Работа и мощность электрического тока

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=fract ) ​ 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;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

Читайте также:
Перец. Выращивание и уход. Рекомендации, которые помогут вам в посадке, выращивании и уходе за сладким перцем

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

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?

Работа и мощность тока

Когда ток проходит по однородному участку цепи, электрическое поле совершает работу. За время Δ t по цепи протечет заряд Δ q = I Δ t .

Электрическое поле на выделенном участке совершит работу

∆ A = ( φ 1 – φ 2 ) ∆ q = ∆ φ 12 I ∆ t = U I ∆ t ,

где U = Δ φ 12 обозначает напряжение. Эту работу называют работой электрического тока.

Интерпретация закона сохранения энергии. Закон Джоуля-Ленца

Закон Ома для однородного участка цепи при сопротивлении R отражает формула:

Умножим обе части выражения на I Δ t и получим соотношение:

R I 2 ∆ t = U I ∆ t = ∆ A .

Полученный результат является выражением закона сохранения энергии для однородного участка цепи.

Работа Δ A электрического тока I , протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R , преобразуется в тепло Δ Q , выделяющееся на проводнике.

∆ Q = ∆ A = R I 2 ∆ 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.

Мощность электрического тока есть отношение работы тока Δ A к интервалу времени Δ t , 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 = U I = I 2 R = U 2 R

Работу электрического тока выражают в джоулях ( Д ж ) , мощность тока измеряется в ваттах ( В т ) , время – в секундах ( с ) : 1 В т = 1 Д ж 1 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 = I U t .

Читайте также:
Противопожарные перегородки первого типа: применение

Следующей разберем полную цепь постоянного тока, включающую в себя источник с электродвижущей силой δ и внутренним сопротивлением r и внешний однородный участок с сопротивлением R .

Закон Ома для полной цепи выглядит так:

Перемножим обе части выражения с Δ q = I Δ t и получим соотношение, которое будет служить выражением закона сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:

R I 2 ∆ t + r I 2 ∆ t = δ I ∆ t = ∆ A с т

Левая часть выражения содержит Δ Q = R I 2 Δ t (тепло, которое выделяется на внешнем участке цепи за время Δ t ) и Δ Q и с т = r I 2 Δ t (тепло, которое выделяется внутри источника за такое же время).

Выражение δ I Δ t является равным работе сторонних сил Δ A с т , которые действуют внутри источника.

При протекании электрического тока по замкнутой цепи происходит преобразование работы сторонних сил Δ A с т в тепло, которое выделяется во внешней цепи ( Δ Q ) и внутри источника ( Δ Q и с т ) .

∆ Q + Q и с т = ∆ A с т = δ I ∆ 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.

Коэффициент полезного действия источника

Полная мощность источника (или работа, которая производится посредством сторонних сил за единицу времени) составляет:

P и с т = δ I = δ 2 R + r

Внешняя цепь выделяет мощность:

P = R I 2 = δ I – r I 2 = δ 2 R ( R + r ) 2

Отношение η = P P и с т равное η = P P и с т = 1 – r δ I = R R + r , носит название коэффициента полезного действия источника.

На рис. 1 . 11 . 1 изображена зависимость мощности источника P и с т , полезной мощности P , которая выделяется во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной δ , и внутренним сопротивлением r . Ток в цепи имеет возможность меняться в пределах от I = 0 (при R = ∞ ) до I = I к з = δ r (при R = 0 ).

Рисунок 1 . 11 . 1 . Зависимость мощности источника P и с т , мощности во внешней цепи P и КПД источника η от силы тока.

Изображенные графики показывают, что максимальная мощность во внешней цепи P m a x , составляющая P m a x = δ 2 4 r , может быть достигнута при R = r . При этом ток в цепи есть I m a x = 1 2 I к з = δ 2 r ; коэффициент полезного действия источника составляет 50 % . Максимальное значение КПД будет достигнуто при I → 0 , т. е. при R → ∞ . При коротком замыкании полезная мощность P = 0 и вся мощность выделятся внутри источника, что с большой вероятностью может обернуться его перегревом и разрушением. КПД источника в этом случае обратится в нуль.

