Физика 8 класс как найти работу тока

При прохождении тока в цепи электрическое поле совершает работу по перемещению заряда. В этом случае работу электрического поля называют работой электрического тока.

Для выражения любой из этих величин можно использовать приведённый ниже рисунок.

Рис. (1). Зависимость между работой, напряжением и зарядом

Чтобы выразить любую из величин из данной формулы, можно воспользоваться рисунком.

Рис. (2). Зависимость между работой, силой тока и временем прохождения заряда

Для измерения работы электрического тока нужны вольтметр, амперметр и часы. Например, для определения работы, которую совершает электрический ток, проходя по спирали лампы накаливания, необходимо собрать цепь, изображённую на рисунке. Вольтметром измеряется напряжение на лампе, амперметром — сила тока в ней. А при помощи часов (секундомера) засекается время горения лампы.

Рис. (3). Схема и часы для измерения

Например:

I = 1,2 АU = 5 Вt = 1,5 мин = 90 сА = U⋅I⋅t = 5⋅1,2⋅90 = 540 Дж 

Рис. (4). Электросчетчик

Мощность электрического тока обозначают буквой (Р):

Из этой формулы можно определить и другие физические величины.
Для удобства можно использовать приведённый ниже рисунок.

Рис. (5). Зависимость между мощностью, напряжением и силой тока

За единицу мощности принят ватт: (1) Вт = (1) Дж/с.

Рис. (6). Схема

Так как мощность тока прямо пропорциональна напряжению и силе тока, протекающего через лампочку, то перемножим их значения:

Ваттметры измеряют мощность электрического тока, протекающего через прибор. По своему назначению и техническим характеристикам ваттметры разнообразны.

В зависимости от сферы применения у них различаются пределы измерения.

Рис. (7). Приборы для измерения

Подключим к цепи по очереди две лампочки накаливания, сначала одну, затем другую и измерим силу тока в каждой из них. Она будет разной.

Рис. (8). Лампы различной мощности в цепи

Сила тока в лампочке мощностью (25) ватт будет составлять (0,1) А. Лампочка мощностью (100) ватт потребляет ток в четыре раза больше — (0,4) А. Напряжение в этом эксперименте неизменно и равно (220) В. Легко можно заметить, что лампочка в (100) ватт светится гораздо ярче, чем (25)-ваттовая лампочка. Это происходит оттого, что её мощность больше. Лампочка, мощность которой в (4) раза больше, потребляет в (4) раза больше тока. Значит: 

Что произойдёт, если одну и ту же лампочку подсоединить к источникам различного напряжения? В данном случае используется напряжение (110) В и (220) В.

Рис. (8). Лампа, подключенная к источнику тока с различным напряжением

Можно заметить, что при большем напряжении лампочка светится ярче, значит, в этом случае её мощность будет больше. Следовательно:

Рассчитаем мощность лампочки в каждом случае:

Можно сделать вывод о том, что при увеличении напряжения в (2) раза мощность увеличивается в (4) раза.
Не следует путать эту мощность с номинальной мощностью лампы (мощность, на которую рассчитана лампа). Номинальная мощность лампы (а соответственно, ток через нить накала и её расчётное сопротивление) указывается только для номинального напряжения лампы (указано на баллоне, цоколе или упаковке).

Рис. (9). Маркировка

В таблице дана мощность, потребляемая различными приборами и устройствами:

Таблица (1). Мощность различных приборов

На
прошлых уроках мы с вами говорили, что электрическое поле — это особый вид
материи, посредством которой взаимодействуют заряженные тела. Примером
может служить электрический ток, то есть упорядоченное движение заряженных
частиц, которое создаётся электрическим полем. Следовательно, электрическое
поле способно совершить работу, которую называют работой тока.

Вспомним,
что в общем случае работой называют особую физическую величину, которая
описывает действие силы (заметьте, именно силы, а не тела), приводящее к
изменению численного значения скорости рассматриваемого тела, то есть действия,
при котором сила либо разгоняет тело, либо тормозит его.

Из
этого становится ясным, что термин «работа тока» — это, конечно,
своеобразный жаргонизм, с которым вы уже неоднократно сталкивались. Работа
тока — это работа электрически сил, которые,
перемещая заряженные частички, увеличивают их скорость, а значит и
кинетическую энергию.

А
как рассчитать работу, произведённую электрическими силами в конкретном случае,
например, в лампе, за конкретное время? В принципе это можно сделать, применяя
изначально общую формулу работы: A
= Fs, в которой F
—
это сила, действующая на заряженную частицу, a
s —
путь частицы за рассматриваемый отрезок времени, но последующие этапы такого
вывода будут очень сложными. Мы пойдём другим, гораздо более простым, путём:
вспомним физический смысл введённой нами величины «напряжение» и её единицы измерения
— вольт. Ведь эта величина как
раз и описывает способность электрического поля совершать большую или меньшую
работу по переносу электрического заряда, то есть искомая работа прямо
пропорциональна напряжению: A
~ U.

