Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля — Ленца

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.

Интересно, что нам с вами сам по себе электрический ток не нужен. Важным для нас является не сам ток, а его действие. А вот действие электрического тока характеризуется работой электрического тока.

Давайте вспомним, что в общем случае под работой понимают скалярную физическую величину, которая описывает действие силы, приводящее к изменению значения скорости рассматриваемого тела.

Поэтому 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 напряжения между начальной и конечной точками переноса:

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: работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

.

В этой формуле все величины измеряются известными нам приборами: амперметром, вольтметром и секундомером (хотя в реальной жизни для измерения работы тока мы с вами пользуемся специальными счётчиками электрической энергии, которые сейчас можно увидеть в каждом доме).

 Единицей работы тока, как вы догадались, является джоуль:

Однако на практике работу тока часто выражают во внесистемных единицах —киловатт-часах:

1 кВт ∙ час = 3,6 ∙ 10⁶ Дж.

Применяя к потребителю электротока закон Ома для участка цепи, 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 находится делением работы на время её совершения:

Напомним, что единицей измерения мощности является ватт:

А для измерения мощности электрического тока придумали специальные приборы, которые называются ваттметрами.

Теперь давайте вспомним, что тепловое действие тока проявляется в том, что при протекании тока по проводнику последний нагревается. При этом тепловое действие ток производит в любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной.

Давайте вспомним, что нагревание проводника обусловлено тем, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные носители зарядов — электроны — сталкиваются с ионами кристаллической решётки проводника и отдают им часть своей энергии. То есть происходит переход энергии электрического поля во внутреннюю энергию проводника.

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.

Согласно этому закону, количество теплоты, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, проходящего по проводнику, сопротивлению проводника и времени, в течение которого поддерживается неизменный ток в проводнике.

Проверим его справедливость с помощью такого опыта. Возьмём калориметр, содержащий 100 мл воды 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 °С.

Теперь, по известной нам формуле, рассчитаем количество теплоты, полученное водой при нагревании:

После простых расчётов получаем, что вода получила от нагревателя 4200 Дж теплоты (для простоты расчётов мы пренебрегаем потерями 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.

формулы и задачи по теме :: SYL.ru

Как определяется работа электрического тока, рассчитывается мощность прибора? А может быть, последнюю можно измерить? И как применить полученные знания при решении задач?

Такие вопросы возникают у многих восьмиклассников при изучении темы «Электричество». Ответить на них достаточно просто. Да и запоминать формулы долго не придется. Потому что они очень похожи друг на друга или используют уже изученные раньше.

Первая величина: работа тока

Сначала требуется договориться об обозначениях. Потому что в них могут быть различия.

Обозначение	Название величины	Единицы измерения в СИ
I	сила тока	А
U	электрическое напряжение	В
t	время	с
А (в англоязычных источниках W)	работа электрического тока	Дж
Р	мощность	Вт
Q	количество выделяющейся теплоты	Дж
R	электрическое сопротивление	Ом
q	заряд, который переносится током	Кл

Каждый источник тока создает электрическое поле, которое заставляет двигаться свободные электроны. То есть возникает ток. В этот момент говорят, что электрическое поле совершает работу. Именно ее принято называть работой тока.

Электрическое поле, создаваемое источником тока, характеризуется напряжением. Оно влияет на то, какая работа электрического тока совершается при перемещении единичного заряда. Поэтому вводится формула для напряжения:

U = А/q.

Из нее легко вывести формулу работы:

А = U * q.

Теперь стоит вспомнить равенство, которое вводится для силы тока. Она равна отношению перемещаемого заряда ко времени его движения:

I = q/t.

Отсюда q = I * t. Заменив букву q в формуле для работы последним выражением, получаем такую формулу:

А = U * I * t.

Это общий вид равенства, по которому может быть вычислена работа электрического тока. Формула несколько изменится, если применить закон Ома. По нему напряжение равно произведению силы тока на сопротивление. Тогда верным будет такое равенство:

А = I² * R * t.

Можно заменить не напряжение, а силу тока. Оно равно частному U и R. Тогда формула работы станет выглядеть так:

А = (U² * t)/R.

Вторая величина: мощность тока

Общая формула для нее такая же, как в механике. То есть определяется как работа, совершенная за единицу времени.

Р = А / t.

Отсюда видно, что работа и мощность электрического тока взаимосвязаны. Чтобы получить более конкретное равенство, потребуется заменить числитель, воспользовавшись общей формулой для работы. Тогда становится понятно, как определить мощность, зная силу тока и напряжение цепи.

Р = U * I.

К тому же мощность может быть измерена. Для этой цели существует специальный прибор, который называется ваттметром.

