Работа электрического тока

К цепи, представленной на рисунке 1, приложено постоянное напряжение U .

U = φ А – φ Б

За время t по цепи протекло количество электричества Q . Силы электрического поля, действующего вдоль проводника, перенесли за это время заряд Q из точки А в точку Б . Работа электрических сил поля или, что то же, работа электрического тока может быть подсчитана по формуле:

A = Q × (φ А – φ Б ) = Q × U ,

Так как Q = I × t , то окончательно:

A = U × I × t ,

где A – работа в джоулях; I – ток в амперах; t – время в секундах; U – напряжение в вольтах.

По закону Ома U = I × r . Поэтому формулу работы можно написать и так:

A = I 2 × r × t .

Мощность электрического тока

Работа, произведенная в единицу времени, называется мощностью и обозначается буквой P .

Из этой формулы имеем:

A = P × t .

Единица измерения мощности:

1 (Дж/сек) иначе называется ваттом (Вт). Подставляя в формулу мощности выражение для работы электрического тока, имеем:

P = U × I (Вт).

Формула мощности электрического тока может быть выражена также через потребляемый ток и сопротивление потребителя:

Кроме ватта, на практике применяются более крупные единицы измерения электрической мощности. Электрическая мощность измеряется в:

100 Вт = 1 гектоватт (гВт);
1000 Вт = 1 киловатт (кВт);
1000000 Вт = 1 мегаватт (МВт).

Электрическая мощность измеряется специальным прибором – ваттметром. Ваттметр имеет две обмотки (катушки): последовательную и параллельную. Последовательная катушка является токовой и включается последовательно с нагрузкой на участке цепи, где производятся измерения, а параллельная катушка – это катушка напряжения, она соответственно включается параллельно этой нагрузке. Принцип действия ваттметра основан на взаимодействии двух магнитных потоков создаваемых током, протекающим по обмотке подвижной катушки (токовой катушки), и током, проходящим по неподвижной катушке (катушке напряжения). При прохождении измеряемого тока по обмотке подвижной и неподвижной катушек образуются два магнитных поля, при взаимодействии которых подвижная катушка стремится расположится так, чтобы направление ее магнитного поля совпадало с направлением магнитного поля неподвижной катушки. Вращающему моменту противодействует момент, созданный спиральными пружинками, через которые в подвижную катушку проводится измеряемый ток. Противодействующий момент пружинок прямо пропорционален углу поворота катушки. Стрелка, укрепленная на подвижной катушке, указывает значение измеряемой величины. Схема включения ваттметра показана на рисунке 2.

Если вы решили измерить потребляемую мощность, какой либо имеющейся у вас нагрузки, и при этом у вас отсутствует ваттметр, вы можете "изготовить" ваттметр своими руками. Из формулы P = I × U видно, что мощность, потребляемую в сети, можно определить, умножив ток на напряжение. Поэтому для определения мощности, потребляемой из сети, следует использовать два прибора, вольтметр и амперметр. Измерив амперметром потребляемый ток и вольтметром напряжение питающей сети, необходимо показание амперметра умножить на показание вольтметра.

Так, например, мощность, потребляемая сопротивлением r , при показании амперметра 3 А и вольтметра 220 В будет:

P = I × U = 3 × 220 = 660 Вт.

Для практических измерений электрической работы (энергии) джоуль является слишком мелкой единицей.

Если время t подставлять не в секундах, а в часах, то получим более крупные единицы электрической энергии:

1 Дж = 1 Вт × сек;
1 Вт × ч = 3600 ватт × секунд = 3600 Дж;
100 Вт × ч = 1 гектоватт × час (гВт × ч);
1000 Вт × ч = 1 киловатт × час (кВт × ч).

Электрическая энергия измеряется счетчиками электрической энергии.

Видео 1. Работа и мощность электрического тока

Видео 2. Еще немного о мощности

Пример 1. Определить мощность, потребляемую электрическим двигателем, если ток в цепи равен 8 А и двигатель включен в сеть напряжением 220 В.

P = I × U = 8 × 220 = 1760 Вт = 17,6 гВт = 1,76 кВт.

Пример 2. Какова мощность, потребляемая электрической плиткой, если плитка берет из сети ток в 5 А, а сопротивление спирали плитки равно 24 Ом?

P = I 2 × r = 25 × 24 = 600 Вт = 6 гВт = 0,6 кВт.

При переводе механической мощности в электрическую и обратно необходимо помнить, что
1 лошадиная сила (л. с.) = 736 Вт;
1 киловат (кВт) = 1,36 л. с.