Вспомните
также: 1 В — это напряжение, при котором перенос заряда в 1 Кл сопровождается
совершением работы 1 Дж. Очевидно, что при переносе вдвое, впятеро большего заряда
будет совершена вдвое, впятеро большая работа, то есть искомая работа прямо
пропорциональна перенесённому заряду: A
~ q.

Это
приводит нас к формуле работы:

A
= qU.

Введённая
нами формула имеет неудобство в связи с тем, что и ней фигурирует перенесённый
в электрическом поле заряд, измерение которого требует особых методов. Поэтому
удобнее расписать этот заряд, используя формулу силы тока: q
= It.

Такая
запись приводит нас к удобной для применения формуле:

A
= IUt,

где
все величины измеряются известными вам приборами: амперметром, вольтметром и
секундомером.

Единицей
работы, как вы знаете, является Дж. Эту единицу можно выразить через
электрические единицы:

1 Дж = 1 А ∙ 1 В ∙ 1 с.

В
практике работу часто выражают не в джоулях, а в других единицах:

Для
измерения работы тока можно воспользоваться тремя приборами: амперметром,
вольтметром и часами. Но в реальной жизни для её измерения пользуются
специальными приборами — счётчиками электрической энергии, которые сейчас можно
увидеть в каждой квартире.

Применяя
к потребителю электротока закон Ома, можно из основной формулы работы получить
ещё два варианта, исключив в первом случае из формулы напряжение, а во-втором —
силу тока:

Сравнение
полученных формул может сначала вызвать удивление: ведь, согласно первой
формуле работа тока от сопротивления потребителя зависит прямо пропорционально,
а по второй — обратно пропорционально. Иными словами, если уменьшить сопротивление
нагрузки вдвое, то по первой формуле работа тока вроде бы уменьшится вдвое, а
по формуле два она вдвое увеличится.

Противоречие
это кажущееся, и это просто понять на следующем примере. Пусть при постоянном
питающем напряжении мы вместо целого проводника включили его половину. Найдём
изменение работы по первой формуле:

Как
видим, работа увеличилась вдвое.

А
теперь сравним эту работу, с работой, вычисленной по второй формуле:

Работа
тока также увеличивается в два раза. Таким образом, в обоих случаях работа тока
увеличилась вдвое. Все дело в том, что при изменении сопротивления
изменяется и сила тока в проводнике.

Получив
формулу для работы электрического тока, мы легко получим и формулу для мощности
тока. Ведь в любом случае мощность находится делением работы на время её
совершения:

Напомним,
что единицей измерения мощности является ватт:

[P]
= [Вт].

Однако
на практике часто используются и кратные ему единицы мощности:

Для
измерения мощности электрического тока существуют специальные приборы, которые
называются ваттметрами.

Пример
решения задачи.

Задача. Определите,
какую работу совершает электродвигатель за 12 ч работы, если его КПД равен 70%.
Сопротивление цепи электродвигателя 44 Ом, а напряжение на его клеммах 220 В.

Задачи на Работу электрического тока с решениями

Формулы, используемые на уроках «Задачи на Работу электрического тока».

1 мин = 60 с;    1 ч = 60 мин;   1 ч = 3600 с.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача № 1.
 Какую работу совершит электрический ток в электродвигателе вентилятора за 20 мин, если сила тока в цепи 0,2 А, а напряжение 12 В?

Задача № 2.
 Какую работу совершит электрический ток в паяльнике за 30 мин, если сопротивление паяльника 40 Ом, а сила тока в цепи 3 А?

Задача № 3.
 Сколько времени работал электродвигатель игрушечной машины, если при напряжении 12 В и силе тока 0,1 А электрический ток совершил работу 360 Дж?

Задача № 4.
 Рассчитайте расход энергии электрической лампой, включенной на 10 мин в сеть напряжением 127 В, если сила тока в лампе 0,5 А.

Задача № 5.
 По данным рисунка определите энергию, потребляемую лампой в течение 10 с. Как будет изменяться потребляемая лампой энергия, если ползунок реостата переместить вверх; вниз?

Краткая теория для решения Задачи на Работу электрического тока.

Это конспект по теме «ЗАДАЧИ на Работу электрического тока». Выберите дальнейшие действия:

• Перейти к теме: ЗАДАЧИ на Мощность электрического тока
• Посмотреть конспект по теме Работа и Мощность электрического тока
• Вернуться к списку конспектов по Физике.
• Проверить свои знания по Физике.

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

1. Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу, и электрическая энергия превращается в другие виды энергии: во внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля и пр.

Как было показано, напряжение ​( (U) )​ на участке цепи равно отношению работы ​( (F) )​, совершаемой при перемещении электрического заряда ​( (q) )​ на этом участке, к заряду: ​( U=A/q )​. Отсюда ​( A=qU )​. Поскольку заряд равен произведению силы тока ​( (I) )​ и времени ​( (t) )​ ​( q=It )​, то ​( A=IUt )​, т.е. работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.

