Работа тока - это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника;

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

Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:

По закону сохранения энергии:

работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока.

В системе СИ:

ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА

При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам

Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.

В системе СИ:

[Q] = 1 Дж

МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.

В системе СИ:

Электростатика и законы постоянного тока - Класс!ная физика

Любознательным

Следы на песке

Если вам приходилось, гулять по пляжу во время отлива, то, вероятно, вы заметили, что, как только нога ступает на мокрый твердый песок, он немедленно подсыхает и белеет вокруг вашего следа. Обычно это объясняют тем, что под тяжестью тела вода «выжимается» из песка. Однако это не так, потому что песок не ведет себя подобно мочалке. Почему же белеет песок? Будет ли песок оставаться белым все время, пока вы стоите на месте?

Оказывается...
Побеление песка на пляже впервые объяснил Рейнольде в 1885 г. Он показал, что объем песка увеличивается, когда на него наступают. До этого песчинки были «упакованы» самым плотным образом. Под действием деформации сдвига, которая возникает под подошвой ботинка, объем, занимаемый песчинками, может лишь увеличиться. В то время как уровень песка поднимается резко, уровень воды может подняться лишь в результате капиллярных явлений, а на это требуется время. Поэтому на дне следа ноги песок некоторое время оказывается выше уровня воды - он сухой и белый.

Работа тока - это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника;
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.

Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:

По закону сохранения энергии:

работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия
равна работе тока.

В системе СИ:

ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА

При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.

В системе СИ:

[Q] = 1 Дж

МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.

В системе СИ:

Первый закон Кирхгофа.

Сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. i 2 + i 3 = i 1 + i 4

Первое правило Кирхгофа (правило токов Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом втекающий в узел ток принято считать положительным, а вытекающий - отрицательным:

Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Это правило следует из фундаментального закона сохранения заряда.

7. Расчет цепи методом эквивалентных структурных преобразований.

Метод эквивалентных структурных преобразований.

В основе различных методов преобразования электрических схем лежит понятие эквивалентности, согласно которому напряжения и токи в ветвях схемы, не затронутых преобразованием, остаются неизменными. Преобразования электрических схем применяются для упрощения расчетов. Рассмотрим наиболее типичные методы преобразования. Последовательное соединение элементов.

При последовательном соединении элементов через них протекает один и тот же ток I (рис. 1.18). Согласно второму закону Кирхгофа, напряжение, приложенное ко всей цепи

(1.27)

Для последовательного соединения сопротивлений r 1 ,r 2 ...r n (рис. 1.18) с учетом (1.6) будем иметь

(1.28)

Ток в цепи с последовательным соединением элементов равен:

а напряжение на n-ом элементе равно

(1.30)

При последовательном соединении источников напряжения они заменяются одним эквивалентным источником с напряжением Uэкв, равным алгебраической сумме напряжений отдельных источников. Причем со знаком «+» берутся напряжения, совпадающие с напряжением эквивалентного источника, а со знаком «-» - несовпадающие (рис. 1.19).

Параллельное соединение элементов.

Соединение групп элементов, при котором все элементы находятся под одним и тем же напряжением, называется параллельным (рис. 1.20). Согласно первому Кирхгофа, ток всей цепи I равен алгебраической сумме токов в параллельных ветвях, т.е.

(1.31)

На основании этого уравнения с учетом (1.8) для параллельного соединения резистивных элементов получаем:

(1.32)

где -эквивалентная проводимость.

Токи и мощности параллельно соединенных ветвей при U=const (рис. 1.20) не зависят друг от друга и определяются по формулам:

(1.33)

Мощность всей цепи равна:

, (1.34)

На участке цепи, не содержащей ЭДС, силы электрического поля совершают работу по перемещению электрического заряда

A 12 =IU 12 t=Irt=

которая выделяется в проводнике в виде тепла.

Если в цепи имеется ЭДС, то работа по перемещению электрического заряда совершается сторонними и электрическими силами, численно равная энергии, выделяющейся в этой цепи.

