Práca v okruhu je definíciou fyzika. Práca elektrického prúdu: všeobecná charakteristika, vzorec, praktická hodnota

Je vypočítaný výkon zariadenia? Alebo možno to druhé možno zmerať? A ako získané poznatky aplikovať pri riešení problémov?

To sú otázky, ktoré si kladú mnohí ôsmaci, keď študujú tému „Elektrina“. Odpoveď na ne je celkom jednoduchá. A vzorce sa nebudete musieť dlho učiť naspamäť. Pretože sú si navzájom veľmi podobné alebo používajú tie, ktoré už boli predtým študované.

Prvá veličina: práca prúdu

Najprv sa musíte dohodnúť na zápise. Pretože v nich môžu byť rozdiely.

Každý z nich vytvára elektrické pole, ktoré spôsobuje pohyb voľných elektrónov. To znamená, že vzniká prúd. V tomto momente vraj pracuje elektrické pole. Práve to sa nazýva dielo prúdu.

Elektrické pole vytvorené zdrojom prúdu je charakterizované napätím. Ovplyvňuje, aký druh práce elektrického prúdu sa vykonáva pri pohybe jednotkového náboja. Preto sa zavádza vzorec pre napätie:

Z toho je ľahké odvodiť vzorec práce:

Teraz stojí za to pripomenúť rovnosť, ktorá sa zavádza pre súčasnú silu. Rovná sa pomeru pohybu náboja k času jeho pohybu:

Preto q = I * t. Nahradením písmena q vo vzorci pre prácu posledným výrazom dostaneme nasledujúci vzorec:

Toto je všeobecná forma rovnosti, pomocou ktorej možno vypočítať prácu elektrického prúdu. Vzorec sa trochu zmení, ak sa použije Ohmov zákon. Podľa nej sa napätie rovná súčinu sily prúdu a odporu. Potom bude platiť nasledujúca rovnosť:

A = I2 * R * t.

Môžete nahradiť nie napätie, ale prúd. Rovná sa podielu U a R. Potom bude vzorec práce vyzerať takto:

A = (U2*t)/R.

Druhá veličina: aktuálny výkon

Všeobecný vzorec je rovnaký ako v mechanike. To znamená, že je definovaná ako práca vykonaná za jednotku času.

Z toho vidno, že práca a výkon elektrického prúdu spolu súvisia. Ak chcete získať špecifickejšiu rovnosť, budete musieť nahradiť čitateľa pomocou všeobecného vzorca pre prácu. Potom je jasné, ako určiť výkon, poznať aktuálnu silu a napätie obvodu.

Okrem toho je možné merať výkon. Na tento účel existuje špeciálne zariadenie nazývané wattmeter.

Joule-Lenzov zákon

Fenomén zahrievania vodiča objavil francúzsky vedec A. Fourqua. Stalo sa to ešte v roku 1880. O 41 rokov neskôr ho opísal anglický fyzik J.P.Jule a o rok neskôr experimentálne potvrdil ruský fyzik E.H. Lenz. Objavený vzor sa začal nazývať menami posledných dvoch vedcov.

Sú v ňom spojené dve veličiny: množstvo tepla a práca elektrického prúdu. Zákon Joule-Lenz hovorí, že všetka práca v pevnom vodiči ide na jeho zahrievanie. To znamená, že vodič s prúdom vyžaruje množstvo tepla, ktoré sa rovná súčinu jeho odporu, času a druhej mocniny prúdu. Vzorec vyzerá rovnako ako jeden z tých, ktoré fungujú:

Q = 12 * R * t.

Úloha definície práce

Podmienka... Odpor žiarovky je 14 ohmov. Napätie poskytované batériou je 3,5 V. Akej sa bude rovnať súčasná práca, ak baterka fungovala 2 minúty?

Riešenie. Keďže napätie, odpor a čas sú známe, je potrebné použiť nasledujúci vzorec: A = (U 2 * t) / R. Najprv musíte previesť čas na jednotky SI, teda sekundy. Vo vzorci teda musíte nahradiť nie 2 minúty, ale 120 sekúnd.

