Электрическая работа. Мощность. Закон Джоуля-Ленца

Электрический ток. Законы и общие понятия

Сила тока

Явление направленного движения носителей заряда, сопровождаемое магнитным полем, называют полным электрическим током.

Для количественной оценки электрического тока служит величина, называемая силой тока.

Сила тока численно равна количеству электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени:

(1.1)

Единицей силы тока является ампер (А). Очевидно, что ток определяется как упорядоченной скоростью носителей заряда (например, электронов), так и их плотностью.

ЭДС и напряжение

Вследствие движения зарядов в цепи возникает ток и в потребителе расходуется энергия, запасенная источником. Для количественной оценки указанных энергетических преобразований в источнике служит величина, называемая электродвижущей силой (ЭДС). ЭДС (Е)численно равна работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного положительного заряда внутри источника или сам источник, проводя единичный положительный заряд по замкнутой цепи.

Единицей ЭДС является вольт (В). Таким образом, ЭДС равна 1 В, если при перемещении заряда в 1 Кл по замкнутой цепи совершается работа в 1 Дж: .

Перемещение зарядов поучастку цепи сопровождается затратой энергии. Величину, численно равную работе, которую совершает источник, проводя единичный положительный заряд по данному участку цепи, называют напряжением U.

Измерить напряжения на различных участках цепи можно только при замкнутой цепи. ЭДС измеряют между зажимами источника при разомкнутой цепи.

Закон Ома

Закон Ома для участка цепи: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку и обратно пропорционально сопротивлению.

(1.2)

где R – сопротивление проводника.

За единицу сопротивления принято сопротивление такого участка цепи, в котором устанавливается ток в 1 А при напряжении в 1 В: [R] = 1 В/1 А=1 Ом.

Более крупными единицами сопротивления являются килоом (кОм): 1 кОм = 10³ Ом; мегаом (МОм); 1 Мом = 10⁶ Ом.

Сопротивление проводника зависитот геометрии и свойств материала проводника:

R = ρl/S (1.3)

l и S – соответственно длина [м] и площадь проводника [м²],

ρ – удельное сопротивление [Ом-м].

Единица удельного сопротивления. Значение ρ для металлов при такой единице очень мало. Поэтому для удобства расчетов поперечное сечение проводника берут в квадратных миллиметрах. Тогда единицей ρ будет Ом-мм²/м.

Элементы электрической цепи, характеризующиеся сопротивлением R, называют резистивными. Они могут быть проволочными и непроволочными. Проволочные резисторы и реостаты изготовляют из материалов с большим удельным сопротивлением. При этом обеспечивается нужное сопротивление при относительно малых габаритах.

Реостат обеспечивает получение переменного сопротивления, значение которого регулируется изменением положения подвижного контакта реостата.

Электрическая работа. Мощность. Закон Джоуля-Ленца

В замкнутой электрической цепи работу, которую совершает источник тока для перемещения заряда q, используя закон Ома для участка цепи, можно записать:

(1.4)

Величину, характеризуемую скоростью, с которой совершается работа, называют мощностью:

(1.5)

Единица мощности — ватт (Вт): [Р]=1 Дж/1 с=1 Вт, т.е. мощность равна 1 Вт, если за 1 с совершается работа в 1 Дж.

В связи с чем электрическая работа 1 Дж = 1 Вт-1 с = 1 Вт-с. На практике пользуются такими единицами работы, как киловатт-час (кВт-ч):1 кВт-ч = 3 600 000 Вт-с.

Когда в цепи с сопротивлением R существует ток, электроны, перемещаясь под действием поля, сталкиваются с ионами кристаллической решетки проводника. При этом кинетическая энергия электронов передается ионам, что приводит к увеличению амплитуды колебательного движения ионов, и, следовательно, к нагреванию проводника. Количество теплоты, выделенной в проводнике:

(1.6)

Приведенная зависимость носит название закона Ленца — Джоуля: количество теплоты, выделяемой при прохождении тока в проводнике, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Преобразование электрической энергии в тепловую имеет большое практическое значение и широко используется в различных нагревательных приборах как в промышленности, так и в быту. Однако часто тепловые потери являются нежелательными, так как они вызывают непроизводительные расходы энергии, например в электрических машинах, трансформаторах и других устройствах, что снижает их КПД.