Для определения работы тока в электрической цепи

Вопрос №2. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца (15 мин.)

Способность тела производить работу называется энергией тела. Таким образом, мерой количества энергии является работа. Энергия тела тем больше, чем большую работу может произвести это тело при своем движении. Энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Например, в генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую энергию, а в двигателе – электрическая в механическую. Однако не вся энергия является полезной, т.е. часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов.

Работа электрического тока численно равна произведению напряжения, силы тока в цепи и времени его прохождения. Единица измерения – Джоуль.

Для измерения работы или энергии электрического тока используется электроизмерительный прибор − счетчик электрической энергии.

Электрическая энергия помимо джоулей измеряется в ватт-часах или киловатт-часах:

1 Вт·ч = 3 600 Дж, 1 кВт·ч = 1 000 Вт·ч.

Мощность электрического тока – это работа, производимая (или потребляемая) в единицу времени. Единица измерения – Ватт.

Для измерения мощности электрического тока используется электроизмерительный прибор − ваттметр.

Кратными единицами измерения мощности являются киловатт или мегаватт:

1 кВт = 1 000 Вт, 1 МВт = 1 000 000 Вт.

В табл. 1 приведена мощность ряда устройств.

Источник

5). Работа и мощность в электрической цепи

При прохождении электрического тока по электрической цепи в ней происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии, т.е. совершается работа [dW] [Дж] или [Н∙м]. Из выражения для напряжения: U = dW /dQ можно записать: dW = U dQ = U I dt [Дж], или : W = U I t [Дж].

Для характеристики скорости энергетического процесса преобразования и обмена электрической энергией в электрических цепях переменного тока используют понятие — полная мощность [S] [ВА]: S = dW /dt = U I .

Скорость процесса преобразования электрической энергии в другие виды энергии – характеризуется понятием — активная мощность Р [Вт]. В случае, когда проводник, по которому течёт электрический ток не перемещается (отсутствует механическая работа) и в проводнике не происходит химических превращений, то вся энергия электрического тока преобразуется во внутреннюю энергию, которая выделяется в виде тепла. В случае такого полного преобразования электрической энергии в тепловую для определения активной мощности используется формула Джоуля-Ленца: P = I 2 R [Вт]. По этой же формуле обычно определяют тепловые потери («джоулевы» потери) в различных электротехнических устройствах, машинах, аппаратах и др.

Скорость процесса обмена электрической энергией между электромагнитными полями в электрических цепях переменного тока вводится понятие — реактивная мощность Q=I 2 X, единица измерения Вольт-Ампер реактивный [ВАр]

2. Электрическая цепь постоянного тока. Основные элементы и их условно-графические обозначения. Методы расчета цепей постоянного тока (правила Кирхгофа, метод эквивалентных преобразований).

Электрической цепью называют совокупность электротехнических устройств, образующих путь для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в которой могут быть описаны с помощью электрических величин — электродвижущей силы (E), тока (I) и напряжения (U).

Для расчета и анализа режимов работы реальных устройств электрических цепей используют эквивалентные схемы замещения. Чем точнее элементы схемы замещения отражают реальную цепь, тем точнее ее расчет и анализ режимов работы.

Схемы замещения линейных электрических цепей постоянного тока можно составить с помощью двух типов идеальных элементов (Рис.1):

идеального источника Э.Д.С. с параметром Е (Рис.1а) и идеального резистора (сопротивления) с параметром R (Рис.1б).

Электрические провода, соединяющие такие элементы, изображаются на схемах в виде отрезков прямых линий, электрическим сопротивлением этих проводов при анализе и расчете пренебрегают.

Ветвью называют участок цепи вдоль которого протекает один и тот же ток и который состоит из последовательно соединенных элементов.

Узлом называется место соединения трех и более ветвей.

Контуром называется любой замкнутый путь цепи, который можно обойти, двигаясь по ее ветвям.

Расчет и анализ электрических цепей производится с использованием закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа.

Источник

Работа и мощность электрического тока в цепи

Во время протекания тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За пройденное время Δ t по цепи имеется заряд Δ q = I Δ t .

Электрическое поле выделенного участка выполняет работу, формулу которой мы запишем так: Δ A = ( φ 1 – φ 2 ) Δ q = Δ φ 12 I Δ t = U I Δ t , где U = Δ φ 12 – напряжение. Такая величина называется работой электрического тока.

Обе части формулы R I = U выражают закон Ома для однородного участка цепи с сопротивлением R , умноженным на I Δ t . В итоге получим соотношение R I 2 Δ t = U I Δ t = Δ A , выражающее закон сохранения энергии для однородного участка цепи. Работа Δ A электрического тока I , протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R , преобразуется в тепло Δ Q , выделяющееся на проводнике. Δ Q = Δ A = R I 2 Δ t .

