Работа и мощность электрического тока
На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о том, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством особого вида материи, которую называют электрическим полем. Примером такого взаимодействия может служить электрический ток, то есть упорядоченное движение заряженных частиц, которое создаётся электрическим полем. Следовательно, электрическое поле способно совершать работу, которую называют работой тока.
Давайте вспомним, что в общем случае под работой понимают скалярную физическую величину, которая описывает действие силы (заметьте, именно силы, а не те́ла), приводящее к изменению значения скорости рассматриваемого тела.
Из этого становится очевидным, что термин «работа тока» — это
своеобразный жаргонизм, с которым вы уже неоднократно сталкивались. Работа тока
— это, говоря строгим языком физики, работа электрически сил, которые,
перемещая заряженные частицы, увеличивают их скорость, а значит и кинетическую
энергию.
Мы уже с вами знаем, что работа по переносу электрического заряда в электрическом поле оценивается произведением величины перенесённого заряда на величину разности потенциалов между начальной и конечной точками переноса, то есть на величину напряжения:
A = ΔqU.
Очевидно, что это соотношение может быть применимо и для оценки работы тока. Однако эта формула имеет неудобство в связи с тем, что и ней фигурирует перенесённый в электрическом поле заряд, измерение которого требует особых методов. Поэтому удобнее расписать этот заряд, используя формулу силы тока:
Такая запись приводит нас к удобной формуле для определения работы электрического тока:
A = IUΔt.
Единицей работы тока, как вы догадались, является джоуль.
Эту единицу можно выразить через электрические единицы — ампер и вольт:
1 Дж = 1 А ∙ 1 В ∙ 1 с.
Для измерения работы тока в реальной жизни пользуются специальными приборами — счётчиками электрической энергии, которые сейчас можно увидеть в каждом доме. Однако в них работу тока принято выражать не в джоулях, а в
Применяя к потребителю электротока закон Ома, можно из основной формулы работы получить ещё два варианта, исключив в первом случае из формулы напряжение, а во-втором — силу тока:
Получив формулу для работы электрического тока, мы легко получим и формулу для мощности тока. Ведь в любом случае мощность есть отношение работы ко времени её совершения:
Напомним, что единицей измерения мощности является ватт.
А для измерения мощности электрического тока в цепи
используют специальные приборы, называемые ваттметрами.
Давайте для примера решим с вами такую задачу. Два потребителя, сопротивления которых равны R1 и R2 подключают к сети постоянного тока сначала последовательно, а потом — параллельно. В каком случае потребляется большая мощность от сети?
На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах. Давайте с вами вспомним, что тепловое действие тока
Химическое действие тока мы можем наблюдать при его прохождении через растворы солей, кислот или щелочей.
А магнитное действие тока проявляется в создании им магнитного поля.
Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток
производит в любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Например, нагревание
проводника происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического
поля свободные носители зарядов — электроны — сталкиваются с ионами
кристаллической решётки проводника и отдают им часть своей энергии.
При этом, очевидно, что чем больше будет сопротивление проводника, тем большее количество теплоты в нём выделится при протекании электрического тока одной и той же силы.
Это легко проверить на простом опыте. Возьмём три последовательно соединённых проводника, изготовленных из разных материалов, например, из нихрома, никелина и меди, и подключим их к источнику постоянного тока.
Спустя некоторое время мы заметим, нихромовый проводник нагрелся почти до белого каления, никелиновый — лишь слегка покраснел, а вот медный проводник практически не изменил свой цвет.
Таким образом, действительно, чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам в нём и тем больше нагревается проводник.
В 1841 году английский учёный Джеймс Прескотт Джоуль и
независимо от него в 1842 году российский учёный Эмилий Христианович Ленц,
изучая на опыте тепловые действия тока установили закон, позволяющий рассчитать
количество теплоты, выделяемое в проводнике при протекании в нём электрического
тока.
Проверим его справедливость с помощью такого опыта. Возьмём калориметр, содержащий 100 мл миллилитров воды при температуре 18 оС, и поместим в неё проводник в виде спиральки известного сопротивления. Концы проводника включим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью секундомера будем засекать время эксперимента.
Замкнув ключ, подождём пока температура воды в калориметре не повысится на 10 оС.
Теперь рассчитаем количество теплоты, полученное водой, используя для этого известную нам формулу из термодинамики:
Здесь c —
это удельная теплоёмкость воды; m — её масса; а Δt — изменение температуры воды.
Тогда
после подстановки чисел и простых расчётов, получаем, что вода получила от нагревателя
4200 Дж теплоты.
Теперь определим количество теплоты, выделившееся в проводнике, используя для этого закон Джоуля — Ленца:
Подставив в полученное уравнение данные наших опытов, найдём, что за время эксперимента в проводнике выделились те же 4200 Дж теплоты. Это подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.
Формулой Q = I2RΔt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же.
При параллельном же соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле: Q = U2Δ
Эта формула показывает, что при параллельном соединении в
каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное
сопротивлению проводника.
