Elektromos munka

Munkavégzés elektromos erőtérben
Ez a közzétett változat, ellenőrizve: 2023. november 20.

Áram hatására a különböző anyagú és minőségű vezetők különböző mértékben melegszenek. Azonos keresztmetszetű és hosszúságú vezetők esetén a nagyobb fajlagos ellenállású anyag melegszik jobban. Az elektromos áram hőt termel, amelynek nagysága az áram, az anyag, és a szerkezet jellemzőitől is függ. A villamos munkavégzés okozta energiaátmenet eredménye a Joule-féle , kémia és fizikai változások, például gépelemek mozgása, forgása.

Elektromos mezőben levő töltésre erő hat (Coulomb erő), mely a töltött testet gyorsítja, a nem rögzített test elmozdul, így munkát végez. A Q töltés az A pontból a B pontba kerülve munkát végez:

 ,

ha az E elektromos erővonalak mentén mozdul el a töltés - ha a töltés elmozdulása során   szöget zár be az E erővonalakkal, akkor

 ,

és

 ,

ha a töltés az E erővonalakra merőlegesen mozdul el.

A munkavégzés, amelyet az elektromos tér végez A-B pont között, miközben Q töltés halad át t idő alatt:

 .

Ez a kifejezés Ohm törvénye segítségével átalakítható:

 .

Elektromos teljesítmény és hatásfok

szerkesztés

Az elektromos munkára kapott kifejezésből definiálható az R ellenállású fogyasztó által felvett teljesítmény:

 

Az elektromos hálózatra jellemző a munkavégzés hasznosságára vonatkozó hatásfok:

 ,

ahol   az R fogyasztó által felvett teljesítmény,   a feszültségforrás által leadott összes teljesítmény.

Tapasztalatok azt igazolják, hogy egy nem ideális telepből kivehető teljesítmény a külső ellenállás függvényében akkor maximális, ha  . Azt mondhatjuk, hogy akkor vehetünk ki egy telepből maximális teljesítményt, ha a külső és a belső ellenállás megegyezik, vagyis illesztve vannak. Minden más (kisebb) teljesítményértékhez két   érték tartozik. Érdekes, hogy bármely összetartozó   értékpár mértani közepe a belső ellenállást adja meg:

Konzervatív erőtér

szerkesztés

Ha az A pontból a B pontba mozog a töltés, és az így keletkezett   munkát elosztjuk a töltés nagyságával, akkor a kapott mennyiség csak az elektromos tér kezdeti és végállapotától függ. Ezt nevezzük az A pont B-hez viszonyított feszültségének.
1 volt a feszültség A és B pontok között, ha a mező 1 coulomb töltésen 1 joule munkát végez, mialatt a töltés A pontból B pontba jut. Az elektromos mezőben végzett munka független a töltött test által megtett úttól, csak a kezdő és végponttól függ. Az ilyen tereket, amelyekben a megfigyelt testen végzett munka nagysága független a két végpont közötti úttól, konzervatív erőtérnek nevezzük.

Mivel a feszültség független az úttól, csak az elektromos tér kezdő és végpontjától függ, (vagyis bármilyen úton jutok A pontból B pontba, a munka ugyanannyi) ezért egy nulla szintet választhatunk (ez a föld vagy a végtelen távoli pont) és ettől számítjuk a feszültséget, így megkapjuk a potenciált. A potenciál jele:  ; mértékegysége: V (volt) Az   feszültség kifejezhető   és   potenciálok segítségével a következőképpen:

 .

Tárolt elektromos munka

szerkesztés

Ha egy galvánelem reverzibilisen működhet, azaz ha a benne lévő anyagok az áram termelése közben átalakulnak, de ha ezek az anyagok ellenkező irányú áram hatására képesek szinte hiánytalanul visszaalakulni, akkor mondhatjuk, hogy ezek a galvánelemek – ciklikusan használva, a regenerálódásuk révén – az elektromos munka tárolóinak tekinthetők. Ezek az akkumulátorok.

Hasonló célra használhatók a kondenzátorok is.