По какой формуле рассчитывают работу электрического тока. В чем измеряется работа тока. Применение закона Джоуля – Ленца к последовательно и параллельно соединенным проводникам

Электрическая энергия. В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рис. 30). В источниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Например, в электрических генераторах 1, приводимых во вращение каким-либо механизмом, происходит превращение в электрическую энергию механической, в термогенераторах 2 - тепловой, в аккумуляторах 9 при их разряде и гальванических элементах 10 - химической, в фотоэлементах 11 - лучистой.
Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии - тепловую, механическую, химическую, лучистую и пр. Например, в электродвигателях 3 электрическая энергия превращается в механическую, в электронагревательных приборах 5 - в тепловую, в электролитических ваннах 8 и аккумуляторах 7 при их заряде - в химическую, в электрических лампах 6 - в лучистую и тепловую, в антеннах 4 радиопередатчиков - в лучистую.

Мерой количества энергии является работа. Работа W, совершаемая электрическим током за время t при известном напряжении U силе тока I, равна произведению напряжения на силу тока и на время его действия:

W = UIt (29)

Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется джоулем (Дж). Джоуль, который называют также ватт-секундой (Вт*с), - очень маленькая единица измерения, поэтому на практике для измерения электрической энергии приняты более крупные единицы - ватт-час (1 Вт*ч = 3600 Дж), киловатт-час (1 кВт*ч = 1000 Вт*ч = 3,6*10 6 Дж), мегаватт-час (1 МВт*ч=1000 кВт*ч=3,6*10 9 Дж).

Электрическая мощность. Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях U и I равна произведению напряжения U на силу тока I:

P = UI (30)

Используя закон Ома для определения силы тока и напряжения в зависимости от сопротивления R и проводимости G, можно получить и другие выражения для мощности. Если заменить в формуле (30) напряжение U=IR или силу тока I=U/R=UG, то получим

P = I 2 R (31)

P = U 2 /R = U 2 G (32)

Следовательно, электрическая мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление, или электрическая мощность квадрату напряжения, поделенному на сопротивление, либо квадрату напряжения, умноженному на проводимость.

Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами: киловаттами (1 кВт =1000 Вт) и мегаваттами (1 МВт=1 000 000 Вт).

Потери энергии и коэффициент полезного действия. При превращении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот не вся энергия превращается в требуемый вид энергии, часть ее непроизводительно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.
Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности, называется коэффициентом полезного действия источника или приемника. Коэффициент полезного действия (к. п. д.)

? = P 2 /P 1 = P 2 /(P 2 + ?P) (33)

Р 2 - отдаваемая (полезная) мощность;
Р 1 - получаемая мощность;
?Р - потери мощности.

К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии. Иногда к. п. д. выражают в процентах. Так, тяговые двигатели электровозов и тепловозов имеют к. п. д. 86-92 %, мощные трансформаторы - 96-98 %, тяговые подстанции - 94-96 %, контактная сеть электрифицированных железных дорог - около 90 %, генераторы тепловозов - 92-94 %.
Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в электрической цепи (рис. 31). Генератор 1, питающий эту цепь, получает от первичного двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность Р mx = 28,9 кВт, а отдает электрическую мощность Р эл = 26 кВт (2,9 кВт составляют потери мощности в генераторе). Поэтому он имеет к. п. д. ? ген = Р эл /Р mx = 26/28,9 = 0,9.

Мощность Р эл = 26 кВт, отдаваемая генератором, расходуется на питание электрических ламп (6 кВт), на нагрев электрических плиток (7,2 кВт) и на питание электродвигателя (10,8 кВт). Часть мощности?P пр = 2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соединяющих генератор с потребителями.

В каждом приемнике электрической энергии также имеют место потери мощности. В электрическом двигателе 3 потери мощности составляют 0,8 кВт (он получает из сети мощность 10,8 кВт, а отдает только 10 кВт), поэтому к. п. д. ?дв = 10/10,8 = 0,925. Из мощности 6 кВт, полученной лампами, лишь незначительная часть идет на Создание лучистой энергии, большая часть ее бесполезно рассеивается в виде тепла. В электрической плитке на нагрев пищи расходуется не вся полученная мощность 7,2 кВт, так как часть созданного ею тепла рассеивается в окружающем пространстве. При рассмотрении электрических цепей наряду с определением токов и напряжений, действующих на отдельных участках, необходимо определять и передаваемую по ним мощность. При этом должен соблюдаться так называемый энергетический баланс мощностей. Это означает, что мощность, получаемая каким-либо устройством (источником тока или потребителем) или участком электрической цепи, должна быть равна сумме отдаваемой ими мощности и потерь мощности, которые возникают в данном устройстве или участке цепи.