Jednoduché výpočty vedú k tejto hodnote súčasnej práce: 105 J.

Odpoveď. Práca sa rovná 105 J.

Úloha určiť moc

Podmienka... Je potrebné určiť, čomu sa rovná práca a výkon elektrického prúdu vo vinutí elektromotora. Je známe, že prúd v ňom má hodnotu 90 A pri napätí 450 V. Elektromotor zostáva zapnutý jednu hodinu.

Po dosadení hodnôt a vykonaní jednoduchých aritmetických operácií sa pre prácu získa nasledujúca hodnota: 145800000 J. Je vhodnejšie ju zapísať do odpovede vo väčších jednotkách. Napríklad megajouly. Aby ste to dosiahli, výsledok sa musí vydeliť miliónom. Práca sa rovná 145,8 MJ.

Teraz musíte vypočítať výkon elektromotora. Výpočty sa vykonajú podľa vzorca: P = U * I. Po vynásobení bude číslo: 40500 wattov. Aby ste to napísali v kilowattoch, musíte výsledok vydeliť tisícmi.

Odpoveď. A = 145,8 MJ, P = 40,5 kW.

Problém s výpočtom napätia

Podmienka. Varná doska sa zapne na 20 minút. Aké je napätie v sieti, ak sa pri prúde 4 A ukáže, že práca je 480 kJ?

Riešenie. Pretože je známa sila práce a prúdu, musíte použiť nasledujúci vzorec: A = U * I * t. Tu je napätie neznámym faktorom. Musí sa vypočítať ako podiel súčinu a známeho faktora, to znamená: U = A / (I * t).

Pred vykonaním výpočtov je potrebné previesť hodnoty na jednotky SI. Totiž práca v jouloch a čas v sekundách. To bude 480 000 J a 1200 s. Teraz zostáva spočítať všetko.

Odpoveď. Napätie je 100V.

Práca s elektrickým prúdom je mierou množstva energie.

Práca vykonaná elektrickým prúdom počas t pri známom napätí U a prúdová sila ja sa rovná súčinu sily napätia a prúdu a jeho trvania. A = UIt

Práca sa meria v jouloch ( 1J = 1VA ).

1 J Je práca vykonaná elektrickým prúdom so silou 1 A pod stresom U = 1 V počas 1c .

Rýchlosť vykonávania práce je charakterizovaná silou.

Sila P nazývaný pracovný postoj A podľa časového intervalu t pre ktoré sa zaväzuje. Takže v elektrickom obvode:

Výkon sa meria vo wattoch ( 1 W = 1 J/s ). 1 watt je sila, pri ktorej pre 1 s prebiehajúce práce 1 J.

Tepelný účinok prúdu.

V prípade, že vodič je stacionárny a nedochádza v ňom k žiadnym chemickým premenám, práca prúdu sa vynakladá na zvýšenie vnútornej energie vodiča, v dôsledku čoho sa vodič zahrieva. V tomto prípade sa množstvo uvoľneného tepla určuje podľa Joule-Lenzovho zákona.

Joule-Lenzov zákon.

Množstvo tepla uvoľneného vo vodiči, keď ním prechádza jednosmerný prúd, je priamo úmerné druhej mocnine sily prúdu, odporu vodiča a času prechodu prúdu.

Q = 12 Rt, J

Tie. množstvo uvoľneného tepla sa rovná množstvu elektrickej energie prijatej týmto vodičom, keď ním prechádza prúd.

Každý vodič môže prejsť bez prehriatia prúdom určitej sily. Na určenie aktuálneho zaťaženia použite koncept súčasná hustota: je to prúd na 1 mm 2 plochy prierezu vodiča.J = .

V prírode a technike neustále prebiehajú procesy premeny energie z jedného typu na druhý (obrázok 1.22). V zdrojoch elektrickej energie sa rôzne druhy energie premieňajú na elektrickú energiu.

Napríklad:

V elektrických generátoroch 1 , poháňaný do rotácie akýmkoľvek mechanizmom, dochádza k transformácii na elektrickú energiu mechanickú;

V termogenerátoroch 2 - tepelný;

V batériách 9 pri ich vybíjaní a galvanických článkoch 10 - chemický;

Vo fotobunkách 11 - žiarivý.

