Робота і потужність електричного струму. Закон Джоуля-Ленца

Дія всіх відомих нам електричних приладів відбувається за рахунок електричної енергії. У результаті цього одержуємо світло, теплоту, звук, механічний рух, тобто різні види енергії.
Усе це приклади роботи електричного струму. У всіх цих випадках електрична енергія перетворюється в інший вид енергії (світлову, теплову, магнітну, хімічну).
Яку роботу виконує електричний струм, проходячи по тій або іншій ділянці кола?

Щоб виміряти роботу електричного струму в колі, треба мати вольтметр, амперметр і годинник.

A=U⋅I⋅t

[A]=1 Дж

На побутових приладах є написи:

На електричній лампі «220 В; 100 Вт»
На електропрасці «потужність електричної праски 2200 Вт»

Що ці написи означають?

Потужність електричного струму — фізична величина, що характеризує швидкість виконання струмом роботи й дорівнює відношенню роботи струму до часу, за який цю роботу виконано.

Кратні одиниці потужності:

кіловат (1 кВт=1000 Вт)

мегават (1 МВт=10000000 Вт)

гігават (1 ГВт=1000000000 Вт)

Зверни увагу!

За будь-якого з’єднання споживачів загальна потужність струму в усьому колі дорівнює сумі потужностей окремих споживачів.

Вимірюючи потужність струму в споживачі, ми визначаємо його фактичну потужність. Потужність, яку зазначено в паспорті електропристрою (або на пристрої), називають номінальною потужністю.

Потужність струму – фізична величина, яка чисельно дорівнює роботі струму за одиницю часу. $P=\frac{A}{t}$

P – потужність електричного струму; A – робота струму за час t.

Одиниця потужності в СІ – ват

$P=\frac{UIt}{t}=UI$ , 1 Вт = 1 В $\cdot$ А

U – напруга на ділянці кола, на якій визначають потужність струму;

I – сила струму в ділянці.

Кожен із вас бачив електролічильник, а дехто навіть знімав його покази.
Яку фізичну величину вимірює цей прилад?

Поряд із цифровим табло написано: кВт ⋅ год.

1кВт⋅год=1000⋅Дж/с⋅3600⋅с=3600000 Дж=3,6⋅10⁶Дж

Електролічильник — це прилад для прямого вимірювання роботи струму.

Ватметр – прилад, призначений для вимірювання потужності електричного струму в колі.

Будь-який провідник під час проходження струму нагрівається. Це відбувається тому, що вільні заряджені частинки в провіднику розганяються електричним полем і, зіштовхуючись з іншими частинками, передають їм частину своєї кінетичної енергії. Унаслідок цього внутрішня енергія провідника збільшується – провідник нагрівається.

Теплову дію струму вивчали англійський фізик Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) і російський фізик Емілій Християнович Ленц (Генріх Ленц) (1804–1865). Незалежно один від одного вони дійшли однакового висновку.

Закон Джоуля – Ленца

Кількість теплоти Q, яка виділяється в провіднику зі струмом, прямо пропорційна квадрату сили струму I , опору провідника R та часу t проходження струму:

$Q=I^2Rt$

Q – кількість теплоти, яка виділяється провідником зі струмом; I – сила струму у провіднику; R – опір провідника; t – час проходження струму.

Інші формули випливають із Закон Джоуля – Ленца:

$Q=UIt=\frac{U^2}{R}t$

Можна користуватися тільки в тому випадку, коли вся електрична енергія витрачається на нагрівання.

Якщо ж на ділянці кола є споживачі енергії, в яких виконується механічна робота або відбуваються хімічні реакції, даними формулами користуватися не можна.

• Яке практичне значення має закон Джоуля – Ленца?

Теплова дія струму використовується в різних електронагрівальних пристроях (праски, плити, чайники, електричні каміни, рефлектори, лампи накалювання). Основною частиною будь-якого електронагрівника є нагрівальний елемент.

Проаналізувавши закон Джоуля – Ленца, доходимо висновку: якщо в різних ділянках кола сила струму однакова, то в ділянці, що має більший опір, виділяється більша кількість теплоти. Отже, збільшивши опір певної ділянки кола, можна досягти того, що майже вся теплота буде виділятися саме тут. Так працюють електронагрівальні пристрої, нагрівальний елемент яких має невелику площу поперечного перерізу і виготовлений із матеріалу з великим питомим опором (ніхром, константан). А от підвідні проводи, навпаки, мають порівняно велику площу поперечного перерізу й виготовлені із матеріалу з малим питомим опором (мідь, алюміній, сталь). Унаслідок цього опір підвідних проводів набагато менший, ніж опір нагрівального елемента, і тому вони майже не нагріваються.

Електричний струм у лампі, що горіла протягом 5 год, виконав роботу 1,8 МДж. Лампа працювала під напругою 220 В. Знайдіть її опір.

Знайдіть опір електрочайника потужністю 600 Вт, увімкненого в мережу з напругою 220 В.

Яку роботу виконало електричне поле, якщо через поперечний переріз провідника пройшов заряд 3 Кл, а напруга на провіднику склала 2 В?

За 5 хв електричний паяльник виділив 1,5 кДж теплоти. Який електричний опір паяльника, якщо сила струму в ньому дорівнює 0,5 А?

Прикріпити опрацьований конспект за даний урок в даному завданні