Работа и мощность тока
Электрическая энергия легко преобразуется в другие виды энергии — механическую, химическую, световую, внутреннюю энергию вещества, что широко применяется в промышленности и в быту.
Мерой изменения энергии электрического тока служит работа источника тока, создающего и поддерживающего электрическое поле в цепи.
Стационарное электрическое поле, перемещающее заряды по проводнику, совершает работу. Эту работу называют работой тока. Работа электрического тока на участке цепи, как следует из определения напряжения,
(~A = qU ,)
где q — электрический заряд, проходящий по участку цепи, а U — напряжение на участке.
Учитывая, что q = It, где I — сила тока в проводнике, а t — время прохождения электрического тока, для работы тока получим
(~A = IUt .)
Если R — сопротивление однородного участка цепи, то, используя закон Ома для участка цепи, можно получить формулу для расчета работы тока:
(~A = I^2Rt = frac{U^2}{R} t .)
Если участок цепи не является однородным, то работу совершает не только стационарное электрическое поле, но и сторонние силы, и полная работа определяется по формуле
(~A = I(varphi_1 — varphi_2 pm varepsilon) t .)
По вышеприведенным формулам можно рассчитать полную работу тока на данном участке цепи.
Если в цепи есть электродвигатель, то энергия электрического тока, во-первых, расходуется на совершение механической работы — полезная работа Ameh, во-вторых, затрачивается на нагревание обмоток электродвигателя и соединительных проводов — теряемая энергия. В этом случае коэффициент полезного действия можно рассчитать как
(~A_0 = A_{meh} + Q 
(~eta = frac{A_{meh}}{A_0} = frac{A_{meh}}{A_{meh} + Q} .)
Говоря о коэффициенте полезного действия источника тока, под полезной работой подразумевают работу, совершаемую во внешней цепи постоянного тока:
(~A_p = IUt = I^2Rt .)
Затраченная же работа источника тока равна работе сторонних сил:
(~A_z = q varepsilon = I varepsilon t ,)
где (~varepsilon = I (R + r)).
Тогда (~A_z = I^2 (R + r) t) .
КПД источника (~eta = frac{A_p}{A_z} = frac{IUt}{I varepsilon t} = frac{U}{varepsilon} = frac{R}{R + r}), где U — напряжение во внешней цепи (напряжение на полюсах источника тока). Графическая зависимость η = f(R) при r = const приведена на рис. 1.
Рис. 1
Единица работы электрического тока в СИ — джоуль (Дж). 1 Дж представляет работу тока, эквивалентную механической работе в 1 Дж.
1 Дж = Кл·В = А·В·с.
Измеряют работу электрического тока счетчиками.
Скорость совершения работы тока на данном участке цепи характеризует мощность тока. Мощность тока определяют по формуле (~P = frac At) или P = IU.
Используя закон Ома для участка цепи, можно записать иначе формулу для мощности тока[~P = I^2R = frac{U^2}{R}]. В этом случае речь идет о тепловой мощности.
Единица мощности тока — ватт: 1 Вт = Дж/с. Отсюда Дж = Вт·с.
Кроме того, применяют внесистемные единицы: киловатт-час или гектоватт-час: 1 кВт·ч = 3,6·106 Дж = 3,6 МДж; 1 гВт·ч = 3,6·105 Дж = 360 кДж.
Для измерения мощности тока существуют специальные приборы — ваттметры.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 267-270.
Что такое работа тока
При хаотичном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле будет совершать работу, которую решили назвать работой тока. Определение работы тока следующее: это работа электрического поля по переносу зарядов внутри проводника.
Важно! Помимо электрических сил, на проводник действуют еще и магнитные, которые также могут совершать работу. Однако в обычных условиях она будет очень мала.
Движение зарядов в проводнике
Единицы измерения
Любая физическая величина, которая может быть превращена в энергию, будет измеряться в Джоулях (Дж). 1 Джоуль равен работе при перемещении точки, к которой приложена сила, равная 1 Ньютону, умноженному на Путь в 1 метр. Получается, что 1 Дж = 1 Н · 1 м.
Единица измерения мощности — это Ватт (Вт). Он равен работе 1 Дж, совершенной за единицу времени в 1 с. Таким образом, 1 Вт = 1 Дж : 1 с
Единица измерения мощности
Формула вычисления
В 1841 году английский ученый Джеймс Джоуль сформулировал закон для нахождения количественной меры теплового воздействия электрического тока. В 1842 году этот же закон был также открыт русским физиком Эмилием Ленцем. Из-за этого он получил двойное название закона Джоуля-Ленца. В общем виде закон записывается следующим образом: Q = I² • R • t.
Он имеет достаточно обобщенный характер, так как не имеет зависимости от природных сил, генерирующих ток. Сегодня этот закон активно применяется в быту. Например, для определения степени нагрева вольфрамовой нити, используемой в лампочках.
