Se știe dintr-un curs de fizică că una dintre caracteristicile oricărui corp este capacitatea sa de a lucra, deoarece aceasta din urmă nu este altceva decât transformarea unui tip de energie în altul (de exemplu, potențial în cinetică). Ar trebui luat în considerare lege faimoasa conservarea energiei, formulată încă în secolul al XVIII-lea de M.V. Lomonosov, conform căruia energia nu dispare niciodată nicăieri, ea doar se schimbă, ia o altă formă. Toate cele de mai sus se aplică în mod egal nu numai solidelor, ci și altor tipuri de materie, inclusiv curentului electric.

După cum sa dovedit de mult, aceasta este mișcarea direcționată a particulelor încărcate. Deplasându-se de-a lungul unei anumite secțiuni a circuitului, aceste particule formează un câmp electric care produce un curent - aceasta este cantitatea de energie care trebuie cheltuită pentru a transfera o sarcină de-a lungul uneia date. În același timp, nu toată munca curentul este util și eficient. O parte destul de semnificativă din energie este cheltuită incarcare electrica a învins rezistența particule elementare, situat în conductor și în sursa circuitului.

Loc de munca curent electric, a cărei formulă, după cum reiese din textul de mai sus, A = U.Q, este cea mai importantă caracteristică acest tip special materie. În această formulă, U reprezintă o secțiune a lanțului, iar Q este o expresie cantitativă a sarcinii purtate de-a lungul unei secțiuni date.

Cu toate acestea, munca curentului electric în sine nu ar fi de interes deosebit dacă nu s-ar fi găsit un model care să lege această lucrare și cantitatea eliberată.Acest model a fost descoperit aproape simultan de doi fizicieni celebri - Lenz și Joey Prescott, motiv pentru care dreptul în comunitatea științifică a primit denumirea de „lege Joule-Lenz”. Conform acestei legi, se dovedește că cantitatea (sau puterea) de căldură care este eliberată într-un anumit volum atunci când particulele încărcate curg prin acesta este direct dependentă de produsul intensității câmpului și densitatea curentului electric care curge printr-un zonă dată. Această lege are o mare importanță pentru calcularea pierderilor de energie electrică în timpul transmiterii acesteia prin fire pe distanțe mari.

Lucrul curentului electric este cel mai direct legat de o altă cantitate importantă - puterea. În fizică ne referim caracteristici cantitative rate de conversie și transfer energie electrica. Puterea este măsurată în kilowați-oră, în timp ce munca efectuată de curentul electric este măsurată în jouli.

Pentru obtinerea putere maxima curent de la o anumită sursă, este necesar să se țină seama de caracteristicile acestei surse, precum și de faptul că circuitul extern trebuie să fie comparabil între ele, în in caz contrar toată munca depusă va merge pentru a depăși diferența de rezistență.

Lucrul curentului electric este cel mai important caracteristici fizice, care trebuie luate în considerare în aproape toate industriile, precum și în producerea și transportul energiei pe distanțe lungi.

Când studiați utilizarea curentului electric, trebuie să puteți calcula cantitatea de energie electrică cheltuită pentru o anumită acțiune a curentului. De exemplu, ridicarea unui lift, încălzirea unui fierbător și altele asemenea. Prin urmare, derivăm o formulă pentru calcularea muncii curentului.

În partea stângă a acestor egalități există simboluri diferite, dar ele denotă aceeași mărime fizică - putere. Prin urmare, părțile din dreapta ale formulelor pot fi egalate: I · U = A / t. Să exprimăm munca:

Această formulă calculează munca curenta sau, ce este la fel, energie electrică consumată. Să lămurim că termenii pe care i-am evidențiat sunt sinonimi.

În momentul în care circuitul este închis, câmpul electric al sursei de energie pune în mișcare particulele încărcate din conductor (electroni și/sau ioni), iar energia acestora crește. Suma energiilor tuturor particulelor corpului este energia internă a corpului (vezi § 7-d), ceea ce înseamnă că energia internă a conductorului în momentul în care iese curentul în acesta crește. Conform primei legi a termodinamicii, energia internă poate fi cheltuită pentru transferul de căldură sau lucru (vezi § 6-h). Dar, pe măsură ce este consumat, este în mod constant alimentat din sursa de energie.

Să ne amintim că trecerea curentului printr-un conductor este întotdeauna însoțită de efectele curentului (vezi § 8-h). În acest caz, se produce în mod necesar transformarea energiei electrice în alte tipuri de energie. De exemplu, intern (fier de călcat sau ceainic), mecanic (aspirator sau ventilator) și așa mai departe. Prin urmare, prin expresia „curent funcționează” vom înțelege transformarea electricității în alte tipuri de energie. În acest sens, munca energiei electrice curente și consumată sunt expresii sinonime.

