Работа и мощность постоянного тока (Закон Джоуля-Ленца)

Экспериментально установлено, что количество теплоты, выделившееся при прохождении электрического тока по проводнику, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого шел ток: Q=I2*R*tQ=I2*R*t. Это утверждение носит название закона Джоуля-Ленца. Вывести данную зависимость можно и из теоретических соображений. Силы, перемещающие заряды по проводнику, совершают работу. Эту работу называют работой тока. Работа электрического тока на участке цепи, как следует из определения напряжения:

A=U*ДqA=U*Дq,.

где ДqДq ?? электрический заряд, проходящий по участку цепи, а UU ?? напряжение на этом участке. Учитывая, что:

Дq=I*ДtДq=I*Дt,.

где II ?? сила тока в проводнике, а ДtДt ?? время прохождения электрического тока, для работы тока получим:

A=U*I*ДtA=U*I*Дt.

Эта формула для работы справедлива в любом случае при любом действии электрического тока (тепловом, механическом, химическом и т. д.).

Если RR? сопротивление однородного участка цепи, то, используя закон Ома для участка цепи, можно получить формулу для расчета работы тока:

A=I2*R*Дt=U2*ДtR.A=I2*R*Дt=U2*ДtR.

Если единственной причиной электрического сопротивления являются неупругие столкновения заряженных частиц с частицами окружающей среды, то работа электрического поля по поддержанию электрического тока равна количеству теплоты, выделяющемуся в проводнике при прохождении электрического тока:

Q=I2*R*Дt=U2*ДtR.Q=I2*R*Дt=U2*ДtR.

На практике проще использовать ту формулу, в которой больше сохраняющихся величин. Если соединение параллельное, то на резисторах одинаковое напряжение, если последовательное соединение, то одинаковой оказывается сила тока.

Единица работы электрического тока в СИ — джоуль (Дж). 1 Дж представляет работу тока, эквивалентную механической работе в 1 Дж.

Скорость совершения работы тока на данном участке цепи характеризует мощность тока. Мощность тока определяют по формуле:

N=AДtN=AДt.

N=U*IN=U*I.

Данная формула также носит универсальный характер и может применяться не только для теплового действия тока.

Используя закон Ома для участка цепи, можно записать иначе формулу для мощности тока:

N=I2*R=U2R.N=I2*R=U2R.

джоуль электрический резистор ваттметр В этом случае речь идет о тепловой мощности. Единица мощности тока — Ватт: 1 Вт = Дж/с. Отсюда Дж = Вт**с.

Кроме того, применяют внесистемные единицы: киловатт-час или гектоватт-час: 1 кВт**ч = 3,6**106 Дж = 3,6 МДж; 1 гВт**ч = 3,6**105 Дж = 360 кДж.

Прямое применение закона Джоуля-Ленца невозможно, если сила тока изменяется со временем. В этом случае для поиска выделившегося тепла остается воспользоваться интегрированием (нахождением площади под графиком зависимости мощности от времени).

Если цепь содержит конденсаторы и требуется найти тепло, выделившееся на резисторах при коммутации (замыкании/размыкании ключей), то удобно применить закон сохранения энергии с учетом работы источников тока.

Для измерения мощности тока существуют специальные приборы — ваттметры.

На большинстве электрических приборов указываются значения их мощности. Но надо понимать, что на эти значения устройства выходят только при подсоединении к расчетному (номинальному) напряжению. Здесь синонимом слова номинальное выступает проектное, расчетное, то есть то, в котором устройство долго будет работать в нормальном режиме. Соответственно, такие значения мощности, силы тока тоже называют номинальными. Например, лампочка, на которой написано 60 Вт, 220 В, будет потреблять мощность 60 Вт при включении в сеть с напряжением 220 В. Она будет гореть и при меньшем напряжении, но только более тускло, потребляя меньшую мощность. Какую именно, можно рассчитать, зная поданное напряжение и сопротивление лампы.