Тепловое действие тока. Закон Джоуля – Ленца. Мощность электрического тока.

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

1. Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу, и электрическая энергия превращается в другие виды энергии: во внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля и пр.

Как было показано, напряжение ​(U)​ на участке цепи равно отношению работы ​(F)​, совершаемой при перемещении электрического заряда ​(q)​ на этом участке, к заряду: ​U=A/q​. Отсюда ​A=qU​. Поскольку заряд равен произведению силы тока ​(I)​ и времени ​(t)​ ​q=It​, то ​A=IUt​, т.е. работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.

Единицей работы является джоуль (1 Дж). Эту единицу можно выразить через электрические единицы:

​[A]​= 1 Дж = 1 В · 1 А · 1 с

Для измерения работы используют три измерительных прибора: амперметр, вольтметр и часы, однако, в реальной жизни для измерения работы электрического тока используют счётчики электрической энергии.

Если нужно найти работу тока, но при этом сила тока или напряжение неизвестны, то можно воспользоваться законом Ома, выразить неизвестные величины и рассчитать работу по формулам: ​A=U2Rt​ или ​A=I2Rt​.A=U в кв.R*t илиA=I в кв.R *t

2. Мощность электрического тока равна отношению работы ко времени, за которое она совершена: ​P=A/t​ или ​P=IUt/t​; ​P=IU ​, т.е. мощность электрического тока равна произведению напряжения и силы тока в цепи.

Единицей мощности является ватт (1 Вт): ​[P]=[I]⋅[U]​; ​[P]​ = 1 А · 1 В = 1 Вт.

Используя закон Ома, можно получить другие формулы для расчета мощности тока: ​P=U2R;P=I2R​.

Значение мощности электрического тока в проводнике можно определить с помощью амперметра и вольтметра, измерив соответственно силу тока и напряжение. Можно для измерения мощности использовать специальный прибор, называемый ваттметром, в котором объединены амперметр и вольтметр.

3. При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию. Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: ​Q=A​ или ​Q=IUt​. Учитывая, что ​U=IR​, ​Q=I2Rt​.

Q=I в кв.R*t

Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока но проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Этот закон называют законом Джоуля-Ленца.

Работа и мощность тока. Тепловое действие тока. Законы Джоуля — Ленца

Электрическое поле при перемещении заряда q по участку цепи совершает работу, равную произведению заряда на напряжение U на концах этого участка цепи

Эту величину называют работой тока.

Мощность тока Р — величина, характеризующая быстроту совершения полем работы по перемещению заряженных частиц по проводнику, равная отношению работы dА, совершенной за время dt, к этому интервалу времени

Наличие у проводника электрического сопротивления приводит к рассеянию электрической энергии — переходу ее во внутреннюю энергию проводника.

Закон Джоуля — Ленца: количество теплоты dQ, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока I, сопротивления проводника R и времени dt прохождения тока

Тепловое действие тока. Закон Джоуля – Ленца. Мощность электрического тока.

При про­хож­де­нии тока через про­вод­ник, про­вод­ник на­гре­ва­ет­ся. По­че­му это про­ис­хо­дит? Мы уже за­тра­ги­ва­ли мо­ле­ку­ляр­ное стро­е­ние про­вод­ни­ков в теме о со­про­тив­ле­нии и от­ме­ча­ли, что при про­те­ка­нии тока сво­бод­ные элек­тро­ны стал­ки­ва­ют­ся с уз­ла­ми кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки. При этих столк­но­ве­ни­ях элек­тро­ны по­сто­ян­но при­да­ют неко­то­рую ско­рость узлам ре­шет­ки (рис. 1).

Рис. 1. Вза­и­мо­дей­ствие элек­тро­нов с уз­ла­ми кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки

Так как тем­пе­ра­ту­ра – мера теп­ло­во­го дви­же­ния, в про­цес­се «рас­тал­ки­ва­ния» тем­пе­ра­ту­ра про­вод­ни­ка по­вы­ша­ет­ся. В ка­кой-то мо­мент на­сту­па­ет рав­но­ве­сие, когда ко­ли­че­ство энер­гии, по­лу­ча­е­мое про­вод­ни­ком вслед­ствие про­хож­де­ния тока, равно ко­ли­че­ству энер­гии, ко­то­рое он от­да­ет в окру­жа­ю­щую среду.

В том слу­чае, когда ра­бо­та тока не пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую или же ток не имеет хи­ми­че­ско­го дей­ствия, ра­бо­та тока эк­ви­ва­лент­на ко­ли­че­ству теп­ло­ты, вы­сво­бож­да­ю­ще­го­ся в окру­жа­ю­щую среду.

Фор­му­лу про­сче­та этого ко­ли­че­ства теп­ло­ты впер­вые неза­ви­си­мо друг от друга от­кры­ли двое уче­ных: рус­ский Эмиль Ленц и ан­гли­ча­нин Джеймс Джо­уль.

Закон Джо­у­ля-Лен­ца:

Как видно, пра­вая часть фор­му­лы в точ­но­сти по­вто­ря­ет одну из форм фор­му­лы для ра­бо­ты элек­три­че­ско­го тока.

Все­гда сле­ду­ет пом­нить, что в слу­чае, когда есть ка­кое-ли­бо дру­гое пре­об­ра­зо­ва­ние энер­гии тока, фор­му­ла Джо­у­ля-Лен­ца не вы­пол­ня­ет­ся.

На­ря­ду с ра­бо­той тока очень важно от­ме­тить мощ­ность тока, так как эта ха­рак­те­ри­сти­ка яв­ля­ет­ся клю­че­вой в бы­то­вом ис­поль­зо­ва­нии элек­тро­энер­гии (на всех бы­то­вых при­бо­рах ука­за­но при­ем­ле­мое на­пря­же­ние его мощ­ность).

Опре­де­ле­ние. Мощ­ность – это ра­бо­та, вы­пол­нен­ная за еди­ни­цу вре­ме­ни (ско­рость вы­пол­не­ния током ра­бо­ты):

Еди­ни­ца из­ме­ре­ния мощ­но­сти – ватт:

И те­перь, ис­поль­зуя наши зна­ния о ра­бо­те тока, мы без труда най­дем фор­му­лу для мощ­но­сти тока:

Или же, если ис­поль­зо­вать дру­гие виды фор­му­лы для ра­бо­ты: ,