Điện năng, công suất điện và hiệu suất nguồn

Khi hiệu điện thế $U$ làm điện lượng $q$ chuyển qua một đoạn mạch thì điện trường thực hiện công $A=Uq$. Với dòng không đổi $q=It$, nên điện năng đoạn mạch tiêu thụ là

$$A=UIt\quad(\text{J}),$$

và công suất điện (điện năng tiêu thụ trong một giây) là

$$P=\frac{A}{t}=UI\quad(\text{W}).$$

Nếu đoạn mạch chỉ có điện trở $R$ (đèn dây tóc, bàn là, ấm điện), điện năng biến hoàn toàn thành nhiệt (định luật Jun–Len-xơ):

$$Q=I^2Rt,\qquad P=I^2R=\frac{U^2}{R}.$$

Cùng dòng điện (mạch nối tiếp) thì công suất tỉ lệ thuận $R$; cùng hiệu điện thế (mạch song song) thì công suất tỉ lệ nghịch $R$.

Số ghi trên thiết bị (định mức): "$220\,\text{V}-100\,\text{W}$" nghĩa là dùng ở hiệu điện thế $220\,\text{V}$ thì có công suất $100\,\text{W}$. Cường độ định mức $I=\dfrac{P}{U}$, điện trở (coi không đổi) $R=\dfrac{U^2}{P}$.

Đơn vị SI của điện năng là $\text{J}$. Trong đời sống dùng kilôoát giờ:

$$1\,\text{kWh}=1000\,\text{W}\cdot3600\,\text{s}=3{,}6\cdot10^{6}\,\text{J}.$$

Số "điện" trên công tơ là số $\text{kWh}$. Tiền điện $=$ số $\text{kWh}\times$ giá mỗi $\text{kWh}$. Khi tính nhẩm: công suất (kW) nhân thời gian (h). Điện sinh hoạt thường tính giá bậc thang: $\text{kWh}$ trong bậc đầu rẻ, bậc sau đắt dần; ta tính tiền từng bậc rồi cộng. Trong sách này mọi giá điện là giả định do đề cho, không phải biểu giá thật.

Trong mạch kín (nguồn $\mathcal E$, $r$ và mạch ngoài $R$, dòng $I$):

Đại lượng	Công thức
Công suất của nguồn (lực lạ)	$P_{ng}=\mathcal E I$
Công suất mạch ngoài (có ích)	$P=UI=I^2R=P_{ng}-I^2r$
Công suất hao phí trong nguồn	$P_{hp}=I^2r$
Hiệu suất của nguồn	$H=\dfrac{P}{P_{ng}}=\dfrac{U}{\mathcal E}=\dfrac{R}{R+r}$

Cân bằng năng lượng: $\mathcal E I=UI+I^2r$, chính là $\mathcal E=U+Ir$ nhân với $I$. Mạch ngoài $R$ càng lớn so với $r$ thì hiệu suất càng cao (tiến về $100\%$), nhưng khi $R$ rất lớn dòng nhỏ nên công suất $P$ cũng nhỏ: hiệu suất cao chưa chắc công suất lớn (xem bài 6).

Nội dung	Công thức
Điện năng	$A=UIt$ (J); $1\,\text{kWh}=3{,}6\cdot10^6\,\text{J}$
Công suất	$P=UI=I^2R=\dfrac{U^2}{R}$
Nhiệt lượng	$Q=I^2Rt$
Nguồn	$P_{ng}=\mathcal EI$, $P=UI$, $P_{hp}=I^2r$
Hiệu suất	$H=\dfrac{U}{\mathcal E}=\dfrac{R}{R+r}$
Tiền điện	số $\text{kWh}$ $\times$ giá (cộng theo bậc)