Урок по теме «Работа и мощность электрического тока»

Цель урока: Выяснить характер зависимости между энергией, выделяемой на участке цепи, электрическим током и сопротивлением этого участка цепи.

Демонстрации:

1. Механическая работа электрического тока;
2. Измерение мощности в электрической цепи с помощью амперметра и вольтметра.

I. Анализ итогов контрольной работы

Перед началом изучения новой темы анализирую результаты контрольной работы по темам «Строение атома» и «Сила тока, напряжение, сопротивление», останавливаюсь на наиболее характерных ошибках, разбираю решение некоторых задач у доски.

П. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Работа электрического тока как характеристика процесса превращения электрической энергии;
2. Расчет работы электрического тока;
3. Мощность электрического тока;
4. Измерение работы и мощности электрического тока.

1. Изучение нового материала начинаю с повторения понятий энергии и механической работы, с которыми учащиеся знакомились при изучении механики в 7 классе.

Задаю вопрос:

– Что понимают под механической энергией и работой?

В качестве примера можно рассмотреть падение тела в поле тяготения Земли, приведя следующие рассуждения: если тело массой т падает с высоты h₁до высоты h₂, то при этом сила тяжести совершает работу А = mg(h₁ — h₂). Эта работа равна изменению потенциальной энергии тела: А = Е_п1– Е_п2. Но общая механическая энергия тела не изменилась, она стала равной сумме потенциальной и кинетической энергии тела на высоте h₂.

Отсюда вывод: работа характеризует изменение энергии или превращение одного вида энергии в другой. В данном случае происходит превращение одного вида механической энергии (потенциальной) в механическую энергию другого вида (кинетическую).

Далее сообщаю, что работа электрического тока также характеризует процесс превращения энергии одного вида (энергии электрического поля) в энергию другого вида (внутреннюю энергию тел, в механическую и другие виды энергии).

При введении понятия работы электрического тока проделываю опыты, непосредственно демонстрирующие механическую работу электрического тока (подъем груза электродвигателем). Для демонстрации собираю установку из электродвигателя, последовательно с которым включаю реостат и демонстрационный амперметр.

Учащиеся на опыте видят, что электрический ток совершает работу, следовательно, электрическая энергия превращается в механическую.

– Какие еще явления показывают, что электрический ток может совершать работу?

2. Чтобы установить, от чего зависит работа электрического тока, можно воспользоваться установкой с лампой накаливания. Изменяя сопротивление реостата, демонстрирую различное свечение лампы. Одновременно замеряю значение силы тока и напряжение в этих случаях. Очевидно, чем ярче светится лампа, тем больше выделяется в ней энергии и, следовательно, тем большую работу совершает электрический ток. Следовательно, именно этому случаю соответствуют и большие значения силы тока и напряжения. Опыт дает возможность качественно установить, что:

Работа электрического тока A пропорциональна силе тока I, напряжению U и времени прохождения тока t:

А=IUt (Приложения 1, 2)

Формулу работы можно получить и из известного учащимся выражения

U=A/q  Отсюда:

А = Uq= lUt

За единицу работы электрического тока принят джоуль. Джоуль равен работе, выполняемой электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В за 1 с:

1 Дж = 1 В × 1 А × 1 с

3. Мощность электрического тока. С понятием мощности учащиеся уже встречались при изучении механики. Поэтому вначале повторяем определение мощности и единицы ее измерения.

– Что понимают под механической мощностью? (Ответы учеников.)
Чтобы найти среднюю мощность электрического тока, надо его работу разделить на время:

(Приложение 3)

За единицу мощности принят ватт (Вт):

1 Вm = 1 В × 1 А

4. Для измерения работы электрического тока нужен прибор, учитывающий напряжение, силу тока и время прохождения тока. Таким прибором является электрический счетчик. Электрические счетчики устанавливаются везде, где используется электрическая энергия.

