Работа и мощность постоянного тока
Материалы к уроку
Конспект урока
Работа и мощность постоянного тока
При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу; ее принято называть работой тока.
Для того чтобы узнать, от чего зависит работа электрического тока, проведем следующий эксперимент. Нарисована схема электрической цепи. По ней соберем электрическую цепь. Когда цепь собрана, снимаем показания всех имеющихся электроприборов. Изменяя сопротивление реостата, акцентируем внимание на разном свечении лампочки. Чем ярче светит лампочка, тем больше в ней выделяется энергии, и, следовательно, тем большую работу совершает электрический ток.
Для того чтобы узнать, от чего зависит работа электрического тока, проведем следующий эксперимент. Нарисована схема электрической цепи. По ней соберем электрическую цепь. Когда цепь собрана, снимаем показания всех имеющихся электроприборов. Изменяя сопротивление реостата, акцентируем внимание на разном свечении лампочки. Чем ярче светит лампочка, тем больше в ней выделяется энергии, и, следовательно, тем большую работу совершает электрический ток.
По опыту можно качественно установить, что работа электрического тока пропорциональна силе тока, напряжению и времени прохождения тока.
Пусть за время дельта т через поперечное сечение проводника проходит заряд дельта кю. Тогда электрическое поле совершит работу. Так как сила тока есть заряд, который прошел через поперечное сечение проводника за единицу времени, то эта работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.
В случае, если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химических действий, происходит только нагревание проводника. Происходит это следующим образом. Электрическое поле ускоряет электроны. После столкновения с ионами кристаллической решетки они передают ионам свою энергию. В результате энергия беспорядочного движения ионов около положения равновесия возрастает. Это означает увеличение внутренней энергии. Температура проводника при этом повышается, и он начинает передавать тепло окружающим телам. Спустя небольшое 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.
Если в формуле нахождения работы электрического тока выразить либо напряжение через силу тока, либо силу тока через напряжение, то по закону Ома для участка цепи, то получим три эквивалентные формулы. Формулой А равно произведению И в квадрате Эр дельта Тэ удобно пользоваться для последовательного соединения проводников, так как сила тока в этом случае одинакова во всех проводниках. При параллельном соединении удобна формула А равно произведению дельта тэ на частное у в квадрате на эр, так как напряжение на всех проводниках одинаково.
Оказалось, что электрический ток нагревает проводники, но не все: через растворы кислот, солей и щелочей, где нет кристаллической решетки, электроны проходят беспрепятственно и не передают раствору своей энергии (он не нагревается).
Нагревание же металлического проводника зависит: во-первых, от его сопротивления (чем оно меньше, тем больше выделяется в проводнике тепла), во-вторых, от силы тока в нем (чем она больше, тем сильнее нагревается проводник). Так, если сила тока возрастет в 2 раза, то и количества теплоты выделиться в проводнике в 2 раза больше.
К такому выводу пришли одновременно и независимо друг от друга английский ученый Ом, английский ученый Джоуль и русский ученый Ленц.
Любой электрический прибор 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 за время дельта т к этому интервалу времени. На большинстве приборов указана потребляемая ими мощность.
Практически на всех электроприборах, используемых в быту и технике, в техническом паспорте указывается мощность тока, на которую они рассчитаны. Зная мощность, легко можно определить работу тока за заданный промежуток времени. Тогда 1Дж = 1Вт ∙ с (ватт-секунда).
Однако эту единицу работы неудобно использовать на практике, так как в потребителях электроэнергии ток производит работу в течение длительного времени, например, в бытовых приборах – в течение нескольких часов, в электропоездах – даже в течение нескольких суток. Поэтому на практике, вычисляя работу тока, удобнее время выражать в часах, а работу не в джоулях, а в других единицах: ватт - час (Вт ∙ ч) и кратных им единицах.
Рассмотрим пример. Почему на одной из лампочек выделится большее количество теплоты? Раннее было сказано, что нагревание металлического проводника зависит от его сопротивления (чем оно меньше, тем больше выделяется в проводнике тепла).
