Devrede çalışmak bir fizikçinin tanımıdır. Elektrik akımının çalışması: genel özellikler, formül, pratik değer

Cihazın gücü hesaplanıyor mu? Ya da belki ikincisi ölçülebilir? Ve edinilen bilgiler problem çözmede nasıl uygulanır?

Bunlar, birçok sekizinci sınıf öğrencisinin "Elektrik" konusunu çalışırken kafalarına takılan sorulardır. Onlara verilecek cevap oldukça basittir. Ve formülleri uzun süre ezberlemeniz gerekmeyecek. Çünkü birbirlerine çok benziyorlar veya daha önce çalışılmış olanları kullanıyorlar.

Birinci miktar: akımın işi

İlk olarak, notasyon üzerinde anlaşmanız gerekir. Çünkü aralarında farklılıklar olabilir.

Her biri serbest elektronları hareket ettiren bir elektrik alanı yaratır. Yani bir akım oluşur. Bu anda elektrik alanın iş yaptığı söylenir. Akımın işi denilen şey budur.

Akım kaynağı tarafından oluşturulan elektrik alanı voltaj ile karakterize edilir. Birim yükü hareket ettirirken ne tür bir elektrik akımı işinin yapıldığını etkiler. Bu nedenle, voltaj için bir formül tanıtıldı:

Ondan işin formülünü çıkarmak kolaydır:

Şimdi, mevcut güç için getirilen eşitliği hatırlamaya değer. Hareket eden yükün hareket zamanına oranına eşittir:

Dolayısıyla q = I * t. Son ifadeyle çalışmak için formüldeki q harfini değiştirerek aşağıdaki formülü elde ederiz:

Bu, bir elektrik akımının işinin hesaplanabileceği genel bir eşitlik biçimidir. Ohm yasası uygulanırsa formül biraz değişecektir. Buna göre gerilim, akım gücü ile direncin çarpımına eşittir. O zaman aşağıdaki eşitlik doğru olacaktır:

A = I 2 * R * t.

Voltajı değil amperi değiştirebilirsiniz. U ve R bölümlerine eşittir. O zaman çalışma formülü şöyle görünecektir:

A = (U 2 * t) / R.

İkinci miktar: mevcut güç

Bunun için genel formül, mekanikteki ile aynıdır. Yani birim zamanda yapılan iş olarak tanımlanır.

Buradan elektrik akımının işi ve gücünün birbiriyle ilişkili olduğu görülebilir. Daha spesifik bir eşitlik elde etmek için, iş için genel formülü kullanarak payı değiştirmeniz gerekecektir. Ardından, devrenin akım gücünü ve voltajını bilerek gücün nasıl belirleneceği netleşir.

Ayrıca, güç ölçülebilir. Bunun için wattmetre adı verilen özel bir cihaz vardır.

Joule-Lenz yasası

Bir iletkenin ısıtılması olgusu, Fransız bilim adamı A. Fourqua tarafından keşfedildi. 1880'de tekrar oldu. 41 yıl sonra İngiliz fizikçi J.P. Joule tarafından tanımlandı ve bir yıl sonra Rus fizikçi E.H. Lenz. Keşfedilen model, son iki bilim insanının isimleriyle anılmaya başlandı.

İçinde iki miktar bağlantılıdır: ısı miktarı ve bir elektrik akımının işi. Joule-Lenz yasası, sabit bir iletkendeki tüm işlerin onu ısıtmaya gittiğini belirtir. Yani akımı olan bir iletken, direncinin, zamanın ve akımın karesinin çarpımına eşit miktarda ısı yayar. Formül, çalıştığı gösterilenlerden biriyle aynı görünüyor:

Q = I 2 * R * t.

İş tanımı görevi

Şart... El feneri ampulünün direnci 14 ohm'dur. Pilin sağladığı voltaj 3,5 V'tur. El feneri 2 dakika boyunca çalışırsa mevcut çalışma ne kadar olur?

Çözüm. Gerilim, direnç ve zaman bilindiği için aşağıdaki formülü kullanmak gerekir: A = (U 2 * t) / R. Sadece önce zamanı SI birimlerine, yani saniyelere dönüştürmeniz gerekir. Bu nedenle, formülde 2 dakikayı değil 120 saniyeyi değiştirmeniz gerekir.

