Lucru de curent electric

Atașat la circuitul prezentat în figura 1 presiune constantă U.

U = φ A – φ B

Pe parcursul t cantitatea de electricitate care curge prin circuit Q. Forțele câmpului electric care acționează de-a lungul conductorului au transferat sarcina în acest timp Q dintr-un punct DAR exact B. Muncă forte electrice domenii sau, ceea ce este la fel, muncă curent electric poate fi calculat folosind formula:

A = Q × ( φ A – φ B) = Q × U,

pentru că Q = eu × t, apoi in sfarsit:

A= U × eu × t,

Unde A– lucru în jouli; eu- curent în amperi; t– timpul în secunde; U este tensiunea în volți.

Legea lui Ohm U = eu × r. Prin urmare, formula de lucru poate fi scrisă astfel:

A = eu 2× r × t.

Puterea curentului electric

Munca efectuată pe unitatea de timp se numește putere și se notează cu literă P.

Din această formulă avem:

A = P × t.

Unitate de alimentare:

1 (J/sec) este altfel numit wat (W). Înlocuind expresia pentru lucrul curentului electric în formula puterii, avem:

P = U × eu(W).

Formula pentru puterea unui curent electric poate fi exprimată și în termeni de curent consumat și rezistența consumatorului:

Pe lângă watt, în practică sunt folosite unități mai mari de putere electrică. Energie electrică măsurată în:

100 W = 1 hectowatt (gW);
1000 W = 1 kilowatt (kW);
1.000.000 W = 1 megawatt (MW).

Puterea electrică este măsurată cu un dispozitiv special - un wattmetru. Wattmetrul are două înfășurări (bobine): serial și paralel. Bobina serie este curentă și este conectată în serie cu sarcina din secțiunea circuitului în care se fac măsurătorile și bobina paralela- aceasta este o bobină de tensiune, în consecință, pornește în paralel cu această sarcină. Principiul de funcționare al wattmetrului se bazează pe interacțiunea a două fluxuri magnetice create de curentul care trece prin înfășurarea bobinei mobile (bobina de curent) și curentul care trece prin bobina fixă ​​(bobina de tensiune). Când curentul măsurat trece prin înfășurările bobinelor mobile și fixe, se formează două câmpuri magnetice, în timpul interacțiunii cărora bobina mobilă tinde să se poziționeze astfel încât direcția sa camp magnetic a coincis cu direcţia câmpului magnetic al bobinei fixe. Cuplul este contracarat de momentul creat de arcurile elicoidale, prin care un curent măsurabil este condus în bobina mobilă. Momentul de contracarare al arcurilor este direct proportional cu unghiul de rotatie al bobinei. O săgeată montată pe o bobină mobilă indică valoarea mărimii măsurate. Circuitul de comutare a wattmetrului este prezentat în Figura 2.

Dacă decideți să măsurați consumul de energie al oricărei sarcini pe care o aveți și, în același timp, nu aveți un wattmetru, puteți „face” un wattmetru cu propriile mâini. Din formula P = eu × U Se poate observa că puterea consumată în rețea poate fi determinată prin înmulțirea curentului cu tensiunea. Prin urmare, pentru a determina puterea consumată din rețea, trebuie utilizate două dispozitive, un voltmetru și un ampermetru. După măsurarea curentului consumat cu un ampermetru și a tensiunii rețelei de alimentare cu un voltmetru, este necesar să se înmulțească citirea ampermetrului cu citirea voltmetrului.

Deci, de exemplu, puterea consumată de rezistență r, cu o citire a ampermetrului de 3 A și un voltmetru de 220 V, va fi:

P = eu × U\u003d 3 × 220 \u003d 660 wați.

Pentru măsurători practice munca Electrica(de energie) joule este o unitate prea mică.

Dacă timpul tînlocuiți nu în secunde, ci în ore, obținem unități mai mari de energie electrică:

1 J = 1 W × sec;
1 W × h = 3600 wați × secunde = 3600 J;
100 W × h = 1 hectowatt × oră (GW × h);
1000 W × h = 1 kilowatt × oră (kW × h).