Pentru măsurarea energiei electrice consumate, special instrumente de masura – contoare de energie electrică.

Pentru a ține cont de electricitate, în loc de joule, se folosește o unitate mai mare - kilowatt-oră (simbol: 1 kWh). De exemplu, contorul din figură arată o valoare de 254,7 kWh. Aceasta poate însemna că pe toată perioada contabilă, un consumator cu o putere de 254,7 kW a lucrat 1 oră sau că un consumator cu o putere de 2547 W a lucrat 100 de ore (și așa mai departe, menținând proporția).

Din aceasta putem vedea că 1 volt este o tensiune la care un curent de 1 amper este capabil să producă 1 joule de lucru într-o secundă. Cu alte cuvinte, tensiune electrică arată munca pe care o fac forțele în fiecare secundă câmp electric pentru a menține un curent de 1 amper în circuit.

În plus, din formula I = q / t  (vezi § 9-b)  rezultă: q = I · t. Apoi:

Pe baza acestei formule, 1 volt poate fi considerat și o tensiune la care lucrul forțelor câmpului electric la deplasarea unei sarcini de 1 C va fi egal cu 1 J. În general, vom spune: tensiunea electrică este una dintre caracteristici a câmpului electric care mișcă sarcini de-a lungul unui conductor.

§ 09-g. Lucru de curent electric

Când studiați utilizarea curentului electric, trebuie să puteți calcula cantitatea de energie electrică cheltuită pentru o anumită acțiune a curentului. De exemplu, ridicarea unui lift, încălzirea unui fierbător și altele asemenea. Prin urmare, derivăm o formulă pentru calcularea muncii curentului.

Părțile stângi ale acestor egalități au simboluri diferite, dar ele denotă aceeași cantitate fizică - putere. Prin urmare, părțile din dreapta ale formulelor pot fi egalate: I U = A/t. Să exprimăm munca:

Formula pentru calculul muncii curentului electric sau, ceea ce este la fel, pentru calcularea energiei electrice consumate.

Această formulă calculează munca curenta sau, ce este la fel, energie electrică consumată. Să lămurim că termenii pe care i-am evidențiat sunt sinonimi.

În momentul în care circuitul este închis, câmpul electric al sursei de energie pune în mișcare particulele încărcate din conductor (electroni și/sau ioni), iar energia acestora crește. Suma energiilor tuturor particulelor corpului este energia internă a corpului (vezi § 7-e), ceea ce înseamnă Energia internă a unui conductor în momentul în care iese curent în el crește. Conform primei legi a termodinamicii, energia internă poate fi cheltuită pentru transferul de căldură sau lucru (vezi § 6-h). Dar, pe măsură ce este consumat, este în mod constant alimentat din sursa de energie.

Să ne amintim că trecerea curentului printr-un conductor este întotdeauna însoțită de efectele curentului(vezi § 8-h). În acest caz, se produce în mod necesar transformarea energiei electrice în alte tipuri de energie. De exemplu, intern (fier de călcat sau ceainic), mecanic (aspirator sau ventilator) și așa mai departe. De aceea Prin expresia „curent funcționează” vom înțelege transformarea energiei electrice în alte tipuri de energie.În acest sens, munca energiei electrice curente și consumată sunt expresii sinonime.

Pentru măsurarea energiei electrice consumate se folosesc instrumente speciale de măsurare - contoare de energie electrică.

Pentru a ține cont de electricitate, se folosește o unitate mai mare în loc de joule - kilowatt-oră(simbol: 1 kWh). De exemplu, contorul din figură arată o valoare de 254,7 kWh. Aceasta poate însemna că pe toată perioada contabilă, un consumator cu o putere de 254,7 kW a lucrat 1 oră sau că un consumator cu o putere de 2547 W a lucrat 100 de ore (și așa mai departe, menținând proporția).

Să găsim legătura dintre kilowatt-oră și unitatea mai familiară pentru măsurarea muncii - joule.

1 kW h = 1000 W 60 min =
= 1000 J/s 3600 s = 3.600.000 (J/s) s =
= 3.600.000 J = 3,6 MJ

Deci, 1 kWh = 3,6 MJ.

Notă. Formula pentru munca curentă A = I·U·t te va ajuta sa afli sens fizic tensiune electrică. Să exprimăm:

Din aceasta putem vedea că 1 volt este o tensiune la care un curent de 1 amper este capabil să producă 1 joule de lucru într-o secundă. Cu alte cuvinte, Tensiunea electrică arată munca pe care o fac forțele câmpului electric în fiecare secundă pentru a menține un curent de 1 amper într-un circuit.