Работа и мощность электрического тока

теория по физике 🧲 постоянный ток

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:

Но сила тока равна:

Тогда работа тока равна:

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:

Читайте также:
Орхидеи в интерьере: описание с фото, отзывы, советы

A = I 2 R Δ t = U 2 R . . Δ t

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 = I U Δ t = 16 · 220 · 10 = 35200 ( Д ж ) = 35 , 2 ( к Д ж )

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:

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

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 = I 2 R Δ t = ( U R . . ) 2 Δ t = U 2 R . . Δ t = 12 2 2 . . = 72 ( Д ж )

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.

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:

Это выражение для мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах, если использовать закон Ома для участка цепи:

P = I U = I 2 R = U 2 R . .

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 = I 2 R = 0 , 3 2 · 10 = 0 , 9 ( В т )

Выразив силу тока через заряд, прошедший за единицу времени, получим:

Мощность тока равна мощности на внешней цепи. Ее также называют мощностью на нагрузке, полезной мощностью или тепловой мощностью. Ее можно выразить через ЭДС:

P = ( ε R + r . . ) 2 R

Мощность тока на внешней цепи будет максимальная, если сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению: R = r.

P m a x = ( ε r + r . . ) 2 r = ε 2 4 r . .

Мощность тока внутренней цепи:

P в н у т р = I 2 r = ( ε R + r . . ) 2 r

P п о л н = I 2 ( R + r ) = ε 2 R + r . .

Пример №4. ЭДС постоянного тока ε = 2 В, а его внутреннее сопротивление r = 1 Ом. Мощность тока в резисторе, подключенном к источнику, P = 0,75 Вт. Чему равно минимальное значение силы тока в цепи?

Используем формулу для нахождения полезной мощности:

P = ( ε R + r . . ) 2 R

Применим закон Ома для полной цепи:

Выразим сопротивление внешней цепи:

P = ( ε ε I . . − r + r . . ) 2 ( ε I . . − r ) = I 2 ( ε I . . − r ) = I ε − r I 2

Так как внутреннее сопротивление равно единице, получаем квадратное уравнение следующего вида:

r I 2 − I ε + P = 0

I 2 − 1 I + 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

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

W = q 2 2 C . . = C U 2 2 . .

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:

Применим закон Ома:

Приравняем правые части выражений и получим:

Отсюда напряжение на конденсаторе равно:

Напряженность электрического поля равна:

E = U d . . = ε R d ( R + r ) . . = 9 · 8 0 , 002 ( 8 + 1 ) . . = 72 0 , 018 . . = 4000 ( В м . . )

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?

Читайте также:
Оптимальное водопроводное давление

Работа и мощность электрического тока

Урок 72. Физика 10 класс

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Работа и мощность электрического тока”

Все вы прекрасно знаете, что сегодня электрический ток используется повсеместно. С его помощью работают компьютеры и телевизоры, ноутбуки и планшеты. С помощью электрического тока обеспечивается освещение улиц и различных помещений. Стиральная машина, микроволновка, утюг и многие другие приборы — все они работают на электрическом токе. Все это говорит нам о том, что ток несет в себе энергию, а, значит, с его помощью можно совершать работу.

Как мы уже убедились, при протекании тока, электрическое поле совершает определенную работу. Эта работа называется работой тока. Рассмотрим произвольный участок цепи, находящийся под некоторым напряжением U. За некоторый промежуток времени t, через поперечное сечение проводника пройдет определенный заряд q. Как вы знаете, работа электрического поля по переносу заряда определяется как произведение этого заряда и напряжения:

Также мы знаем, что заряд можно выразить как произведение силы тока и времени:

Тогда получим формулу, с которой вы уже знакомы из курса физики восьмого класса: работа тока равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шел ток:

Используя закон Ома для участка цепи, мы можем получить еще два эквивалентных выражения.