Energia electrică este măsurată prin contoare de energie electrică.

Video 1. Munca și puterea curentului electric

Video 2. Mai multe despre putere

Exemplul 1 Determinați puterea consumată motor electric, dacă curentul din circuit este de 8 A și motorul este conectat la o rețea de 220 V.

P = eu × U\u003d 8 × 220 \u003d 1760 W \u003d 17,6 gW \u003d 1,76 kW.

Exemplul 2 Care este puterea consumata de o soba electrica daca soba preia din retea un curent de 5 A, iar rezistenta bobinei aragazului este de 24 ohmi?

P = eu 2× r= 25 × 24 = 600 W = 6 GW = 0,6 kW.

Când se traduce puterea mecanică în putere electrică și invers, trebuie reținut că
1 cai putere (CP) \u003d 736 W;
1 kilowatt (kW) \u003d 1,36 litri. Cu.

Exemplul 3 Determinați energia consumată de o sobă electrică de 600 W timp de 5 ore.

A = P × t= 600 × 5 = 3000 W × h = 30 GW × h = 3 kW × h

Exemplul 4 Determinați costul arderii a douăsprezece lămpi electriceîn decurs de o lună (30 de zile), dacă patru dintre ele, de 60 W fiecare, ard 6 ore pe zi, iar restul de opt lămpi de 25 W ard 4 ore pe zi. Prețul pentru energie (tarif) este de 2,5 ruble pe 1 kWh.

Puterea a patru lămpi de 60 de wați.

P= 60 × 4 = 240 W.

t= 6 × 30 = 180 ore.

A = P × t= 240 × 180 = 43200 W × h = 43,2 kW × h.

Puterea celor opt lămpi rămase este de 25 de wați.

P= 25 × 8 = 200 W.

Numărul de ore de ardere a acestor lămpi pe lună:

t= 4 × 30 = 120 de ore.

Energia consumată de aceste lămpi:

A = P × t= 200 × 120 = 24000 W × h = 24 kW × h.

Cantitatea totală de energie consumată:

43,2 + 24 = 67,2 kWh

Costul tuturor energiei consumate:

67,2 × 2,5 = 168 de ruble.

Fiecare corp este capabil să lucreze, aceasta se numește energia corpului. Cel mai simplu exemplu este un corp ridicat la o anumită înălțime. Are energie potențială, dacă corpul este eliberat, va începe să elibereze energie, transformând-o în energie cinetică, în acest moment corpul va face treaba.

În consecință, cu cât înălțimea corpului este mai mare, cu atât energia acestuia va fi mai mare. Energia nu dispare niciodată fără urmă, este doar transformată într-o altă formă - aceasta este una dintre principalele legi ale fizicii.

Același lucru este valabil și cu energia electrică, ea poate fi transformată într-un alt tip de energie - termică, cinetică, mecanică, chimică etc.

Prin urmare, electricitatea a devenit atât de utilizată. Acest tip de energie, spre deosebire de oricare altul, poate fi transferat distante lungiși depozitați, practic, fără pierderi, și îl puteți obține destul de simplu.

Munca de curent electric

Când actual curge printr-o anumită secțiune a circuitului electric, câmpul electric efectuează o anumită muncă. Aceasta se numește lucrul unui curent electric. Pentru a transfera sarcina de energie de-a lungul acestui circuit, trebuie să cheltuiți o anumită cantitate de energie. Este raportat la receptor, în timp ce o parte din energie este cheltuită pentru depășirea rezistenței firelor și a surselor din circuitul electric.

Acest lucru sugerează că nu toată energia cheltuită este distribuită eficient și că nu toată este utilă. Prin urmare, munca depusă nu este pe deplin eficientă. LA acest caz formula va arăta astfel: A \u003d U Q.