Закон Джоуля-Ленца

Явление нагрева проводника было обнаружено французским ученым А. Фуркуа. Произошло это еще в 1880 году. 41 год спустя оно было описано английским физиком Дж. П. Джоулем и через год подтверждено на опыте русским физиком Э.Х. Ленцем. Именно по фамилиям двух последних ученых стали называть обнаруженную закономерность.

В ней связаны две величины: количество теплоты и работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца утверждает, что вся работа в неподвижном проводнике идет на его нагревание. То есть проводник с током выделяет количество теплоты, равное произведению его сопротивления, времени и квадрата силы тока. Формула выглядит так же, как одна из тех, которые приведены для работы:

Q = I² * R * t.

Задача на определение работы

Условие. Сопротивление лампочки карманного фонарика равно 14 Ом. Напряжение, которое дает батарейка, составляет 3,5 В. Чему будет равна работа тока, если фонарик работал 2 минуты?

Решение. Поскольку известны напряжение, сопротивление и время, то необходимо воспользоваться такой формулой: А = (U² * t)/R. Только сначала потребуется перевести время в единицы СИ, то есть секунды. Таким образом, в формулу нужно подставлять не 2 минуты, а 120 секунд.

Простые расчеты приводят к такому значению работы тока: 105 Дж.

Ответ. Работа равна 105 Дж.

Задача на определение мощности

Условие. Необходимо определить, чему равны работа и мощность электрического тока в обмотке электродвигателя. Известно, что сила тока в нем имеет значение 90 А при напряжении 450 В. Включенным электродвигатель остается на протяжении одного часа.

Решение. Сначала можно сосчитать значение работы. Для этого пригодится такая формула: А = U * I * t. Первые две величины даны в единицах СИ, а вот время снова нужно перевести в секунды, то есть взять 3600 с.

После подстановки значений и выполнения простых арифметических действий получается такое значение для работы: 145800000 Дж. Записать его в ответе удобнее в более крупных единицах. Например, мегаджоулях. Для этого результат нужно разделить на миллион. Работа оказывается равной 145,8 МДж.

Теперь нужно вычислить мощность электродвигателя. Расчеты будут выполняться по формуле: Р = U * I. После умножения получится число: 40500 Вт. Для того чтобы записать его в киловаттах, потребуется разделить результат на тысячу.

Ответ. А = 145,8 МДж, Р = 40,5 кВт.

Задача на вычисление напряжения

Условие. Электроплитка включена в сеть в течение 20 минут. Каково напряжение в сети, если при силе тока в 4 А работа оказывается равной 480 кДж?

Решение. Поскольку известны работа и сила тока, нужно использовать такую формулу: А = U * I * t. Здесь напряжение — неизвестный множитель. Его необходимо вычислить, как частное произведения и известного множителя, то есть: U = А /( I * t).

До проведения расчетов нужно перевести величины в единицы СИ. А именно, работу в Джоули и время в секунды. Это будут 480000 Дж и 1200 с. Теперь осталось все сосчитать.

Ответ. Напряжение равно 100 В.

электроэнергии | Определение, использование и факты

Электроэнергия

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Элиу Томсон Уолтер Макленнан Цитрин, первый барон Цитрин Оскар фон Миллер Чарльз Джозеф Ван Депоэль Ипполит Фонтейн

Похожие темы:

электричество энергия ваттметр фактор силы

См. весь связанный контент →

электроэнергия , энергия, полученная путем преобразования других форм энергии, таких как механическая, тепловая или химическая энергия. Электрическая энергия не имеет себе равных во многих областях применения, таких как освещение, работа компьютеров, движущая сила и развлекательные приложения. Для других применений он конкурентоспособен, как и для многих промышленных применений в отоплении, приготовлении пищи, отоплении помещений и железнодорожной тяге.

Электроэнергия характеризуется током или потоком электрического заряда и напряжением или потенциалом заряда для доставки энергии. Заданное значение мощности может быть получено любой комбинацией значений тока и напряжения. Если ток прямой, электронный заряд всегда движется в одном и том же направлении через устройство, получающее питание. Если ток переменный, электронный заряд движется вперед и назад в устройстве и в проводах, подключенных к нему. Для многих приложений подходит любой тип тока, но переменный ток (AC) наиболее широко доступен из-за большей эффективности, с которой он может генерироваться и распределяться.

Постоянный ток (DC) требуется для определенных промышленных применений, таких как гальванические и электрометаллургические процессы, а также для большинства электронных устройств.

Викторина «Британника»

Энергия и ископаемое топливо

От ископаемого топлива и солнечной энергии до электрических чудес Томаса Эдисона и Николы Теслы — мир живет за счет энергии. Используйте свои природные ресурсы и проверьте свои знания об энергии в этой викторине.