В замкнутой цепи энергия, выделяющаяся в проводнике численно равна работе

A=IU 12 t+IEt=IEt,

Мощность-работа, совершаемая в единицу времени:

На участке цепи, в котором отсутствует ЭДС, мощность

При наличии ЭДС:

В замкнутой цепи:

P=I×E=I 2 (R+r).

Мощность во внешней цепи является полезной мощностью:

Отношение полезной мощности (мощности во внешней цепи) к мощности развиваемой источником тока (полной мощности) называют коэффициентом полезного действия (КПД):

Мощность во внешней цепи максимальна в том случае, когда сопротивление внешнего участка цепи равно внутреннему сопротивлению источника тока (R=r). При этом максимальное значение мощности во внешней цепи оказывается равным:

Зависимость КПД источника:

а) от тока во внешней цепи:

б) от сопротивления внешнего участка цепи:

1.4.1. Примеры решения задач

1.4.1.1. Задача. Определить работу электрических сил и количество теплоты, выделяемое ежесекундно, в следующих случаях: 1) в резисторе, по которому идет ток силой I=1 А; разность потенциалов между концами резистора j 1 -j 2 =2 В; 2) в аккумуляторе, который заряжается током силой I=1 А; разность потенциалов на его зажимах j 1 -j 2 =2 В, э.д.с. аккумулятора E=1,3 В; 3) в батарее аккумуляторов, которая дает ток силой I=1 А на внешнюю нагрузку; разность потенциалов на зажимах батареи j 1 -j 2 =2 В, ее э.д.с.E=2,6 В.

Решение. 1. Так как рассматриваемый участок не содержит ЭДС, то по закону Ома для участка однородной цепи, имеем

Из этого следует, что формулы A=(j 1 -j 2)IR и Q=I 2 Rt в данном случае совпадают. Значит, вся работа электрических сил идет на нагревание резистора:

A=Q=(j 1 -j 2)IR=2 (Дж).

2. При зарядке аккумулятора его зажимы присоединяют к источнику, разность потенциалов на полюсах которого постоянна. При этом ток внутри аккумулятора идет от его положительного полюса к отрицательному, т.е. в направлении, обратном току разряда.

Работу электрических сил снова вычислим по формуле

A=(j 1 -j 2)IR=2 (Дж).

Чтобы по формуле Q=I 2 Rt определить количество выделенной теплоты, необходимо найти сопротивление участка цепи, в котором находится аккумулятор. Поскольку этот участок содержит э.д.с., применим закон Ома для участка неоднородной цепи. Учитывая направления тока и э.д.с., запишем в соответствии с правилом знаков

. (1)

(2)

Подставив значение R из (2) в формулу закона Джоуля-Ленца, получим

Q=I 2 Rt=(j 1 – j 2 - E) It=0,7 (Дж).

В данном случае лишь часть работы электрических сил идет на нагревание аккумулятора, остальная же часть (A-Q) превращается в химическую энергию заряжаемого аккумулятора.

3. Работу электрических сил найдем по формуле

A=(j 1 -j 2) IR.

При этом обратим внимание на отличие данного случая от предыдущего. Если положительный знак разности потенциалов (j 1 – j 2) сохранился, то направление силы тока на рассматриваемом участке изменилось на противоположное. Следовательно,

A=(j 1 -j 2) (-I)t=-2 (Дж). (3)

Отрицательный знак ответа выражает то обстоятельство, что положительные заряды движутся внутри каждого аккумулятора от его низшего потенциала к высшему, т.е. против электрических сил. При этом положительную работу совершают сторонние силы, перемещая заряды внутри аккумуляторов.

Количество теплоты, выделенное в батарее, снова определим по формуле закона Джоуля-Ленца в интегральной форме

При этом сопротивление r батареи, как и в предыдущем случае, можно вычислить по закону Ома для неоднородного участка цепи

. (4)

Сопротивление батареи можно найти также как разность между сопротивлением всей цепи и сопротивлением внешнего участка цепи

что совпадает с формулой (4). Подставив найденное значение r в формулу закона Джоуля-Ленца, получим

Q=I 2 Rt=It=0,6 (Дж). (5)

Этот вариант задачи можно решить еще и по-другому. По данным условиям найдем работу электрических сил на внешнем участке цепи:

A=(j 1 -j 2)It=2 (Дж).