U este tensiunea la bornele receptorului și Q este sarcina transportată de-a lungul circuitului. În acest caz, trebuie luat în considerare Legea lui Ohm pentru o secțiune de circuit , atunci formula va arăta astfel: R I2 Δt = U I Δt = ΔA.

Folosind această formulă, se poate urmări funcționarea legii conservării energiei, care se aplică unei secțiuni omogene a circuitului.

În 1850, fizicianul englez Joel Prescott, care a adus o contribuție semnificativă la studiul electricității, a descoperit lege noua. Esența sa a fost de a determina modalitățile prin care munca curentului electric este convertită în energie termică. În același timp, un alt fizician - Lenz a reușit să facă o descoperire similară și să dovedească legea, așa că a primit numele de „lege Joule-Lenz”, în onoarea ambilor fizicieni de seamă ai vremii.

Puterea curentului electric

Puterea este o altă caracteristică utilizată în determinarea lucrului unui curent electric. Aceasta este o anumită mărime fizică care caracterizează transformarea și rata de transfer de energie.

Atunci când se determină puterea unui curent electric, trebuie să se ia în considerare un astfel de indicator ca puterea instantanee. Este raportul valorilor instantanee ale indicatorilor, cum ar fi curentul și tensiunea sub forma unui produs. Acest raport se aplică unei anumite secțiuni a lanțului.

Indicatori precum munca și puterea curentului electric sunt luați în considerare la crearea oricăruia circuite electrice. Alături de alte legi sunt fundamentale, nerespectarea lor va duce la încălcări grave.

A primi cea mai mare putere curent electric, trebuie luate în considerare și caracteristicile generatorului, adică rezistența în circuitul extern ar trebui să fie nici mai mult, nici mai mică. rezistență internă generator.

Numai în acest caz, eficiența muncii va fi maximă, deoarece altfel toată energia generatorului va fi cheltuită pentru depășirea rezistenței, iar toată munca va fi neeconomică. Desigur, o astfel de schemă de funcționare poate afecta negativ eficiența întregului circuit electric.

Lucrarea unui curent electric arată cât de multă muncă a fost făcută câmp electric când se deplasează sarcini de-a lungul unui conductor.

Cunoscând două formule:

I = q/t..... și..... U = A/q
puteți obține o formulă pentru calcularea lucrului unui curent electric:

Lucrul unui curent electric este egal cu produsul dintre puterea curentului și tensiunea și timpul în care curentul curge în circuit.

Unitatea de măsură pentru lucrul curentului electric în sistemul SI:

[A] = 1 J = 1A.B.c

ÎNVĂȚĂ, MERGI

Când se calculează munca unui curent electric, acesta este adesea folosit
unitate multiplă de curent electric în afara sistemului: 1 kWh (kilowatt-oră).

INTERESANT

La un moment dat, J. Watt a propus o astfel de unitate ca „cai putere” ca unitate de putere. Această unitate de măsură a supraviețuit până în zilele noastre. Dar în Anglia, în 1882, Asociația Britanică a Inginerilor a decis să atribuie numele de J. Watt unității de putere. Acum numele lui James Watt poate fi citit pe orice bec.
Aceasta a fost prima dată în istoria tehnologiei când o unitate de măsură a primit propriul nume.
Din acest caz, a început tradiția de a atribui nume proprii unităților de măsură.

Ei spun că...
unul dintre motoarele cu abur ale lui Watt a fost cumpărat de un producător de bere pentru a înlocui calul care alimenta pompa de apă. La alegere puterea necesară a mașinii cu abur, producătorul de bere a definit forța de muncă a calului ca fiind opt ore de muncă non-stop până când calul a fost complet epuizat. Calculul a arătat că în fiecare secundă calul ridica 75 kg de apă la o înălțime de 1 metru, care a fost luată ca unitate de putere de 1 cal putere.

TU STII

Curentul care curge în bobinele lămpilor electrice le încălzește la o temperatură foarte ridicată.
Prin urmare, pentru ca spiralele să dureze mai mult, ele sunt închise în cilindri de sticlă umpluți cu gaz inert în lămpi de mare putere.

