Работа и мощность постоянного тока

Подробности

Обновлено 13.08.2018 19:37

«Физика - 10 класс»

Вспомните, как определяется работа кулоновских сил при перемещении заряда q из точки с потенциалом φ₁ в точку с потенциалом φ₂.

При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу.

Её принято называть работой тока.

Рассмотрим произвольный участок цепи. Это может быть однородный проводник, например нить лампы накаливания, обмотка электродвигателя и др. Пусть за время Δt через поперечное сечение проводника проходит заряд Δq. Электрическое поле совершит при этом работу А = ΔqU (U — напряжение между концами участка проводника).

Так как сила тока то работа тока равна:

А = IUΔt.         (15.12)

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

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.

Если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химических действий, то происходит только нагревание проводника, т. е. увеличивается внутренняя энергия проводника. Нагретый проводник отдаёт тепло окружающим телам.

Нагревание проводника происходит следующим образом. Электрическое поле ускоряет электроны. В результате столкновения с ионами кристаллической решётки они передают ионам свою энергию. Энергия беспорядочного движения ионов около положений равновесия возрастает. Это и означает увеличение внутренней энергии. Так как температура — мера кинетической энергии тела, то температура проводника повышается, и он начинает передавать тепло окружающим телам. Спустя некоторое время после замыкания цепи процесс устанавливается, и температура проводника перестаёт изменяться со временем. За счёт работы электрического поля в проводнике непрерывно выделяется энергия. Но его внутренняя энергия остаётся неизменной, так как проводник передаёт окружающим телам количество теплоты, равное работе тока. Таким образом, формула (15.12) для работы тока определяет количество теплоты, передаваемой проводником другим телам.

Если в формуле (15.12) выразить либо напряжение через силу тока, либо силу тока через напряжение с помощью закона Ома для участка цепи, то получим три эквивалентные формулы

Формулой A = I²RΔt удобно пользоваться при последовательном соединении проводников, так как сила тока в этом случае одинакова во всех проводниках. При параллельном соединении удобна формула так как напряжение на всех проводниках одинаково.

Закон Джоуля—Ленца.

Закон, определяющий количество теплоты, которую выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским учёным Д. Джоулем (1818—1889) и русским учёным Э. X. Ленцем (1804— 1865).

Количество теплоты, выделяемой в проводнике с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику

Q = I²RΔt.         (15.14)

Мы получили этот закон с помощью рассуждений, основанных на законе сохранения энергии. Формула (15.14) позволяет вычислить количество теплоты, выделяемой на любом участке цепи, содержащем какие угодно проводники.

Мощность тока.

Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель и т. д.) рассчитан на потребление определённой энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощность тока.

Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока. Согласно этому определению мощность тока

Электрическая мощность, так же как и механическая, выражается в ваттах (Вт).

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

На большинстве электроприборов указана потребляемая ими мощность, предельное значение силы тока, а также предельное значение напряжения.

В быту для расчётов потребляемой электроэнергии часто используется единица кВт • ч, 1 кВт • ч = 3,6 • 10⁶ Дж.

Источник: «Физика - 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Законы постоянного тока - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика

Электрический ток. Сила тока --- Закон Ома для участка цепи. Сопротивление --- Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединения проводников --- Примеры решения задач по теме «Закон Ома. Последовательное и параллельное соединения проводников» --- Работа и мощность постоянного тока --- Электродвижущая сила --- Закон Ома для полной цепи --- Примеры решения задач по теме «Работа и мощность постоянного тока. Закон Ома для полной цепи»