Для измерения мощности электрического тока используются ваттметры, учитывающие напряжение и силу тока. Измерить мощность можно и с помощью вольтметра и амперметра.

Чтобы вычислить искомую мощность, умножают напряжение на силу тока, найденные по показаниям приборов.

III. Решение задач

Если в конце урока остается время, решаем с учащимися задачи (Приложение 4).

IV. Домашнее задание

1. §50, 51, 52 учебника; вопросы к параграфу;
2. Сборник задач В.И. Лукашика, Е.В. Ивановой: № 1396, 1398, 1405, 1407.

Электронные ресурсы взяты в сети Интернет:

1. Работа тока – Приложение 1.
2. Работа электрического тока – Приложение 2.
3. Мощность электрического тока – Приложение 3.
4. Подборка задач_Работа и мощность электрического тока – Приложение 4.

Емкость и мощность 📙 электрической цепи

1. Понятие мгновенной мощности
2. Понятие об идеальной емкости
3. Электрические цепи с конденсаторами

Электрическая энергия транспортируется электрическими цепями. Передачу энергии обозначают буквой w. Преобразование электроэнергии в другие виды энергии сопровождается различными процессами определенной интенсивности.

Интенсивность транспортировки и трансформации электрической энергии называют мощностью и обозначают буквой \(p\)

Мощность рассчитывается следующим образом:

\(p= {dw \over dt}\)

То есть, мощность показывает количество энергии dw, переданное за определенное время \(dt.\) По тому же принципу рассчитывается рассеивание энергии за определенное время.

Для расчета мгновенной мощности используют формулу следующего вида:

\(p=ui,\)

где \(u\) — мгновенное напряжение;

       \(i\) — мгновенная сила тока.

Мгновенная мощность состоит из постоянной и гармонической частей.

Значение угловой частоты мгновенной мощности вдвое выше угловой частоты тока и напряжения. Если мгновенная мощность со знаком «минус», это значит, что энергия перемещается обратно к источнику. Также это значит, что в двухполюснике направление напряжения противоположно току.

Такая картина наблюдается, когда есть запас магнитной и электрической энергии в катушке и конденсаторе, что входят в состав двухполюсника.

Активной мощностью является усредненное значение мгновенной мощности, взятой за отдельный период времени

\(P=UIcosφ\)

Если речь идет о пассивном двухполюснике, то активная мощность не может принимать минусовых значений. При входе в пассивный двухполюсник значение \(cosφ≥0.\) Теоретически возможна ситуация, когда \(P=0,\) но лишь для двухполюсника, который не содержит активных сопротивлений, но включает конденсатор емкости и катушку индуктивности.

Идеальную емкость в электрических цепях представляет конденсатор. Конденсатор и катушка индуктивности не потребляют мощность, в них \(P=0.\) То есть в данных элементах не осуществляется невозвратная трансформация энергии в иные ее виды, в них циркулирует имеющаяся энергия. Иными словами, электроэнергия запасается в магнитном поле катушки и электрическом поле конденсатора. Этот процесс занимает около четверти периода, после чего она направляется обратно в цепь.

Благодаря происходящим в катушке и конденсаторе процессам, они получили название реактивных элементов. Соответствующим образом и их сопротивления называются реактивными. А вот резистор имеет активное сопротивление.

При обмене энергией интенсивность характеризует максимальное значение скорости притока энергии в магнитное поле катушки и максимальное значение скорости притока энергии в электрическое поле конденсатора. Такая интенсивность является реактивной мощностью и рассчитывается так:

\(Q=UIsinφ\)

При нагрузке на индуктивности \(φ≥0\) реактивная мощность принимает только плюсовые значения. В случае опережающего тока нагрузки емкости – минусовые.

Реактивная мощность идеальной катушки соответствует наибольшему значению запаса энергии в катушке и частоты.