Закон Джоуля-Ленца

Дж. Джоуль и Э. Ленц установили закон преобразования работы тока в тепло.

Формула мощности электрического тока (измеряется в амперах) записывается в виде отношения изменения работы тока Δ A за определенный промежуток времени Δ t :

P = ∆ A ∆ t = U I = I 2 R = U 2 R .

Работа и мощность электрического тока обратно пропорциональны.

По таблице С И понятно, в чем измеряется мощность: в ваттах ( В Т ) , а работа в Джоулях ( Д ж ) .

Перейдем к рассмотрению полной цепи постоянного тока, которая состоит из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r на участке R . Запись основного закона Ома для полной цепи имеет вид ( R + r ) I = ε . При умножении обеих частей на Δ q = I Δ t получаем, что соотношение для выражения сохранения энергии полной цепи постоянного тока запишется: R I 2 Δ t + r I 2 Δ t = ε I Δ t = Δ A с т . Из левой части видно, что Δ Q = R I 2 Δ t обозначает выделяющееся тепло на внешнем участке за промежуток времени Δ t , а Δ Q и с т = r I 2 Δ t – внутри источника за тот же время.

ε I Δ t – это обозначение работы сторонних сил Δ A с т , действующих внутри. Если имеется замкнутая цепь, тогда Δ A с т переходит в тепло, которое выделяется во внешней цепи ( Δ Q ) и внутри источника ( Δ Q и с т ) .

Δ Q + Δ Q и с т = Δ A с т = ε I Δ t .

Работа сторонних сил

Работа электрического поля не входит в данное соотношение, так как в замкнутой цепи работа не совершается, следовательно, тепло идет только от внутренних сторонних сил. В данном случае электрическое поле перераспределяет тепло по всем участкам цепи.

Внешняя цепь может иметь не только проводник с R сопротивлением, но и механизм, потребляющий мощность. Такой случай говорит о том, что R эквивалентно сопротивлению нагрузки. Энергия, которая выделяется по внешней цепи, преобразуется в тепло и другие виды энергии.

Работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равняется P и с т = ε I = ε 2 R + r . Внешняя цепь характеризуется мощностью P = R I 2 = ε I — r I 2 = ε 2 R ( R + r ) 2 .

Коэффициентом полезного источника называют отношение η = P P и с т , записываемое как η = P P и с т = 1 — r ε I = R R + r .

Рисунок 1 . 11 . 1 показывает зависимость P и с т , полезной Р , выделяемой во внешней цепи, кпд η от тока I для источника с ЭДС, равной ε , и внутренним сопротивлением r . Изменение тока в цепи происходит в пределах от I = 0 ( при R = ∞ ) до I = I к з = ε r ( при R = 0 ).

Рисунок 1 . 11 . 1 . Зависимость мощности источника P и с т , мощности во внешней цепи Р и КПД источника η от силы тока.

Приведенные графики показывают, что максимальная мощность во внешней цепи может быть достигнута при R = r и запишется P m a x = ε 2 4 r . Формула тока в цепи будет иметь вид I m a x = 1 2 I к з = ε 2 r , где КПД источника не превышает 50 % . При I → 0 может достигаться максимальное значение КПД, тогда сопротивление R → ∞ . При коротком замыкании значение мощности Р = 0 . Тогда она только выделяется внутри источника, что грозит перегревом, причем КПД обращается в ноль.

Источник

Измерение работы электрического тока

Урок 11. Лабораторные работы по физике. Подготовка к ОГЭ

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Измерение работы электрического тока»

В этой работе мы должны с помощью экспериментальной установки определить работу электрического, совершаемой в резисторе в течение заданного времени.

Для выполнения работы нам предлагается оборудование из комплекта № 3 в составе: источник тока, двухпредельный вольтметр и амперметр, ключ, реостат, соединительные провода и резистор, обозначенный R₁. Также нам может понадобиться секундомер, часы или таймер (о них немного позже).

Прежде чем начать выполнять работу давайте с вами вспомним, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Однако для нас важным является не сам ток, а его действие, которое характеризуется работой электрического тока.

Давайте вспомним, что в общем случае под работой понимают скалярную физическую величину, которая описывает действие силы, приводящее к изменению значения скорости рассматриваемого тела.

Поэтому работа тока — это, говоря строгим языком физики, работа электрически сил, которые, перемещая заряженные частицы, увеличивают их скорость, а значит и кинетическую энергию.

Вы знаете, что работа по переносу электрического заряда в электрическом поле оценивается произведением величины перенесённого заряда на величину напряжения между начальной и конечной точками переноса:

Это соотношение может быть применимо и для оценки работы тока. Однако оно имеет неудобство в связи с тем, что и ней фигурирует перенесённый в электрическом поле заряд, измерение которого требует особых методов. Поэтому удобнее расписать этот заряд, используя формулу силы тока:

Такая запись приводит нас к удобной формуле для определения работы электрического тока: работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

.

