Elektrivoolu töö

Elektrienergiat on lihtne muundada teisteks energialiikideks. Näiteks muundub elektripliidi küttekehas elektrienergia soojuseks; elektrilambis soojuseks ja valguseks; elektrimootoris aga mehaaniliseks energiaks ja soojuseks, sest voolu toimel mootori mähis ka soojeneb.

Energia ja töö on omavahel seotud. Iga keha, millel on energiat, võib teha tööd. Tööga iseloomustatakse nii energia suuruse muutumist kui ka energia muundumist ühest liigist teise. Et elektriväljal on energiat, võib ka elektriväli teha tööd. Elektrivälja töö kaudu muundubki osa elektrienergiast mingiks teiseks energialiigiks.

Kui juhis tekitada elektriväli, hakkavad vabad laengukandjad elektrijõudude mõjul suunatult liikuma ning juhis tekib elektrivool. Kuna juht takistab vabade laengukandjate suunatud liikumist, teeb elektriväli nende ümberpaigutamisel juhis tööd. Elektrivälja töö saab avaldada pinge valemist $\[ U=\frac{A}{q} \]$ kujul

A = Uq.

Mingi ajavahemiku jooksul juhi ristlõiget läbinud elektrilaengu suuruse q võime avaldada voolutugevuse seosest $\[ I=\frac{q}{t} \]$ kujul q = It. Asendades saadud tulemuse elektrivälja töö valemisse, saame elektrivälja töö avaldada seosega

A = UIt.

Kuna voolutugevus iseloomustab elektrivoolu, siis edaspidi kasutame mõiste elektrivälja töö asemel lihtsalt mõistet elektrivoolu töö.

Elektrivoolu töö on füüsikaline suurus, mis arvuliselt võrdub juhi otstele rakendatud pinge, voolutugevuse ja töö sooritamiseks kulunud aja korrutisega.

Nagu mehaanilise töö, nii ka elektrivoolu töö ühikuks on 1 džaul, ühiku tähis on 1 J. Elektrivoolu töö ühik võrdub pinge, voolutugevuse ja aja ühikute korrutisega.

1 džaul = 1 volt · 1 amper · 1 sekund

ehk

1 J = 1 V · 1 A · 1 s.

Elektrivoolu tööd mõõdetakse kaudsel meetodil.

Voltmeetriga mõõdetakse pinge juhi otstel, ampermeetriga voolutugevus juhis ja kellaga ajavahemik, mille vältel juhis on elektrivool. Voolu töö arvutatakse, korrutades mõõdetud pinge, voolutugevuse ja ajavahemiku väärtused.

Elektrivoolu tööd saab arvutada ka teiste valemite abil.

Kui valemis A = UIt asendada voolutugevus Ohmi seaduse kohaselt pinge ja takistuse jagatisega $\[ I=\frac{U}{R} \]$, saame voolu töö arvutamiseks valemi

$\[ A=\frac{U^2}{R}t \]$.

Kui aga elektrivoolu töö valemis pinge asendada voolutugevuse ja takistuse korrutisega U = I R, saame voolu töö arvutamiseks valemi

A = I²Rt.

Elektrivoolu töö kolm valemit on võrdväärsed ning annavad arvutustes sama tulemuse. Millist valemit antud ülesande lahendamisel on kõige sobivam kasutada, sõltub ülesande andmetest.

Elektrisoojendusriistades, näiteks elektripliidi või keedukannu küttekehas, suureneb voolu töö arvel juhi siseenergia ning juhi temperatuur tõuseb. Vooluga metalljuhi soojenemine on põhjustatud elektrijõudude mõjul suunatult liikuma hakanud vabade elektronide põrgetest kristallivõre ioonidega. Põrgetel kandub osa elektronide energiast ioonidele, mille tulemusena kristallivõre ioonide energia suureneb. Selle tulemusena suureneb juhi siseenergia ning juhi temperatuur tõuseb. 

Liikumatus juhis muundub voolu töö tulemusena elektrivälja energia juhi siseenergiaks.

Kuna soojenenud juhi temperatuur on ümbritsevate kehade temperatuurist kõrgem, algab soojusülekanne juhilt ümbritsevatele kehadele. Sel juhul on voolu töö võrdne soojushulgaga Q, mis eraldub vooluga juhis:

A = Q.