Prijímače elektrickej energie, naopak, premieňajú elektrickú energiu na iné druhy energie.

Napríklad:

V elektromotoroch 3 elektrická energia sa premieňa na mechanickú;

V elektrických vykurovacích zariadeniach 5 - v teple;

V elektrolytických kúpeľoch 8 a batérie 7 keď sú nabité - do chemikálie;

V elektrických lampách 6 - v žiarení a teple;

V anténach 4 rádiové vysielače - v žiar.

Obrázok 1.22. Spôsoby premeny energie z jedného typu na druhý

Kontrolné otázky

1. Vymenujte príklady premeny energie z jedného druhu na druhý.

2. Uveďte definíciu moci.

3. Akú prácu vykoná elektrický prúd za určitý čas pri známom napätí a prúde?

4. Čo sa považuje za jednotku elektrickej energie?

Z kurzu fyziky je známe, že jednou z charakteristík každého tela je jeho schopnosť pracovať, pretože tá nie je nič iné ako premena jedného typu energie na iný (napríklad potenciál na kinetickú). V tomto prípade je potrebné vziať do úvahy slávny zákon zachovania energie, ktorý v 18. storočí sformuloval M.V. Lomonosov, podľa ktorého energia nikdy nikam nezmizne, iba sa mení, nadobúda inú podobu. Všetko uvedené platí rovnako nielen pre pevné látky, ale aj pre iné druhy látok vrátane elektrického prúdu.

Ako sa už dlho dokázalo, - Pohybujúc sa pozdĺž určitej časti obvodu tieto častice vytvárajú elektrické pole, ktoré vytvára prúd - to je množstvo energie, ktoré je potrebné vynaložiť na prenos náboja pozdĺž daného. zároveň nie každá práca prúdu je užitočná a efektívna. Pomerne značná časť energie sa vynakladá na zabezpečenie toho, aby elektrický náboj prekonal odpor elementárnych častíc nachádzajúcich sa vo vodiči a v zdroji obvodu.

Práca elektrického prúdu, ktorého vzorec, ako vyplýva z vyššie uvedeného textu, A = U.Q, je najdôležitejšou charakteristikou tohto špeciálneho druhu hmoty. V tomto vzorci U predstavuje úsek reťazca a Q je kvantitatívnym vyjadrením náboja preneseného pozdĺž daného úseku.

Samotná práca elektrického prúdu by však nebola zvlášť zaujímavá, keby sa nenašla pravidelnosť, ktorá spája túto prácu a súčasne uvoľnené množstvo. Túto pravidelnosť takmer súčasne objavili dvaja slávni fyzici - Lenz a Joel Prescottov zákon sa preto vo vedeckej komunite nazýval „zákon Joule-Lenz“. Podľa tohto zákona sa ukazuje, že množstvo (alebo výkon) tepla, ktoré sa uvoľní v určitom objeme, keď ním prúdia nabité častice, je priamo úmerné súčinu intenzity poľa a hustoty elektrického prúdu pretekajúceho cez daný úsek. Tento zákon má veľký význam pre výpočet strát elektriny pri prenose na veľké vzdialenosti drôtmi.

Práca elektrického prúdu priamo súvisí s ďalšou najdôležitejšou veličinou - výkonom. Vo fyzike máme na mysli kvantitatívne charakteristiky rýchlosti premeny a prenosu elektrickej energie. Výkon sa meria v kilowatthodinách, zatiaľ čo práca elektrického prúdu je v jouloch.

Na získanie maximálneho prúdového výkonu z konkrétneho zdroja je potrebné vziať do úvahy vlastnosti tohto zdroja, ako aj skutočnosť, že vonkajší obvod musí byť navzájom porovnateľný, inak sa všetka vykonaná práca vynaloží na prekonanie rozdiel v odporoch.