Закон Джоуля-Ленца
Закон Джоуля-Ленца определяет количество теплоты, выделяемое током. Но, тем не менее, это поможет узнать, по каким формулам вычисляется работа электрического поля. Всё потому, что она впоследствии проявляется в виде нагревания проводника. Это говорит о том, что работа тока равна теплоте нагревания проводника (A=Q). Работа эл тока, формула: А= I² • R • t. Это не единственная формула для нахождения работы. Если использовать закон Ома для участка цепи (I=U:R), то можно вывести еще две формулы: А=I•U•t или A=U²:R.
Вам это будет интересно Ручные пресс клещи 
Портреты Джоуля и Ленца
Общая формула для того, чтобы вычислять мощность, заключается в ее прямой пропорциональности работе и обратной зависимости от времени (P=A:t). Если говорить о мощности в электрическом поле, то исходя из предыдущих формул, можно составить целых три: Р= I² • R; Р=I•U; Р=U²:R.
Закон Ома для участка цепи
Интерпретация закона сохранения энергии. Закон Джоуля-Ленца
Закон Ома для однородного участка цепи при сопротивлении R отражает формула:
RI=U
Умножим обе части выражения на IΔt и получим соотношение:
RI2∆t=UI∆t=∆A.
Полученный результат является выражением закона сохранения энергии для однородного участка цепи.
Определение 2
Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.
∆Q=∆A=RI2∆t
Данный закон называется законом Джоуля-Ленца.
Закон носит название сразу двух известных физиков, поскольку экспериментальным путем был установлен ими обоими в независимости друг от друга.
Определение 3
Мощность электрического тока есть отношение работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была произведена.
Можно сказать проще: мощность – это работа, выполненная в единицу времени. Запишем формулу, связывающую работу тока и его мощность:
P=∆A∆t=UI=I2R=U2R
Работу электрического тока выражают в джоулях (Дж), мощность тока измеряется в ваттах (Вт), время – в секундах (с): 1 Вт=1 Дж1 с. Измерение мощности тока происходит при помощи ваттметра, а работа находится расчетно как результат перемножения силы тока, напряжения и времени протекания тока по цепи: A=IUt.
Следующей разберем полную цепь постоянного тока, включающую в себя источник с электродвижущей силой δ и внутренним сопротивлением rи внешний однородный участок с сопротивлением R.
Определение 4
Закон Ома для полной цепи выглядит так:
(R+r)I=δ
Нужна помощь преподавателя?Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!Описать задание
Перемножим обе части выражения с Δq=IΔt и получим соотношение, которое будет служить выражением закона сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:
RI2∆t+rI2∆t=δI∆t=∆Aст
Левая часть выражения содержит ΔQ=RI2Δt(тепло, которое выделяется на внешнем участке цепи за время Δt) и ΔQист=rI2Δt (тепло, которое выделяется внутри источника за такое же время).
Выражение δIΔt является равным работе сторонних сил ΔAст, которые действуют внутри источника.
Определение 5
При протекании электрического тока по замкнутой цепи происходит преобразование работы сторонних сил ΔAст в тепло, которое выделяется во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист).
∆Q+Qист=∆Aст=δI∆t
Необходимо отметить следующий факт: в указанное соотношение не включена работа электрического поля. Когда ток проходит по замкнутой цепи, электрическое поле работы не совершает; значит тепло производится лишь посредством сторонних сил, которые действуют внутри источника. Электрическое поле здесь выполняет перераспределение тепла между различными участками цепи.
Внешней цепью может служить не только проводник с сопротивлением R, но и какое-то устройство, которое потребляет мощность, к примеру, электродвигатель постоянного тока. Тогда R необходимо расценивать как эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, которая выделится во внешней цепи, имеет возможность частично или полностью преобразоваться как в тепло, так и в иные виды энергии, к примеру, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Таким образом, тема использования энергии источника тока имеет важное практическое значение.
Работа, мощность и тепловое действие электрического тока
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).
Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа.
Полная мощность — величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока.
Под тепловым действием электрического тока понимают выделение тепловой энергии в процессе прохождения тока по проводнику. Когда через проводник проходит ток, образующие ток свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами проводника, нагревая его
Работа электрического тока
Выясним, как вычисляется работа тока в электрической цепи.
Полную работу тока на участке цепи, который является потребителем, можно найти по формуле (15.10):
где 
— напряжение на участке цепи, а 
— заряд, перенесенный через поперечное сечение проводника за время прохождения 
тока. Так как 
, то
Поскольку напряжение и ток на участке цепи можно измерить вольтметром и амперметром, формула (17.1) удобна на практике для вычисления полной работы тока. По этой формуле работу можно вычислить независимо от того, в какой вид энергии превращается электрическая энергия на рассматриваемом участке цепи.
Когда вся электрическая энергия превращается во внутреннюю энергию (т. е. затрачивается на нагревание участка цепи), справедлива формула (16.11): 
. Подставляя это выражение в (17.1), получим другую формулу для вычисления работы тока на участке цепи без э. д. с.:
Поскольку 
, формулу (17.1) можно записать еще следующим образом:
Итак, при вычислении работы тока на участке цепи без э. д. с. можно пользоваться любой из формул (17.1) — (17.3).