Однако работа электрических, т.е. кулоновских (но не сторонних), сил по перемещению зарядов на замкнутом пути всегда равна нулю

A внутр +A внеш =0,

A внутр =-A внеш =-2 (Дж),

что совпадает с результатом (3).

Вся энергия, расходуемая батареей, превращается (посредством работы электрических сил) в тепло Q общ, выделяющееся во всей цепи.

Эту энергию можно вычислить по формуле

A б =Q общ =EIt=2,6 (Дж).

Так как на внешнем участке выделяется количество теплоты

Q внеш =A внеш= 2 (Дж),

то для батареи

Q=Q общ -Q внеш =0,6 (Дж),

что совпадает с результатом (5).

1.4.1.2. Задача. Э.д.с. батареи E=12 В. Наибольшая сила тока, которую может дать батарея, I макс =5 А. Какая наибольшая мощность P макс может выделиться на подключенном к батарее резисторе с переменным сопротивлением.

Решение. Мощность P тока измеряется работой, совершенной электрическими силами в единицу времени. Поскольку вся работа на внешнем участке цепи идет на нагревание резистора (A=Q), то в данном случае мощность измеряется количеством теплоты, выделяемым в резисторе в единицу времени. Поэтому на основании формулы закона Джоуля-Ленца в интегральной форме для внешнего участка цепи Q==I 2 Rt, а также закона Ома для замкнутой цепи, получим

P=I 2 R=E 2 R/(R+r) 2 , (1)

где R, r-сопротивления внешнего и внутреннего участков цепи соответственно.

Из (1) видно, что при постоянных значениях E, r мощность P во внешней цепи является функцией одной переменной R. Известно, что эту функция имеет максимум при условии r=R (в этом можно убедиться, применив общий метод исследования функций на экстремум с помощью производной). Следовательно,

. (2)

Таким образом, задача сводится к отысканию сопротивления r внутреннего участка (батареи). Если учесть, что согласно закону Ома для замкнутой цепи наибольшая сила тока I макс будет при внешнем сопротивлении R=0 (ток короткого замыкания), то

I макс =E/r,

Подставив найденное значение внутреннего сопротивления r в формулу (2), получим

P макс= EI макс /4=15 (Вт).

1.4.1.3. Задача. Обмотка электрического кипятильника имеет две секции. Если включена одна секция, вода закипает через t 1 =10 мин, если другая, то через t 2 =20 мин. Через сколько минут закипит вода, если обе секции включить: а) последовательно? б) параллельно? Напряжение на зажимах кипятильника и к.п.д. установки считать во всех случаях одинаковыми.

Решение. При различных включениях секций кипятильника сопротивление цепи различно. Очевидно, искомое время нагревания воды есть некоторая функция сопротивления цепи. Чтобы найти эту функцию, воспользуемся законом Джоуля-Ленца

Поскольку речь идет об участке цепи, не содержащем э.д.с., к которому применим закон Ома I=(j 1 -j 2)/R, запишем в виде

Отсюда легко определить вид функции t=f(R).

Во всех случаях для нагревания воды требуется одно и то же количество теплоты, определяемое формулой

где c, m-удельная теплоемкость и масса воды;

Dt-разность температур.

В силу постоянства к.п.д. установки h одним и тем же будет также полное количество теплоты выделенное током, т.е.

Учитывая также постоянство напряжения на зажимах цепи, из формулы (1), получим

R=U 2 t/Q=kt, (2)

где k=U 2 /Q-постоянная величина.

Таким образом, зависимость времени от сопротивления является пропорциональной. Теперь легко найти ответы в обоих случаях.

При последовательном соединении секций общее сопротивление

R посл =R 1 +R 2 .

Подставив сюда значения R по формуле (2), получим

kt посл= kt 1 +kt 2 ,

t посл =t 1 +t 2 =15 (мин).

При параллельном соединении секций сопротивление соединения

R пар =R 1 R 2 /(R 1 +R 2).

Отсюда, применив соотношение (2), найдем

t пар =t 1 t 2 /(t 1 +t 2)=7 (мин).

