Работа электрического тока.
Как вычислить работу электрического тока? Мы уже знаем, что напряжение на концах участка цепи численно равно работе, которая совершается при прохождении по этому участку электрического заряда в 1 Кл. При прохождении по этому же участку электрического заряда, равного не 1 Кл, а, например, 5 Кл, совершённая работа будет в 5 раз больше. Таким образом, чтобы определить работу электрического тока на каком-либо участке цепи, надо напряжение на концах этого участка цепи умножить на электрический заряд (количество электричества), прошедший по нему:
A = Uq,
где А — работа, U — напряжение, q — электрический заряд. Электрический заряд, прошедший по участку цепи, можно определить, измерив силу тока и время его прохождения:
q = It.
Используя это соотношение, получим формулу работы электрического тока, которой удобно пользоваться при расчётах:
А = UIt.
Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа.
Работу измеряют в джоулях, напряжение в вольтах, силу тока — в амперах и время в секундах, поэтому можно написать:
1 джоуль = 1 вольт х 1 ампер х 1 секунду,
или 1 Дж = 1 В ∙ А ∙ с.
Выходит, что для измерения работы электрического тока нужны три прибора: вольтметр, амперметр и часы. На практике работу электрического тока измеряют специальными приборами — счётчиками. В устройстве счётчика как бы сочетаются три названных выше прибора. Счётчики электроэнергии сейчас можно видеть почти в каждой квартире.
Пример. Какую работу совершает электродвигатель за 1 ч, если сила тока в цепи электродвигателя 5 А, напряжение на его клеммах 220 В? КПД двигателя 80% .
Запишем условие задачи и решим её.
Мощность электрического тока.
Мы знаем, что мощность численно равна работе, совершённой в единицу времени. Следовательно, чтобы найти среднюю мощность электрического тока, надо его работу разделить на время:
где Р — мощность тока (механическую мощность мы обозначали буквой N).
Работа электрического тока равна произведению напряжения на силу тока и на время: А = UIt, следовательно,
Таким образом, мощность электрического тока равна произведению напряжения на силу тока, или
P = UI.
Из этой формулы можно определить, что
За единицу мощности, как известно, принят ватт; 1 Вт = 1 Дж/с. Из формулы Р = UI следует, что
1 ватт = 1 вольт х 1 ампер, или 1 Вт = 1 В ∙ А.
Используют также единицы мощности, кратные ватту: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт).
1 гВт = 100 Вт;
1 кВт = 1000 Вт;
1 МВт = 1 000 000 Вт.
Измерить мощность электрического тока можно с помощью вольтметра и амперметра. Чтобы вычислить искомую мощность, необходимо напряжение умножить на силу тока. Значение силы тока и напряжение определяют по показаниям приборов.
Существуют специальные приборы — ваттметры, которые непосредственно измеряют мощность электрического тока в цепи.
Единицы работы электрического тока, применяемые на практике.
В паспортах приёмников тока — ламп, плиток, электродвигателей — обычно указывают мощность тока в них. По мощности легко определить работу тока за заданный промежуток времени, пользуясь формулой А = Pt.
Выражая мощность в ваттах, а время в секундах, получим работу в джоулях:
1Вт = 1Дж/с, откуда 1Дж = 1Вт ∙ с.
Однако эту единицу работы неудобно использовать на практике, так как в потребителях электроэнергии ток производит работу в течение длительного времени, например, в бытовых приборах — в течение нескольких часов, в электропоездах — по нескольку часов и даже суток, а расчёт израсходованной энергии по электросчётчику производится чаще всего за месяц. Поэтому при вычислении работы тока или затрачиваемой и вырабатываемой электрической энергии во всех этих случаях приходится переводить эти отрезки времени в секунды, что усложняет расчёты.
Поэтому на практике, вычисляя работу тока, гораздо удобнее время выражать в часах, а работу тока не в джоулях, а в других единицах: ватт-час (Вт ∙ ч), гектоватт-час (гВт ∙ ч), киловатт-час (кВт ∙ ч).
1Вт ∙ ч = 3600 Дж;
1гВт ∙ ч = 100 Вт ∙ ч = 360 000 Дж;
1кВт ∙ ч = 1000 Вт ∙ ч = 3 600 000 Дж.
Пример. Имеется электрическая лампа, рассчитанная на ток мощностью 100 Вт. Ежедневно лампа горит в течение 6 ч. Найти работу тока за один месяц (30 дней) и стоимость израсходованной энергии, считая, что тариф составляет 300 к. за 1 кВт ∙ ч.
Запишем условие задачи и решим её.
Домашнее задание:
I. Учить §§ 50 – 52.
II. Ответить на вопросы:
1. Чему равно электрическое напряжение на участке цепи?
2. Как через напряжение и электрический заряд, прошедший через участок цепи, выразить работу электрического тока на этом участке?
3. Как выразить работу тока через напряжение, силу тока и время?
4. Какими приборами измеряют работу электрического тока?
5. Что называют мощностью?
6. Как рассчитать мощность?
7. Как выражается мощность электрического тока через напряжение и силу тока?
8. Что принимают за единицу мощности?
9. Как выражается единица мощности через единицы напряжения и силы тока?
10. Какие единицы мощности используют в практике?
11. Какую величину обычно указывают в паспортах приёмников тока?
12. Как можно выразить работу тока через мощность и время?
13. Какие единицы работы тока используют?
III. Решить упражнение 34
1. Какую работу совершает электрический ток в электродвигателе за 30 мин, если сила тока в цепи 0,5 А, а напряжение на клеммах двигателя 12 В?
2. Напряжение на спирали лампочки от карманного фонаря равно 3,5 В, сопротивление спирали 14 Ом. Какую работу совершает ток в лампочке за 5 мин?
3. Два проводника, сопротивлением по 5 Ом каждый, соединены сначала последовательно, а потом параллельно и в обоих случаях включены под напряжение 4,5 В. В каком случае работа тока за одно и то же время будет больше и во сколько раз?
IV. Решить упражнение 35
1. В цепь с напряжением 127 В включена электрическая лампа, сила тока в которой 0,6 А. Найдите мощность тока в лампе.
2. Электроплитка рассчитана на напряжение 220 В и силу тока 3 А. Определите мощность тока в плитке.
3. Пользуясь рисунком на с. 146, вычислите, какую работу совершает за 1 ч электрический ток в лампе карманного фонаря, осветительной лампе мощностью 200 Вт, в лампе звезды башни Кремля.
4. Рассмотрите один-два электроприбора, используемые в квартире. Найдите по паспорту приборов их мощность. Определите работу тока в них за 10 мин.
V. Выполнить задание на стр. 149 (по возможности)
1. Узнайте мощности имеющихся у вас в квартире электрических приборов и примерное время их работы в течение недели. Вычислите стоимость израсходованной ими за неделю энергии и сравните полученную вами сумму с той, которая определяется по счётчику.
2. По счётчику определите и запишите, какая электроэнергия расходуется в вашей квартире за неделю (или месяц). В течение следующей недели (месяца) старайтесь экономить энергию — выключать, когда это возможно, электроприборы. Определите по счётчику, сколько энергии вы сумели сэкономить.
Примечание. Экономия электроэнергии имеет большое значение. Например, 1кВт ∙ ч энергии позволяет выплавить около 20 кг чугуна.