6. Закон Ома для замкнутой цепи

Для замкнутой электрической цепи (рис. 2.5) ЭДС источника, согласно (1.3), можно определить выражением

(1.10)

где R₀ - сопротивление источника; R - сопротивление потребителя (сопротивлением проводов пренебрегают).

Из (1.10) следует, что ток в замкнутой цепи равен

(1.11)

Из (1.10) можно определить напряжение на внешнем участке цепи, т. е. напряжение на клеммах источника U между точками А и В (см. рис. 2.5).

(1.12)

Таким образом, напряжение U на клеммах источника электрической энергии меньше, чем ЭДС этого источника (Е) на величину падения напряжения U₀ на внутреннем сопротивлении источника.

Отсутствие нагрузки - ключ К разомкнут - соответствует режиму холостого хода. При этом IR₀ = 0. Вольтметр (V), подключенный к клеммам источника А и В (рис. 2.5), при отсутствии нагрузки (I = 0) показывает ЭДС источника Е

Если же ключ К замкнут (I ≠ 0), то вольтметр покажет напряжение U на клеммах источника, которое меньше ЭДС на величину , равную падению напряжения на внутреннем сопротивлении источника (1.12).

Из (1.12) следует, что с увеличением нагрузки, т. е. с увеличением тока I, напряжение на клеммах источника уменьшается, что можно показать графически на внешней характеристике источника (рис. 2.6).

Очевидно, чем больше внутреннее сопротивление источника R₀, тем меньше будет напряжение на его клеммах при нагрузке I^|.

7. Энергия и мощность электрического тока

В замкнутой электрической цепи источник затрачивает электрическую энергию W_ИСТ на перемещение единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, т. е. на внутреннем и внешнем участках ((1.3) и рис. 2.3).

ЭДС источника определяется выражением . Из этого выражения следует, что энергия, затраченная источником, равна

(1.13)

так как , что вытекает из определения величины тока .

Энергия источника расходуется на потребителе (полезная энергия)

(1.14)

и на внутреннем сопротивлении источника (потери)

(1.15)

Потерей энергии в проводах, при незначительной их длине, можно пренебречь.

Из закона сохранения энергии следует

(1.16)

Во всех элементах электрической цепи происходит преобразование энергии (в источниках различные виды энергии преобразуются в электрическую, в потребителях - электрическая в другие виды энергии).

Скорость такого преобразования энергии определяет электрическую мощность элементов электрической цепи

(1.17)

Обозначается электрическая мощность буквой Р, а единицей электрической мощности является ватт, другими словами, [Р] = Вт (ватт)

Таким образом, мощность источника электрической энергии определяется выражением

(1.18)

Мощность потребителя, т. е. полезная, потребляемая мощность, будет равна

(1.19)

Если воспользоваться законом Ома для участка электрической цепи, то полезную мощность можно определить следующим выражением:

(1.20)

Потери мощности на внутреннем сопротивлении источника

(1.21)

Для любой замкнутой цепи должен сохраняться баланс мощностей

(1.22)

Так как электрическая мощность измеряется в ваттах, то единицей измерения электрической энергии является [W] = [P·t ] = Вт·с.

Коэффициент полезного действия электрической цепи η определяется отношением полезной мощности (мощности потребителя) ко всей затраченной мощности (мощности источника)

(1.23)