Пример 3. Определить энергию, расходуемую электрической плиткой мощностью 600 Вт в течение 5 часов.

A = P × t = 600 × 5 = 3000 Вт × ч = 30 гВт × ч = 3 кВт × ч

Пример 4. Определить стоимость горения двенадцати электрических ламп в течение месяца (30 дней), если четыре из них по 60 Вт горят по 6 часов в сутки, а остальные восемь ламп по 25 Вт горят по 4 часа в сутки. Цена за энергию (тариф) 2,5 рубля за 1 кВт × ч.

Мощность четырех ламп по 60 Вт.

P = 60 × 4 = 240 Вт.

t = 6 × 30 = 180 часов.

A = P × t = 240 × 180 = 43200 Вт × ч = 43,2 кВт × ч.

Мощность остальных восьми ламп по 25 Вт.

P = 25 × 8 = 200 Вт.

Число часов горения этих ламп в месяц:

t = 4 × 30 = 120 часов.

Энергия, расходуемая этими лампами:

A = P × t = 200 × 120 = 24000 Вт × ч = 24 кВт × ч.

Общее количество расходуемой энергии:

43,2 + 24 = 67,2 кВт × ч

Стоимость всей потребленной энергии:

67,2 × 2,5 = 168 рублей.

Применение электричества - это революционное открытие, которое навсегда изменило и облегчило жизнь человека. Сегодня электричество является неотъемлемой частью жизни человека, он обеспечивает работу электроприборов, электрического освещения. Каждый день мы используем электрическую энергию для своих нужд.

Говоря об электричестве, подразумевают электрический ток. Рассмотрим это понятие подробнее. Понятие "ток" значит течение или движение.

Что такое электрический ток?

Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике в одном направлении. Такими частицами могут быть электроны, ионы и катионы. Направленность электрических частиц обуславливается наличием у частиц электрического поля, которое взаимодействует с внешним электрическим полем.

Для поддержания электрического поля в течение определенного времени в проводнике необходимы источники выработки электрического поля. Это, например, могут быть электрофорная машина и аккумулятор или любой источник питания. Принцип их работы заключается в том, что они разделяют частицы, после чего один полюс источника заряжает их положительно, а другой - отрицательно, в результате возникает электрическое поле. Если оба полюса источника соединить проводником, то движение частиц приобретает определенное направление, так получается электрический ток.

Проводник является местом, где происходит направленное движение частиц, а также средством передачи тока к ее потребителям: лампочка, приборам, плиткам и т.д. Проводниками могут служить металлы, в которых заряжаются электроны, плазма, частицами при этом являются ионы; электролиты. Если оборвать проводник, то ток не доходит до потребителя, и на основе этого механизма происходит включение и выключение тока. То есть устанавливаются выключатели или рубильники, которые разрывают или соединяют проводник.

Направление движения электрического тока

При решении сложных задач по электроники и радиотехнике принято условно, что движение электрического тока осуществляется от «плюса» к «минусу» Но мало кому известно что на самом деле движение происходит за счет электронов в межатомном пространстве кристалической решетки металла проводника электрического тока. А электрон движется от «минуса» к «плюсу», следовательно электрический ток движется от "минуса" к "плюсу"

Работа электрического тока

Также важным параметром тока является такое понятие как работа электрического тока . Двигаясь по проводнику, электрический ток совершает определенную работу. Для того что бы ее определить необходимо знать время движения тока, сопротивления проводника, и его сопротивление.

Найти ее можно используя закон Джоуля-Ленца по формуле: Q=I*I*R*t

• I - сила тока, измеряемая в Амперах;
• R - сопротивление проводника, Ом;
• t - время, с;
• Q-совершенная электрическим током работа или выделенная проводником теплота, Дж.

Полученная таким образом величина представляет собой значение работы электрического тока, если ее поделить на время то получится мощность.

Электрическая цепь

Cовокупность источников, проводников, потребителей и рубильников, которые обеспечивают движение электричества, называют электрической цепью.

Электрический ток измеряется следующими величинами:

1. сила тока - это показатель, который измеряет количество заряженных частиц, которые проходят через сечение проводника в определенный промежуток времени, измеряется в Амперах;
2. плотность тока - это величина равная отношению силы тока к площади сечения проводника, измеряется в А/мм2 ;
3. мощность тока - это своего рода работоспособность тока, какую работу может совершить данный ток в единицу времени, Вт;
4. частота переменного тока - количество колебаний в единицу временни.

