimetru experimentálně ověřte tepelné účinky stejnosměrného a střídavého proudu a platnost vztahu
U.I.t = mcAS
2. Pomocí osciloskopu ověřte vztahy pro efektivní hodnotou střídavého napětí (proudu). Pomůcky:
střídavý a stejnosměrný zdroj proudu, elektrický kalorimetr, teploměr, stopky, ampérmetr a voltmetr na stejnosměrný i střídavý rozsah, osciloskop, reostat, spojovací vodiče.