Elektrická práce
Fyzikální veličinu práce (W, také označovanou jako mechanická práce) definujeme jako sílu F působící na těleso ve směru pohybu po dráze s (udanou v jednotkách délky).
Jednotkou práce je joule (J). Stejnou jednotku má fyzikální veličina teplo a také energie, které spolu úzce souvisí.
Fyzikální veličina výkon (P) je množství vykonané práce za jednotku času a jeho jednotkou je W (watt):
Aby přístroj konal nějakou práci, musíme mu dodat nějakou energii E (v případě elektrických spotřebičů říkáme, že dodáváme elektrickou práci). Množství dodané energie za jednotku času označujeme jako příkon, značíme také P nebo P0.
Fyzikální veličina účinnost η poměřuje výkon a dodaný příkon. Udává se v procentech a nemá jednotku. Účinnost nikdy nepřekoná 100%, protože dodaná energie je vždy větší než vykonaná užitečná práce.
Jak tyto veličiny a výpočty použít při práci, kterou konají elektrické spotřebiče?
Vodič obsahuje volné elektrony, které se neustále pohybují. Když zapojíme vodič do obvodu, který připojíme na zdroj elektrického napětí (značka U, jednotka volt V), např. baterii, vznikne na pólech baterie elektrické pole, jež dá elektrony do pohybu. Elektrické pole dodá elektronům elektrickou energii, elektrony se posouvají a elektrické pole tím pádem vykonává práci. Množství elektronů/náboje označuje veličina náboj Q. Velikost náboje, který projde vodičem za jednu sekundu označujeme jako elektrický proud I.
Z toho vyplývá:
Pro tzv. elektrickou práci (značka W a jednotka joule J) platí:
Také můžeme určit napětí mezi póly zdroje jako práci, kterou vykoná zdroj při přenesení částic s celkovým nábojem 1 C z jednoho pólu na druhý. Elektrickou práci měříme v kWh (kilowatthodinách) nebo v megawatthodinách (MWh).
1 J=1 Ws
1 Wh =1 Ws × 3600 =3600 Ws =3600 J
1 kWh = 3600000 J = 3600 kJ
1 MWh = 1000 kWh
1 kWh znamená podávat výkon 1 kW po dobu jedné hodiny (tj. 1000 W za sekundu).
Příkon udává, kolik elektřiny elektrické zařízení spotřebuje, když je v provozu. Je uvedený na každém zařízení. Je-li uveden ve Wattech, udává množství energie odebrané spotřebičem za jednu sekundu (1 Watt je práce/energie o velikosti 1 joule spotřebovaná za 1 sekundu). Pokud je to např. 1000 W příkonu, jedná se o spotřebu energie 1000 J za sekundu, což je za hodinu 1000×3600= 3600000 J nebo 1 kWh. Jednotka kilowatthodina nám právě jednoduše umožňuje převést příkon ve wattech na spotřebu energie za hodinu bez komplikovaných výpočtů. Příkon 2000 W neboli 2 kW znamená spotřebu elektrické energie 2 kWh (není nutno žádné násobení 3600). Pozor, watty W jsou jednotka výkonu/příkonu, a watthodiny/kilowatthodiny jednotkou práce/energie. Nemůžeme říct, že 2 kW jsou matematicky rovny dvěma kilowatthodinám, neboť se jedná o dvě různé veličiny. Lidově se obě hodnoty označují jako spotřeba. Elektrický příkon se u spotřebičů často také označuje jako výkon. A běžně najdeme tvrzení, že příkon udává hodinovou spotřebu zařízení, což je nutno brát s rezervou. Příkon udává spotřebu energie za sekundu a udává se ve W, zatímco spotřeba se udává v kWh nebo v joulech.
Pokud známe elektrický příkon P0 a dobu t, po kterou vodičem protékal proud, vypočítáme elektrickou práci jako:
Vysavač připojený v obvodu 230 V odebírá proud 10 A. Kolik spotřeboval elektrické energie v kWh, pokud pracoval 15 minut?
Spotřeba by byla 0.757 kWh.
Jaký proud prochází spotřebičem, pokud je jeho odpor při příkonu 50 W 2 Ω?
Spotřebičem prochází proud 5 A.
Na spotřebiči je též vždy uvedeno napětí, ke kterému má být připojen a také druh proudu. Rozlišujeme proud stejnosměrný - elektrony soustavně proudí jedním směrem. Zdrojem napětí jsou tužkové/knoflíkové baterie, např. hračky nebo také autobaterie v automobilech. Hodnota napětí na pólech se nemění.
V domácnostech proudí tzv. střídavý proud, kdy se hodnoty napětí s vysokou frekvencí (50krát za sekundu) mění. Dosahují 230 V (kdysi 220 V), přičemž jednou je 230 V na pólu kladném, hned na to zase na záporném. Elektrony se zde posunují nejprve jedním směrem, poté se zastaví, pak se posouvají směrem opačným (změní směr 50krát za sekundu). Velikost proudu se také pohybuje od maximální kladné, poté nulové, pak maximální záporné. Tento proud požadují spotřebiče, které se zapojují do zásuvky. Napětí 230 V je vysoké a pro člověka nebezpečné. Nižší hodnoty napětí by byly mnohem bezpečnější, avšak znamenalo by to odebírání obrovských proudů.
Pokud proud v domácnosti nastoupá do nadměrných hodnot (tzv. nadproud), je v budovách instalován tzv. jistič, který chrání elektrické rozvody/vodiče a jiné prvky v elektrickém obvodu tak, že od určité velikosti proudu obvod automaticky odpojí od elektřiny (příliš vysoký proud může přepálit vodič, zničit spotřebič nebo způsobit požár). Jističe jsou malé páčky v tzv. rozvodové skříně a když v bytě nebo domě proud vypadne, často zjistíme, že některý z nich je v dolní poloze a musí se znovu zapnout. S každým jističem je spojen nějaký elektrický obvod v rámci bytu. Jiným bezpečnostním zařízením je pojistka. Je to tenký drátek, který se při překročení povolené hodnoty proudu přepálí a přeruší tok proudu natrvalo.
Určete příkon 12 V automobilové žárovky, kterou prochází proud 3 A:
Příkon žárovky je 36 W.
V bytě je nainstalovan jistič o hodnotě 25 A. Napětí v obvodu je 230 V. Jaký největší příkon může mít zapnutý spotřebič?
K obvodu může být připojen spotřebič s příkonem maximálně 5750 W.
Cena za elektřinu se udává v kilowatthodinách. V roce 2022 je to 6 Kč za 1 kWh. Kolik zaplatíme, když trouba s příkonem 4000 W jela hodinu a půl? K tomu jsme půlhodinu vysávali, přičemž vysavač má příkon 1600 W.
Hodnoty příkonu lehce převedeme na hodnoty spotřebované práce: 4000 Wh (4 kWh) a 1600 Wh (1.6 kWh). Sečteme:
Za naše použití spotřebičů budeme platit 40.80 Kč.