Как вычислить работу электрического тока? Мы уже знаем, что напряжение на концах участка цепи численно равно работе, которая совершается при прохождении по этому участку электрического заряда в 1 Кл. При прохождении по этому же участку электрического заряда, равного не 1 Кл, а, например, 5 Кл, совершённая работа будет в 5 раз больше. Таким образом, чтобы определить работу электрического тока на каком-либо участке цепи, надо напряжение на концах этого участка цепи умножить на электрический заряд (количество электричества), прошедший по нему :

где А - работа, U - напряжение, q - электрический заряд. Электрический заряд, прошедший по участку цепи, можно определить, измерив силу тока и время его прохождения:

Используя это соотношение, получим формулу работы электрического тока, которой удобно пользоваться при расчётах:

Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа .

Работу измеряют в джоулях, напряжение - в вольтах, силу тока - в амперах и время - в секундах, поэтому можно написать:

1 джоуль = 1 вольт х 1 ампер х 1 секунду,

1 Дж = 1 В А с.

Выходит, что для измерения работы электрического тока нужны три прибора: вольтметр, амперметр и часы. На практике работу электрического тока измеряют специальными приборами - счётчиками . В устройстве счётчика как бы сочетаются три названных выше прибора. Счётчики электроэнергии сейчас можно видеть почти в каждой квартире.

Пример . Какую работу совершает электродвигатель за 1 ч, если сила тока в цепи электродвигателя 5 А, напряжение на его клеммах 220 В? КПД двигателя 80% .

Запишем условие задачи и решим её.

Вопросы

1. Чему равно электрическое напряжение на участке цепи?
2. Как через напряжение и электрический заряд, прошедший через участок цепи, выразить работу электрического тока на этом участке?
3. Как выразить работу тока через напряжение, силу тока и время?
4. Какими приборами измеряют работу электрического тока?

Упражнение 34

1. Какую работу совершает электрический ток в электродвигателе за 30 мин, если сила тока в цепи 0,5 А, а напряжение на клеммах двигателя 12 В?
2. Напряжение на спирали лампочки от карманного фонаря равно 3,5 В, сопротивление спирали 14 Ом. Какую работу совершает ток в лампочке за 5 мин?
3. Два проводника, сопротивлением по 5 Ом каждый, соединены сначала последовательно, а потом параллельно и в обоих случаях включены под напряжение 4,5 В. В каком случае работа тока за одно и то же время будет больше и во сколько раз?

Изучая применение электрического тока, нужно уметь вычислять количество электроэнергии, которое расходуется на то или иное действие - нагревание воды в электрочайнике, подъём лифта и т.п. Поэтому выведем формулу для удобного подсчёта работы тока.

В левых частях равенств стоят разные символы, но они обозначают одну и ту же физическую величину - мощность. Следовательно, правые части формул можно приравнять: I · U = A / t . Выразим работу:

По этой формуле вычисляется работа тока или, что то же самое,израсходованная электроэнергия . Поясним, что эти термины - синонимы.
Когда в цепи появляется источник электрической энергии, его электрическое поле приводит в движение заряженные частицы внутри проводника (электроны и/или ионы), и их энергия возрастает. Сумма энергий всех частиц тела является внутренней энергией тела (см. § 7-д), значит,внутренняя энергия проводника в момент возникновения в нём тока возрастает . Согласно I закону термодинамики (см. § 6-з), внутренняя энергия может расходоваться на теплопередачу или совершение механической работы. Но, расходуясь, она постоянно пополняется за счёт энергии источника тока.
Прохождение тока по проводнику - работа тока - всегда сопровождаетсядействиями тока (см. § 8-з). При этом обязательно происходит превращение электроэнергии в другие виды энергии: тепловую (например, утюг, чайник), механическую (например, пылесос, вентилятор) и так далее. Поэтому под выражением «ток совершает работу» мы будем понимать превращение электроэнергии в другие виды энергии. В таком случае работа тока и израсходованная электроэнергия - выражения-синонимы.
Для измерения потреблённой электроэнергии служат специальные измерительные приборы - счётчики электроэнергии .
Для учёта потреблённой электроэнергии вместо джоуля используется более крупная единица работы - киловатт-час (обозначение: 1 кВт·ч). Например, счётчик на рисунке показывает значение 254,7 кВт·ч. Это может означать, например, что за всё время учёта потребитель мощностью 254,7 кВт работал 1 час или что потребитель мощностью 2547 Вт работал 100 часов (и так далее, соблюдая пропорцию).