Basit hesaplamalar, mevcut işin şu değerine yol açar: 105 J.

Cevap.İş 105 J'ye eşittir.

Gücü belirleme görevi

Şart... Elektrik motoru sargısındaki elektrik akımının işinin ve gücünün neye eşit olduğunu belirlemek gerekir. 450 V gerilimde içindeki akımın 90 A olduğu biliniyor. Elektrik motoru bir saat açık kalıyor.

Değerleri değiştirdikten ve basit aritmetik işlemler gerçekleştirdikten sonra, iş için aşağıdaki değer elde edilir: 145800000 J. Cevapta daha büyük birimlerde yazmak daha uygundur. Örneğin, megajoule. Bunu yapmak için sonucun bir milyona bölünmesi gerekir. İş 145.8 MJ'ye eşit çıkıyor.

Şimdi elektrik motorunun gücünü hesaplamanız gerekiyor. Hesaplamalar şu formüle göre yapılacaktır: P = U * I. Çarpma işleminden sonra sayı: 40500 watt olacaktır. Kilovat cinsinden yazmak için sonucu bin ile bölmeniz gerekir.

Cevap. A = 145.8 MJ, P = 40,5 kW.

Voltaj Hesaplama Problemi

Şart. Ocak gözü 20 dakika boyunca açılır. 4 A akımla işin 480 kJ olduğu ortaya çıkarsa, ağdaki voltaj nedir?

Çözüm.İş ve akım gücü bilindiği için aşağıdaki formülü kullanmanız gerekir: A = U * I * t. Burada voltaj bilinmeyen bir faktördür. Bir bölüm çarpımı ve bilinen bir faktör olarak hesaplanmalıdır, yani: U = A / (I * t).

Hesaplama yapmadan önce değerleri SI birimlerine çevirmeniz gerekir. Yani Joule cinsinden iş ve saniye cinsinden zaman. Bu 480.000 J ve 1200 s olacaktır. Şimdi her şeyi saymak için kalır.

Cevap. Voltaj 100 V'tur.

Elektrik akımı çalışması enerji miktarının bir ölçüsüdür.

sırasında elektrik akımının yaptığı iş T bilinen bir voltajda U ve mevcut güç ben gerilim ve akım gücü ile süresinin çarpımına eşittir. A = Ünit

İş joule cinsinden ölçülür ( 1J = 1VA ).

1 J Elektrik akımının kuvvetle yaptığı iş 1 A stres altında U = 1 V sırasında 1c .

İş yapma hızı güç ile karakterize edilir.

Güç Pçalışma tutumu denir A zaman aralığına göre T bunun için taahhüt edilmiştir. Böylece, bir elektrik devresinde:

Güç watt cinsinden ölçülür ( 1W = 1J/sn ). 1 watt için olan güçtür 1 saniye devam eden çalışma 1 J.

Akımın termal etkisi.

İletkenin sabit olması ve içinde kimyasal dönüşüm olmaması durumunda, akımın çalışması, iletkenin ısınmasının bir sonucu olarak iletkenin iç enerjisini arttırmaya harcanır. Bu durumda açığa çıkan ısı miktarı Joule-Lenz yasasına göre belirlenir.

Joule-Lenz yasası.

Bir iletken içinden doğru akım geçtiğinde açığa çıkan ısı miktarı, akım kuvvetinin, iletkenin direncinin ve akımın geçiş süresinin karesi ile doğru orantılıdır.

S = I 2 Rt, J

Onlar. açığa çıkan ısı miktarı, bu iletkenin içinden akım geçtiğinde aldığı elektrik enerjisi miktarına eşittir.

Her iletken, aşırı ısınmadan belirli bir güçte bir akım geçebilir. Mevcut yükü belirlemek için kavramı kullanın akım yoğunluğu: iletkenin kesit alanının 1 mm 2'si başına akımdır.J = .

Doğada ve teknolojide, enerjiyi bir türden diğerine dönüştürme süreçleri sürekli olarak gerçekleşir (Şekil 1.22). Elektrik enerjisi kaynaklarında çeşitli enerji türleri elektrik enerjisine dönüştürülür.