Práca elektrického prúdu je najdôležitejšou fyzikálnou charakteristikou, ktorú treba brať do úvahy takmer vo všetkých priemyselných odvetviach, ako aj pri výrobe a prenose energie na veľké vzdialenosti.

kde A- práca elektrického prúdu alebo spotrebovanej elektriny v úseku obvodu (J); ja- sila prúdu (A); U- napätie na mieste (V); Δ t

Ak vezmeme do úvahy Ohmov zákon pre úsek obvodu I = UR, prácu prúdu možno nájsť, ak čas Δ t a ľubovoľné dve z troch hodnôt: ja, U, R.

A = I2⋅R⋅Δt alebo A = U2R⋅Δt,

kde R

Ak sa na časti obvodu nevykonáva žiadna mechanická práca a prúd nevyvoláva chemické alebo iné pôsobenie, potom

kde Q- množstvo tepla uvoľneného vodičom s prúdom (J).

kde P- prúdový výkon (W); A- práca elektrického prúdu alebo spotrebovanej elektriny v úseku obvodu (J); Δ t- aktuálny čas prechodu (s).

Keďže A = U⋅I⋅Δt a I = UR, aktuálny výkon možno nájsť aj vtedy, ak sú známe dve z troch hodnôt: ja, U, R.

P = U⋅I, P = I2⋅R alebo P = U2R,

kde U- napätie na mieste (V); ja- sila prúdu (A); R- odpor sekcie (Ohm).

58.Čo sa rovná jednosmernému výkonu - DC POWER

Pomer práce prúdu za čas t k tomuto časovému intervalu.

V sústave SI:

59. čo sa nazýva termodynamický systém, proces - Termodynamický systém Termodynamický systém- makroskopický fyzikálny systém určený (realisticky alebo mentálne) na štúdium, ktorý pozostáva z veľkého počtu častíc a na svoj popis si nevyžaduje priťahovanie mikroskopických charakteristík jednotlivých častíc,

60. Uveďte definíciu reverzibilného a nevratného procesu - REVERZITEĽNÉ A NEODOLNÉ PROCESY

Spôsoby zmeny termodynamického stavu. systémov. Proces sa nazýva reverzibilný, ak umožňuje uvažovanému systému vrátiť sa z konečného stavu do počiatočného stavu v rovnakej sekvencii intervalov. stavy ako v priamom procese, ale prechádzajú sa v opačnom poradí. V tomto prípade sa do pôvodného stavu vracia nielen systém, ale aj prostredie. Reverzibilný proces je možný, ak prebieha v rovnováhe v systéme aj v prostredí. V tomto prípade sa predpokladá, že medzi jednotlivými časťami posudzovaného systému a na hranici s prostredím existuje rovnováha. Reverzibilný proces je idealizovaný. prípad, ktorý je dosiahnuteľný len s nekonečne pomalou zmenou termodynamiky. parametre. Rýchlosť ekvilibrácie musí byť väčšia ako rýchlosť uvažovaného procesu. Ak nie je možné nájsť spôsob, ako vrátiť systém aj telo v prostredí do pôvodného stavu, nazýva sa proces zmeny stavu systému. nezvratné.

61. Uveďte definíciu vnútornej energie systému - vnútorná energia je energia systému mínus jeho celková mechanická energia (čo je súčet kinetickej energie systému ako celku a jeho potenciálnej energie v poli vonkajšej sily):

Vnútorná energia systému pozostáva z:
a) kinetická energia spojitého chaotický pohyb molekúl;
b) potenciálna energia interakcie molekúl navzájom;
c) intramolekulárna energia (energia chemických väzieb, jadrová energia a pod.).

Pre ideálny plyn sa vnútorná energia rovná celkovej kinetickej energii chaotický pohyb všetkých molekúl plynu N:
.

Vnútorná energia systému aditívum, t.j. pozostáva z vnútorných energií jeho častí.

Vnútorná energia systému je štátna funkcia... Preto bude prírastok vnútornej energie (rovnako ako prírastok všetkých stavových funkcií) vždy celkovým diferenciálom dU.

V cyklickom procese, keď sa systém dostane do pôvodného stavu, sa jeho vnútorná energia nemení.

Elektrická energia sa ľahko premieňa na iné druhy energie - mechanickú, chemickú, svetelnú, vnútornú energiu látky, ktorá je široko používaná v priemysle a každodennom živote.

