Підручник Фізика 8 клас - Т. М. Засєкіна - Оріон 2016 рік

РОЗДІЛ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

§ 33. РОБОТА І ПОТУЖНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

Ви дізнаєтесь

- Як визначати енергетичні характеристики електричного струму

Пригадайте

- Що характеризують такі фізичні величини, як робота й потужність

Робота електричного струму. Під час вивчення механічних і теплових явищ, а також на початку вивчення електричних явищ ми неодноразово користувалися терміном робота. І, як ми знаємо, робота у фізиці — це не характеристика самого тіла, а властивість сил діяти, внаслідок чого самим тілом або над тілом може виконуватись робота. У цьому параграфі дослідимо роботу електричного струму.

Ви вже знаєте, що електрична напруга на кінцях провідника дорівнює роботі, яка здійснюється електричним полем під час переміщення електричного заряду в 1 Кл по цьому провіднику, тобто U = .

Відповідно робота електричного поля А може бути визначена як добуток перенесеного через поперечний переріз провідника електричного заряду q та напруги U на кінцях провідника:

А = q · U.

Скориставшись співвідношенням між силою струму І, електричним зарядом, який пройшов через поперечний переріз провідника, q та часом його проходження t (нагадаємо, q = It), можна записати такий вираз для обчислення роботи електричного поля:

А = IUt.

Таким чином, ми бачимо, що правильніше було б говорити «робота сил електричного поля з переміщення електричного заряду в провіднику» (пригадайте, ми говоримо «робота сили тяжіння з переміщення тіла»). Оскільки переміщення електричних зарядів у провіднику під дією електричного поля називають електричним струмом, то прийнято скорочено говорити «робота електричного струму», «робота струму». Як і у випадку механічної роботи, роботу струму можна оцінити за перетвореннями енергії (пригадайте, механічна робота визначається через зміну кінетичної або потенціальної енергії тіла). Таким чином, загальне визначення роботи електричного струму таке:

Робота електричного струму — це фізична величина, що характеризує перетворення електричної енергії і показує, яку роботу виконує електричне поле, переміщуючи електричні заряди по провіднику.

Кількісно робота струму на ділянці електричного кола визначається добутком сили струму, напруги на цій ділянці та часу, впродовж якого виконувалася ця робота:

А = IUt.

Одиницею роботи струму є джоуль, (Дж):

Дж = 1 В · 1 А · 1 с.

Скориставшись законом Ома для ділянки кола I = U/R , замінимо силу струму у виразі для обчислення роботи, тоді вираз для обчислення роботи матиме вигляд:

A = t.

Якщо ж із закону Ома виразимо напругу через силу струму (U= ІR), одержимо ще один вираз для обчислення роботи:

А = I2Rt.

Зауважимо, що формула А = IUt є універсальною, в той час як А = t та А = I2Rt є справедливими тільки в тих випадках, коли робота струму витрачається лише на зміну внутрішньої енергії провідника, тобто його нагрівання.

Крім того, формулу А = t зручно використовувати у випадку паралельного з’єднання провідників, оскільки напруга на провідниках є однаковою, а формулу А = I2Rt — у випадку послідовного з’єднання провідників, оскільки в цьому разі однаковою є сила струму.

Потужність електричного струму. Важливою характеристикою кожного електричного приладу є енергія, яка споживається ним за одиницю часу. Цю характеристику називають потужністю струму.

Потужність електричного струму — це фізична величина, що дорівнює роботі електричного поля по напрямленому переміщенню електричних зарядів у провіднику за одиницю часу.

Щоб кількісно визначити середню потужність електричного струму, необхідно роботу електричного струму А поділити на час її виконання t:

P=.

Одиницею потужності є ват (Вт): 1 Вт = 1Дж/с .

З формули А = Рt і виходячи з того, що під час споживання електроенергії електричний струм виконує роботу впродовж значного часу, який може становити декілька годин і навіть діб, вимірювання роботи електричного струму в джоулях є доволі незручним. На практиці для вимірювання роботи струму широко використовується позасистемна одиниця — кіловат-година (кВт · год):

1 кВт · год = 3,6 · 106 Дж.

Саме тому визначати роботу електричного струму можна не лише за формулами, а й вимірювальним приладом, призначеним для обліку спожитої електричної енергії, — електричним лічильником.

Оскільки робота електричного струму А = IUt, то отримуємо й таку формулу:

P = = IU.

Як бачимо, потужність електричного струму дорівнює добутку напруги на кінцях провідника та сили струму в ньому:

Р = IU.

Це універсальна формула для обчислення потужності електричного струму.

З урахуванням формул, одержаних нами для обчислення роботи електричного струму, потужність струму можна також обчислити за однією з двох формул:

Р = I2R ,

Р=U2/R.

Ці залежності є справедливими тільки в тому випадку, коли робота струму повністю витрачається на нагрівання провідника.

Визначити потужність електричного струму можна, перемноживши покази амперметра та вольтметра, увімкнутих в електричне коло. Проте для вимірювання потужності використовують прилади, що дають змогу вимірювати потужність електричного струму безпосередньо. Їх називають ватметри.