Найдём связь этой единицы работы с более привычной единицей для её измерения - джоулем.
1 кВт · ч = 1000 Вт · 60 мин =
= 1000 Дж/с · 3600 с = 3 600 000 (Дж/с)·с =
= 3 600 000 Дж = 3,6 МДж
Итак, 1 кВт·ч = 3,6 МДж.
Формула A = I U t поможет нам выяснить, в чём состоит физический смысл величины «электрическое напряжение». Выразим её из формулы.

Отсюда видно, что 1 вольт - это такое напряжение, при котором ток силой 1 ампер способен за 1 секунду производить 1 джоуль работы. Другими словами, электрическое напряжение показывает работу, которую ежесекундно совершают силы электрического поля для поддержания в цепи тока силой 1 ампер.
Кроме того, из формулы I = q / t (см. § 9-б) следует, что q = I · t. Тогда:

Исходя из этой формулы, 1 вольт может рассматриваться и как такое напряжение, при котором работа сил электрического поля при перемещении по проводнику заряда в 1 Кл будет равна 1 Дж.
На основании всего рассуждения «под чертой» мы скажем, чтоэлектрическое напряжение является одной из характеристик электрического поля, перемещающего заряды по проводнику.

В каждой квартире или частном доме устанавливаются счетчики учета электроэнергии, по показаниям которых владельцы на ежемесячной основе оплачивают счета. Такие контрольные приборы учитывают количество киловатт-часов, потребленные всеми электроприборами и источниками света за определенный промежуток времени. Многие задаются вопросом о том, что же такое эти «киловатт-часы». Ответ прост: так измеряется работа тока.

Работа тока

Каждый человек использует электричество с конкретными целями. Электрический ток выполняет определенную работу, проходя по электроцепи, вследствие которой и функционируют электроприборы, осветительное оборудование и прочее.

Работа электрического тока – это величина, численно равная произведению силы электротока на напряжения на концах участка цепи и на временной промежуток, в течение которого такая работа совершалась. Если любое из этих производных будет изменяться в ту или иную сторону, то и работа, совершенная током, будет уменьшаться или увеличиваться.

Обозначается эта характеристика тока заглавной латинской литерой «А», а измеряется в джоулях или киловатт-часах, сокращенно «Дж» и «кВт*ч», соответственно.

На заметку. Работа тока показывает, сколько электроэнергии превратилось в другие виды энергии (тепловую либо световую) за конкретный период. Для электроэнергии справедлив закон сохранения энергии.

Формула, по которой измеряется работа электрического тока, выглядит следующим образом:

A = U*I*t, где:

• А – количественный показатель выполненной током работы;
• U – электронапряжение в цепи;
• I – сила электротока;

а, имея только данные о силе электротока и сопротивлении в электроцепи, эта величина рассчитывается по формуле:

В этих формула буквенно обозначаются следующие величины:

• А – работа электрического тока;
• U – напряжение в цепи;
• R – сопротивление на участке цепи;
• I – сила тока;
• t – время, за которое осуществлялась работа электротока.

Интересно знать. Счётчики обычно учитывают работу электрического тока в кВт*ч. Эта единица применяется на практике чаще, чем общепринятая единица электрической работы «джоуль», названная в честь знаменитого физика. Дело в том, что Джоуль – единица достаточно мелкая, а 1 кВт*ч = 3600000 Дж.

Для измерения работы тока необходимы такие приспособления, как вольтметр, амперметр, часы. На практике же измерения проводятся сборным прибором – счетчиком по учету электроэнергии.

Мощность тока

Также немаловажным является такое понятие, как мощность электротока, которая находиться в прямой зависимости от выполненной работы.

Мощность электротока численно равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа совершалась. Электрическая мощность по своему определению аналогична механической, но обозначается буквой Р.

Из определения мощности следует формула:

Р = А/t, где:

• Р – мощность электротока;
• А – выполненная током работа;
• t – время, за которое осуществлялась работа электротока.

Если заменить в этой формуле числитель на U*I*t, получится такое равенство:

Единицей измерения электрической мощности является Ватт (Вт). 1 Вт равен мощности тока силой 1 А с напряжением 1 В. Ватт – довольно небольшая единица, поэтому на практике используют дополнительные:

• кВт (киловатт);
• МВт (мегаватт);
• ГВт (гигаватт).

Мощность электрического тока на опыте определяется с помощью амперметра и вольтметра или специального прибора – ваттметра.