Örneğin:

Elektrik jeneratörlerinde 1 , herhangi bir mekanizma tarafından rotasyona sokulduğunda, mekanik elektrik enerjisine bir dönüşüm vardır;

Termojeneratörlerde 2 - termal;

pillerde 9 deşarjlarında ve galvanik hücrelerde 10 - kimyasal;

fotosellerde 11 - Işıltılı.

Elektrik enerjisinin alıcıları, aksine, elektrik enerjisini diğer enerji türlerine dönüştürür.

Örneğin:

Elektrik motorlarında 3 elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülür;

Elektrikli ısıtma cihazlarında 5 - sıcakta;

elektrolitik banyolarda 8 ve piller 7 şarj edildiklerinde - bir kimyasala;

elektrik lambalarında 6 - radyan ve ısıda;

antenlerde 4 radyo vericileri - parlak.

Şekil 1.22. Enerjiyi bir türden diğerine dönüştürmenin yolları

Kontrol soruları

1. Bir türden diğerine enerji dönüşümü örneklerini adlandırın.

2. Gücün tanımını verin.

3. Bilinen bir voltaj ve akımda elektrik akımının belirli bir süre için yaptığı iş nedir?

4. Elektrik enerjisi birimi olarak ne alınır?

Fizik dersinden, herhangi bir cismin özelliklerinden birinin, iş yapabilme yeteneği olduğu bilinir, çünkü ikincisi, bir tür enerjinin diğerine dönüştürülmesinden başka bir şey değildir (örneğin, potansiyelin kinetik). Bu durumda, 18. yüzyılda M.V. tarafından formüle edilen ünlü enerjinin korunumu yasası dikkate alınmalıdır. Lomonosov'a göre, enerji hiçbir yerde kaybolmaz, sadece değişir, farklı bir biçim alır. Yukarıdakilerin tümü, yalnızca katılar için değil, aynı zamanda elektrik akımı da dahil olmak üzere diğer madde türleri için de geçerlidir.

Uzun zamandır kanıtlandığı gibi, - Devrenin belirli bir bölümü boyunca hareket eden bu parçacıklar, akım oluşturan bir elektrik alanı oluşturur - bu, belirli bir yük boyunca bir yükü aktarmak için harcanması gereken enerji miktarıdır. Aynı zamanda, akımın tüm çalışmaları yararlı ve etkili değildir. Elektrik yükünün iletkende ve devre kaynağında bulunan temel parçacıkların direncini aşmasını sağlamak için enerjinin oldukça belirgin bir kısmı harcanır.

Formülü yukarıdaki metinden A = U.Q olan bir elektrik akımının çalışması, bu özel madde türünün en önemli özelliğidir. Bu formülde U, zincirin bir bölümünü temsil eder ve Q, belirli bir bölüm boyunca aktarılan yükün nicel bir ifadesidir.

Bununla birlikte, bu işi ve aynı zamanda salınan miktarı birbirine bağlayan bir düzenlilik bulunmasaydı, bir elektrik akımının işinin kendisi özellikle ilgi çekici olmazdı. Bu düzenlilik neredeyse aynı anda iki ünlü fizikçi - Lenz ve Joel tarafından keşfedildi. Prescott, bu nedenle, bilim camiasındaki yasaya "Joule-Lenz yasası" adı verildi. Bu yasaya göre, yüklü parçacıklar içinden akarken belirli bir hacimde açığa çıkan ısı miktarının (veya gücünün), alan kuvvetinin ve içinden geçen elektrik akımının yoğunluğunun çarpımı ile doğru orantılı olduğu ortaya çıkıyor. verilen bölüm. Bu yasa, kablolarla uzun mesafelerde iletim sırasında elektrik kayıplarının hesaplanması için büyük önem taşımaktadır.

Bir elektrik akımının işi, en doğrudan başka bir en önemli nicelik olan güçle ilgilidir. Fizikte, elektrik enerjisinin dönüşüm ve iletim hızının nicel özelliklerini kastediyoruz. Güç, kilovat-saat cinsinden ölçülürken, elektrik akımının işi joule cinsindendir.

Belirli bir kaynaktan maksimum akım gücü elde etmek için, bu kaynağın özelliklerini ve ayrıca harici devrenin birbiriyle karşılaştırılabilir olması gerektiği gerçeğini dikkate almak gerekir, aksi takdirde yapılan tüm işler üstesinden gelmek için harcanacaktır. dirençlerdeki fark.