Рассмотрим теперь участок цепи с э. д. с. Вспомним, что когда у потребителя имеется противо-э. д. с., то электрическая энергия частично превращается во внутреннюю энергию и частично — в другие виды энергии. Электрическая энергия, израсходованная в этом случае, вычисляется по формуле (17.1). Остается установить, как подсчитать количество электрической энергии, которое превратилось во внутреннюю энергию на таком участке цепи.
Поскольку падение напряжения 
показывает, какое количество электрической энергии превратилось во внутреннюю энергию участка цепи при прохождении единичного заряда, то, если по участку цепи пройдет заряд 
, увеличение внутренней энергии участка будет равно 
, но поскольку 
, получаем 
. Таким образом, работа тока, определяющая электрическую энергию, которая затрачивается на тепловое действие в данном участке цепи, выражается формулой (17.3):
Заметим, что эта формула справедлива для любого участка цепи, в том числе и для генератора.
Работа сторонних сил в генераторе, которой оценивают полученное в нем количество электрической энергии засчет других видов энергии, находится из соотношения (16.8). Так как 
, получаем
Формулу (17.4) можно применять и к потребителю. В этом случае
обозначает противо-э. д. с., а работа А определяет, какое количество электрической энергии превратилось в механическую или химическую энергию.
Напомним, что при вычислениях в СИ работа получается в джоулях (ватт-секундах). Однако в электротехнике работу обычно выражают в ватт-часах или в киловатт-часах:
Поскольку час содержит 3,6 . 103 с, то для вычисления работы тока в ватт-часах достаточно подставлять в приведенные выше формулы время в часах (вместо секунд). Заметим, что прибор для измерения работы тока называют электрическим счетчиком, а стоимость единицы работы тока — тарифом. Например, для населения Москвы тариф составляет 4 коп. (или 2 коп.) за 1 кВт-ч.
Мощность электрического тока
Вспомним, что мощностью называют величину, характеризующую скорость выполнения работы. Мощность тока на участке цепи измеряют работой тока за единицу времени. Поскольку в электротехнике мощность принято обозначать Р, имеем
Единицей мощности в СИ является ватт: 1 Вт=1 Дж/с.
Подставляя в (17.5) значения А из формул предыдущего параграфа, получим формулы для вычисления мощности в электрических цепях. Мощность тока на участке цепи без э. д. с. можно вычислять по любой из следующих формул (при расчетах надо выбирать ту из них, которая удобнее для рассматриваемого случая):
Когда потребитель имеет э. д. с. 
, формула
дает полную мощность тока, а формула
дает мощность тока, затрачиваемую на тепловое действие. Формула
позволяет определить мощность тока, затраченную на получение других видов энергии, кроме внутренней. Для генератора формула (17.9) определяет мощность, затраченную на получение электрической энергии в генераторе.
При расчетах следует помнить, что мощность тока во всей внешней цепи при любом соединении равна сумме мощностей на отдельных участках цепи. Отметим, что мощность тока в подводящих проводах часто называют потерей мощности.
Тепловое действие электрического тока
Закон Джоуля — Ленца. Тепловое действие тока на опытах было изучено английским ученым Дж. Джоулем и русским физиком Э. Ленцем. Количество тепла, выделенного током в проводнике, равно работе электрического поля по преодолению сопротивления проводника:
Формула (17.10) является математическим выражением закона Джоуля — Ленца: количество тепла, выделенного током в проводнике, прямо пропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы тока и времени его прохождения. Заметим еще раз, что формула (17.10) позволяет вычислять количество теплоты, выделенной током в любом участке цепи с сопротивлением
.
При последовательном соединении проводников с сопротивлениями 
и 
(рис. 17.1, а) количество выделенного в них тепла можно выразить следующим образом:
откуда вытекает, что
Следовательно, количество теплоты, выделенной током в каждом проводнике при последовательном соединении, прямо пропорционально сопротивлению этих проводников.
При параллельном соединении двух участков цепи без э. д. с. С сопротивлениями
и
(рис. 17.1,б) количество тела, выделенного током в каждом участке в отдельности, равно
откуда
Количество теплоты, выделенной током в параллельно соединенных участках цепи без э. д. c., обратно пропорционально сопротивлению этих участков.
Из (17.11) и (17.12) видно, что при последовательном соединении большее количество теплоты выделяется в проводнике с большим сопротивлением, а при параллельном соединении — с меньшим.
Определение работы электротока
Работа как таковая представляет собой величину, описывающую переход энергии в другую форму. К примеру, когда некоторый предмет движется, он обладает кинетической энергией. После того, как движение прекращается, а предмет поднимается на определенную высоту, можно говорить о переходе энергии в потенциальную форму.