При последовательном соединении удобнее использовать формулу, в которой нет напряжения, поскольку сила тока на всем участке цепи одинакова. Аналогично, при параллельном подключении удобнее использовать формулу, в которой нет силы тока, поскольку напряжение на всех элементах участка цепи одинаково.

Исходя из закона сохранения энергии, работа равна изменению энергии рассматриваемого участка цепи:

Если предположить, что на этом участке не совершается механическая работа и не происходят химические реакции, то можно заключить, что вся работа электрического тока идет на нагревание проводника. Именно к такому выводу, пришли ученые Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц, работая независимо друг от друга. Поэтому, открытый ими закон получил название «закон Джоуля-Ленца». Итак, закон Джоуля-Ленца звучит следующим образом: количество теплоты, выделяемой проводником с током равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени прохождения тока по проводнику:

Нагревание проводников происходит следующим образом: при протекании электрического тока по проводнику, электроны неизбежно сталкиваются с ионами кристаллической решетки. В результате, ионы приобретают все бо́льшую и бо́льшую кинетическую энергию, то есть их движение становится более интенсивным. Это, как мы знаем из молекулярной физики, и означает повышение температуры.

Помимо работы тока, есть еще одна важная величина, которой характеризуются все электроприборы — это мощность электрического тока. Как вы знаете, мощность определятся как работа, произведенная в единицу времени. Таким образом, мощность равна отношению работы к промежутку времени, за который эта работа была совершена:

Опять же, используя закон Ома, мы можем получить еще два равноправных выражения для мощности:

Как видно из формулы, мощность измеряется в джоулях на секунду. Напомним, что такая единица измерения называется ваттом:

Необходимо отметить, что есть и другие единицы измерения работы и мощности электрического тока. Например, для измерения работы электрического тока на практике часто используется такая единица измерения, как киловатт-час. Как видно из названия этой единицы измерения, работа в 1 кВт ∙ час — это работа, совершаемая прибором мощностью 1 кВт за 1 час:

Когда мы платим за электроэнергию, мы платим именно за количество киловатт-часов. То есть, существует тариф за использование одного киловатт-часа энергии, в соответствии с которым нам и приходит счет за электроэнергию в конце месяца.

Читайте также:
Применение компрессионных фитингов для соединения труб

Внесистемной единицей измерения мощности, которая часто используется на практике, является лошадиная сила. В этих единицах измерения, как правило, измеряется мощность многих автомобильных двигателей:

Пример решения задачи.

Задача. На рисунке указана схема смешанного подключения резисторов. Найдите работы тока, в резисторах R𝟐 и R3 за 1 мин.

Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

  • Электрический ток получил такое широкое применение потому, что он несет с собой энергию. Эта энергия может быть превращена в любую форму.

Работа тока

При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Эту работу принято называть работой тока.

Если за промежуток времени Δt через поперечное сечение произвольного участка проводника проходит заряд Δq, то электрическое поле за это время совершит работу (см. § 1.19)

где U — напряжение на концах проводника. Так как сила тока

то эта работа равна:

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения на этом участке и времени, в течение которого совершалась работа.

Согласно закону сохранения энергии эта работа должна быть равна изменению энергии рассматриваемого участка цепи. Поэтому энергия, выделяемая на данном участке цепи за время Δt, равна работе тока [см. формулу (2.7.1)].

Если в формуле (2.7.1) выразить либо напряжение через силу тока (U = IR), либо силу тока через напряжение (I = U/R), то получим еще две формулы для работы тока:

Формула (2.7.1) является универсальной, так как для ее вывода мы пользовались только законом сохранения энергии, который справедлив во всех случаях. Формулы (2.7.2) и (2.7.3) получены из формулы (2.7.1) с помощью закона Ома для однородных участков цепи. Поэтому эти формулы справедливы только в том случае, когда работа тока полностью идет на увеличение внутренней энергии проводника.

Формулой (2.7.2) удобно пользоваться при последовательном соединении проводников, так как сила тока в этом случае одинакова во всех проводниках. Формула (2.7.3) удобна при параллельном соединении проводников, так как напряжение на всех проводниках одинаково.