В каждой замкнутой цепи в обязательном порядке имеет место двойное преобразование энергии. В источнике тока совершается видоизменение какой-либо энергии (например, в генераторе - механической) в электрическую, а в цепи тока она опять превращается в равносильное количество энергии иного вида. Мера превращения в цепи тока электроэнергии в какие-либо иные виды энергии - величина работы тока.

Но мы понимаем, что работа и тока является работой электрических сил поля, перемещающих заряды; поэтому ее легко подсчитать.

Работа по переносу электрического заряда в электрическом поле оценивается произведением величины перенесенного заряда на величину разности потенциалов между точками в начале и конце переноса, т.е. на величину напряжения:

Очевидно, что это соотношение может быть применимо и для оценки таких понятий, как работа и тока. О величине заряда, протекшего в цепи, мы можем судить по току, текущему в цепи, и времени его протекания, так как q = It.

Используя такое соотношение, мы получаем формулу, выражающую величину работы тока на отдельном участке цепи, имеющем напряжение U:

Работа и мощность измеряются следующим образом: если измерять ток в амперах, время работы в секундах, а напряжение в вольтах, то работу - в джоулях (Дж).

Таким образом, 1 джоуль = 1 ампер х 1 вольт х 1 секунду.

Мощность измеряется ваттами (Вт):

1 ватт = 1 джоуль/1 секунда, или 1 ватт = 1 вольт х 1 ампер.

Вопрос о подсчете величины работы тока на этом участке совершенно не связан с вопросом о том, в какой вид энергии превратится на данном участке электрическая энергия. Эта работа является мерой электроэнергии, превращенной в другие виды.

Электрический ток, выполняя работу, может накалять нить электролампы, плавить металлы, вращать якорь электродвигателя, вызывать химические превращения и т.д. Во всех случаях работа и мощность электрического тока определяют уровень преобразования электроэнергии в иные формы - механическую энергию, энергию теплового движения и т.д.

Зная, что мощность P = A/t, можно получить формулу, с помощью которой рассчитывается мощность тока на отдельном участке цепи:

Работа и мощность могут быть вычислены при помощи этих формул, а также при помощи амперметра, вольтметра. На практике работу электрического поля измеряют специальным прибором - счетчиком. Проходя через счетчик, внутри него начинает совершать обороты легкий и его скорость вращения будет прямо пропорциональна силе тока и напряжению. Число оборотов, которое он сделает за определенное время, поможет сделать выводы о совершенной за это время работе. Счетчики электроэнергии можно увидеть в каждой квартире.

Мощность тока измеряют, используя специальный прибор - ваттметр. В устройстве этого прибора совмещаются принципы вольтметра и амперметра.

На многих электрических приборах и технических устройствах указывается их мощность. Например, мощность лампочки накаливания может быть 25 Вт, 75 Вт и др., или утюга около 1000 Вт, мощность электродвигателей может достигать очень больших значений - до нескольких тысяч киловатт. При этом имеют в виду мощность тока, который проходит через тот или иной прибор.

Работа и мощность переменного тока рассчитываются иначе. Так, для вычисления работы, совершаемой переменным током за определенный промежуток времени, можно воспользоваться формулой:

P = 1/2I₀U₀ cos φ. Зачастую эту формулу записывают в таком виде: P = IU cos φ, где I и U - значения напряжения и силы тока, которое в 2 раза меньше соответствующих амплитудных значений.

Формула вычисления мощности переменного тока будет такой же, как и для постоянного.

Единицы энергии и работы:

1 ватт-секунда = 1 Дж 1 ватт-час = 3600 Дж;

1 гектоватт-час = 360000 Дж;

1 киловатт-час = 3600000дж.

Единицы мощности:

1 ампер-вольт = 1 Вт;

1 гектоватт = 100 Вт;

1 киловатт = 1000 Вт.

Каждое тело способно производить работу, это называется энергией тела. Самый простой пример - поднятое на некоторую высоту тело. Оно обладает потенциальной энергией, если тело отпустить, оно начнёт высвобождать энергию, преобразовывая её в кинетическую энергию, в этот момент тело будет совершать работу.

Соответственно, чем выше будет высота тела, тем больше будет и его энергия. Энергия никогда не исчезает бесследно, она лишь преобразовывается в другую форму – это один из главных законов физики.

Также обстоит и с электрической энергией, она может быть преобразована в другой вид энергии – тепловую, кинетическую, механическую, химическую и т. д.

Поэтому, электроэнергия и стала так широко использоваться. Этот вид энергии, в отличие от любого другого, можно передавать на большие расстояния и хранить, практически, без потерь, а получить её можно достаточно просто.