Когда электрические заряды перемещаются в цепи по проводниковому материалу, их движение инициируется электрополем, поэтому можно говорить о том, что рабочая нагрузка лежит на последнем. Таким образом, работа электрического тока – величина, характеризующая трансформацию электроэнергии в иные разновидности, например, механическую энергию или тепло. В формульных представлениях величина обозначается заглавной латинской литерой А.
Важно! Работа эл тока по модулю равна произведению периода времени, в течение которого она совершалась, на значение токовой силы и на напряжение на концах фрагмента электроцепи. Когда любой из компонентов произведения растет или понижается, в этом же направлении изменится и рабочий показатель. Сама величина показывает, какое количество электрической энергии претерпело трансформацию в другие ее виды за определенный промежуток времени.
Что такое электрический ток и напряжение
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда). Носителями электрического тока являются электроны (в металлах и газах), катионы и анионы (в электролитах), дырки при электронно-дырочной проводимости. Данное явление проявляется созданием магнитного поля, изменением химического состава или нагреванием проводников. Основными характеристиками тока являются:
- сила тока, определяемая по закону Ома и измеряемая в Амперах (А), в формулах обозначается буквой I;
- мощность, согласно закону Джоуля-Ленца, измеряемая в ваттах (Вт), обозначается буквой P;
- частота, измеряемая в герцах (Гц).
Электрический ток, как носитель энергии используют для получения механической энергии с помощью электродвигателей, для получения тепловой энергии в отопительных приборах, электросварке и нагревателях, возбуждения электромагнитных волн различной частоты, создания магнитного поля в электромагнитах и для получения световой энергии в осветительных приборах и различного рода лампах.
Напряжение – это работа, совершаемая электрическим полем для перемещения заряда в 1 кулон (Кл) из одной точки проводника в другую. Исходя из данного определения, все-таки сложно осознать, что же такое напряжение.
Чтобы заряженные частицы перемещались от одного полюса к другому, необходимо создать между этими полюсами разность потенциалов (именно она и именуется напряжением). Единицей измерения напряжения является вольт (В).
Для окончательного понимания определения электрического тока и напряжения, можно привести интересную аналогию: представьте, что электрический заряд — это вода, тогда давление воды в столбе – это и есть напряжение, а скорость потока воды в трубе – это сила электрического тока. Чем выше напряжение, тем больше сила электрического тока.
Что такое переменный ток
Если менять полярность потенциалов, то направление протекания электрического тока меняется. Именно такой ток и называется переменным. Количество изменений направления за определенный промежуток времени называется частотой и измеряется, как уже было сказано выше, в герцах (Гц). Например, в стандартной электрической сети в нашей стране частота равна 50 Гц, то есть направление движения тока за секунду меняется 50 раз.
Что такое постоянный ток
Когда упорядоченное движение заряженных частиц имеет всегда только одно направление, то такой ток именуется постоянным. Постоянный ток возникает в сети постоянного напряжения, когда полярность зарядов с одной и другой стороны постоянна во времени. Его очень часто используют в различных электронных устройствах и технике, когда не требуется передача энергии на большое расстояние.
Преобразование переменного тока в постоянный
Из переменного тока, можно получить постоянный ток, для этого достаточно подключить сети переменного тока диодный мост или как его еще называют “выпрямитель”. Из названия “выпрямитель” как нельзя лучше понятно, что делает диодный мост, он выпрямляет синусоиду переменного тока в прямую линию тем самым заставляя двигаться электроны в одном направлении.
История открытия переменного тока
Впервые переменным токам стали уделять внимание ввиду коммерческой ценности после появления на свет изобретений, созданных Николой Тесла. Материальный конфликт с Эдисоном отметил сильным отпечатком судьбы обоих. Когда американский предприниматель забрал назад обещания перед Николой Тесла, потерял немалую выгоду. Выдающемуся ученому не понравилось вольное обращение, серб выдумал двигатель переменного тока промышленного типа (изобретение сделал намного раньше). Предприятия пользовались исключительно постоянным. Эдисон продвигал указанный вид.
Тесла впервые показал: переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, резко снижая потери на активном сопротивлении. Приемная сторона параметры вновь возвращает к исходным. Неплохо сэкономите на толщине проводов.
Сегодня показано: передача постоянного тока экономически выгоднее. Тесла изменил ход истории. Придумай ученый преобразователи постоянного тока, мир выглядел бы иначе.
Начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. Опыты передачи энергии на значительные расстояния расставили факты по своим местам: неудобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.
Школьный вариант трактовки переменного и постоянного тока
Переменный ток демонстрирует ряд свойств, отличающих явление от постоянного. Вначале обратимся к истории открытия явления. Родоначальником переменного тока в обиходе человечества считают Отто фон Герике. Первым заметил: заряды природные двух знаков. Ток способен протекать в разном направлении. Касательно Тесла, инженер больше интересовался практической частью, авторские лекции упоминают двух экспериментаторов британского происхождения:
- Вильям Споттисвуд лишен странички русскоязычной Википедии, национальная часть – замалчивает работы с переменным током. Подобно Георгу Ому, ученый – талантливый математик, остается сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался муж науки.