Мощность тока

Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель и т. д.) рассчитан на потребление определенного количества энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощность тока. Мощность тока Р равна отношению работы тока А за время Δt к этому интервалу времени:

Пользуясь формулой (2.7.1), можно равенству (2.7.4) придать форму:

Формула (2.7.5) является универсальной формулой для вычисления мощности тока. С помощью закона Ома можно получить еще две формулы мощности тока:

Формулы (2.7.6) и (2.7.7), как и (2.7.2) и (2.7.3), пригодны только тогда, когда работа тока полностью идет на увеличение внутренней энергии.

В СИ единицей работы тока является джоуль (Дж), а мощности — ватт (Вт). На практике широко используется внесистемная единица работы тока — киловатт-час (кВт • ч): 1 кВт • ч = 3,6 • 10 6 Дж.

Закон Джоуля—Ленца

Если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химических действий, то происходит только нагревание проводника. Нагретый проводник отдает теплоту окружающим телам.

Нагревание металлического проводника происходит следующим образом. Электрическое поле ускоряет электроны. После столкновения с ионами кристаллической решетки они передают ионам свою энергию. В результате энергия хаотического движения ионов около положений равновесия возрастает. Это и означает увеличение внутренней энергии. Температура проводника повышается, и он начинает передавать теплоту окружающим телам. Спустя небольшое время после замыкания цепи процесс устанавливается, и температура перестает изменяться со временем. К проводнику за счет работы электрического поля непрерывно поступает энергия. Но его внутренняя энергия остается неизменной, так как проводник передает окружающим телам количество теплоты, равное работе тока. Последнее справедливо только тогда, когда работа электрического тока полностью расходуется на увеличение внутренней энергии. В этом случае количество теплоты, передаваемое проводником с током другим телам, можно вычислить по любой из формул (2.7.1)—(2.7.3):

Читайте также:
Плитка на деревянный пол в ванной: укладка, подготовка, монтаж на фото и видео

Однако если на данном участке цепи имеют место превращения энергии в механическую или химическую, то количество теплоты, выделяемое проводником с током, меньше работы тока*.

Для вычисления количества выделяемой теплоты в этом случае пригодна только формула (2.7.2):

Это и есть закон Джоуля—Ленца, установленный опытным путем в 1842 г. русским академиком Э. X. Ленцем и независимо от него английским физиков: Д. Джоулем.

Закон Джоуля—Ленца формулируется так: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

Закон Джоуля—Ленца (2.7.9) справедлив не только для металлических проводников, но и для растворов электролитов и газов. В этих случаях внутренняя энергия жидкого и газообразного проводящего ток вещества также увеличивается из-за столкновений упорядоченно движущихся заряженных частиц с другими заряженными или нейтральными частицами вещества.

Работа, мощность и тепловое действие электрического тока

Содержание:

Мощность электрического тока показывает работу тока, совершенную в единицу времени и равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

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 за счет других видов энергии, находится из соотношения (16.8). Так как , получаем

Читайте также:
Обогрев с помощью тепловых пушек: виды пушек и их применение

Формулу (17.4) можно применять и к потребителю. В этом случаеобозначает 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 . 10 3 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

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.

Короткое замыкание

Практическое применение теплового действия тока. Замыкание полюсов генератора проводником с очень маленьким сопротивлением называется коротким замыканием. Сила тока в этом случае ограничивается только внутренним сопротивлением генератора r.

Действительно, когда R много меньше r, можно принять, что сопротивление R проводника, замыкающего генератор, равно нулю. Тогда из формулы (16.32 а) получим ток короткого замыкания:

Это наибольший ток, который может дать источник электрической энергии с э. д. с., равной и внутренним сопротивлением r.

Короткое замыкание — явление вредное. Кроме ненужного расхода электрической энергии, при коротком замыкании портится генератор, а перегрев проводов, замыкающих генератор, может вызвать пожар. Поэтому провода, составляющие замкнутую цепь, должны быть хорошо изолированы не только друг от друга, но и от Земли, т. е. от стен, пола и пр.