Коэффициентом мощности является соотношение полной и активной мощности. Его значение определяют как косинус угла смещения между током и напряжением

Наряду с полной и активной мощностью существует понятие комплексной мощности. Реактивная мощность является характеристикой циркуляции энергии между источником и приемником. Реактивный ток не производит никакой работы и это влечет за собой потери на силовых установках, а соответственно повышение мощности. Потому на сегодняшний день есть тенденция к увеличению мощности электрических сетей.

Некоторые приемники электроэнергии, например, двигатели, пользуются активно-индуктивной нагрузкой. Если к данной нагрузке подключить конденсатор, то общий ток приемника будет достигать величины фазы напряжения. То есть, он будет расти, но его общее значение будет падать при постоянной активной мощности. Все это влечет потери общего тока цепи. Конденсаторы применяют для повышения мощности.

Конденсатор есть элементом электроцепи, который имеет емкость. Два проводника, которые расположены рядом, обладают определенной емкостью, но если их поверхность маленькая, то и емкость их будет незначительна, и обычно не берется во внимание.

Изучая электрические цепи, в них выделяют такие основные элементы, как источники питания, конденсаторы, катушки и сопротивления.

Конденсатор считается идеальным диэлектриком, потому его активное сопротивление приравнивается к нулю. Если к электрической цепи с конденсатором подвести напряжение, то в ней потечет электрический ток. При этом каждая из сторон конденсатора начнет накапливать заряд.

Величина емкости является одной из главных характеристик электрической цепи. Емкостью есть отношение абсолютного значения заряда одной из пластин к разнице потенциалов между пластинами. То есть, емкость предопределяет заряд в пластинах. Рассчитывается емкость так:

\(C= {q\over U}\)

Емкость характеризуют и в интегральной форме электрического поля на участке цепи. То есть на конденсаторе. Данная величина зависима от размеров конденсатора, формы электродов, характеристик среды между пластинами.

В международной системе СИ емкость измеряется в фарадах. Используют и другие единицы – нанофарады, микрофарады и прочие.

Энергия и мощность в цепях

A. Электроэнергия

Рассмотрим схему, показанную ниже: Батарея дает зарядам потенциальную энергию. В колбе электрическая энергия преобразуется в тепловую, а затем излучается. Аккумулятор отдает 5 Дж энергии каждую секунду, поэтому его мощность составляет 5 Вт. Лампочка забирает энергию с той же скоростью, поэтому ее мощность также составляет 5 Вт.

Рисунок 1: Электрическая мощность

Мощность – это скорость преобразования энергии из одной формы в другую. Единицей мощности в системе СИ является ватт (Вт).

На таких приборах, как холодильники, телевизоры и духовки, указана номинальная мощность в ваттах или киловаттах.

B. Уравнение электрической мощности

В цепях мощность, необходимая для компонента, может быть рассчитана по разности потенциалов на нем и току через него. Мощность определяется следующим уравнением:

C. Мощность, рассеиваемая на резисторе

Когда ток протекает через резистор, он нагревается. Электроны теряют потенциальную энергию, которая превращается в тепловую энергию. Следовательно, энергия рассеивается в резисторе.

D. Расчет энергии

Энергия и мощность связаны уравнением. Если мощность прибора известна, энергия, преобразованная в любой момент времени, может быть рассчитана по следующему уравнению.

Например, если нагревательный элемент мощностью 500 Вт включается на 10 секунд. Преобразованная энергия = 500 Вт × 10 с = 5000 Дж. Таким образом, нагревательный элемент излучал 5000 Дж тепловой энергии.

E. Расчет электроэнергии

Мы знаем, что P=VI, следовательно, уравнение энергии можно записать так:

F. Сохранение энергии (второй закон Кирхгофа)

Заряд, протекающий по цепи, получает энергию, когда проходит через батарея и теряет энергию, когда она проходит через остальную часть цепи. По закону сохранения энергии полная энергия должна оставаться неизменной. Следствие этого закона сохранения энергии называется вторым законом Кирхгофа. Он гласит, что сумма электродвижущих сил в замкнутой цепи равна сумме разностей потенциалов.