Elektrik akımının çalışması, hemen hemen tüm endüstrilerde ve ayrıca enerjinin uzun mesafelerde üretilmesi ve iletilmesinde dikkate alınması gereken en önemli fiziksel özelliktir.

nerede A- devrenin (J) bölümünde elektrik akımı veya tüketilen elektrik çalışması; ben- mevcut güç (A); sen- sitedeki voltaj (V); Δ T

I = UR devresinin kesiti için Ohm kanunu dikkate alındığında, eğer zaman Δ ise akımın işi bulunabilir. T ve üç değerden herhangi ikisi: ben, sen, r.

A = I2⋅R⋅Δt veya A = U2R⋅Δt,

nerede r

Devre bölümünde herhangi bir mekanik çalışma yapılmazsa ve akım kimyasal veya başka bir etki üretmezse, o zaman

nerede Q- akım (J) ile iletken tarafından salınan ısı miktarı.

nerede P- mevcut güç (W); A- devrenin (J) bölümünde elektrik akımı veya tüketilen elektrik çalışması; Δ T- mevcut geçiş süresi (ler).

A = U⋅I⋅Δt ve I = UR olduğundan, üç değerden herhangi ikisi biliniyorsa mevcut güç de bulunabilir: ben, sen, r.

P = U⋅I, P = I2⋅R veya P = U2R,

nerede sen- sitedeki voltaj (V); ben- mevcut güç (A); r- bölüm direnci (Ohm).

58. DC gücü nedir - DC GÜÇ

t zamanındaki akımın bu zaman aralığına oranı.

SI sisteminde:

59. termodinamik sistem denen şey, bir süreç - termodinamik sistem termodinamik sistem- çok sayıda parçacıktan oluşan ve tanımı için bireysel parçacıkların mikroskobik özelliklerinin çekiciliğini gerektirmeyen, çalışmaya (gerçekçi veya zihinsel olarak) tahsis edilmiş makroskopik bir fiziksel sistem,

60. Tersinir ve geri döndürülemez bir sürecin tanımını verin - TERSİNE İLİŞKİN VE KARŞI KARŞI DAYANIKLI OLMAYAN SÜREÇLER

Termodinamiğin durumunu değiştirme yolları. sistemler. Bir işlem, incelenen sistemin aynı aralıklar dizisi yoluyla son durumundan başlangıç ​​durumuna dönmesine izin veriyorsa, tersine çevrilebilir olarak adlandırılır. durumlar, doğrudan süreçte olduğu gibi, ancak ters sırada geçilir. Bu durumda sadece sistem orijinal durumuna değil, çevreye de geri döner. Hem sistemde hem de çevrede dengede ilerliyorsa, tersine çevrilebilir bir süreç mümkündür. Bu durumda, söz konusu sistemin tek tek parçaları arasında ve çevre sınırında bir dengenin olduğu varsayılır. Tersinir süreç idealize edilir. sadece termodinamikte sonsuz yavaş bir değişimle elde edilebilen durumdur. parametreler. Dengeleme hızı, incelenen sürecin hızından daha büyük olmalıdır. Hem sistemi hem de ortamdaki cismi eski haline döndürmenin bir yolunu bulmak mümkün değilse sistemin durumunu değiştirme işlemine denir. geri döndürülemez.

61. Sistemin iç enerjisinin bir tanımını verin - iç enerji, sistemin enerjisi eksi toplam mekanik enerjisidir (bu, bir bütün olarak sistemin kinetik enerjisinin ve dış alandaki potansiyel enerjisinin toplamıdır). kuvvetler):

Sistemin iç enerjisi şunlardan oluşur:
a) sürekliliğin kinetik enerjisi kaotik moleküllerin hareketi;
b) moleküllerin birbirleriyle etkileşiminin potansiyel enerjisi;
c) molekül içi enerji (kimyasal bağların enerjisi, nükleer enerji, vb.).

İdeal bir gaz için iç enerji toplam kinetik enerjiye eşittir. kaotik tüm N gaz moleküllerinin hareketi:
.

Sistemin iç enerjisi katkı, yani parçalarının iç enerjilerinden oluşur.