Juhi soojenemist elektrivoolu toimel uurisid katseliselt Inglise füüsik James Prescott Joule ja Vene füüsik Heinrich Friedrich Emil Lenz.

Nende teineteisest sõltumatut avastust nimetatakse voolu soojusliku toime ehk Joule’i-Lenzi seaduseks.

Elektrivoolu toimel juhis eraldunud soojushulk võrdub voolutugevuse ruudu, juhi takistuse ja aja korrutisega:

Q = I²Rt.

Lähtudes Joule’i-Lenzi seadusest, on lihtne seletada, miks elektrilambi hõõgniit kuumeneb voolu toimel kõrge temperatuurini, lampi vooluallikaga ühendavad juhtmed aga seejuures märgatavalt ei soojene. Voolutugevus lambi hõõgniidis ja juhtmetes on küll sama suurusega, kuid juhtmete takistus on hõõgniidi takistusega võrreldes tühiselt väike. Kui ühendada taskulambipirn patareiga näiteks kahe 25 cm pikkuse ja 1 mm läbimõõduga vaskjuhtmega, on kummagi juhtme takistus ligikaudu vaid 0,005 Ω. Töötava taskulambipirni hõõgniidi takistus on aga umbes 13,5 Ω. Hõõgniidi takistus on seega 2700 korda suurem juhtme takistusest ning seetõttu eraldub voolu toimel lambis ligikaudu 2700 korda suurem soojushulk kui kummaski juhtmes.

1. Elektrilise küttekeha klemmidel on pinge 230 V. Voolu­tugevus kütte­kehas on 5 A. Kütte­keha töötab 3 tundi. Kui suur on elektri­voolu töö küttekehas?
2. Tolmuimeja mootoris on voolutugevus 3 A. Pinge mootori mähise otstel on 230 V. Kui kaua töötab tolmu­imeja, kui elektri­voolu töö selle aja jooksul on 828 kJ?
3. Juhi otstel on pinge 100 V ja juhi rist­lõiget läbib elektri­laeng 300 C. Kui suur on elektri­voolu töö?
4. Voolutugevus elektripliidi küttekehas on 4,2 A. Kui suur on kütte­keha takistus, kui 10-minutilise töötamise jooksul on voolu töö kütte­kehas 580 kJ?
5. Valgustilamp ja taskulambipirn põlevad 10 minutit. Pinge valgusti­lambi hõõg­niidi otstel on 230 V ja voolu­tugevus lambis on 0,27 A. Pinge tasku­lambi­pirni hõõg­niidi otstel on 3,7 V ja lambi hõõg­niidi takistus on 13 Ω. Kummas lambis on elektri­voolu töö suurem ja mitu korda?

1. Laualambi ühendusjuhtmes ja lambi hõõgniidis on voolu­tugevus sama suurusega. Miks ei ole ühendus­juhtme soojenemine märgatav?
2. Sama vooluallikaga ühendatakse kord rauast, kord nikeliinist traat. Mõlemad traadid on ühesuguse pikkuse ja ristlõike­pindalaga. Kummas traadis eraldub voolu toimel sama aja jooksul suurem soojushulk?
3. Vooluringis on jadamisi ühendatud ühesuguse pikkuse ja ristlõike­pindalaga vasest, rauast ja nikeliinist traadijupid. Millisest ainest traadis eraldub voolu toimel sama aja jooksul kõige suurem, millises kõige väiksem soojushulk?
4. Vooluringi on rööbiti ühendatud ühesuguse pikkuse ja ristlõike­pindalaga vasest, rauast ja nikeliinist traadijupid. Millisest ainest traadis eraldub voolu toimel sama aja jooksul kõige suurem, millises kõige väiksem soojushulk?
5. Küttekeha on ühendatud vooluallikaga. Mitu korda suureneb sama aja jooksul küttekehas eralduv soojushulk, kui ühendada küttekeha voolu­allikaga, mille pinge klemmidel on kaks korda suurem?
6. Kuidas ja mitu korda muutub sama aja jooksul ja sama pinge korral küttekehas eraldunud soojushulk, kui teha küttespiraal kaks korda lühemaks?