В этой формуле все величины измеряются известными нам приборами: амперметром, вольтметром и секундомером. Именно этой формулой нам и предстоит воспользоваться в данной работе.

Итак, приступим к выполнению. Первое, что мы с вами сделаем, — это соберём экспериментальную установку. Для этого последовательно с источником тока соединим ключ (следите за тем, чтобы он находился в разомкнутом состоянии), исследуемый резистор, амперметр на предел измерения 3 А (внимательно следите за полярностью его подключения) и реостат. Параллельно резистору мы должны подключить вольтметр для измерения напряжения на нём (снова не забываем про полярность подключения).

Далее мы с вами нарисуем электрическую схему нашей установки (стараемся всё делать аккуратно).

Теперь запишем формулы, которыми будем пользоваться при выполнении данной работы. В этой работе она у нас одна: работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

.

Прежде чем приступить непосредственно к работе ещё раз внимательно проверьте вашу электрическую цепь. Если всё в порядке, то включаем источник питания и замыкаем ключ. Далее, с помощью ползунка (если в вашем комплекте ползунковый реостат) или вращая ручку реостата, устанавливаем в цепи заданную нам по условию силу тока. При этом не забываем, что на прибор мы должны смотреть перпендикулярно шкале прибора.

Установив требуемое значение силы тока, мы, по-хорошему, должны были бы засечь пять минут (в некоторых вариантах — это и десять минут) и ждать, периодически с помощью реостата выставлять требуемое значение силы тока. Однако тратить драгоценное время на экзамене на это глупо. Поэтому время мы будем использовать только для расчёта.

Итак, напряжение на концах резистора у нас оказалось равным примерно 2,4 В.

В бланк ответов значения силы тока в цепи и напряжения на концах резистора мы должны записать с учётом погрешности измерения:

Несмотря на то, что мы с вами время не засекали, но его значение мы обязаны также записать в бланк ответов с учётом погрешности измерения времени:

Так как работа тока измеряется в джоулях, то здесь же целесообразно наши пять минут перевести в секунды, помня о том, что 1 мин = 60 с.

Закончив с прямыми измерениями, приступаем к нахождению работы электрического тока. Для этого в расчётную формулу подставляем наши значения силы тока, напряжения и времени.

В выводе напишем, что за 5 мин на данном участке цепи электрический ток совершил работу в 360 Дж.

Следующая наша работа будет посвящена определению мощности электрического тока.

В этой работе мы должны с помощью экспериментальной установки определить мощность, выделяемую на заданном резисторе.

Для выполнения работы мы будем использовать оборудование из комплекта № 3 в составе: источник тока, двухпредельный вольтметр и амперметр, ключ, реостат, соединительные провода и резистор, обозначенный R₂.

В прошлой лабораторной работе мы с вами находили работу электрического тока на участке цепи. Напомним, что мы её определяли как произведение силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

.

А теперь давайте вспомним, что электрическая мощность — это физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Она численно равна работе, совершённой электрическим током в единицу времени:

Подставив в эту формулу в выражение для работы мы приходим к тому, что мощность электрического тока равна произведению напряжения и силы тока.

В этой формуле все величины измеряются известными нам приборами: амперметром и вольтметром. Поэтому именно её мы и будем пользоваться при выполнении этой лабораторной работы.

Итак, приступим к выполнению. Первое, что мы с вами сделаем, — это соберём экспериментальную установку. Для этого последовательно с источником тока соединим ключ (он должен находиться в разомкнутом состоянии), исследуемый резистор, амперметр и реостат. Параллельно резистору мы должны подключить вольтметр для измерения напряжения на нём. При подключении амперметра и вольтметра внимательно следите за полярностью подключений.

Далее мы с вами нарисуем электрическую схему нашей установки.

Теперь запишем формулы, которыми будем пользоваться при выполнении данной работы. В этой, как и в прошлой, работе она у нас одна: мощность, выделяемая на резисторе, равна произведению силы тока в цепи и напряжения на концах резистора:

.

Прежде чем приступить непосредственно к работе ещё раз внимательно проверьте вашу электрическую цепь. Если всё в порядке, то включаем источник питания и замыкаем ключ. Далее, с помощью реостата, устанавливаем в цепи заданную нам по условию силу тока.

Установив требуемое значение силы тока, снимаем показания с вольтметра. Итак, у нас напряжение на концах резистора оказалось равным примерно 1,8 В.

В бланк ответов значения силы тока в цепи и напряжения на концах резистора мы должны записать с учётом погрешности измерения:

Закончив с прямыми измерениями, приступаем к нахождению мощности, выделяемой на резисторе. Для этого в расчётную формулу подставляем наши значения силы тока и напряжения.

В выводе напишем, что при силе тока в 0,3 А выделяемая на резисторе мощность равна 0,54 Вт.

Источник