При параллельном соединении, чем больше сопротивление прибора, тем меньший ток по нему протекает. Поэтому этот прибор выделяет меньше тепла. При последовательном соединении сила тока на каждом участке одинакова, количество выделяемого тепла прямо пропорционально зависит от сопротивления прибора. Поэтому, чем больше сопротивление прибора, тем больше он нагревается.
Имеются 25- ваттная и 100- ваттная лампочки, рассчитанные на одно и то же напряжение, соединенные последовательно и включенные в сеть. На какой из них выделится большее количество теплоты за одно и тоже время?
Решим задачу. Так как ток по обеим лампам течет одинаковый и время работы ламп одно и то же, то величина выделяемого тепла прямо пропорционально зависит от сопротивления ламп. Следовательно, чем больше сопротивление, тем ярче будет гореть лампа. Ответ: на 100-ваттной лампе выделится больше тепла.
Интересные факты. В прошлом веке в качестве счетчиков электроэнергии использовали ванночки с раствором медного купороса. Проходящий ток вызывал оседание меди на электродах. По увеличению их массы и судили о количестве протекшего электричества.
Счетчики измеряют работу не в джоулях, а в более крупных единицах работы – киловатт-часах. 1 кВт·ч электроэнергии достаточно для выпечки 36 кг хлеба; добычи 30 кг нефти или 40 кг каменного угля.
Сегодня мы платим «за свет», как говорят в народе. То есть мы платим за электроэнергию – работу, совершенную электричеством в нашем доме. Чтобы измерить электроэнергию, устанавливают счетчики. Мощность, потребляемой электроэнергии измеряют с помощью прибора ваттметр.
Устройство и принцип работы электрического счетчика. В зазоре между магнитопроводом 8 обмотки напряжения 7 и магнитопроводом 10 токовой обмотки 13 размещен подвижной алюминиевый диск 17, насаженный на ось 1, установленную в пружинящем подпятнике 15 и верхней опоре 5. Через червяк 2, укрепленный на оси, и соответствующие зубчатые колеса вращение диска 17 передается к счетному механизму.
Для прикрепления счетного механизма к счетчику имеется отверстие 4. Токовая обмотка 13, включаемая последовательно в исследуемую цепь, состоит из малого числа витков, намотанных толстым проводом (соответственно номинальному току счетчика).
Обмотка напряжения 7, включаемая в цепь параллельно, состоит из большего числа (8000 - 12000) витков, намотанных тонким проводом - диаметром 0,08 - 0,12 мм.
Когда к этой обмотке приложено переменное напряжение, а по токовой обмотке протекает ток нагрузки, в магнитопроводах 8 и 10 появляются переменные магнитные потоки, замыкающиеся через алюминиевый диск. Переменные магнитные потоки, пронизывая диск, наводят в нем вихревые токи.
Эти токи, взаимодействуя с соответствующими потоками, образуют вращающий момент, действующий на подвижный алюминиевый диск.
При помощи постоянного магнита 3, в поле которого вращается диск счетчика, создается тормозной (противодействующий) момент.
Установившаяся скорость вращения диска наступает при равенстве вращающего и тормозного моментов.
Число оборотов диска за определенное время будет пропорционально израсходованной энергии или установившаяся равномерная скорость вращения диска будет пропорциональна мощности при условии, что вращающий момент, действующий на диск, пропорционален мощности цепи, в которую включен счетчик.
Есть дискретизирующие ваттметры и счетчики электроэнергии, которые основаны на принципе цифрового вольтметра, но имеют два входных канала, дискретизирующих параллельно сигналы тока и напряжения. Каждое дискретное значение, представляющее мгновенные значения сигнала напряжения в момент дискретизации, умножается на соответствующее дискретное значение сигнала тока, полученное в тот же момент времени. Среднее по времени таких произведений есть мощность в ваттах.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