Рассмотрим схему, показанную на рис. 2 . Батарейка соединена последовательно с резистором и лампочкой.

Рис. 2. Электрическая цепь

Электродвижущая сила батареи равна Е, разность потенциалов на резисторе R1 равна V1, а разность потенциалов на резисторе R2 равна V2. Применяя закон сохранения энергии, электродвижущая сила батареи равна сумме разности потенциалов между двумя сопротивлениями.

G. Сводка

• Электроэнергия
• Энергия = Мощность × время = VIt
• Единицей мощности является ватт, а единицей энергии — джоуль.
• В замкнутом контуре сумма электродвижущих сил равна сумме разностей потенциалов. Это второй закон Кирхгофа, являющийся следствием закона сохранения энергии.

атрибутов электричества | Экстрон

Версия для печати

Напряжение и ток

Электричество имеет два основных атрибута: напряжение и ток. Напряжение и ток являются отдельными свойствами, но в электронных схемах они взаимосвязаны. Оба должны присутствовать для правильной работы схемы.

Напряжение — это сила, которая заставляет ток течь в цепи. Измеряется в вольтах (V или E). Чтобы лучше понять напряжение, подумайте о водопроводном кране. Напряжение можно сравнить с давлением, при котором вода выходит из крана. Рассмотрим кран, из которого вода течет медленным, равномерным потоком. Это было бы аналогично цепи низкого напряжения. Пожарный шланг, который с большой силой разбрызгивает воду, можно рассматривать как аналог цепи высокого напряжения. Во всех электронных цепях должно быть напряжение, чтобы протекал ток.

 

Смеситель	Пожарный шланг

Теперь взглянем на ток в электронике. Ток — это движение электрических зарядов, поток электронов через электронную цепь. Ток измеряется в амперах или амперах (A или I). Вернитесь к крану; думайте о токе как о количестве выходящей воды. Чем больше воды проходит через кран за час, тем выше ток. Думайте об этом как о реке. После дождя река начинает течь намного сильнее. Говорят, что у него более сильное течение, потому что через данную точку проходит больше воды за установленный промежуток времени. Ток и напряжение идут рука об руку. Чем выше напряжение, тем выше ток. Одна вещь, которая может изменить это, — это сопротивление в цепи. Электронные компоненты рассчитаны на работу с определенным напряжением и током. Это факторы, определяемые производителем.

Теперь рассмотрим аккумулятор D-cell. Он имеет положительную клемму (верхняя сторона с торчащей кнопкой) и отрицательную клемму (нижняя сторона с входящей кнопкой). Если провод соединить от одного полюса к другому, то по проводу будет течь ток. Ток течет в результате того, что называется электромагнитным потенциалом (напряжением) или разностью потенциалов между двумя точками. Считается, что положительная сторона батареи имеет потенциал 1,5 вольта, а отрицательная сторона батареи имеет потенциал 0 вольт. Между выводами аккумулятора имеется разность потенциалов 1,5 вольта. Ток будет течь в проводе от положительного вывода к отрицательному или от положительного потенциала к нулевому потенциалу. Земля, обычно используемый термин в электронике, всегда считается нулевой, и термин земля часто используется вместо нуля вольт. В приведенном выше примере минусовая клемма батареи — это земля при нулевом напряжении, хотя минус и земля — это не всегда одно и то же.

Снова вернитесь к водопроводному крану, чтобы лучше понять это. Представьте, что есть два крана с подсоединенными к ним шлангами. У них одинаковое давление воды, выходящей из обоих кранов. Соедините два шланга вместе и включите краны. Что делает вода? Если в кранах одинаковое давление, разности потенциалов нет; ни одна сила не сильнее другой, поэтому потока нет. Снимите давление с одного крана, и вода потечет по шлангу из крана с напором в кран без напора, подобно тому, как электрический ток течет от плюсовой клеммы аккумулятора к минусовой клемме аккумуляторной батареи.