Широкомасштабное производство и распределение электроэнергии стало возможным благодаря разработке электрического генератора, устройства, работающего на основе принципа индукции, сформулированного в 1831 году английским ученым Майклом Фарадеем и независимо американским ученым Джозефом Генри. . Первая общественная электростанция с электрическим генератором начала работу в Лондоне в январе 1882 года. Вторая такая станция открылась позже в том же году в Нью-Йорке. Оба использовали системы постоянного тока, которые оказались неэффективными для передачи электроэнергии на большие расстояния.

К началу 189 г.0s первый практичный генератор переменного тока был построен на электростанции Лауффен в Германии, а обслуживание во Франкфурте-на-Майне было начато в 1891 году. Гидроэлектроэнергия вырабатывается генераторами и турбинами, приводимыми в движение падающей водой. Большая часть другой электроэнергии получается от генераторов, соединенных с турбинами, приводимыми в движение паром, вырабатываемым либо ядерным реактором, либо сжиганием ископаемого топлива, а именно угля, нефти и природного газа.

До 1930-х годов гидроэлектростанции, оснащенные гидротурбинными установками, производили наибольший процент электроэнергии, поскольку они были дешевле в эксплуатации, чем тепловые электростанции, использующие паротурбинные установки. С тех пор основные технологические достижения снизили стоимость производства тепловой энергии, в то время как стоимость разработки более удаленных гидроэлектростанций увеличилась. К 1990 г. производство гидроэлектроэнергии составляло лишь 18% мирового производства электроэнергии.

Тепловые электростанции, использующие ядерную энергию или газовые турбины для запуска пароэлектрических установок, относятся к числу таких технологических достижений. Альтернативные источники электроэнергии включают солнечные батареи, ветряные турбины, топливные элементы и геотермальные электростанции.

Свидетели того, как вертолетчики ремонтируют поврежденную высоковольтную линию электропередач

Посмотреть все видео к этой статье

Электроэнергия, вырабатываемая на центральной электростанции, передается на пункты оптовых поставок или подстанции, от которых распределяется потребителям. Передача осуществляется по разветвленной сети высоковольтных линий электропередач, включая воздушные, подземные и подводные кабели. При передаче переменного тока на большие расстояния требуются напряжения выше, чем те, которые подходят для генераторов электростанций, чтобы уменьшить потери мощности, возникающие из-за сопротивления линий передачи. На генерирующей станции используются повышающие трансформаторы для повышения напряжения передачи. На подстанциях другие трансформаторы понижают напряжение до уровней, подходящих для распределительных сетей.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена ​​Адамом Августином.

Единицы СИ – электрический ток

Ампер определяется путем принятия фиксированного числового значения элементарного заряда e равным 1,602176634 × 10 ⁻¹⁹ при выражении в единицах C, что равно A·s, где секунда определяется через ∆ ν _Cs .

Единицей разности электрических потенциалов в системе СИ является вольт (В) 1 В = 1 Вт/А.

Единицей электрического сопротивления в системе СИ является Ом (Ом). 1 Ом = 1 В/А.

При полном написании названия юнитов рассматриваются как обычные английские существительные. Таким образом, названия всех единиц начинаются со строчной буквы, за исключением начала предложения или материала с заглавной буквы, такого как заголовок. В соответствии с этим правилом символы единиц измерения для Ампера представляют собой заглавную букву «А», а для Вольта — заглавную букву «V», потому что оба названия единиц измерения основаны на именах ученых.

Андре Мари Ампер (1775 — 1836) Имя сохранилось в повседневной жизни в ампере, единице измерения электрического тока. Эти биографические веб-сайты помогут вам узнать больше:

• IEEE Global History Network
• Сент-Эндрюсский университет, Шотландия

Алессандро Вольта (1745 — 1827) Имя вошло в повседневную жизнь в виде вольта, производной единицы измерения электрического потенциала, а также изобретателя первой батареи. Эти биографические веб-сайты могут помочь вам узнать больше:

• Вики по истории техники и технологий
• Библиотеки Массачусетского технологического института (MIT)
• Spark Музей электрических изобретений

Ресурсы для студентов и преподавателей

• A для Ampere (Игровая площадка, видео)
• Детский уголок Напряжение и ток (Apogee Interactive)
• Основы электричества: напряжение, ток, сопротивление и закон Ома (IDYL)
• Закон Ампера (TeachEngineering, 12 класс)
• Закон Ома (интерактивное моделирование PhET)
• История стандартов квантового напряжения NIST (NIST)

Кредит: Дж.