Mai mult, din formula I = q/t(a se vedea § 9-b)  ar trebui: q = eu t. Apoi:

Pe baza acestei formule, 1 volt poate fi considerat și o tensiune la care munca efectuată de forțele câmpului electric la deplasarea unei sarcini de 1 C va fi egal cu 1 J. În general, vom spune: Tensiunea electrică este una dintre caracteristicile câmpului electric care mișcă sarcinile de-a lungul unui conductor.

Este calculată puterea dispozitivului? Sau poate că acesta din urmă poate fi măsurat? Și cum să aplici cunoștințele dobândite la rezolvarea problemelor?

Astfel de întrebări apar pentru mulți elevi de clasa a opta atunci când studiază subiectul „Electricitate”. Răspunsul la ele este destul de simplu. Și nu va trebui să memorezi formulele pentru o lungă perioadă de timp. Pentru că sunt foarte asemănătoare între ele sau le folosesc pe cele care au fost deja studiate.

Prima cantitate: lucru curent

Mai întâi trebuie să cădem de acord asupra notării. Pentru că pot exista diferențe între ele.

Fiecare creează un câmp electric care face ca electronii liberi să se miște. Adică ia naștere un curent. În acest moment se spune că câmpul electric funcționează. Aceasta este ceea ce se numește în mod obișnuit munca curentă.

Câmpul electric creat de o sursă de curent este caracterizat de tensiune. Afectează cât de mult lucrează un curent electric atunci când mișcă o unitate de încărcare. Prin urmare, se introduce o formulă pentru tensiune:

Este ușor să deduceți formula de lucru din aceasta:

Acum merită să ne amintim egalitatea care este introdusă pentru puterea actuală. Este egal cu raportul dintre sarcina transferată și timpul mișcării sale:

Prin urmare q = I * t. Înlocuind litera q în formula de lucru cu ultima expresie, obținem următoarea formulă:

Acest forma generala egalitate prin care se poate calcula munca curentului electric. Formula se va schimba ușor dacă se aplică legea lui Ohm. Potrivit acestuia, tensiunea este egală cu produsul dintre curent și rezistență. Atunci următoarea egalitate va fi adevărată:

A = I 2 * R * t.

Puteți înlocui nu tensiunea, ci curentul. Este egal cu câtul dintre U și R. Atunci formula de lucru va arăta astfel:

A = (U 2 * t)/R.

A doua cantitate: putere curentă

Formula generală pentru aceasta este aceeași ca și în mecanică. Adică, este definită ca muncă efectuată pe unitatea de timp.

Acest lucru arată că munca și puterea curentului electric sunt interconectate. Pentru a obține o egalitate mai specifică, va trebui să înlocuiți numărătorul folosind formula generala pentru munca. Apoi devine clar cum se determină puterea, cunoscând puterea curentului și tensiunea circuitului.

În plus, puterea poate fi măsurată. În acest scop, există un dispozitiv special numit wattmetru.

Legea Joule-Lenz

Fenomenul de încălzire a conductorilor a fost descoperit de omul de știință francez A. Fourquois. Acest lucru s-a întâmplat în 1880. 41 de ani mai târziu a fost descrisă de fizicianul englez J.P.Joule și un an mai târziu confirmată experimental de fizicianul rus E.H. Lenz. Pe numele ultimilor doi oameni de știință au început să numească tiparul descoperit.

Implică două cantități: cantitatea de căldură și munca curentului electric. Legea Joule-Lenz afirmă că toată munca dintr-un conductor staționar merge spre încălzirea acestuia. Adică, un conductor care transportă curent emite o cantitate de căldură egală cu produsul rezistenței sale, timpul și pătratul curentului. Formula arată la fel cu cea dată pentru a funcționa:

Q = I 2 * R * t.

Sarcina de definire a postului

Condiție. Rezistența unui bec de lanternă este de 14 ohmi. Tensiunea furnizată de baterie este de 3,5 V. Care va fi munca făcută de curent dacă lanterna a funcționat 2 minute?

Soluţie. Deoarece tensiunea, rezistența și timpul sunt cunoscute, este necesar să se folosească următoarea formulă: A = (U 2 * t)/R. Mai întâi trebuie să convertiți timpul în unități SI, adică secunde. Astfel, trebuie să înlocuiți nu 2 minute, ci 120 de secunde în formulă.

Calculele simple conduc la următoarea valoare pentru lucrarea curentă: 105 J.

Răspuns. Lucrarea este de 105 J.