- Джеймс Эдвард Генри Гордон намного ближе практической части вопроса применения электричества. Много экспериментировал с генераторами, разработал прибор собственной конструкции мощностью 350 кВт. Много внимания уделял освещению, снабжению энергией заводов, фабрик.
Считается, первые генераторы переменного тока созданы в 30-е годы XIX века. Майкл Фарадей экспериментально исследовал магнитные поля. Опыты вызывали ревность сэра Хемфри Дэви, критиковавшего ученика за плагиат. Сложно потомкам выяснить правоту, факт остается фактом: переменный ток полвека просуществовал невостребованным. В первой половине XIX-го века выдуман электрический двигатель (авторство Майкла Фарадея). Работал, питаемый постоянным током.
Никола Тесла впервые догадался реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Понадобились две фазы переменного тока (сдвиг 90 градусов). Попутно Тесла отметил: возможны более сложные конфигурации (текст патента). Позднее изобретатель трехфазного двигателя, Доливо-Добровольский, тщетно силился запатентовать детище плодотворного ума.
Продолжительное время переменный ток оставался невостребованным. Эдисон противился внедрению явления в обиход. Промышленник боялся крупных финансовых потерь.
Никола Тесла изучал электрические машины
Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности
Никола Тесла посетил конкурирующую с эдисоновской компанию, продвигая новое явление. Увлекся, часто ставил эксперименты на себе. В противовес сэру Хемфри Дэви, который укоротил жизнь, вдыхая различные газы, Тесла добился немалого успеха: покорил рубеж 86 лет. Ученый обнаружил: изменение направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду делает процесс безопасным для человека.
Во время лекций Тесла брал руками лампочку с платиновой нитью накала, демонстрировал свечение прибора, пропуская через собственное тело токи высокой частоты. Утверждал: явление безвредно, даже приносит пользу здоровью. Ток, протекая по поверхности кожи, одновременно очищает. Тесла говорил, экспериментаторы прежних дней (смотрите выше) пропускали удивительные явления по указанным причинам:
- Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в прямом смысле: при помощи двигателя раскручивался ротор. Подобный принцип бессилен выдать токи высокой частоты. Сегодня проблематично, невзирая на нынешний уровень развития технологии.
- В простейшем случае применялись ручные размыкатели. Вовсе нечего говорить о высоких частотах.
Сам Тесла использовал явление заряда и разряда конденсатора. Подразумеваем RC-цепочку. Будучи заряжен до определённого уровня, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление. Параметров элементов определяют скорость процесса, протекающего согласно экспоненциальному закону. Тесла лишен возможности использовать методы управления контуров полупроводниковыми ключами. Термионные диоды были известны. Рискнем предположить, Тесла мог использовать изделия, имитируя стабилитроны, оперируя с обратимым пробоем.
Однако вопросы безопасности лишены почетного первого места. Частоту 60 Гц (общепринятая США) предложил Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Сильно отличается от безопасного диапазона. Проще сконструировать генератор. Переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.
Предыдущая
РазноеЭлектролизсолей, щелочей, кислот
Следующая
РазноеСхемы подключения трехфазного счетчика. Установка трёхфазного счетчика
В этой статье я объясню, что такое работа электрического тока, какие единицы измерения для нее используются и какие важные формулы необходимо знать.
Что такое работа электрического тока?
Давайте рассмотрим обычную батарейку. По сути, батарейка преобразует химическую энергию в электрическую энергию электронов. Если теперь подключить её в электрическую цепь, то электроны могут совершать работу, используя свою электрическую энергию, например, зажигать лампочку.
Если вы хотите узнать, сколько электрической энергии было преобразовано в другой вид энергии, то вам нужно рассчитать работу электрического тока.
Определение понятия «электрическая работа» и её единицы измерения.
Работа электрического тока [A] позволяет определить, сколько электрической энергии было или может быть преобразовано в другие виды энергии.
Когда вы рассчитываете работу электрического тока, вы знаете, сколько электрической энергии было преобразовано в другие формы энергии. А уже какие другие формы энергии могут быть — это зависит от ситуации (несколько примеров в списке ниже):
- Ваш тостер преобразует электрическую энергию в тепловую;
- Когда вы включаете лампочку, электрическая энергия преобразуется в световую;
- Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
Единицей измерения работы электрического тока в СИ является Джоуль [Дж], также часто используется в качестве единицы измерения Ватт-секунда [Вт·с]. Один джоуль всегда соответствует одной ватт-секунде. То есть 1 Дж = 1 Вт·с .
Другой важной единицей измерения является киловатт-час [кВт·ч]. Один киловатт-час равен 3 600 000 ватт-секунд или джоулей.
1 кВт·ч = 1 * 103 Вт·ч = 1 * 103 * 3600 Вт·с = 3,6 * 106 Вт·с = 3,6 * 106 Дж.
Полезный факт: а вы знали, что именно электрическую работу измеряют электросчётчики установленные в наших домах и квартирах! Электросчётчики измеряют работу электрического тока в кВт·ч.