Единицей работы является джоуль (1 Дж). Эту единицу можно выразить через электрические единицы:

​( [A] )​= 1 Дж = 1 В · 1 А · 1 с

Для измерения работы используют три измерительных прибора: амперметр, вольтметр и часы, однако, в реальной жизни для измерения работы электрического тока используют счётчики электрической энергии.

Если нужно найти работу тока, но при этом сила тока или напряжение неизвестны, то можно воспользоваться законом Ома, выразить неизвестные величины и рассчитать работу по формулам: ​( A=frac{U^2}{R}t )​ или ​( A=I^2Rt )​.

2. Мощность электрического тока равна отношению работы ко времени, за которое она совершена: ​( P=A/t )​ или ​( P=IUt/t )​; ​( P=IU )​, т.е. мощность электрического тока равна произведению напряжения и силы тока в цепи.

Единицей мощности является ватт (1 Вт): ​( [P]=[I]cdot[U] )​; ​( [P] )​ = 1 А · 1 В = 1 Вт.

Используя закон Ома, можно получить другие формулы для расчета мощности тока: ​( P=frac{U^2}{R};P=I^2R )​.

Значение мощности электрического тока в проводнике можно определить с помощью амперметра и вольтметра, измерив соответственно силу тока и напряжение. Можно для измерения мощности использовать специальный прибор, называемый ваттметром, в котором объединены амперметр и вольтметр.

3. При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию. Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: ​( Q=A )​ или ​( Q=IUt )​. Учитывая, что ​( U=IR )​, ​( Q=I^2Rt )​.

Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока но проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Этот закон называют законом Джоуля-Ленца.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Силу тока в проводнике увеличили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в нём за единицу времени, при неизменном сопротивлении проводника?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

2. Длину спирали электроплитки уменьшили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в спирали за единицу времени, при неизменном напряжении сети?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

3. Сопротивления резистор ​( R_1 )​ в четыре раза меньше сопротивления резистора ​( R_2 )​. Работа тока в резисторе 2

1) в 4 раза больше, чем в резисторе 1
2) в 16 раз больше, чем в резисторе 1
3) в 4 раза меньше, чем в резисторе 1
4) в 16 раз меньше, чем в резисторе 1

4. Сопротивление резистора ​( R_1 )​ в 3 раза больше сопротивления резистора ​( R_2 )​. Количество теплоты, которое выделится в резисторе 1

1) в 3 раза больше, чем в резисторе 2
2) в 9 раз больше, чем в резисторе 2
3) в 3 раза меньше, чем в резисторе 2
4) в 9 раз меньше, чем в резисторе 2

5. Цепь собрана из источника тока, лампочки и тонкой железной проволоки, соединенных последовательно. Лампочка станет гореть ярче, если

1) проволоку заменить на более тонкую железную
2) уменьшить длину проволоки
3) поменять местами проволоку и лампочку
4) железную проволоку заменить на нихромовую

6. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения напряжения на концах двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока ​( A_1 )​ и ​( A_2 )​ в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​( A_1=A_2 )​
2) ( A_1=3A_2 )
3) ( 9A_1=A_2 )
4) ( 3A_1=A_2 )

7. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения силы тока в двух проводниках (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока ( A_1 )​ и ​( A_2 ) в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​( A_1=A_2 )​
2) ( A_1=3A_2 )
3) ( 9A_1=A_2 )
4) ( 3A_1=A_2 )

8. Если в люстре для освещения помещения использовать лампы мощностью 60 и 100 Вт, то

А. Большая сила тока будет в лампе мощностью 100 Вт.
Б. Большее сопротивление имеет лампа мощностью 60 Вт.

Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я)

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

9. Электрическая плитка, подключённая к источнику постоянного тока, за 120 с потребляет 108 кДж энергии. Чему равна сила тока в спирали плитки, если её сопротивление 25 Ом?

1) 36 А
2) 6 А
3) 2,16 А
4) 1,5 А

10. Электрическая плитка при силе тока 5 А потребляет 1000 кДж энергии. Чему равно время прохождения тока по спирали плитки, если её сопротивление 20 Ом?

1) 10000 с
2) 2000 с
3) 10 с
4) 2 с

11. Никелиновую спираль электроплитки заменили на нихромовую такой же длины и площади поперечного сечения. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при включении плитки в электрическую сеть. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) электрическое сопротивление спирали
Б) сила электрического тока в спирали
B) мощность электрического тока, потребляемая плиткой

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

12. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
A) работа тока
Б) сила тока
B) мощность тока

ФОРМУЛЫ
1) ​( frac{q}{t} )​
2) ​( qU )​
3) ( frac{RS}{L} )​
4) ​( UI )​
5) ( frac{U}{I} )​

Часть 2

13. Нагреватель включён последовательно с реостатом сопротивлением 7,5 Ом в сеть с напряжением 220 В. Каково сопротивление нагревателя, если мощность электрического тока в реостате составляет 480 Вт?

Ответы