Работа электрического тока

Когда ток протекает по определённому участку электрической цепи, электрическое поле совершает определённую работу. Это называется работой электрического тока. Для переноса заряда энергии по этой цепи нужно затратить некоторое количество энергии. Она сообщается приёмнику, часть энергии при этом затрачивается на преодоление сопротивления проводов и источников в электрической цепи.

Это говорит о том, что не вся затрачиваемая энергия распределяется эффективно и не вся она является полезной. Следовательно, совершаемая работа также не полностью эффективна. В данном случае формула будет выглядеть так: А = U·Q .

U – это напряжение на зажимах приёмника, а Q – это заряд, переносимый по участку цепи. В этом случае нужно учитывать закон Ома для участка цепи , тогда формула будет выглядеть следующим образом: R I2 Δt = U I Δt = ΔA .

По этой формуле можно проследить действие закона сохранения энергии, который применяется для однородного участка цепи.

В 1850 году английский физик Джоуль Прескотт, вложивший немалый вклад в изучение электричества, открыл новый закон. Суть его заключалась в определении путей, которыми работа электрического тока преобразовывается в тепловую энергию. В это же время другой физик – Ленц смог сделать аналогичное открытие и доказать закон, поэтому он получил название «закон Джоуля-Ленца», в честь обоих выдающихся физиков того времени.

Мощность электрического тока

Мощность – это другая характеристика, использующаяся при определении работы электрического тока. Это некая физическая величина, которая характеризует преобразование и скорость передачи энергии.

При определении мощности электрического тока нужно учитывать такой показатель, как мгновенную мощность. Она представляет собой соотношение мгновенных значений таких показателей как сила тока и напряжение в виде произведения. Это соотношение применяется к определённому участку цепи.

Такие показатели как работа и мощность электрического тока учитываются при создании любых электрических цепей. Наравне с другими законами они являются основными, их несоблюдение приведёт к серьёзным нарушениям.

Чтобы получит наибольшую мощность электрического тока, нужно учитывать и характеристики генератора, т. е. сопротивление во внешней цепи должно быть не больше и не меньше внутреннего сопротивления генератора.

Только в этом случае эффективность работы будет максимальной, потому что иначе вся энергия генератора будет затрачиваться на преодоление сопротивления, а вся работа будет неэкономичной. Естественно, такая схема работы может негативно повлиять на эффективность всей электрической цепи.

Из курса физики известно, что одной из характеристик любого тела является его способность совершать работу, так как последняя представляет не что иное, как преобразование одного вида энергии в другой (например, потенциальной в кинетическую). При этом следует учитывать знаменитый закон сохранения энергии, сформулированный еще в XVIII веке М.В. Ломоносовым, согласно которому энергия никогда и никуда не исчезает, она лишь видоизменяется, принимает другую форму. Все вышесказанное в равной степени относится не только к твердым телам, но и к другим видам материи, в том числе и к электрическому току.

Как уже давно было доказано, - это Передвигаясь по определенному участку цепи, эти частицы формируют электрическое поле, которое совершает тока - это то количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы перенести заряд по данной При этом далеко не вся работа тока полезна и эффективна. Достаточно заметная часть энергии тратится на то, чтобы электрический заряд преодолел сопротивление элементарных частиц, находящихся в проводнике и в источнике цепи.

Работа электрического тока, формула которой, как следует из выше приведенного текста, А = U.Q, является важнейшей характеристикой этого особого вида материи. В этой формуле U представляет собой на участке цепи, а Q - количественное выражение заряда, переносимого по данному участку.

Однако сама по себе работа электрического тока не представляла бы особого интереса, если бы не была найдена закономерность, связавшая эту работу и количество выделяемой при этом Эту закономерность практически одновременно открыли два известных физика - Ленц и Джоудь Прескотт, поэтому и закон в научном сообществе получил наименование «закона Джоуля-Ленца». Согласно этому закону, получается, что количество (или мощность) тепла, которое выделяется в определенном объеме при протекании через него заряженных частиц, находится в прямой зависимости от произведения напряженности поля на плотность протекающего через данный участок электрического тока. Данный закон имеет огромное значение для расчета потерь электроэнергии при ее передаче по проводам на большие расстояния.

Работа электрического тока самым непосредственным образом связана с другой важнейшей величиной - мощностью. Под в физике понимают количественную характеристику преобразования и скорости передачи электрической энергии. Мощность измеряется в киловатт-часах, в то время как работа электрического тока - в джоулях.

Для получения максимальной мощности тока от того или иного источника необходимо учитывать характеристики этого источника, а также то, что и внешней цепи должны быть сопоставимы друг с другом, в противном случае вся производимая работа уйдет на преодоление разности в сопротивлениях.

Работа электрического тока является важнейшей физической характеристикой, которую необходимо учитывать практически во всех отраслях промышленности, а также при производстве и передаче энергии на значительные расстояния.

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.