Параметры постоянного электрического тока параметры мощности
Из курса физики известно, что электрический ток представляет собой упорядоченное, т.е. организованное перемещение заряженных частиц, которыми являются электроны в свободном состоянии. Естественно это движение подчиняется определенным законам и характеризуется физическими параметрами.
Электрическое поле и свободные носители зарядов – это те обязательные факторы, которые необходимы для существования электрического тока. Базисными параметрами постоянного (не меняющего своего значения) электрического тока считаются: его сила, сопротивление, напряжение. Все они взаимосвязаны между собой.
Взаимосвязь параметров электрического тока
Элементарная электроцепь постоянного тока включает в себя источник электроэнергии, отрицательный и положительный контакты которого связаны шунтом или проводником. Движение заряда по проводнику осуществляется под воздействием электрического поля.
Однако, этот перенос электронов не приводит к уравниванию потенциалов, т.к. в любой отрезок времени, к первому концу цепи поступает абсолютно такое же количество заряженных частиц какое из него переместилось к противоположному контакту. Таким образом разность потенциалов, которую принято называть напряжением, остается неизменяемой величиной.
Перемещению электрических зарядов в цепи, препятствует внутреннее сопротивление материала проводника. Взаимосвязь параметров электротока была выведена опытным путем Г. Омом. В математическом виде закон Ома можно представить так: I=U/R, где собственно I – сила тока, U – напряжение (разность потенциалов) и R – сопротивление на соответствующем участке цепи.
Последовательное соединение элементов электрической сети постоянного тока
Параметры электроцепи постоянного тока, в случае последовательного соединения устройств, имеют некоторые особенности. Так, например, сила тока (I) остается постоянной на всех элементах электрической схемы, а вот напряжение (U) является суммой напряжений на каждом участке схемы.
Рассмотрим пример электрической цепи с последовательно включенными тремя проводниками с сопротивлением R1, R2 и R3. Согласно закону Ома, напряжение U1 = IxR1, U2 = IxR2, U3 = IxR3. Следовательно, U общ = U1+U2+U3= IxR1+ IxR2= IxR3 = I (R1+R2+R3).
Из уравнения видно, что такой параметр электрической цепи как общее сопротивление (R общ), при последовательном соединении, будет равен сопротивлению каждого отдельно взятого проводника. Последовательное подключение электрических устройств позволяет снизить нагрузку на отдельный элемент, что продлевает срок службы, но при этом теряется мощность.
Параметры электрической цепи. Параллельное соединение элементов
Параллельная цепь характеризуются общими контактами в местах ввода и вывода основного провода. В данной ситуации напряжение на всех элементах цепи остается одинаковым, т.
е. U1=U2=U3. А вот для силы тока, будет характерна обратная зависимость от сопротивления каждого участка, т.е. I х=U/Rx. Параллельное соединение электроприборов является наиболее распространенным способом в бытовых условиях.
Параметры цепи при смешанном соединении в электрической цепи
Смешанное подключение проводников представляет собой электрическую цепь, в которой элементы включены комбинировано, т.е. как последовательно, так и параллельно друг другу. Для определения конкретных параметров, в этом случае, вся схема разбивается на самостоятельные участки в соответствии со способом подключения.
Очень полезная картинка, сохраните себе!Индивидуальные параметры рассчитываются для каждого участка отдельно. Необходимо отметить, что параллельно включенные участки, могут состоять из ряда последовательно соединенных элементов.
Понятие мощности электрического тока и ее параметры
Прохождение электротока по цепи, по своей сути, представляет собой работу (А) по перемещению свободного заряда от одного потенциала к другому.
Чем больше электронов пересекает плоскость сечения электропроводящего элемента за единицу времени, тем выше мощность электрического тока. Общее количество работы можно определить по формуле – А=U∆q=IU∆t=I
Мощность электротока имеет обратно пропорциональную зависимость от отрезка времени за который была осуществлена работа – Р=A/∆t и прямо зависит от разности потенциалов и силы тока – Р=UxI. В том случае, если на участке цепи не осуществляется механическая работа под воздействием электрического тока, энергия тратится только на нагрев токопроводящего элемента. Общее количество выделяемого тепла, в этом варианте, будет равно работе, которую совершает электрической ток. Определить количество теплоты можно применив формулу Q=I2R∆t. Это соответствие было получено опытным путем Джоулем и Ленцем, а закон назван их именем.
Электрический потенциал для множественных точечных зарядов
Электрический потенциал для множественных точечных зарядов Электрический потенциал (напряжение) в любой точке пространства, создаваемый любым числом точечных зарядов, может быть рассчитан из выражения точечного заряда простым сложением, поскольку напряжение является скалярной величиной. Вычисление потенциала проще, чем векторная сумма, необходимая для расчета электрического поля.
| Индекс Концепции напряжения | |||||||||||||||||||||||
|
Потенциал из непрерывного распределения заряда можно получить, суммируя вклады от каждой точки в источнике заряда.
Необходимо соблюдать осторожность, чтобы установить правильный квадрант для угла из-за неоднозначности арктангенса.
