Elektromos munka

Ez a szócikk az elektromos munkáról szól. Hasonló címmel lásd még: Munka (egyértelműsítő lap).

A „Munka” egyéb fizikai jelentéseiről lásd: Mechanikai munka és Termodinamikai munka

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 hő, kémia és fizikai változások, például gépelemek mozgása, forgása.

Munka

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:

${\displaystyle W_{AB}=F\cdot s=Q\cdot E\cdot s}$,

ha az E elektromos erővonalak mentén mozdul el a töltés - ha a töltés elmozdulása során ${\displaystyle \alpha }$ szöget zár be az E erővonalakkal, akkor

${\displaystyle W_{AB}=F\cdot \cos \alpha \cdot s=Q\cdot E\cdot s\cdot \cos \alpha }$,

és

${\displaystyle W_{AB}=0}$,

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:

${\displaystyle W_{AB}=U_{AB}\cdot Q}$.

Ez a kifejezés Ohm törvénye segítségével átalakítható:

${\displaystyle W_{AB}=U_{AB}\cdot I\cdot t=U_{AB}^{2}\cdot {\frac {t}{R}}=I^{2}\cdot R\cdot t}$.

Elektromos teljesítmény és hatásfok

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

${\displaystyle P={\frac {W}{t}}=U\cdot I=I^{2}\cdot R={\frac {U^{2}}{R}}}$

Az elektromos hálózatra jellemző a munkavégzés hasznosságára vonatkozó hatásfok:

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{R}}{P_{T}}}={\frac {I_{R}^{2}\cdot R}{I_{T}^{2}\cdot R_{T}}}={\frac {U_{R}^{2}\cdot R_{T}}{U_{T}^{2}\cdot R}}}$,

ahol ${\displaystyle P_{R}}$ az R fogyasztó által felvett teljesítmény, ${\displaystyle P_{T}}$ a feszültségforrás által leadott összes teljesítmény.

Tapasztalatok azt igazolják, hogy egy nem ideális telepből kivehető teljesítmény a külső ellenállás függvényében akkor maximális, ha ${\displaystyle R_{b}=R_{k}}$. 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 ${\displaystyle R_{k}}$ érték tartozik. Érdekes, hogy bármely összetartozó ${\displaystyle R_{k}}$ értékpár mértani közepe a belső ellenállást adja meg:

Konzervatív erőtér

Ha az A pontból a B pontba mozog a töltés, és az így keletkezett ${\displaystyle W_{AB}}$ 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: ${\displaystyle U_{0A}=U_{A}}$; mértékegysége: V (volt) Az ${\displaystyle U_{AB}}$ feszültség kifejezhető ${\displaystyle U_{A}}$ és ${\displaystyle U_{B}}$ potenciálok segítségével a következőképpen:

${\displaystyle U_{AB}=U_{A}-U_{B}}$.

Tárolt elektromos munka

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.

Források

• Gulyás János–Honyek Gyula–Markovits Tibor–Szalóki Dezső–Tomcsányi Péter–Varga Antal: Fizika 10. A gimnáziumok 10. évfolyama számára, 5. kiadás, Műszaki Kiadó, Budapest, 2007, MK-2760-8 ISBN 978-963-16-2760-2
• Kós Réka: Tananyagok a diákjaim számára – Elektromosságtan összefoglalás