Elektrická práce a výkon v obvodu stejnosměrného proudu

Při přenesení náboje Q ve vnější části jednoduchého elektrického obvodu mezi svorkami zdroje o svorkovém napětí U vykonají síly elektrického pole práci . Je-li proud v obvodu konstantní, platí a lze tedy psát . Má-li vnější část obvodu odpor R, platí a tedy . Změny vnitřní energie vodičů způsobené průchodem proudu vedou ke zvýšení jejich teploty a k tepelné výměně mezi vodiči a okolím. Takto přenesená energie (teplo) se nazývá Joulovo teplo. Pokud nedochází zároveň k jiným přeměnám elektrické energie, je Joulovo teplo rovno elektrické práci: .

Elektrická energie se může v obvodu měnit na energii mechanickou (mixér, vrtačka, magnetofon, …), tepelnou (kulma, toustovač, …), světelnou, …

Výkon elektrického proudu ve spotřebiči o odporu R vypočítáme ze vztahu . Uvnitř zdroje vykonají neelektrostatické síly práci . Takto získaná energie se ale z části přemění ve vnitřní energii zdroje, čili můžeme hovořit o účinnosti elektrického obvodu: . Můžeme ji také vyjádřit pomocí Ohmova zákona pro uzavřený obvod: . Účinnost je tedy tím větší, čím menší je vnitřní odpor zdroje v porovnání s odporem spotřebiče.

Pozor! Takto definovaná účinnost je účinnost obvodu resp. zdroje. Udává, jaká část celkové energie produkované zdrojem napětí se dostane do vnější části obvodu - tj. ke spotřebiči. Neříká nic o účinnosti přeměny energie v samotném spotřebiči!!!

Zmenšujeme-li odpor spotřebiče připojeného ke zdroji o elektromotorickém napětí a vnitřním odporu , proud procházející obvodem se zvětšuje. Výkon ve spotřebiči je a závisí na proudu kvadraticky - grafem závislosti výkonu na spotřebiči na procházejícím proudu je parabola (viz obr. 76). Z grafu je vidět, že maximálního výkonu dosáhneme, když . V tom případě lze psát a tedy . Maximální výkon je . Účinnost obvodu při maximálním výkonu je . Jednoduché elektrické zdroje (např. kapesní svítilna, automobil, …) jdou navrženy tak, aby se dosáhlo rozumného kompromisu mezi maximální účinností a maximálním výkonem.

Obr. 76