Разбор тренировочных заданий

Глоссарий по теме

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

Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

Экспериментально установлено, что количество теплоты, выделившееся при прохождении электрического тока по проводнику, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого шел ток: Q=I2⋅R⋅t. Это утверждение носит название закона Джоуля-Ленца.

Вывести данную зависимость можно и из теоретических соображений. Силы, перемещающие заряды по проводнику, совершают работу. Эту работу называют работой тока. Работа электрического тока на участке цепи, как следует из определения напряжения, A=U⋅Δq, где Δq − электрический заряд, проходящий по участку цепи, а U − напряжение на этом участке.

Учитывая, что Δq=I⋅Δt, где I − сила тока в проводнике, а Δt − время прохождения электрического тока, для работы тока получим A=U⋅I⋅Δt. Эта формула для работы справедлива в любом случае при любом действии электрического тока (тепловом, механическом, химическом и т. д.).

Если R − сопротивление однородного участка цепи, то, используя закон Ома для участка цепи, можно получить формулу для расчета работы тока:

A=I²⋅R⋅Δt=U²⋅ΔtR.

Если единственной причиной электрического сопротивления являются неупругие столкновения заряженных частиц с частицами окружающей среды, то работа электрического поля по поддержанию электрического тока равна количеству теплоты, выделяющемуся в проводнике при прохождении электрического тока:

Q=I²⋅R⋅Δt=U²⋅ΔtR.

На практике проще использовать ту формулу, в которой больше сохраняющихся величин. Если соединение параллельное, то на резисторах одинаковое напряжение, если последовательное соединение, то одинаковой оказывается сила тока.

Единица работы электрического тока в СИ — джоуль (Дж). 1 Дж представляет работу тока, эквивалентную механической работе в 1 Дж.

По закону сохранения энергии: работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока. В системе СИ:

Активная ссылка на источник «Класс!ная физика» обязательна: https://class-fizika.ru/10_7.html

Скорость совершения работы тока на данном участке цепи характеризует мощность тока. Мощность тока определяют по формуле N=AΔt или N=U⋅I. Данная формула также носит универсальный характер и может применяться не только для теплового действия тока.

Используя закон Ома для участка цепи, можно записать иначе формулу для мощности тока:

N=I²⋅R=U²R.

В этом случае речь идет о тепловой мощности. Единица мощности тока — Ватт: 1 Вт = Дж/с. Отсюда Дж = Вт⋅с.

Кроме того, применяют внесистемные единицы: киловатт-час или гектоватт-час: 1 кВт⋅ч = 3,6⋅106 Дж = 3,6 МДж; 1 гВт⋅ч = 3,6⋅105 Дж = 360 кДж.

Прямое применение закона Джоуля-Ленца невозможно, если сила тока изменяется со временем. В этом случае для поиска выделившегося тепла остается воспользоваться интегрированием (нахождением площади под графиком зависимости мощности от времени).

Если цепь содержит конденсаторы и требуется найти тепло, выделившееся на резисторах при коммутации (замыкании/размыкании ключей), то удобно применить закон сохранения энергии с учетом работы источников тока.

Для измерения мощности тока существуют специальные приборы — ваттметры.

На большинстве электрических приборов указываются значения их мощности. Но надо понимать, что на эти значения устройства выходят только при подсоединении к расчетному (номинальному) напряжению. Здесь синонимом слова номинальное выступает проектное, расчетное, то есть то, в котором устройство долго будет работать в нормальном режиме. Соответственно, такие значения мощности, силы тока тоже называют номинальными. Например, лампочка, на которой написано 60 Вт, 220 В, будет потреблять мощность 60 Вт при включении в сеть с напряжением 220 В. Она будет гореть и при меньшем напряжении, но только более тускло, потребляя меньшую мощность. Какую именно, можно рассчитать, зная поданное напряжение и сопротивление лампы.

Разбор тренировочных заданий

Задача 1.

Электрочайник со спиралью нагревательного элемента сопротивлением 30 Ом включен в сеть напряжением 220 В. Какое количество теплоты выделится в нагревательном элемента за 5 мин?

1) 7260000 Дж;

2) 2200 Дж;

3) 484000 Дж.

Дано:

R=30Ом

U=220B

t=5мин=300с

Найти Q-?

Решение. Количество теплоты выделяемой нагревательным элементом определяется законом Джоуля – Ленца: