09-г. Работа электрического тока
§ 09-г. Работа электрического тока
Изучая применение электрического тока, нужно уметь вычислять количество электроэнергии, которое расходуется на то или иное действие тока. Например, подъём лифта, нагревание чайника и тому подобное. Поэтому выведем формулу для подсчёта работы тока.
| В предыдущем параграфе мы узнали формулу: P = I · U | Однако из 7-го класса мы знаем другую формулу для мощности: N = A / t |
В левых частях этих равенств стоят разные символы, но они обозначают одну и ту же физическую величину — мощность. Следовательно, правые части формул можно приравнять: I · U = A / t . Выразим работу:
Формула для вычисления работы электрического тока или, что то же самое, для расчета потреблённой электроэнергии.
| A = I · U · t |
A — работа электрического тока, Дж |
По этой формуле вычисляется работа тока или, что то же самое, израсходованная электроэнергия. Поясним, что выделенные нами термины — синонимы.
В момент замыкания цепи электрическое поле источника энергии приводит в движение заряженные частицы в проводнике (электроны и/или ионы), и их энергия возрастает. Сумма энергий всех частиц тела является внутренней энергией тела (см. § 7-д), значит, внутренняя энергия проводника в момент возникновения в нём тока возрастает. Согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия может расходоваться на теплопередачу или совершение работы (см. § 6-з). Но, расходуясь, она постоянно пополняется от источника энергии.
Вспомним, что прохождение тока по проводнику всегда сопровождается действиями тока (см. § 8-з). При этом обязательно происходит превращение электроэнергии в другие виды энергии. Например, внутреннюю (утюг или чайник), механическую (пылесос или вентилятор) и так далее. Поэтому под выражением «ток совершает работу» мы будем понимать превращение электроэнергии в другие виды энергии. В таком смысле работа тока и израсходованная электроэнергия — выражения-синонимы.
Для измерения потреблённой электроэнергии служат специальные измерительные приборы — счётчики электроэнергии.
Для учёта электроэнергии вместо джоуля используется более крупная единица — киловатт-час (обозначение: 1 кВт·ч). Например, счётчик на рисунке показывает значение 254,7 кВт·ч. Это может означать, что за всё время учёта потребитель мощностью 254,7 кВт работал 1 час или что потребитель мощностью 2547 Вт работал 100 часов (и так далее, соблюдая пропорцию).
Найдём связь киловатт-часа с более привычной нам единицей для измерения работы — джоулем.
1 кВт · ч = 1000 Вт · 60 мин =
= 1000 Дж/с · 3600 с = 3 600 000 (Дж/с)·с =
= 3 600 000 Дж = 3,6 МДж
Итак, 1 кВт·ч = 3,6 МДж.
Примечание. Формула для работы тока A = I·U·t поможет выяснить физический смысл электрического напряжения. Выразим его:
| U = | A | Следовательно, | 1 В = 1 | Дж | |||
| I·t | А·с |
Отсюда видно, что 1 вольт — это такое напряжение, при котором ток силой 1 ампер способен за 1 секунду производить 1 джоуль работы. Другими словами, электрическое напряжение показывает работу, которую ежесекундно совершают силы электрического поля для поддержания в цепи тока силой 1 ампер.
Кроме того, из формулы I = q / t (см. § 9-б) следует: q = I · t. Тогда:
| U = | A | Следовательно, | 1 В = 1 | Дж | |||
| q | Кл |
Исходя из этой формулы, 1 вольт может рассматриваться и как такое напряжение, при котором работа сил электрического поля при перемещении заряда в 1 Кл будет равна 1 Дж. Обобщённо мы скажем: электрическое напряжение является одной из характеристик электрического поля, перемещающего заряды по проводнику.