Читайте также:
Описание циркулярной пилы Makita

Тепловое действие тока широко используется в технике и в быту. Одним из наиболее распространенных применений теплового действия тока является освещение комнат, цехов и т. п. с помощью ламп накаливания. Впервые такая лампа была создана,А. Н. Ладыгиным, а американский ученый Т. Эдисон сделал эти лампы предметом широкого практического использования.

На тепловом действии тока основано устройство электрических печей, электронагревательных приборов. В тех случаях, когда тепловое действие тока вызывает бесполезные потери электрической энергии, его стремятся ослабить. Например, выделение тепла в соединительных проводах — вредное явление. Для уменьшения выделения тепла сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньшим, и по возможности уменьшают силу тока в них. Так, передачу электроэнергии осуществляют при высоком напряжении, что позволяет при одной и той же передаваемой мощности уменьшить (в соответствии с (17.6)) ток и потери на нагрев проводов.

Для того чтобы избежать пожаров и порчи генераторов при коротком замыкании, в электрическую цепь обязательно включают плавкие предохранители (пробки) (рис. 17.2, вверху — условное изображение). Ток, идущий к потребителю (путь тока отмечен на рис. 17.2 стрелками), проходит через проволоку а из легкоплавкого металла. При коротком замыкании ток сильно возрастает и расплавляет проволоку, размыкая цепь. Заметим, что сопротивление единицы длины плавкого предохранителя должно быть значительно больше, чем у подводящих проводов.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в whatsapp.

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Что такое мощность электрического тока и как ее рассчитать

Мощность электрического тока является величиной, которая характеризует его свойства. Она определяется силой тока и напряжением. Единицей измерения является Ватт, в честь первооткрывателя этой величины. Обозначается она буквами Вт, в английском языке буквой W. В формулах эта характеристика имеет другое условное обозначение – латинская буква Р. Измеряется мощность тока ваттметром. Найти мощности нужно умножив силу тока на напряжение, то есть амперы на вольты получаем Ватты.

В статье будет рассказано подробно, о том, что такое мощность, как ее можно определить, от чего зависит и на что влияет. В качестве дополнения, материал содержит несколько видеоматериалов и один скачиваемый файл с подробным описанием этой характеристики.

Что такое мощность в электричестве

Механическая мощность как физическая величина равна отношению выполненной работы к некоторому промежутку времени. Поскольку понятие работы определяется количеством затраченной энергии, то и мощность допустимо представить как скорость преобразования энергий. Разобрав составляющие механической мощности, рассмотрим из чего складывается электрическая. Напряжение — выполняемая работа по перемещению одного кулона электрического заряда, а ток — количество проходящих кулонов за одну секунду. Произведение напряжения на ток показывает полный объем работы, выполненной за одну секунду.

Мощность электрического тока – количественная мера тока, характеризующая его энергетические свойства. Определяется основными параметрами – силой тока и напряжением. Измеряется мощность электрического тока прибором, который называется Ваттметр. Единица измерения — Ватт (Вт).

Проанализировав полученную формулу, можно заключить, что силовой показатель зависит одинаково от тока и напряжения. То есть, одно и тоже значение возможно получить при низком напряжении и большом тока, или при высоком напряжении и низком токе. Пользуясь зависимостью мощности от напряжения и силы тока, инженеры научились передавать электричество на большие расстояния путем преобразования энергии на понижающих и повышающих трансформаторных подстанциях.

Наука подразделяет электрическую мощность на:

  • активную. Подразумевает преобразование мощности в тепловую, механическую и другие виды энергии. Показатель выражают в Ваттах и вычисляют по формуле U*I;
  • реактивную. Эта величина характеризует электрические нагрузки, создаваемые в устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля. Показатель выражается как вольт-ампер реактивный и представляет собой произведение напряжения на силу тука и угол сдвига.
Читайте также:
Отопление из водонагревателя своими руками

Для простоты понимания смысла активной и реактивной мощности, обратимся к нагревательному оборудованию, где электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Как измерить мощность

Знать силовые характеристики бытового оборудования необходимо всегда. Это требуется для расчета сечения проводки, учета расхода электроэнергии или электрификации дома. До начала монтажных работ такую информацию можно получить только путем сложения показателей мощности каждого отдельного устройства, добавив 10% запаса.

