На прошлых уроках мы с вами говорили, что электрическое поле — это особый вид материи, посредством которой взаимодействуют заряженные тела. Примером может служить электрический ток, то есть упорядоченное движение заряженных частиц, которое создаётся электрическим полем. Следовательно, электрическое поле способно совершить работу, которую называют работой тока.
Вспомним, что в общем случае работой называют особую физическую величину, которая описывает действие силы (заметьте, именно силы, а не тела), приводящее к изменению численного значения скорости рассматриваемого тела, то есть действия, при котором сила либо разгоняет тело, либо тормозит его.
Из этого становится ясным, что термин «работа тока » — это, конечно, своеобразный жаргонизм, с которым вы уже неоднократно сталкивались. Работа тока — это работа электрически сил, которые, перемещая заряженные частички, увеличивают их скорость, а значит и кинетическую энергию.
А как рассчитать работу, произведённую электрическими силами в конкретном случае, например, в лампе, за конкретное время? В принципе это можно сделать, применяя изначально общую формулу работы: A = Fs, в которой F — это сила, действующая на заряженную частицу, a s — путь частицы за рассматриваемый отрезок времени, но последующие этапы такого вывода будут очень сложными. Мы пойдём другим, гораздо более простым, путём: вспомним физический смысл введённой нами величины «напряжение» и её единицы измерения — вольт. Ведь эта величина как раз и описывает способность электрического поля совершать большую или меньшую работу по переносу электрического заряда, то есть искомая работа прямо пропорциональна напряжению: A ~ U.
Вспомните также: 1 В — это напряжение, при котором перенос заряда в 1 Кл сопровождается совершением работы 1 Дж. Очевидно, что при переносе вдвое, впятеро большего заряда будет совершена вдвое, впятеро большая работа, то есть искомая работа прямо пропорциональна перенесённому заряду: A ~ q.
Это приводит нас к формуле работы:
A = qU.
Введённая нами формула 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: q = It.
Такая запись приводит нас к удобной для применения формуле:
A = IUt,
где все величины измеряются известными вам приборами: амперметром, вольтметром и секундомером.
Единицей работы, как вы знаете, является Дж. Эту единицу можно выразить через электрические единицы:
1 Дж = 1 А ∙ 1 В ∙ 1 с.
В практике работу часто выражают не в джоулях, а в других единицах:
Для измерения работы тока можно воспользоваться тремя приборами: амперметром, вольтметром и часами. Но в реальной жизни для её измерения пользуются специальными приборами — счётчиками электрической энергии, которые сейчас можно увидеть в каждой квартире.
Применяя к потребителю электротока закон Ома, можно из основной формулы работы получить ещё два варианта, исключив в первом случае из формулы напряжение, а во-втором — силу тока:
Сравнение полученных формул может сначала вызвать удивление: ведь, согласно первой формуле работа тока от сопротивления потребителя зависит прямо пропорционально, а по второй — обратно пропорционально. Иными словами, если уменьшить сопротивление нагрузки вдвое, то по первой формуле работа тока вроде бы уменьшится вдвое, а по формуле два она вдвое увеличится.
Противоречие это кажущееся, и это просто понять на следующем примере. Пусть при постоянном питающем напряжении мы вместо целого проводника включили его половину. Найдём изменение работы по первой формуле:
Как видим, работа увеличилась вдвое.
А теперь сравним эту работу, с работой, вычисленной по второй формуле:
Работа тока также увеличивается в два раза. Таким образом, в обоих случаях работа тока увеличилась вдвое. Все дело в том, что при изменении сопротивления изменяется и сила тока в проводнике.
Получив формулу для работы электрического тока, мы легко получим и формулу для мощности тока. Ведь в любом случае мощность находится делением работы на время её совершения:
Напомним, что единицей измерения мощности является ватт:
[ P ] = [Вт].
Однако на практике часто используются и кратные ему единицы мощности:
Для измерения мощности электрического тока существуют специальные приборы, которые называются ваттметрами.
Пример решения задачи.
Задача. Определите, какую работу совершает электродвигатель за 12 ч работы, если его КПД равен 70%. Сопротивление цепи электродвигателя 44 Ом, а напряжение на его клеммах 220 В.