În becurile lămpilor putere redusă(până la 40 W) - vid. Pentru ca lampa să reziste mai mult, temperatura spiralei unor astfel de lămpi este mai mică, iar lumina are o nuanță galbenă.

Electricitatea atmosferică este periculoasă sub formă de descărcări liniare (fulgere), care apar pe planeta noastră aproximativ 100 în fiecare secundă. Sarcinile electrice atmosferice pot avea o tensiune de până la 1 miliard de volți, iar curentul fulgerului poate ajunge la 200.000 de amperi. Durata de viață a fulgerului este estimată între 0,1 și 1 secundă.
Temperatura ajunge la 6-10 mii de grade Celsius.
Și dacă presupunem că Energie electrica un fulger poate avea 2500 kWh, iar o familie de trei persoane consumă 250 kWh de energie electrică pe lună, atunci energia unui fulger ar fi suficientă pentru a satisface nevoile acestei familii timp de 10 luni.

POȚI DECIZI

Două lămpi electrice, a căror putere este de 40 și 100 W, sunt proiectate pentru aceeași tensiune.
Comparați rezistențele de filament ale ambelor lămpi.

Camera este iluminată cu 40 de lămpi electrice de la o lanternă, conectate în serie și alimentate din rețeaua orașului. După ce o lampă s-a ars, restul de 39 au fost din nou conectate în serie și conectate la rețea.
Când a fost camera mai luminoasă: cu 40 sau 39 de lumini?

Conectate în serie fire de cupru și fier de aceeași lungime și secțiune sunt conectate la baterie. Care va ieși în evidență cantitate mare incalzire in aceeasi perioada de timp?

Doi conductori de lungimi diferite, dar de aceeași secțiune transversală și material, sunt conectați în paralel unul cu celălalt într-un circuit de curent electric. Care dintre ele va elibera mai multă căldură?

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

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

Prima valoare: munca curentă

În primul rând, trebuie să cădem de acord asupra notării. Pentru că pot diferi.

Fiecare creează un câmp electric care face ca electronii liberi să se miște. Adică există un curent. În acest moment, se spune că câmpul electric funcționează. Aceasta este ceea ce se numește opera curentului.

Câmpul electric creat de sursa de curent este caracterizat de tensiune. Afectează cât de multă muncă de curent electric este efectuată atunci când se deplasează o unitate de încărcare. Prin urmare, se introduce formula pentru stres:

Din aceasta este ușor să deduceți formula muncii:

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

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

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

A \u003d I 2 * R * t.

Puteți înlocui nu tensiunea, ci puterea curentului. Este egal cu U și R privat. Atunci formula de lucru va arăta astfel:

A \u003d (U 2 * t) / R.

A doua valoare: puterea curentă

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

Din aceasta se poate observa că munca și puterea curentului electric sunt interconectate. Pentru a obține o egalitate mai specifică, trebuie 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. Fourqua. 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.Kh. Lenz. Pe numele ultimilor doi oameni de știință au început să numească tiparul descoperit.

Două cantități sunt conectate în el: cantitatea de căldură și munca curentului electric. Legea Joule-Lenz spune că toată munca dintr-un conductor fix merge pentru a-l încălzi. Adică, un conductor care poartă curent eliberează o cantitate de căldură egală cu produsul rezistenței sale, timpului și pătratul curentului. Formula arată exact ca una dintre cele date să lucreze:

Q \u003d I 2 * R * t.

Sarcina de definire a postului

Condiție. Rezistența unui bec de lanternă este de 14 ohmi. Tensiunea pe care o dă bateria este de 3,5 V. Care va fi curentul de lucru dacă lanterna a funcționat 2 minute?

Soluţie. Deoarece tensiunea, rezistența și timpul sunt cunoscute, este necesar să folosiți următoarea formulă: A \u003d (U 2 * t) / R. Doar mai întâi trebuie să convertiți timpul în unități SI, adică secunde. Astfel, în formulă trebuie să înlocuiți nu 2 minute, ci 120 de secunde.

Calcule simple duc la această valoare a lucrării curente: 105 J.

Răspuns. Lucrarea este de 105 J.

Sarcina de a determina puterea

Condiție. Este necesar să se determine cu ce sunt egale munca și puterea curentului electric din înfășurarea motorului. Se știe că puterea curentului din acesta are o valoare 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, pentru lucru se obține următoarea valoare: 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 vor fi efectuate după formula: P \u003d U * I. După înmulțire, numărul va fi: 40500 wați. Pentru a-l scrie în kilowați, trebuie să împărțiți rezultatul la o mie.

Răspuns. A = 145,8 MJ, P = 40,5 kW.

Sarcina de tensiune

Condiție. Soba electrica este conectata la retea timp de 20 de minute. Care este tensiunea în rețea dacă, cu un curent de 4 A, lucrul este de 480 kJ?

Soluţie. Deoarece lucrul și puterea curentului sunt cunoscute, trebuie să utilizați următoarea formulă: A \u003d U * I * t. Aici tensiunea este un factor necunoscut. Trebuie calculat ca un produs parțial și un factor cunoscut, adică: U \u003d A / (I * t).

Înainte de a face calcule, trebuie să convertiți valorile în unități SI. Și anume, lucrul în Jouli și timpul în secunde. Va fi 480000 J și 1200 s. Acum nu mai rămâne decât să numere.

Răspuns. Tensiunea este de 100 V.

Cum se calculează munca unui curent electric? Știm deja că tensiunea la capetele unei secțiuni de circuit este numeric egală cu munca care se face atunci când o sarcină electrică de 1 C trece prin această secțiune. La trecerea prin aceeași secțiune a unei sarcini electrice egală nu cu 1 C, ci, de exemplu, cu 5 C, munca efectuată va fi de 5 ori mai mare. Astfel, pentru a determina funcționarea unui curent electric în orice secțiune a circuitului, este necesar să se înmulțească tensiunea la capetele acestei secțiuni ale circuitului cu incarcare electrica(cantitatea de energie electrică) trecută prin ea:

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

Folosind acest raport, obținem formula pentru funcționarea unui curent electric, care este convenabil de utilizat în calcule:

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

Lucrul este măsurat în jouli, tensiunea este în volți, curentul este în amperi și timpul este în secunde, așa că puteți scrie:

1 joule = 1 volt x 1 amperi x 1 secundă

1 J = 1 V A s.

Se pare că sunt necesare trei dispozitive pentru a măsura funcționarea unui curent electric: un voltmetru, un ampermetru și un ceas. În practică, se măsoară activitatea unui curent electric dispozitive speciale - contoare. În dispozitivul contorului, parcă, cele trei dispozitive numite mai sus sunt combinate. Contoarele de energie electrică pot fi văzute acum în aproape fiecare apartament.

Exemplu. Ce lucru face motorul electric în 1 oră, dacă curentul în circuitul motorului electric este de 5 A, tensiunea la bornele sale este de 220 V? Randamentul motorului 80%.

Să notăm starea problemei și să o rezolvăm.

Întrebări

1. Ce este egal cu tensiune electrică pe lant?
2. Cum se exprimă activitatea curentului electric în această secțiune prin tensiune și sarcină electrică care a trecut printr-o secțiune a unui circuit?
3. Cum se exprimă munca curentului în termeni de tensiune, curent și timp?
4. Ce instrument este folosit pentru a măsura munca unui curent electric?

Exercițiul 34

1. Ce lucru efectuează curentul electric în 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 din bec în 5 minute?
3. Două conductoare, cu o rezistență de 5 ohmi fiecare, sunt conectate mai întâi în serie, apoi în paralel și în ambele cazuri sunt conectate la o tensiune de 4,5 V. În care caz curentul va funcționa în același timp mai mare și cum multe ori?