Определить потребляемую нагрузку дома поможет счетчик. Прибор показывает сколько киловатт было потрачено за один час работы оборудования. И для того чтобы убедиться в правильности показаний, владелец квартиры может проверить точность устройства с помощью электронных средств измерения. Сюда относится амперметр, вольтметр или мультиметр.

Мощность электрического тока расчет и формулы

Для вычисления мощности тока в ваттах, силу тока в амперах умножаем на напряжение в вольтах. Обозначить мощность электрического тока латинским символом P, то приведенное выше правило можно записать в виде математической формулы P = I × U (1).

Воспользуемся этой формулой на практике. Необходимо вычислить, какая мощность электрического тока требуется для накала нити лампы, если напряжение накала равно 4 в, а ток накала 75 мА. Р= 0,075 А × 4 В = 0,3 Вт Мощность электрического тока можно определить и другим способом. Например, нам известны сила тока и сопротивление цепи, а напряжение величина неизвестная, тогда мы воспользуемся соотношением из закона Ома: U=I × R Подставим правую часть формулы (1) IR вместо напряжения U. P = I× U = I×IR или Р = I2×R.

Рассмотрим пример расчета: какая мощность теряется в реостате сопротивлением в 5 Ом, если через него идет ток, силой 0,5 А. Пользуясь формулой (2), вычислим:. P= I2 × R = 0,52×5 =0,25×5 = 1,25 Вт. Кроме того, мощность электрического тока можно рассчитать если известны напряжение и сопротивление, а сила тока величина неизвестна.

Для этого вместо силы тока I в формулу подставляется отношение U/R и тогда формула приобретает следующий вид: Р = I × U=U2/R (3) Разберем очередной практический пример с использованием этой формулы, при 2,5 вольта падения напряжения на реостате сопротивлением в 5 Ом поглощаемая реостатом мощность будет определяться: Р = U2/R=(2,5)2/5=1,25 Вт; Выводы: Для нахождения мощности необходимо знать любые две из величин, из закона Ома. Мощность электрического тока равна работе тока, производимой в течение времени. P = A/t

Работа электрического тока

Проходя по цепи, ток совершает работу. Как например, водный поток направить течь, на лопасти генератора, то пон будет совершать работу, вращая лопасти. Так же и ток совершает работу, двигаясь по проводнику. И эта работа тем выше, чем больше величина сила тока и напряжения. Работа электрического тока, совершаемая на участке цепи, прямо пропорциональна силе тока, напряжению и времени действия тока. Работа электрического тока обозначается латинским символом A. Так как, произведение I×U есть мощность, то формулу работы электрического тока можно записать: A = P×t

Единицей измерения работы электрического тока, является ватт в секундах или в джоулях. Поэтому, если мы хотим вычислить, какую работу осуществил ток, идя по цепи в течение временного интервала, мы должны умножить мощность на время Рассмотрим практический пример, через реостат с сопротивлением 5 Ом идет ток силой 0,5 А. Нужно вычислить, какую работу совершит ток в течение четырех часов. Работа в течение одной секунды будет: P=I2R = 0,52×5= 0,25×5 =1,25 Вт,

Тогда за 4 часа t=14400 секунд. Следовательно: А = Р×t= 1,25×14 400= 18 000 вт-сек. Ватт-секунда или один джоуль считаетсяя слишком малой велечиной для измерения работы. Поэтому на практике применяют единицу, называемую ватт-час (втч). Один ватт-час это эквивалентно 3 600 Дж. В электротехнике используются и еще большие единицы, гектоваттчас (гвтч) и киловаттчас (квтч): 1 квтч =10 гвтч =1000 втч = 3600000 Дж, 1 гвтч =100 втч = 360 000 Дж, 1 втч = 3 600 Дж.