По какой формуле вычисляется работа электрического тока?
Если вы на каком-либо участке электрической цепи под действием электрического напряжения U привели в движение заряд q, то вы можете рассчитать электрическую работу A как напряжение U, приложенное на концах этого участка цепи, умноженное на электрический заряд q, который прошёл по нему, то есть: A = U * q .
Зная, что электрический заряд, прошедший по участку цепи, можно определить, измерив силу тока и время его прохождения: q = I * t. Тогда электрическую работу A [Дж] можно определить как напряжение U [В], умноженное на силу тока I [А] и умноженное на время t [с], то есть: A = U * I * q .
Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа.
Чуть ниже в статье мы разберем два практических примера, которые покажут применение данных формул. Однако перед этим мы кратко рассмотрим еще несколько важных формул.
Примечание: Вы обязательно должны запомнить первые две формулы. Следующие ниже формулы менее важны, но могут быть полезны для вас при решении тех или иных задач.
Другие формулы для определения работы электрического тока.
Закон Ома для участка цепи связывает напряжение U и ток I. Это позволяет нам рассчитать электрическую работу A другим способом.
Итак, согласно закона Ома, U = I * R или I = U / R , где R — это электрическое сопротивление.
Тогда вы можете подставить эти формулы в A = U * I * t. В итоге получатся другие формулы для нахождения работы электрического тока:
- A = I2 * R * t ;
- A = (U2 * t ) / R .
Примеры задач
Пример 1.
У вас есть батарея, подающая постоянное напряжение 12 В и ток 2,3 А. Вы используете эту батарею для освещения лампочки в течение 1 часа. Теперь вы хотите знать, какая работа электрического тока была произведена.
Мы знаем формулу для определения работы электрического тока: A = U * I * q, тогда получаем:
A = 12 В * 2,3 А * 1 ч = 27,6 Вт·ч .
Чтобы дать вам представление о единицах измерения, давайте переведем результат в ватт-секунды и джоули
27,6 Вт·ч = 27,6 * 3600 Вт·с = 99360 Вт·с = 99360 Дж.
Пример 2.
У вас есть батарейка с напряжением 5 В. Эта батарейка совершает электрическую работу в 10*10-2 Вт·с. Нам нужно рассчитать рассчитать количество электрического заряда q, перемещенного между полюсами батареи.
Мы знаем формулу для определения работы электрического тока: A = U * q, тогда q = A / U. Подставляя значения в формулу получаем:
q = 10*10-2 Вт·с / 5 В = 0,02 Кл.
При прохождении тока в цепи электрическое поле совершает работу по перемещению заряда. В этом случае работу электрического поля называют работой электрического тока.
При прохождении заряда (q) по участку цепи электрическое поле будет совершать работу: (A=qcdot U), где (U) — напряжение электрического поля, (A) — работа, совершаемая силами электрического поля по перемещению заряда (q) из одной точки в другую.
Для выражения любой из этих величин можно использовать приведённый ниже рисунок.
Рис. (1). Зависимость между работой, напряжением и зарядом
Количество заряда, прошедшее по участку цепи, пропорционально силе тока и времени прохождения заряда:
q=I⋅t
.
Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна напряжению на её концах и количеству заряда, проходящего по этому участку:
A=U⋅q
.
Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна силе тока, времени прохождения заряда и напряжению на концах участка цепи:
A=U⋅I⋅t
.
Чтобы выразить любую из величин из данной формулы, можно воспользоваться рисунком.
Рис. (2). Зависимость между работой, силой тока и временем прохождения заряда
Единицы измерения величин:
работа электрического тока ([A]=1) Дж;
напряжение на участке цепи ([U]=1) В;
сила тока, проходящего по участку ([I]=1) А;
время прохождения заряда (тока) ([t]=1) с.
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
Обрати внимание!
Работа чаще всего выражается в килоджоулях или мегаджоулях.
(1) кДж = 1000 Дж или (1) Дж = (0,001) кДж;
(1) МДж = 1000000 Дж или (1) Дж = (0,000001) МДж.
Для потребителей электрической энергии существуют приборы, позволяющие в пределах ошибки измерения получать числовые данные о ее расходе в единицу времени.
Рис. (4). Электросчетчик
Механическая мощность численно равна работе, совершённой телом в единицу времени:
N = Аt
. Чтобы найти мощность электрического тока, надо поступить точно также, т.е. работу тока,
A=U⋅I⋅t
, разделить на время.
Мощность электрического тока обозначают буквой (Р):
. Таким образом:
Мощность электрического тока равна произведению напряжения на силу тока:
P=U⋅I
.
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.
Из формулы
P=U⋅I
следует, что
(1) ватт = (1) вольт ∙ (1) ампер, или (1) Вт = (1) В ∙ А.
Обрати внимание!
Используют также единицы мощности, кратные ватту: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт).