 

Цепь батареи и резистора

Сопротивление

Сопротивление — явление природы, точно так же, как напряжение и ток. Точно так же, как напряжение — это сила, которая заставляет электроны течь, а ток — это количество электронов, сопротивление — это сопротивление потоку электронов. Снова хорошо подходит аналогия с краном и шлангом. Рассмотрим кран с прикрепленным к нему садовым шлангом. Садовый шланг имеет определенную площадь, через которую может течь вода; это можно считать сопротивлением шланга. Если шланг согнут, поток воды уменьшится, вплоть до остановки. Изгиб шланга уменьшает диаметр; это увеличивает сопротивление потоку воды. В электронных схемах сопротивление обеспечивается устройствами, называемыми резисторами, а номинал резисторов измеряется в омах (Вт).

 

Символ резистора

Резисторы являются последним балансирующим элементом в базовой электрической цепи, которая для работы должна состоять из трех элементов: напряжения, тока и сопротивления. Резистор обеспечивает нагрузку или основной элемент, над которым совершается работа. В практической схеме нагрузка может состоять из электродвигателя, лампочки или пары динамиков. Все эти нагрузки имеют определенное сопротивление, связанное с ними.

Рассмотрим простую схему выше. Он состоит из 9-вольтовой батареи, резистора на 100 Ом и провода, по которому протекает ток силой 0,090 ампер. Эти числа получены с помощью закона Ома, который гласит: V = IR, где V — напряжение, I — ток, а R — сопротивление. Закон Ома представляет собой простое алгебраическое уравнение. Можно вычислить любую из трех переменных, V, I или R, если известны две другие. В большинстве электронных ситуаций задается напряжение, и необходимо рассчитать либо сопротивление, либо ток. В приведенном выше примере считайте напряжение и сопротивление заданными.

В = 9,0
R = 100
В = IR

Разделив обе части уравнения на R, получим
I = V/R = 0,09 ампер используется в любой данный момент или сколько работы выполняется в любой данный момент времени. В электронике мощность выражается в ваттах, которые являются результатом напряжения и тока. Короче говоря, мощность (P) равна напряжению, умноженному на ток, P = VI. Мощность важна в электронных схемах во многих отношениях. Цепь должна иметь достаточную мощность для управления данной нагрузкой. Точно так же, как у большого грузовика достаточно мощности, чтобы тянуть большую лодку, а у жука VW нет, для правильной нагрузки должна быть выбрана схема с соответствующей выходной мощностью. Соображения по питанию также важны при определении электрических соединений. Часто необходимо убедиться, что электрическая система здания имеет достаточную мощность для питания всех подключенных к ней устройств. Чтобы рассчитать мощность системы из предыдущего примера, используйте приведенное здесь уравнение P = VI.

P = VI = 9,0 В x 0,09 А = 0,810 Вт

Электричество переменного и постоянного тока и формы сигналов

Электронные схемы работают при различных типах напряжения и тока, обычно классифицируемых как переменный или постоянный ток. Приведенный выше пример батареи, работающей с резистором, является примером цепи постоянного тока. Постоянный ток означает «постоянный ток» и относится к току или уровню напряжения, который не меняется со временем. В примере с 9-вольтовой батареей батарея всегда на 9 вольт. Напряжение не меняется с течением времени, ток тоже.

Многие источники напряжения или тока называются переменным током. AC означает «переменный ток» и относится к току и напряжению, которые меняются со временем. Наиболее распространенным источником переменного напряжения и тока является электрическая розетка на стене. Он обеспечивает источник синусоидального напряжения, которое плавно изменяется от -110 до +110 вольт 60 раз в секунду. Есть много других форм волны переменного тока, среди них прямоугольная волна и треугольная волна, но синусоидальная волна является наиболее распространенной.

 

Синусоидальные, треугольные и квадратные волны (соответственно)

В электронике необходимы как переменные, так и постоянные напряжения.