Фактична й номінальна потужність. Будь-який електричний прилад (лампа, електричний чайник, електричний двигун) розрахований на споживання певної потужності. Хочемо звернути вашу увагу на те, що, вимірюючи потужність струму в споживачі, ми визначаємо його фактичну потужність. Потужність, що вказана в паспорті електричного приладу або безпосередньо на приладі, називають номінальною потужністю. Крім номінальної потужності на приладах можуть вказувати номінальні значення напруги, на яку розрахований цей прилад. Проте напруга в мережі може відрізнятися від номінального значення, тоді відповідно зміниться й сила струму та фактична потужність електричного приладу. Отже, значення фактичної та номінальної потужностей споживача можуть відрізнятися.

Якщо коло складається з кількох споживачів, то, розраховуючи їхню фактичну потужність, слід пам’ятати, що за будь-якого з’єднання споживачів загальна потужність струму в усьому колі дорівнюватиме сумі потужностей окремих споживачів.

Підбиваємо підсумки

Робота електричного струму — це фізична величина, що характеризує перетворення електричної енергії та показує, яку роботу виконує електричне поле, переміщуючи електричні заряди по провіднику.

Кількісно робота струму на ділянці електричного кола визначається добутком сили струму, напруги на цій ділянці та часу, впродовж якого виконувалася ця робота:

А = IUt.

Одиницею роботи струму є джоуль (1 Дж). Широко використовується й позасистемна одиниця роботи струму — кіловат-година (кВт · год): 1 кВт · год = 3,6 · 106 Дж.

Потужність електричного струму — це фізична величина, що дорівнює роботі електричного поля по напрямленому переміщенню електричних зарядів у провіднику за одиницю часу.

Щоб кількісно визначити середню потужність електричного струму, необхідно роботу електричного струму А поділити на час її виконання t:

P = .

Одиницею потужності є ват (Вт): 1 Вт = 1 .

Я знаю, вмію й розумію

1. Що називають роботою електричного струму?

2. За якою формулою обчислюється робота електричного струму?

3. Що називають потужністю струму?

4. Як можна обчислити потужність?

5. Запишіть формули для обчислення потужності та вкажіть, коли якою формулою зручніше користуватися.

6. У яких одиницях вимірюють потужність електричного струму?

7. Які одиниці для вимірювання роботи електричного струму використовують на практиці?

ПОЯСНІТЬ

1. Як зміниться потужність, споживана лампами 1 і 2, якщо лампа 3 згорить (мал. 172)?

Мал. 172. До завдання 1

2. У колі (мал. 173) усі лампи однакові. Яка з них світиться найяскравіше?

Мал. 173. До завдання 2

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Задача

До джерела напругою 200 В підключено ділянку кола, що складається з чотирьох резисторів (мал. 174). Визначте загальну потужність струму в усій ділянці кола та потужність струму на резисторах R2 і R4. Опори резисторів дорівнюють: R1 = = 20 Ом, R2 = R3 = 25 Ом, R4 = 75 Ом.

Мал. 174

Розв’язання:

Резистори R2 і R3 з’єднані послідовно. Опір цієї ділянки R2,3 = R2+R3. Ці резистори з’єднані паралельно з резистором R4.

Опір такої ділянки:

звідки

Загальний опір ділянки

Потужність струму на всій ділянці кола:

Визначаємо загальну силу струму на ділянці із формули: P= I2R,

Сила струму І , що проходить через резистор R , також дорівнює 4 А. У розгалуженій частині ділянки кола сили струму обернено пропорційні до опорів цих ділянок:

= = ,

а також сила струму І1 = І2,34

Розв’язуючи систему рівнянь,

= і 4 = І2,3 + І4

отримуємо: І2,3 = 2,4 А; І4 = 1,6 А.

Потужність струму в резисторах R2 і R4 відповідно:

Р2 = І2,32R2 , Р2 =(2,4А)2 · 25Ом = 144Вт,

Р4 = I42R4 , Р4 =(1,6А)2 75Ом = 192Вт.

Відповідь: Р = 800 Вт, Р2 = 144 Вт, Р4 = 192 Вт.

Вправа 17

1. До джерела постійної напруги 9 В підключили три однакові резистори по 1 Ом (мал. 175). Визначте потужність електричного струму в кожному із трьох запропонованих варіантів.

п

Мал. 175. До завдання 1

2. Як буде змінюватися споживана лампою потужність (мал. 176), якщо повзунок реостата перемістити вгору? Униз?

3. Визначте роботу, яку щосекунди виконує двигун електродриля, якщо за напруги 220 В сила струму в ньому становить 4 А.

4. Резистори опором 600 Ом і 800 Ом приєднали паралельно до джерела струму. Порівняйте потужності на кожному резисторі.

Мал. 176. До завдання 2

5. У мережу напругою 220 В включено нагрівальний прилад. Визначте питомий опір матеріалу, з якого виготовлена спіраль нагрівального приладу, якщо він споживає потужність 2200 Вт. Довжина спіралі 11 м, поперечний переріз — 0,21 мм2.

6. Визначте роботу, яку виконує двигун електричного міксера за 1,5 хв, якщо за напруги 220 В сила струму в обмотці двигуна становить 0,5 А. ККД двигуна — 75 %.

4. Резистори опором 600 Ом і 800 Ом приєднали паралельно до джерела струму. Порівняйте потужності на кожному резисторі.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.