05. Работа и мощность электрического тока

Работа тока

Электрический ток, конечно же, не стал бы так широко использоваться, если бы не одно обстоятельство. Работу тока или же электроэнергию легко преобразовывать в любую нужную нам энергию или работу: тепловую, механическую, магнитную…

Для практического применения тока прежде всего хочется знать, какую работу можно обратить в свою пользу. Выведем формулу для определения работы тока: 

Формула для работы электрического поля по перемещению заряда нам уже известна:

Или же .

Узнать, какой заряд переместился полем за промежуток времени t можно из определения силы тока: .

Отсюда: .

Так как все величины, входящие в формулу, можно измерить соответствующими приборами (амперметр, вольтметр, часы), формула является универсальной.

Формулу можно также записать в несколько ином виде, используя закон Ома:

Если в исходную формулу для работы тока подставить силу тока, записанную таким образом, то получим:

Если же из закона Ома выразить напряжение, то тогда:

Использование этих формул удобно, когда в цепи присутствует какое-то одно соединение: параллельное для первого случая и последовательное для второго.

Закон Джоуля-Ленца

Особое внимание следует уделить тепловому действию тока. При прохождении тока через проводник, проводник нагревается. Почему это происходит? Мы уже затрагивали молекулярное строение проводников в теме о сопротивлении и отмечали, что при протекании тока свободные электроны сталкиваются с узлами кристаллической решетки. При этих столкновениях электроны постоянно придают некоторую скорость узлам решетки (рис. 1).

Так как температура – мера теплового движения, в процессе «расталкивания» температура проводника повышается. В какой-то момент наступает равновесие, когда количество энергии, получаемое проводником вследствие прохождения тока, равно количеству энергии, которое он отдает в окружающую среду.

В том случае, когда работа тока не преобразуется в механическую или же ток не имеет химического действия, работа тока эквивалентна количеству теплоты, высвобождающегося в окружающую среду.

Формулу просчета этого количества теплоты впервые независимо друг от друга открыли двое ученых: русский Эмиль Ленц (рис. 3) и англичанин Джеймс Джоуль (рис. 2).

Закон Джоуля-Ленца:

Как видно, правая часть формулы в точности повторяет одну из форм формулы для работы электрического тока.

Всегда следует помнить, что в случае, когда есть какое-либо другое преобразование энергии тока, формула Джоуля-Ленца не выполняется.

Мощность тока

Наряду с работой тока очень важно отметить мощность тока, так как эта характеристика является ключевой в бытовом использовании электроэнергии (на всех бытовых приборах указано приемлемое напряжение его мощность).

Определение. Мощность – это работа, выполненная за единицу времени (скорость выполнения током работы):

Единица измерения мощности – ватт:

И теперь, используя наши знания о работе тока, мы без труда найдем формулу для мощности тока:

Или же, если использовать другие виды формулы для работы:

На следующем уроке мы разберем тему «Электродвижущая сила».

Список литературы

1. Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.

2. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.

3. Мякишев Г. Я., Синяков А. З., Слободсков Б. А. Физика. Электродинамика. – М.: 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «constant-current.narod.ru» (Источник)

2. Интернет-портал «mugo.narod.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. Стр. 105: № 802–805. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А. П. – М.: Дрофа, 2013.

2. Как зависит количество теплоты, которое выделяется в проводнике, в случае параллельного соединения проводников?

3. На фонарике написано «4 В; 1 Вт», а на светильнике – «220 В; 40 Вт». В какой лампе больше сила тока? Сопротивление какой лампы больше и во сколько раз?

4. * Стальной и медный провода одинаковых размеров присоединили к источнику тока сначала параллельно, а потом последовательно. В каком из проводов в каждом случае выделялось большее количество теплоты?