Miera zmeny energie elektrický prúd je práca zdroja prúdu, ktorý vytvára a udržiava elektrické pole v obvode.

Stacionárne elektrické pole, ktoré pohybuje nábojmi pozdĺž vodiča, funguje. Táto práca sa nazýva dielo prúdu... Práca elektrického prúdu v časti obvodu, ako vyplýva z definície napätia,

\ (~ A = qU, \)

kde q je elektrický náboj prechádzajúci úsekom obvodu a U- napätie na mieste.

Zvažujem to q = to, kde ja je prúd vo vodiči a t- čas prechodu elektrického prúdu, za prácu prúdu dostaneme

\ (~ A = IUt. \)

Ak R je odpor homogénnej časti obvodu, potom pomocou Ohmovho zákona pre časť obvodu môžete získať vzorec na výpočet práce prúdu:

\ (~ A = I ^ 2Rt = \ frac (U ^ 2) (R) t. \)

Ak úsek obvodu nie je homogénny, potom prácu vykonáva nielen stacionárne elektrické pole, ale aj vonkajšie sily a celková práca je určená vzorcom

\ (~ A = I (\ varphi_1 - \ varphi_2 \ pm \ varepsilon) t. \)

Ak je v obvode elektrický motor, potom sa energia elektrického prúdu v prvom rade vynakladá na vykonávanie mechanickej práce - užitočná práca A meh, po druhé, vynakladá sa na zahrievanie vinutia motora a spojovacích vodičov - plytvanie energiou. V tomto prípade možno účinnosť vypočítať ako

\ (~ A_0 = A_ (meh) + Q; \) \ (~ \ eta = \ frac (A_ (meh)) (A_0) = \ frac (A_ (meh)) (A_ (meh) + Q). \ )

Keď už hovoríme o účinnosti zdroja prúdu, užitočná práca znamená prácu vykonávanú vo vonkajšom obvode jednosmerného prúdu:

\ (~ A_p = IUt = I ^ 2Rt. \)

Práca vynaložená zdrojom prúdu sa rovná práci vonkajších síl:

\ (~ A_z = q \ varepsilon = I \ varepsilon t, \)

kde \ (~ \ varepsilon = I (R + r) \).

Potom \ (~ A_z = I ^ 2 (R + r) t \).

Účinnosť zdroja \ (~ \ eta = \ frac (A_p) (A_z) = \ frac (IUt) (I \ varepsilon t) = \ frac (U) (\ varepsilon) = \ frac (R) (R + r) \ ), kde U- napätie vo vonkajšom obvode (napätie na póloch zdroja prúdu). Grafická závislosť η = f(R) pri r= konštanta je znázornená na obr. 1.

Jednotkou práce elektrického prúdu v SI je joule (J). 1 J predstavuje prácu prúdu ekvivalentnú 1 J mechanickej práce.

1 J = Cl · B = A · B · s.

Práca elektrického prúdu sa meria počítadlami.

Rýchlosť, ktorou prúd pracuje v danom úseku obvodu, charakterizuje silu prúdu. Aktuálny výkon je určený vzorcom \ (~ P = \ frac At \) resp P = IU.

Pomocou Ohmovho zákona pre časť obvodu môžete inak napísať vzorec pre aktuálny výkon \ [~ P = I ^ 2R = \ frac (U ^ 2) (R) \]. V tomto prípade hovoríme o tepelnom výkone.

Jednotkou aktuálneho výkonu je watt: 1 W = J / s. Preto J = W s.

Okrem toho sa používajú jednotky mimo systému: kilowatthodina alebo hektowatthodina: 1 kWh = 3,6 · 10 6 J = 3,6 MJ; 1 gWh = 3,6 10 5 J = 360 kJ.

Na meranie aktuálneho výkonu existujú špeciálne prístroje - wattmetre.

Literatúra

Aksenovič L.A. Fyzika na strednej škole: teória. Úlohy. Testy: Učebnica. príspevok pre inštitúcie zabezpečujúce príjem obs. prostredia, výchova / L. A. Aksenovič, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Minsk: Adukatsya i vyhavanne, 2004. - s. 267-270.