21. Prąd elektryczny

21.3 Praca i moc prądu, straty cieplne

  Na rysunku 21.5 pokazany jest najprostszy obwód elektryczny składający się ze źródła prądu (np. baterii) oraz z dowolnego odbiornika energii elektrycznej takiego jak żarówka, grzejnik, silnik elektryczny, komputer itp.

 Rys. 21.5. Prąd I z baterii płynie przez odbiornik energii elektrycznej

Jeżeli przez odbiornik przepływa prąd o natężeniu I, a napięcie na odbiorniku wynosi U to zmiana energii potencjalnej ładunku dq przepływającego przez odbiornik (od punktu A do B) wynosi

(21.14)

Dzieląc obie strony równania przez dt otrzymujemy wzór, który przedstawia szybkość zmian energii elektrycznej

(21.15)

czyli moc prądu elektrycznego

(21.16)

Energia potencjalna ładunku przepływającego przez odbiornik maleje bo potencjał punktu A (połączonego z dodatnim biegunem baterii) jest wyższy niż punktu B (połączonego z ujemnym biegunem baterii). Ta tracona energia jest przekształcana w inny rodzaj energii w zależności od typu odbiornika.

Straty cieplne

Jeżeli mamy do czynienia z odbiornikiem energii zawierającym tylko opornik (np. grzejnik) to cała energia stracona przez ładunek dq poruszający się przy napięciu U wydziela się w oporniku w postaci energii cieplnej. Elektrony przewodnictwa poruszając się w przewodniku zderzają się z atomami (jonami) przewodnika i tracą energię (którą uzyskały w polu elektrycznym) co objawia się wzrostem temperatury opornika.

Korzystając z prawa Ohma możemy równanie (21.16) zapisać w postaci

  lub  

(21.17)

Równania (21.17) opisują przemianę energii elektrycznej na energię cieplną, którą nazywamy ciepłem Joule'a .

Ćwiczenie
Typowa grzałka w czajniku elektrycznym, przystosowanym do pracy przy napięciu 220 V, ma moc 2000 W. Jaki prąd płynie przez tę grzałkę i jaki jest jej opór? Sprawdź obliczenia i wynik.