Problemă de determinare a puterii

Condiție. Este necesar să se determine cu ce este egală munca și puterea curentului electric din înfășurarea motorului electric. Se știe că puterea curentului în el este de 90 A la o tensiune de 450 V. Motorul electric rămâne pornit timp de o oră.

După înlocuirea valorilor și efectuarea unor operații aritmetice simple, se obține următoarea valoare pentru lucru: 145800000 J. Este mai convenabil să o scrieți în răspuns în unități mai mari. De exemplu, megajouli. Pentru a face acest lucru, rezultatul trebuie împărțit la un milion. Lucrarea se dovedește a fi 145,8 MJ.

Acum trebuie să calculați puterea motorului electric. Calculele se vor efectua după formula: P = U * I. După înmulțire, numărul obținut este: 40500 W. Pentru a o scrie în kilowați, trebuie să împărțiți rezultatul la o mie.

Răspuns. A = 145,8 MJ, P = 40,5 kW.

Problema de calcul a tensiunii

Condiție. Aragazul electric a fost conectat la priză de 20 de minute. Care este tensiunea în rețea dacă, la un curent de 4 A, lucrul este egal cu 480 kJ?

Soluţie. Deoarece lucrul și puterea curentului sunt cunoscute, trebuie să utilizați următoarea formulă: A = U * I * t. Aici tensiunea este un factor necunoscut. Acesta trebuie calculat ca coeficientul produsului si un factor cunoscut, adica: U = A / (I * t).

Înainte de a face calcule, trebuie să convertiți valorile în unități SI. Și anume, lucrul în Jouli și timpul în secunde. Acesta va fi 480.000 J și 1200 s. Acum nu mai rămâne decât să numărăm totul.

Răspuns. Tensiunea este de 100 V.

Cum se calculează munca efectuată de curent electric? Știm deja că tensiunea la capetele unei secțiuni a circuitului este numeric egală cu munca care se face atunci când o sarcină electrică de 1 C trece prin această secțiune. Când o sarcină electrică care trece prin aceeași zonă nu este de 1 C, ci, de exemplu, de 5 C, munca efectuată va fi de 5 ori mai mare. Astfel, pentru a determina activitatea curentului electric pe orice secțiune a circuitului, este necesar să se înmulțească tensiunea de la capetele acestei secțiuni ale circuitului cu sarcina electrică (cantitatea de electricitate) care trece prin aceasta:

unde A este lucru, U este tensiunea, q este sarcina electrică. Sarcina electrică care trece printr-o secțiune a circuitului poate fi determinată prin măsurarea puterii curentului și a timpului în care trece:

Folosind această relație, obținem o formulă pentru lucrul curentului electric, care este convenabil de utilizat în calcule:

Lucrul unui curent electric pe o secțiune a unui circuit este egal cu produsul tensiunii de la capetele acestei secțiuni cu puterea curentului și timpul în care a fost efectuată lucrarea.

Lucrul se măsoară în jouli, tensiunea în volți, curentul în amperi și timpul în secunde, așa că putem scrie:

1 joule = 1 volt x 1 amper x 1 secundă,

1 J = 1 VA s.

Se pare că pentru a măsura munca curentului electric sunt necesare trei instrumente: un voltmetru, un ampermetru și un ceas. În practică, se măsoară munca efectuată de curent electric dispozitive speciale - contoare. Designul contorului pare să combine cele trei dispozitive menționate mai sus. Contoarele de energie electrică pot fi văzute acum în aproape fiecare apartament.

Exemplu. Cât de mult lucrează motorul electric într-o oră dacă curentul din circuitul motorului electric este de 5 A și tensiunea la bornele sale este de 220 V? Randamentul motorului 80%.

Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.

Întrebări

1. Care este tensiunea electrică pe secțiunea circuitului?
2. Cum putem exprima munca curentului electric în această secțiune prin tensiune și sarcină electrică care trece printr-o secțiune a unui circuit?
3. Cum se exprimă munca curentului în termeni de tensiune, curent și timp?
4. Ce instrumente măsoară lucrul curentului electric?

Exercițiul 34

1. Cât de mult lucrează curentul electric din motorul electric în 30 de minute dacă curentul din circuit este de 0,5 A și tensiunea la bornele motorului este de 12 V?
2. Tensiunea pe spirala unui bec de la o lanternă este de 3,5 V, rezistența spiralei este de 14 ohmi. Cât de mult lucrează curentul în bec în 5 minute?
3. Două conductoare, fiecare cu o rezistență de 5 ohmi, sunt conectate mai întâi în serie și apoi în paralel, iar în ambele cazuri sunt conectate la o tensiune de 4,5 V. În acest caz munca efectuată de curent va fi mai mare pentru același timp și de câte ori?