1.4.1.4. Задача. Две медные проволоки одинаковой длины ℓ=1 м и диаметрами d 1 =0,1 мм и d 2 =0,2 мм, подключенные (поочередно) к зажимам гальванического элемента, нагреваются до одинаковой температуры. Определить внутреннее сопротивление гальванического элемента. Считать отдачу теплоты проволокой в окружающее пространство при постоянной температуре пропорциональной площади ее поверхности.

Решение. При установившемся тепловом режиме, когда температура проволоки перестает повышаться, количество теплоты, выделенное током в 1 с, согласно закону сохранения энергии, должно быть равно количеству теплоты, рассеянному за то же время проволокой в окружающее пространство, т.е. должно выполняться равенство

P тока =P расс. (1)

Мощность тока P тока =I 2 R выразим через внутреннее сопротивление источника и диаметр проволоки, воспользовавшись законом Ома для замкнутой цепи и формулой сопротивления проводника:

С другой стороны, согласно условию задачи, имеем

P расс =kS"=kpdℓ, (3)

где S"-площадь поверхности проволоки, вычисленная как площадь боковой поверхности цилиндра;

k-коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры проволоки.

Подставив в уравнение (1) значения P тока и P расс по формулам (2), (3) и произведя сокращения, получим

(4)

Поскольку при постоянной температуре все величины, стоящие в правой части формулы (4), постоянны, должно выполняться равенство

(5)

так как диаметрам проволоки d 1 , d 2 соответствует по условию одинаковая температура. Чтобы решить уравнение (5) относительно неизвестного r, извлечем из обеих частей уравнения квадратный корень:

Все слагаемые, стоящие в левой части этого уравнения – заведомо положительные величины, отрицательный знак перед корнем отбрасываем. Решив уравнение относительно r, найдем

Взяв из таблиц значение удельного сопротивления меди, выразив входящие в формулу величины в единицах СИ, выполнив вычисление, получим

Работа и мощность электрической цепи.

Работа является мерой превращения одного вида энергии в другой.

Ватт-секунда – эта работа электрического тока величиной 1А при напряжении 1В в течение 1с .

1 Ватт ∙ час [Вт ∙ ч] = 3600 Вт ∙ ч = 3600 Дж

1 кВт ∙ ч = 1000 Вт ∙ ч = 3600 000 Дж

Работа электрического тока в одну секунду называется мощностью электрического тока , она характеризует интенсивность работы, совершенной током. За единицу мощности принят Ватт [Вт].

; из закона Ома ,

Ватт – мощность, которую развивает при

1 кВт = 1000 Вт 1 МВт = 1000 000 Вт

Полной называется мощность, развиваемая источником тока , а полезной – мощность, расходуемая во внешней цепи потребителем .

Отношение полезной мощности к полной мощности, развиваемой источником тока, называется коэффициентом полезного действия (КПД) , обозначается - «эта».

;

Тепловое действие тока. При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновения электронов с его атомами проводник нагревается.

Закон Джоуля – Ленца. Количество выделенного тепла прямо пропорционально квадрату величины тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока через проводник.

Эта зависимость установлена в 1841 г. Английским физиком Джоулем и несколько позднее (в 1844 г.) русским академиком Ленцем.

Тепловое действие тока применяют: лампы накаливания, нагревательные приборы, электросварка, тепловые реле (биметаллические пластины).

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропустить через себя, не перегреваясь, ток, не превышающий некоторую допустимую величину. Эта величина характеризуется допустимой плотностью тока , т. е. величиной тока I приходящегося на 1 мм площади поперечного сечения s проводника.

- допускаемая плотность тока I на площади поперечного сечения.

- обмотка электрических машин

- нить электрической лампочки

При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников R вместе их соединения (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В итоге это может привести к перегоранию контакта и разрыву электрической цепи.

Вопросы для самоконтроля:

1. Как осуществляется последовательное соединение проводников? Какие действуют законы в данной цепи?

2. Как осуществляется параллельное соединение проводников? Какие действуют законы в данной цепи?

3. Как осуществляется смешанное соединение потребителей?

4. Как определить работу и мощность электрического тока? В каких единицах измеряется мощность и работа?