Читайте также:
Обзор клеммных колодок

Как рассчитать сопротивление и мощность

Допустим, требуется подобрать токоограничивающий резистор для блока питания схемы освещения. Нам известно напряжение питания бортовой сети «U», равное 24 вольта и ток потребления «I» в 0,5 ампера, который нельзя превышать. По выражению (9) закона Ома вычислим сопротивление «R». R=24/0,5=48 Ом. На первый взгляд номинал резистора определен. Однако, этого недостаточно. Для надежной работы семы требуется выполнить расчет мощности по току потребления.

Согласно действию закона Джоуля — Ленца активная мощность «Р» прямо пропорционально зависит от тока «I», проходящего через проводник, и приложенного напряжения «U». Эта взаимосвязь описана формулой Р=24х0,5=12 Вт.

Проведенный расчет мощности резистора по току его потребления показывает, что в выбираемой схеме надо использовать сопротивление величиной 48 Ом и 12 Вт. Резистор меньшей мощности не выдержит приложенных нагрузок, будет греться и со временем сгорит. Этим примером показана зависимость того, как на мощность потребителя влияют ток нагрузки и напряжение в сети.

Мощность тока

Разобравшись с понятием механической мощности, перейдём к рассмотрению электрической мощности (мощность электрического тока). Как Вы должны знать U — это работа, выполняемая при перемещении одного кулона, а ток I — количество кулонов, проходящих за 1 сек. Поэтому произведение тока на напряжение показывает полную работу, выполненную за 1 сек, то есть электрическую мощность или мощность электрического тока.

Активная электрическая мощность (это мощность, которая безвозвратно преобразуется в другие виды энергии — тепловую, световую, механическую и т.д.) имеет свою единицу измерения — Вт (Ватт). Она равна произведению 1 вольта на 1 ампер. В быту и на производстве мощность удобней измерять в кВт (киловаттах, 1 кВт = 1000 Вт). На электростанциях уже используются более крупные единицы — мВт (мегаватты, 1 мВт = 1000 кВт = 1 000 000 Вт).

Реактивная электрическая мощность — это величина, которая характеризует такой вид электрической нагрузки, что создаются в устройствах (электрооборудовании) колебаниями энергии (индуктивного и емкостного характера) электромагнитного поля. Для обычного переменного тока она равна произведению рабочего тока I и падению напряжения U на синус угла сдвига фаз между ними: Q = U*I*sin(угла). Реактивная мощность имеет свою единицу измерения под названием ВАр (вольт-ампер реактивный). Обозначается буквой «Q».

Простым языком активную и реактивную электрическую мощность на примере можно выразить так: у нас имеется электротехническое устройство, которое имеет нагревательные тэны и электродвигатель. Тэны, как правило, сделаны из материала с высоким сопротивлением. При прохождении электрического тока по спирали тэна, электрическая энергия полностью преобразуется в тепло. Такой пример характерен активной электрической мощности.

Электродвигатель этого устройства внутри имеет медную обмотку. Она представляет собой индуктивность. А как мы знаем, индуктивность обладает эффектом самоиндукции, а это способствует частичному возврату электроэнергии обратно в сеть. Эта энергия имеет некоторое смещение в значениях тока и напряжения, что вызывает негативное влияние на электросеть (дополнительно перегружая её).

Похожими способностями обладает и ёмкость (конденсаторы). Она способна накапливать заряд и отдавать его обратно. Разница ёмкости от индуктивности заключается в противоположном смещении значений тока и напряжения относительно друг друга. Такая энергия ёмкости и индуктивности (смещённая по фазе относительно значения питающей электросети) и будет, по сути, являться реактивной электрической мощностью.

Более подробно о свойствах реактивной мощности мы поговорим в соответствующей статье, а в завершении этой темы хотелось сказать о взаимном влиянии индуктивности и ёмкости. Поскольку и индуктивность, и ёмкость обладают способностью к сдвигу фазы, но при этом каждая из них делает это с противоположным эффектом, то такое свойство используют для компенсации реактивной мощности (повышение эффективности электроснабжения). На этом и завершу тему, электрическая мощность, мощность электрического тока.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: