Что такое мощность тока в физике 10 класс

Физика

Электрический ток, конечно же, не стал бы так широко использоваться, если бы не одно обстоятельство. Работу тока или же электроэнергию легко преобразовывать в любую нужную нам энергию или работу: тепловую, механическую, магнитную…

Для практического применения тока прежде всего хочется знать, какую работу можно обратить в свою пользу. Выведем формулу для определения работы тока:

Формула для работы электрического поля по перемещению заряда нам уже известна:

Или же

Узнать, какой заряд переместился полем за промежуток времени t можно из определения силы тока:

Отсюда:

Так как все величины, входящие в формулу, можно измерить соответствующими приборами (амперметр, вольтметр, часы), формула является универсальной.

Формулу можно также записать в несколько ином виде, используя закон Ома:

Если в исходную формулу для работы тока подставить силу тока, записанную таким образом, то получим:

Если же из закона Ома выразить напряжение, то тогда:

Использование этих формул удобно, когда в цепи присутствует какое-то одно соединение: параллельное для первого случая и последовательное для второго.

Закон Джоуля-Ленца

Особое внимание следует уделить тепловому действию тока. При прохождении тока через проводник, проводник нагревается. Почему это происходит? Мы уже затрагивали молекулярное строение проводников в теме о сопротивлении и отмечали, что при протекании тока свободные электроны сталкиваются с узлами кристаллической решетки. При этих столкновениях электроны постоянно придают некоторую скорость узлам решетки (рис. 1).

Рис. 1. Взаимодействие электронов с узлами кристаллической решетки

Так как температура – мера теплового движения, в процессе «расталкивания» температура проводника повышается. В какой-то момент наступает равновесие, когда количество энергии, получаемое проводником вследствие прохождения тока, равно количеству энергии, которое он отдает в окружающую среду.

В том случае, когда работа тока не преобразуется в механическую или же ток не имеет химического действия, работа тока эквивалентна количеству теплоты, высвобождающегося в окружающую среду.

Формулу просчета этого количества теплоты впервые независимо друг от друга открыли двое ученых: русский Эмиль Ленц (рис. 3) и англичанин Джеймс Джоуль (рис. 2).

Как видно, правая часть формулы в точности повторяет одну из форм формулы для работы электрического тока.

Всегда следует помнить, что в случае, когда есть какое-либо другое преобразование энергии тока, формула Джоуля-Ленца не выполняется.

Рис. 2. Джеймс Джоуль (Источник)	Рис. 3. Эмиль Ленц (Источник)

Мощность тока

Наряду с работой тока очень важно отметить мощность тока, так как эта характеристика является ключевой в бытовом использовании электроэнергии (на всех бытовых приборах указано приемлемое напряжение его мощность).

Определение. Мощность – это работа, выполненная за единицу времени (скорость выполнения током работы):

Единица измерения мощности – ватт:

И теперь, используя наши знания о работе тока, мы без труда найдем формулу для мощности тока:

Или же, если использовать другие виды формулы для работы:

На следующем уроке мы разберем тему «Электродвижущая сила».

Список литературы

1. Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
3. Мякишев Г. Я., Синяков А. З., Слободсков Б. А. Физика. Электродинамика. – М.: 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Что такое мощность тока

Возможно, одной из наиболее известных в быту физических величин является мощность электрического тока. Производная от ее единицы измерения — киловатт-час фигурирует в расчетах потребления электроэнергии при оплате услуг ЖКХ. На любом бытовом электроприборе всегда указывается его мощность. Но что такое мощность электрического тока, зачастую не всякий точно знает.

Общие положения

Мощность в физике обозначает скорость произведения работы — механического, теплового, светового, электромагнитного или какого-либо другого рода. Говоря иными словами, мощность характеризует, насколько быстро передается или преобразуется та или иная энергия, в данном случае электрическая. Этот параметр обозначается символом латинского алфавита P.

Единица измерения мощности в Международной системе (вне зависимости от природы энергии) получила название Ватт в честь шотландского инженера-механика Джеймса Уатта. Он считается «отцом» лошадиной силы — первой единицы измерения мощности, которой до сих пор пользуются для описания характеристики двигателей машин.

Определение мощности с помощью формул

Электрический ток бывает постоянным и переменным, поэтому для каждого вида используются свои методы, если возникает необходимость рассчитать мощность. В школьном курсе физики не рассматриваются формулы для переменного тока, поскольку они оперируют в области интегрального исчисления, изучаемого в высших учебных заведениях. В частном случае и для переменного, и для постоянного тока справедливой является формула мгновенной электрической мощности на участке цепи.

Физический смысл данного выражения состоит в том, что на рассматриваемом участке цепи берется напряжение (отношение работы A к величине заряда q) и сила тока (величина заряда q, переносимого за единицу времени t в электрической цепи), но в определенный, бесконечно малый промежуток времени. Поэтому если ток переменный, показатели его изменятся настолько мало, что этим можно пренебречь. Это называется мгновенным напряжением u(t) или U, и мгновенной силой тока i(t) или I. Тогда найти мощность можно с помощью такой формулы:

Для переменного тока это даёт лишь выражение характеристики в моменте, что не всегда практически необходимо. При работе с цепями постоянного тока данная формула полностью позволяет рассчитывать мощность и может быть модифицирована, если на участке цепи соблюдается закон Ома.

Так как по выражению закона Ома сила тока I равна частному от деления напряжения U на сопротивление R, то после подстановки в уравнение мощности и путем простого сокращения можно получить формулу, согласно которой мощность в цепи постоянного тока равна квадрату напряжения, деленному на сопротивление.

Мощность также можно выразить через силу тока.

При вычислении мощности в цепи переменного тока вводится дополнительный параметр, получивший название коэффициента мощности.

Когда в цепь встроена часть с ЭДС (любой сторонней силой, кроме кулоновской, действующей на электрические заряды), то она способна поглощать общую мощность тока системы или отдавать ее в зависимости от того, генерирует ли она электричество или потребляет его (питающий аккумулятор или электрический мотор). Тогда получаемая или отдаваемая электрическая мощность определяется по формуле:

Здесь греческая буква ε (эпсилон) обозначает ЭДС. Эта характеристика измеряется в вольтах и в бытовом смысле идентична напряжению. R — это внешнее сопротивление, а r — это внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Средства измерения

В электротехнике широко используются такие измерительные приборы как ваттметры и варметры. Последние являют собой тот же ваттметр, но несколько модифицированный, чтобы воспринимать компоненту переменного тока — реактивную мощность.

Современные приборы обычно совмещают в себе возможности ваттметров и варметров. Измеряется мощность просто: два датчика в конструкции прибора подключаются один последовательно, а второй параллельно исследуемой нагрузке. В аналоговом приборе они взаимодействуют между собой с помощью магнитных полей. На основе этого взаимодействия происходит отклонение стрелки на табло, позволяющее понять, чему равна мощность, которая измерялась в конкретном случае. В цифровом ваттметре все поступающие данные компилирует процессор и выводит на цифровой экран.

Работа и мощность электрического тока

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Работа и мощность электрического тока»

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о том, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством особого вида материи, которую называют электрическим полем. Примером такого взаимодействия может служить электрический ток, то есть упорядоченное движение заряженных частиц, которое создаётся электрическим полем. Следовательно, электрическое поле способно совершать работу, которую называют работой тока.

Давайте вспомним, что в общем случае под работой понимают скалярную физическую величину, которая описывает действие силы (заметьте, именно силы, а не те́ла), приводящее к изменению значения скорости рассматриваемого тела.

Из этого становится очевидным, что термин «работа тока» — это своеобразный жаргонизм, с которым вы уже неоднократно сталкивались. Работа тока — это, говоря строгим языком физики, работа электрически сил, которые, перемещая заряженные частицы, увеличивают их скорость, а значит и кинетическую энергию.

Мы уже с вами знаем, что работа по переносу электрического заряда в электрическом поле оценивается произведением величины перенесённого заряда на величину разности потенциалов между начальной и конечной точками переноса, то есть на величину напряжения:

A = ΔqU.

Очевидно, что это соотношение может быть применимо и для оценки работы тока. Однако эта формула имеет неудобство в связи с тем, что и ней фигурирует перенесённый в электрическом поле заряд, измерение которого требует особых методов. Поэтому удобнее расписать этот заряд, используя формулу силы тока:

Такая запись приводит нас к удобной формуле для определения работы электрического тока: работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

A = IUΔt.

Единицей работы тока, как вы догадались, является джоуль. Эту единицу можно выразить через электрические единицы — ампер и вольт:

1 Дж = 1 А ∙ 1 В ∙ 1 с.

Для измерения работы тока в реальной жизни пользуются специальными приборами — счётчиками электрической энергии, которые сейчас можно увидеть в каждом доме. Однако в них работу тока принято выражать не в джоулях, а в киловатт-часах (1 кВт ∙ час = 3,6 ∙ 10 6 Дж).

Применяя к потребителю электротока закон Ома, можно из основной формулы работы получить ещё два варианта, исключив в первом случае из формулы напряжение, а во-втором — силу тока:

Получив формулу для работы электрического тока, мы легко получим и формулу для мощности тока. Ведь в любом случае мощность есть отношение работы ко времени её совершения:

Напомним, что единицей измерения мощности является ватт.

А для измерения мощности электрического тока в цепи используют специальные приборы, называемые ваттметрами.

Давайте для примера решим с вами такую задачу. Два потребителя, сопротивления которых равны R₁ и R₂ подключают к сети постоянного тока сначала последовательно, а потом — параллельно. В каком случае потребляется большая мощность от сети?

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах. Давайте с вами вспомним, что тепловое действие тока проявляется в том, что при протекании тока по проводнику последний нагревается.

Химическое действие тока мы можем наблюдать при его прохождении через растворы солей, кислот или щелочей.

А магнитное действие тока проявляется в создании им магнитного поля.

Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток производит в любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Например, нагревание проводника происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные носители зарядов — электроны — сталкиваются с ионами кристаллической решётки проводника и отдают им часть своей энергии. В результате энергия теплового движения ионов около положений равновесия возрастает. То есть происходит переход энергии электрического поля во внутреннюю энергию проводника.

При этом, очевидно, что чем больше будет сопротивление проводника, тем большее количество теплоты в нём выделится при протекании электрического тока одной и той же силы.

Это легко проверить на простом опыте. Возьмём три последовательно соединённых проводника, изготовленных из разных материалов, например, из нихрома, никелина и меди, и подключим их к источнику постоянного тока.

Спустя некоторое время мы заметим, нихромовый проводник нагрелся почти до белого каления, никелиновый — лишь слегка покраснел, а вот медный проводник практически не изменил свой цвет.

Таким образом, действительно, чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам в нём и тем больше нагревается проводник.

В 1841 году английский учёный Джеймс Прескотт Джоуль и независимо от него в 1842 году российский учёный Эмилий Христианович Ленц, изучая на опыте тепловые действия тока установили закон, позволяющий рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике при протекании в нём электрического тока. Согласно этому закону, количество теплоты, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, проходящего по проводнику, сопротивлению проводника и времени, в течение которого поддерживается неизменный ток в проводнике.

Проверим его справедливость с помощью такого опыта. Возьмём калориметр, содержащий 100 мл миллилитров воды при температуре 18 о С, и поместим в неё проводник в виде спиральки известного сопротивления. Концы проводника включим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью секундомера будем засекать время эксперимента.

Замкнув ключ, подождём пока температура воды в калориметре не повысится на 10 о С.

Теперь рассчитаем количество теплоты, полученное водой, используя для этого известную нам формулу из термодинамики:

Здесь c — это удельная теплоёмкость воды; m — её масса; а Δt — изменение температуры воды. Тогда после подстановки чисел и простых расчётов, получаем, что вода получила от нагревателя 4200 Дж теплоты.

Теперь определим количество теплоты, выделившееся в проводнике, используя для этого закон Джоуля — Ленца:

Подставив в полученное уравнение данные наших опытов, найдём, что за время эксперимента в проводнике выделились те же 4200 Дж теплоты. Это подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.

Формулой Q = I 2 RΔt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же.

При параллельном же соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле: Q = U 2 Δt / R.

Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника.

Основные сведения о мощности тока: в чем измеряют, формула нахождения

Каждое физическое действие совершается под действием силы. С его помощью проложен определенный путь, значит работа сделана. С другой стороны, работа A, выполненная в данный момент времени t, будет значением мощности, выраженным формулой: Примечание 1

Текущая мощность связана одновременно с несколькими физическими величинами. Напряжение (U) представляет собой работу, необходимую для перемещения 1 подвески. Ток (I) соответствует количеству подвесок, проходящих через 1 секунду. Таким образом, ток, умноженный на напряжение (I x U), соответствует общей работе, выполненной за 1 секунду. Полученное значение и будет мощностью электрического тока.

Из приведенной формулы силы тока видно, что мощность одинаково зависит от силы тока и напряжения. Отсюда следует, что одинаковое значение этого параметра может быть получено за счет большого тока и низкого напряжения и, наоборот, при высоком напряжении и малом токе.

Эта функция позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния от источника к потребителям. Во время передачи ток преобразуется с помощью трансформаторов, установленных на подъемных и нисходящих подстанциях.

Что касается электродвигателя, он имеет медную обмотку с индуктивностью, которая, в свою очередь, имеет эффект самоиндукции. Этот эффект приводит к частичному возврату электроэнергии обратно в сеть. Возвращаемая энергия характеризуется небольшим смещением параметров напряжения и тока, что негативно сказывается на электрической сети в виде дополнительных перегрузок.

Конденсаторы обладают такими же свойствами из-за их электрической емкости при возврате накопленного заряда. Здесь также значения тока и напряжения изменяются, только в противоположном направлении. Эта энергия индуктивности и емкости со сдвигом фаз по отношению к значениям тока сети и есть реактивная электрическая мощность.

Из-за противоположного влияния индуктивности и емкости по отношению к фазовому сдвигу может выполняться компенсация реактивной мощности, тем самым повышая эффективность и качество источника питания.

От чего зависит мощность тока

Очень часто возникает вопрос, а какая измеренная текущая мощность? Базовая единица измерения этой величины — 1 ватт (Вт). Таким образом, 1 ватт — это мощность устройства, потребляющего 1 ампер при 1 вольт. Лампочка от обычного фонарика, например, имеет аналогичную мощность.

Как определить мощность тока

Если мы умножим их текущие значения, мы получим значения мощности, меняющие знаки (направление) в каждом полупериоде за один период.

Частота изменения мощности на индуктивности вдвое превышает частоту ее составляющих: синусоид тока и напряжения. Он состоит из двух частей:

• активный, отмечен индексом PL;
• реактивный КЖ.

Реактивная часть индуктора образуется за счет постоянного обмена энергией между катушкой и используемым источником. На его значение влияет значение индуктивного сопротивления XL.

Как работает конденсатор

Емкость конденсатора постоянно накапливает заряд между своими обкладками. За счет этого происходит сдвиг вектора тока вперед на 90 градусов относительно приложенного напряжения.

График мгновенной мощности напоминает вид предыдущего, но начинается с отрицательной полуволны.

Как работает схема трехфазного электроснабжения

На ввод распределительного щита многоэтажного здания поступает трехфазное напряжение, вырабатываемое промышленными генераторами.

Например, когда активная мощность фазы В имеет выражением Рв=Uв×Iв×cosφ, то для всей трехфазной схемы она будет выражена следующей формулой:

Мощность электрического тока

Условие

Сопротивление нити накала электрической лампы составляет 400 Ом, а напряжение на нити равно 100 В. Какова мощность тока в лампе?

Решение

По определению, мощность тока на участке цепи равна работе, деленной на время, за которое она была совершена:

Подставим значения, и найдем мощность:

Ответ: 25 Вт.

Расчет мощности электрического тока

Условие

Два резистора соединены параллельно и последовательно. В каком из двух резисторов мощность тока больше (и во сколько раз) соответственно при параллельном и последовательном соединении?

Решение

1) При последовательном соединении сила тока в каждом резисторе одинакова, а мощность тока напрямую зависит от сопротивления резисторов:

Мощность тока в первом резисторе больше в 10 раз.

Ответ: В 10 раз больше во втором резисторе; в 10 раз больше в первом резисторе.