(1) гВт = (100) Вт или (1) Вт = (0,01) гВт;
(1) кВт = (1000) Вт или (1) Вт = (0,001) кВт;
(1) МВт = (1 000 000) Вт или (1) Вт = (0,000001) МВт.
Пример:
Измерим силу тока в цепи с помощью амперметра, а напряжение на участке — с помощью вольтметра.
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.
|
Аналоговый ваттметр |
Аналоговый ваттметр |
Аналоговый ваттметр |
Цифровой ваттметр |
|
|
|
|
|
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:
Обрати внимание!
Мощность прямо пропорциональна силе тока.
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:
Обрати внимание!
Мощность зависит от напряжения.
Рассчитаем мощность лампочки в каждом случае:
| I=0,2АU=110ВP=U⋅I=110⋅0,2=22Вт | I=0,4АU=220ВP=U⋅I=220⋅0,4=88Вт. |
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
|
Название |
Рисунок |
Мощность |
| Калькулятор |
|
(0,001) Вт |
| Лампы дневного света |
|
(15 — 80) Вт |
| Лампы накаливания |
|
(25 — 5000) Вт |
| Компьютер |
|
(200 — 450) Вт |
| Электрический чайник |
|
(650 — 3100) Вт |
| Пылесос |
|
(1500 — 3000) Вт |
| Стиральная машина |
|
(2000 — 4000) Вт |
| Трамвай |
|
(150 000 — 240000) Вт |
Источники:
Рис. 1. Зависимость между работой, напряжением и зарядом. © ЯКласс.
Рис. 3. Схема и часы для измерения. © ЯКласс.
Рис. 5. Зависимость между мощностью, напряжением и силой тока. © ЯКласс.
Рис. 6. Схема. © ЯКласс.
Таблица 1. Мощность различных приборов. Компьютер. Указание авторства не требуется, 2021-08-14, Pixabay License, https://pixabay.com/ru/photos/яблоко-стул-компьютер-1834328/.
При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Ее принято называть работой тока.
Рассмотрим произвольный участок цепи. Это может быть однородный проводник, к примеру, обмотка электродвигателя или нить лампы накаливания. Пусть за время ∆t через поперечное сечение проводника проходит заряд ∆q. Тогда электрическое поле совершит работу:
A=ΔqU
Но сила тока равна:
I=ΔqΔt
Выразим заряд:
Δq=IΔt
Тогда работа тока равна:
A=IUΔt
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.
Выражая через закон Ома силу тока и напряжение, получим следующие формулы для вычисления работы тока:
A=I2RΔt=U2RΔt
Работа тока измеряется в Джоулях (Дж).
Пример №1. Определите работу тока, совершенную за 10 секунд на участке цепи напряжением 200В и силой тока 16 А.
A=IUΔt=16·220·10=35200 (Дж)=35,2 (кДж)
Закон Джоуля-Ленца
В случае, когда на участке цепи не совершается механическая работа, и ток не производит химических действий, происходит только нагревание проводника. Нагретый проводник отдает теплоту окружающим телам.
Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем (1818—1889) и русским Э.Х. Ленцем (1804—1865). Закон Джоуля—Ленца сформулирован следующим образом:
Закон Джоуля—Ленца
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
Q=I2RΔt
Количество теплоты измеряется в Джоулях (Дж).
Пример №2. Определить, какое количество теплоты было выделено за 2 минуты проводником при напряжении 12 В и сопротивлении 2 Ом.
Используем закон Ома и закон Джоуля—Ленца:
Q=I2RΔt=(UR)2Δt=U2RΔt=1222=72 (Дж)
Мощность тока
Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель и пр.) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощности тока.
Определение
Мощность тока — это работа, производимая за 1 секунду. Обозначается как P. Единица измерения — Ватт (Вт).
Численно мощность тока равна отношению работы тока за время ∆t к этому интервалу времени:
P=AΔt
Это выражение для мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах, если использовать закон Ома для участка цепи:
P=IU=I2R=U2R
Пример №3. При силе тока в электрической цепи 0,3 А сопротивление лампы равно 10 Ом. Определите мощность электрического тока, выделяющуюся на нити лампы.
P=I2R=0,32·10=0,9 (Вт)
Выразив силу тока через заряд, прошедший за единицу времени, получим:
P=qUt
Мощность тока равна мощности на внешней цепи. Ее также называют мощностью на нагрузке, полезной мощностью или тепловой мощностью. Ее можно выразить через ЭДС:
P=(εR+r)2R
Мощность тока на внешней цепи будет максимальная, если сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению: R = r.
Pmax=(εr+r)2r=ε24r
Мощность тока внутренней цепи:
Pвнутр=I2r=(εR+r)2r
Полная мощность:
Pполн=I2(R+r)=ε2R+r
Пример №4. ЭДС постоянного тока ε = 2 В, а его внутреннее сопротивление r = 1 Ом. Мощность тока в резисторе, подключенном к источнику, P0 = 0,75 Вт. Чему равно минимальное значение силы тока в цепи?