5. Что такое коэффициент полезного действия?

6. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.

7. Что такое плотность тока и переходное сопротивление?

8. Что такое электрическое поле? Чем характеризуется электрическое поле?

9.Что называется электрическим потенциалом? Разностью потенциалов? В каких единицах измеряется?

10. Что такое ЭДС, и в каких единицах она измеряется?

11. Что такое электрический ток, и в каких единицах он измеряется?

12. Что называется электрическим сопротивлением? От чего зависит сопротивление проводников?

13. Как устроен атом вещества?

14.Что называется проводником и диэлектриком?

15. Как взаимодействуют электрические заряды? Закон Кулона.

16. Что такое электрическое поле? Чем характеризуется электрическое поле?

17. Что такое электрический ток, и в каких единицах он измеряется?

18. Что называется электрическим сопротивлением? От чего зависит сопротивление проводников?

19.Как можно увеличить сопротивление проводника?

20. Как образуется электрическая цепь, и из каких частей она состоит?

21. Сформулируйте закон Ома для электрической цепи и отдельного участка?

22. Что такое падение напряжения и как оно определяется?

23. Охарактеризуйте режимы работы генератора постоянного тока?

24. Что называется коротким замыканием, каковы его последствия?

25.Как формулируется первый закон Кирхгофа?

26. Как формулируется второй закон Кирхгофа?

>>Физика: Работа и мощность постоянного тока

Электрический ток получил такое широкое применение потому, что он несет с собой энергию . Эта энергия может быть превращена в любую форму.
При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу . Ее принято называть работой тока . Сейчас мы напомним сведения о работе и мощности тока .
Работа тока. Рассмотрим произвольный участок цепи. Это может быть однородный проводник, например нить лампы накаливания, обмотка электродвигателя и др. Пусть за время через поперечное сечение проводника проходит заряд . Электрическое поле совершит при этом работу (U - напряжение между концами участка проводника).
Так как сила тока , то эта работа равна:

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шел ток.
Согласно закону сохранения энергии эта работа должна быть равна изменению энергии рассматриваемого участка цепи. Поэтому энергия, выделяемая на данном участке цепи за время , равна работе тока (см. формулу (15.12)).
Если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химических действий, то происходит только нагревание проводника. Нагретый проводник отдает тепло окружающим телам.
Нагревание проводника происходит следующим образом. Электрическое поле ускоряет электроны. После столкновения с ионами кристаллической решетки они передают ионам свою энергию. В результате энергия беспорядочного движения ионов около положений равновесия возрастает. Это и означает увеличение внутренней энергии. Температура проводника при этом повышается, и он начинает передавать тепло окружающим телам. Спустя некоторое время после замыкания цепи процесс устанавливается, и температура перестает изменяться со временем. К проводнику за счет работы электрического поля непрерывно поступает энергия. Но его внутренняя энергия остается неизменной, так как проводник передает окружающим телам количество теплоты, равное работе тока. Таким образом, формула (15.12) для работы тока определяет количество теплоты, передаваемое 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 удобно пользоваться в случае последовательного соединения 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, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем (1818-1889) и русским ученым Э. X. Ленцем (1804-1865). Закон Джоуля - Ленца формулируется следующим образом: количество теплоты, выделяемой проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику:

Мы получили этот закон с помощью рассуждений, основанных на законе сохранения энергии. Формула (15.14) позволяет вычислить количество теплоты, выделяемое на любом участке цепи, содержащем какие угодно проводники.
Мощность тока. Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель и т. д.) рассчитан на потребление определенной 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

Из этой формулы очевидно, что мощность тока выражается в ваттах (Вт).
Это выражение для мощности тока можно переписать в нескольких эквивалентных формах, используя закон Ома для участка цепи:

На большинстве приборов указана потребляемая ими мощность.
Прохождение по проводнику электрического тока сопровождается выделением в нем энергии. Эта энергия определяется работой тока - произведением перенесенного заряда и напряжения на концах проводника.

???
1. Что называют работой тока?
2. Что такое мощность тока?
3. В каких единицах выражается мощность тока?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский,Физика 10 класс

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,