Sistemin iç enerjisi, durum işlevi... Bu nedenle, iç enerjideki artış (ve tüm durum fonksiyonlarındaki artış) her zaman toplam diferansiyel dU olacaktır.

Döngüsel bir süreçte sistem orijinal durumuna geldiğinde iç enerjisi değişmez.

Elektrik enerjisi, endüstride ve günlük yaşamda yaygın olarak kullanılan bir maddenin mekanik, kimyasal, hafif, iç enerjisi gibi diğer enerji türlerine kolayca dönüştürülür.

Enerji değişiminin bir ölçüsü elektrik akımı, devrede bir elektrik alanı oluşturan ve koruyan bir akım kaynağının işidir.

Yükleri bir iletken boyunca hareket ettiren sabit bir elektrik alanı iş yapar. Bu işe denir akım işi... Gerilim tanımından aşağıdaki gibi bir devrenin bir bölümünde bir elektrik akımının işi,

\ (~ A = qU, \)

nerede Q devrenin bölümünden geçen elektrik yüküdür ve sen- sitedeki voltaj.

Hesaba katıldığında Q = Bilişim Teknoloji, nerede ben iletkendeki akımdır ve T- elde ettiğimiz akımın çalışması için elektrik akımının geçiş süresi

\ (~ A = IUt. \)

Eğer r devrenin homojen bir bölümünün direncidir, daha sonra devrenin bir bölümü için Ohm yasasını kullanarak akımın işini hesaplamak için bir formül elde edebilirsiniz:

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

Devrenin bölümü homojen değilse, iş sadece sabit elektrik alanı tarafından değil, aynı zamanda dış kuvvetler tarafından da gerçekleştirilir ve toplam iş formül ile belirlenir.

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

Devrede bir elektrik motoru varsa, elektrik akımının enerjisi öncelikle mekanik iş - faydalı iş yapmak için harcanır. A meh, ikincisi, motor sargılarını ısıtmak ve kabloları bağlamak için harcanır - boşa harcanan enerji. Bu durumda verimlilik şu şekilde hesaplanabilir:

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

Bir akım kaynağının verimliliğinden bahsetmişken, faydalı iş, harici bir DC devresinde gerçekleştirilen iş anlamına gelir:

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

Mevcut kaynak tarafından harcanan iş, dış kuvvetlerin çalışmasına eşittir:

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

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

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

Kaynak verimliliği \ (~ \ eta = \ frac (A_p) (A_z) = \ frac (IUt) (I \ varepsilon t) = \ frac (U) (\ varepsilon) = \ frac (R) (R + r) \ ), nerede sen- harici devredeki voltaj (akım kaynağının kutuplarındaki voltaj). grafik bağımlılığı η = F(r) NS r= const Şekilde gösterilmektedir. 1.

SI'da elektrik akımının iş birimi joule'dür (J). 1 J, 1 J mekanik işe eşdeğer akım işini temsil eder.

1 J = Cl · B = A · B · s.

Elektrik akımının işi sayaçlarla ölçülür.

Akımın devrenin belirli bir bölümünde çalıştığı hız, akımın gücünü karakterize eder. Mevcut güç, \ (~ P = \ frac At \) formülüyle belirlenir veya P = İÜ.

Devrenin bir bölümü için Ohm yasasını kullanarak, mevcut güç \ [~ P = I ^ 2R = \ frac (U ^ 2) (R) \] formülünü farklı şekilde yazabilirsiniz. Bu durumda, ısı çıkışı hakkında konuşuyoruz.

Mevcut gücün birimi watt'tır: 1 W = J / s. Dolayısıyla J = W s.

Ek olarak, sistem dışı birimler kullanılır: kilovat saat veya hektovat saat: 1 kWh = 3,6 · 10 6 J = 3,6 MJ; 1 gWh = 3,6 10 5 J = 360 kJ.

Akım gücünü ölçmek için özel cihazlar var - wattmetreler.

Edebiyat

Aksenovich L.A. Lisede Fizik: Teori. Görevler. Testler: Ders kitabı. obs alınmasını sağlayan kurumlar için ödenek. çevreler, eğitim / L.A. Aksenovich, N.N. Rakina, K.S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Minsk: Adukatsya i vyhavanne, 2004. - s. 267-270.