Используем формулу для нахождения полезной мощности:
P=(εR+r)2R
Применим закон Ома для полной цепи:
I=εR+r
Выразим сопротивление внешней цепи:
R=εI−r
Отсюда:
P=(εεI−r+r)2(εI−r)=I2(εI−r)=Iε−rI2
Так как внутреннее сопротивление равно единице, получаем квадратное уравнение следующего вида:
rI2−Iε+P=0
I2−1I+0,75=0
Решив это уравнение, получим два корня: I = 0,5 и I = 1,5 А. Следовательно, наименьшая сила тока равна 0,5 А.
Подсказки к задачам
| Объем проводника цилиндрической формы |
V=Sl |
| Масса проводника цилиндрической формы |
m=ρV=ρSl |
| Количество теплоты и изменение температуры |
Q=cmΔT |
Конденсатор в цепи постоянного тока
Постоянный ток через конденсатор не идет, но заряд на нем накапливается, и напряжение между обкладками поддерживается. Напряжение на конденсаторе такое же, как на параллельном ему участке цепи.
Ток не проходит через те резисторы, что соединены с конденсатором последовательно. При расчете электрической цепи их сопротивления не учитывают.
Подсказки к задачам
| Электроемкость, заряд и напряжение |
C=qU |
| Напряженность и напряжение |
E=Ud |
| Энергия конденсатора |
W=q22C=CU22 |
| Количество теплоты |
Q=ΔW |
Пример №5. К источнику тока с ЭДС ε = 9 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом подключили параллельно соединенные резистор с сопротивлением R = 8 Ом и плоский конденсатор, расстояние между пластинами которого d = 0,002 м. Какова напряженность электрического поля между пластинами конденсатора?
Напряжение на конденсаторе равно напряжению на резисторе, так как он подключен к нему последовательно. Чтобы найти это напряжение, сначала выразим силу тока на этом резисторе:
I=εR+r
Применим закон Ома:
I=UR
Приравняем правые части выражений и получим:
εR+r=UR
Отсюда напряжение на конденсаторе равно:
U=εRR+r
Напряженность электрического поля равна:
E=Ud=εRd(R+r)=9·80,002(8+1)=720,018=4000 (Вм)
Задание EF17564
Вольтметр подключён к клеммам источника тока с ЭДС ε = 3 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом, через который течёт ток I = 2 А (см. рисунок). Вольтметр показывает 5 В. Какое количество теплоты выделяется внутри источника за 1 с?
Ответ:
а) 5 Дж
б) 4 Дж
в) 3 Дж
г) 1 Дж
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные.
2.Записать формулу для нахождения количества теплоты, выделенной внутри источника тока.
3.Выполнить решение в общем виде.
4.Подставить известные данные и вычислить искомую величину.
Решение
Запишем исходные данные:
• ЭДС источника тока: ε = 3 В.
• Внутреннее сопротивление источника тока: r = 1 Ом.
• Сила тока в цепи: I = 2 А.
• Напряжение на внешней цепи: U = 5 В.
Количество теплоты, выделенной внутри источника тока, равно:
Q=I2rt=22·1·1=4 (Дж)
Ответ: б
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17573
При нагревании спирали лампы накаливания протекающим по ней электрическим током основная часть подводимой энергии теряется в виде теплового излучения. На рисунке изображены графики зависимости мощности тепловых потерь лампы от температуры спирали P=P(T) и силы тока от приложенного напряжения I=I(U). При помощи этих графиков определите примерную температуру спирали лампы при силе тока I=2 A.
Ответ:
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные.
2.С помощью графика зависимости силы тока от напряжения вычислить мощность.
3.С помощью графика зависимости мощности от температуры спирали определить ее температуру.
Решение
Нас интересует сила тока, равная 2 А. По графику зависимости силы тока от напряжения этому значение соответствует U = 100 В. Мощность определяется формулой:
P=IU=2·100=200 (Вт)
Этой мощности соответствует температура, равная около 3600 К.
Ответ: г
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17608
Ученик исследовал зависимость тепловой мощности Р, выделяющейся на реостате R, от силы тока в цепи. При проведении опыта реостат был подключён к источнику постоянного тока. График полученной зависимости приведён на рисунке.
Какое из утверждений соответствует результатам опыта?
А. При коротком замыкании в цепи сила тока будет равна 6 А.
Б. При силе тока в цепи 3 А на реостате выделяется минимальная мощность.
Ответ:
а) только А
б) только Б
в) и А, и Б
г) ни А, ни Б
Алгоритм решения
- Проверить истинность каждого из утверждений.
- Выбрать верный ответ.
Решение
Согласно первому утверждению, при коротком замыкании в цепи сила тока будет равна 6 А. Это действительно так, потому что при этом значении силы тока мощность равна нулю. А это значит, что сопротивление на внешней цепи было нулевым.
Согласно второму утверждению, при силе тока в цепи 3 А на реостате выделяется минимальная мощность. Это не так. На графике этой силе тока соответствует максимальная мощность.
Верно только первое утверждение «А».
Ответ: а
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 8.5k