Урок № 37-169 Работа и мощность тока. Тепловое действие тока.

Закон Джоуля-Ленца Д/з: П.8.11; п.8.12 [1]

При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу, ее принято называть работой тока.

Работа тока. Рассмотрим произвольный участок цепи. Это может быть однородный проводник, например нить лам­пы накаливания, обмотка электродвигателя и др. Пусть за время Δt через поперечное сечение проводника проходит за­ряд Δq.

Тогда электрическое поле совершит работу А= ΔqU.

Так как сила тока I = , то Δq = IΔt, то работа равна: A=IUΔt

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.

Согласно закону сохранения энергии эта работа долж­на быть равна изменению энергии рассматриваемого уча­стка цепи. Поэтому энергия, выделяемая на данном уча­стке цепи за время Δt, равна работе тока A=IUΔt

В случае, если на участке цепи не совершается меха­ническая работа и ток не производит химических дейст­вий, происходит только нагревание проводника. Нагре­тый проводник отдает теплоту окружающим телам.

Нагревание проводника происходит следующим обра­зом. Электрическое поле ускоряет электроны. После столк­новения с ионами кристаллической решетки они переда­ют ионам свою энергию. В результате энергия беспоря­дочного движения ионов около положений равновесия воз­растает. Это и означает увеличение внутренней энергии. Температура проводника при этом повышается, и он на­чинает передавать теплоту окружающим телам. Спустя небольшое время после замыкания цепи процесс устанав­ливается, и температура перестает изменяться со време­нем. К проводнику за счет работы электрического поля непрерывно поступает энергия. Но его внутренняя энер­гия остается неизменной, так как проводник передает ок­ружающим телам количество теплоты, равное работе то­ка. Таким образом, формула A=IUΔt для работы тока определяет количество теплоты, передаваемое проводни­ком другим телам.

Если в формуле A=IUΔt выразить либо напряжение че­рез силу тока, либо силу тока через напряжение с помо­щью закона Ома для участка цепи, то получим три эк­вивалентные формулы: A=IUΔt = I ²RΔt= ∙Δt = Q

Формулой A= I²RΔt удобно пользоваться для последо­вательного соединения проводников, так как сила тока в этом случае одинакова во всех проводниках. При парал­лельном соединении удобна формула А=∙Δt , так как на­пряжение на всех проводниках одинаково.

Закон Джоуля—Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопро­тивления проводника и времени прохождения тока по проводнику: Q =I ²RΔt

Мы получили этот закон с помощью рассуждений, основанных на законе сохранения энергии. Эта формула позволяет вычислить количество теплоты, выде­ляемое на любом участке цепи, содержащем какие угод­но проводники.

Мощность тока. Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определен­ной энергии в единицу времени. Поэтому наряду с рабо­той тока особое значение имеет понятие мощность тока. Мощность тока равна отношению работы тока за время Δt к этому интервалу времени.

Согласно этому определению Р = =IU. Это выражение для мощности можно переписать в не­скольких эквивалентных формах, если использовать за­кон Ома для участка цепи: Р = IU= I ²R=

Основные формулы для решения задач

A=IUΔt=I²RΔt=Δt=Q

P==IU

Экзаменационные вопросы

33. Какую работу совершили силы электростатического поля при перемещении 2 Кл из точки с потенциалом 20 В в точку с потенциалом 0 В? А. 40 Дж. Б. 20 Дж. В. 10 Дж. Г. 0 Дж.

34. Какая из приведенных ниже формул применяется для вычисления мощности электрического тока?

А. I =; Б. I = ; В.IUΔt; Г. P=UI; Д. ρ = ρ₀(1+α t).

35. При перемещении электрического заряда в электрическом поле по любой замкнутой траектории работа сил электрического поля оказалась равной нулю. Какое это было поле?

А. Это могло быть любое поле. Б. Это могло быть только поле точечного заряда. В. Это могло быть только однородное электрическое поле. Г. Это могло быть только поле двух равных по модулю и противоположных по знаку двух точечных зарядов. Д. Такого поля быть не может.

36. Какая из приведенных ниже формул применяется для вычисления работы электрического тока?

А. ; Б. ; В.IUΔt; Г. UI; Д. ρ₀(1+α t).

37. При перемещении заряда 2 Кл в электрическом поле силы, действующие со стороны этого поля, совершили работу 8 Дж. Чему равна разность потенциалов между начальной и конечной точками пути?

А. 16 В. Б. 4 В. В. 0,25 В. Г. По условию задачи разность определить нельзя. Д. Среди ответов А - Г нет правильного.

38. При перемещении электрического заряда q между точками с разностью потенциалов 8 В силы, действующие на заряд со стороны электрического поля, совершили работу 4 Дж. Чему равен заряд q?

А. По условию задачи заряд определить невозможно. Б. 32 Кл. В. 2 Кл. Г. 0,5 Кл. Д.Среди ответов А-Г правильного нет.

Задачи.

1. Мощность электрического утюга 1 кВт. Каково его сопротивление при включении в сеть с напряжением 220 В?

2. Сопротивление резистора 440 Ом, напряжение в цепи равно 220 В. Определить мощность тока.

3. По проводнику сопротивлением 20 Ом за 5 минут прошло количество электричества 300 Кл. Вычислить работу тока за это время.

4. В сеть с напряжением 220В включены параллельно одинаковые лампочки с сопротивлением 484 Ом каждая. Сколько лампочек включили в сеть, если они потребляют мощность 800 Вт?

5. Гальванический элемент с ЭДС 6 В и внутренним сопротивлением 1 Ом замкнут на сопротивление 5 Ом. Какое количество теплоты выделится на проводнике и внутреннем сопротивлении за 10 с?

6. ЭДС источника электрической энергии равна 100 В. При внешнем сопротивлении 49 Ом сила тока в цепи 2 А. Найти падение напряжения внутри источника и его внутреннее сопротивление.

7. Аккумулятор с ЭДС 6 В и внутренним сопротивлением 0,1 Ом питает внешнюю цепь сопротивлением 12,4 Ом. Какое количество теплоты выделится за время 10 минут во всей цепи?

8. На каком из сопротивлений будет выделяться наибольшее количество теплоты

в единицу времени, если R₁=4 Ом ; R₂=2 Ом ; R₃=1 Ом ; R₄=2 Ом?

9. При ремонте электроплитки её спираль укоротили на 0,2 первоначальной длины.

Как при этом изменится мощность плитки?

Дополнительные задачи

№ 1.Определить сопротивление электрического паяльника мощностью 300 Вт, включенного в сеть напряжением 220 В.

№ 2. По проводнику сопротивлением 20 Ом за 5 мин прошло количество электричества 300 Кл. Вычислить работу тока за это время.

№ 3. Сколько электронов проходит каждую секунду через поперечное сечение вольфрамовой нити лампочки мощностью 70 Вт, включенной в сеть с напряжением 220 В?

№ 4. Определить стоимость электрической энергии, потребляемой лампой мощностью 100 Вт за 200 ч горения

(k =0,04 ).

№ 5. Какое сопротивление нужно включить в сеть с напряжением 220 В, чтобы в нем за 10 минут выделилось 66 кДж теплоты?

http://landing.megapost.info/phisic/

4