По какой формуле вычисляется работа электрического поля. Работа электрического тока: общая характеристика, формула, практическое значение

Изучая применение электрического тока, нужно уметь вычислять количество электроэнергии, которое расходуется на то или иное действие - нагревание воды в электрочайнике, подъём лифта и т.п. Поэтому выведем формулу для удобного подсчёта работы тока.

В левых частях 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:

По этой формуле вычисляется работа тока или, что то же самое,израсходованная электроэнергия . Поясним, что эти термины - синонимы.
Когда в цепи появляется источник электрической энергии, его электрическое поле приводит в движение заряженные частицы внутри проводника (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 I закону термодинамики (см. § 6-з), внутренняя энергия может расходоваться на теплопередачу или совершение механической работы. Но, расходуясь, она постоянно пополняется за счёт энергии источника тока.
Прохождение тока по проводнику - работа тока - всегда сопровождаетсядействиями тока (см. § 8-з). При этом обязательно происходит превращение электроэнергии в другие виды энергии: тепловую (например, утюг, чайник), механическую (например, пылесос, вентилятор) и так далее. Поэтому под выражением «ток совершает работу» мы будем понимать превращение электроэнергии в другие виды энергии. В таком случае работа тока и израсходованная электроэнергия - выражения-синонимы.
Для измерения потреблённой электроэнергии служат специальные измерительные приборы - счётчики электроэнергии .
Для учёта потреблённой электроэнергии вместо джоуля используется более крупная единица работы - киловатт-час (обозначение: 1 кВт·ч). Например, счётчик на рисунке показывает значение 254,7 кВт·ч. Это может означать, например, 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 этой единицы работы с более привычной единицей для её измерения - 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.
Формула A = I U t поможет нам выяснить, в чём состоит физический смысл величины «электрическое напряжение». Выразим её из формулы.

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, что q = I · t. Тогда:

Исходя из этой формулы, 1 вольт может рассматриваться и как такое напряжение, при котором работа сил электрического поля при перемещении по проводнику заряда в 1 Кл будет равна 1 Дж.
На основании всего рассуждения «под чертой» мы скажем, чтоэлектрическое напряжение является одной из характеристик электрического поля, перемещающего заряды по проводнику.

У каждого из нас дома есть счетчик, по показаниям которого мы ежемесячно платим за электричество. Мы оплачиваем какое-то количество киловатт-часов. Что же такое эти киловатт-часы? За что конкретно мы платим? Разберемся:)

Мы используем электричество с определенными целями. Электрический ток выполняет какую-то работу, вследствие этого и функционируют наши электроприборы. Что же такое – работа электрического тока? Известно, что работа тока по перемещению электрического заряда на некотором отрезке цепи равна численно напряжению на этом участке. Если же заряд будет отличаться, например, в большую сторону, то и работа, соответственно, будет совершена большая.

Работа тока на участке цепи: формула

Итак, мы приходим к тому, что работа тока равна произведению напряжения на участке электрической цепи на величину заряда. Заряд же, как известно, можно найти произведением силы тока на время прохождения тока. Итак, получаем формулу для определения работы тока:

A=Uq , q=It , получаем A=UIt ;

где A - работа, U- напряжение, I - сила тока, q - заряд, t - время.

Измеряется работа тока в джоулях (1 Дж). 1 Дж = 1 В * 1 А * 1 с. То есть, чтобы измерить работу, которую совершил ток, нам нужны три прибора: амперметр , вольтметр и часы. Счетчики электроэнергии, которые стоят в квартирах, как бы сочетают в себе все эти вышеперечисленные приборы в одном. Они измеряют работу, совершенную током. Работа тока в нашей квартире – это энергия, которую он израсходовал на всех включенных в сеть квартиры приборах. Это и есть то, за что мы платим. Однако, мы платим не за джоули, а за киловатт-часы. Откуда возникают эти единицы?

Мощность электрического тока

Чтобы разобраться с этим вопросом, надо рассмотреть еще одно понятие - мощность электрического тока. Мощность тока – это работа тока, совершенная в единицу времени. То есть, мощность можно найти, разделив работу на время. А работа, как мы уже знаем – это произведение силы тока на напряжение и на время. Таким образом, время сократится, и мы получим произведение силы тока на напряжение. Для мощности тока формула будет иметь следующий вид:

P=A/t , A=UIt , получаем P=UIt/t , то есть P=UI ;

где P - мощность тока. Мощность измеряется в ваттах (1 Вт). Применяют кратные величины – киловатты, мегаватты.

Работа и мощность электрического тока связаны теснейшим образом. Фактически, работа – это мощность тока в каждый момент времени, взятая за определенный промежуток времени. Именно поэтому счетчики в квартирах измеряют работу тока не в джоулях, а в киловатт-часах. Просто величина мощности в 1 ватт – это очень небольшая мощность, и если бы мы платили за ватты-в-секунду, мы бы оплачивали десятки и сотни тысяч таких единиц. Для упрощения расчетов и приняли единицу «киловатт-час».

Сам по себе электрический ток не нужен. Важным является не сам ток, а его действие.

Действие электрического тока характеризуется работой электрического тока.

Работа - это величина, которая характеризует превращение энергии из одного вида в другой.

Например, была энергия кинетическая, стала энергия потенциальная, т. е. тело находилось в состоянии движения, затем оно остановилось, поднявшись при этом на некоторую высоту.

Что касается электрического тока, то мы уже знаем о движении электрических зарядов по проводнику и что движение это происходит под действием электрического поля, т. е. работу совершает электрическое поле. И работа в данном случае показывает, как энергия одного вида, например, энергия электрического тока, будет превращаться в другие виды энергии - механическую, тепловую и т. д.

Работа электрического тока связана, в первую очередь, с понятием электрического напряжения и силы тока.

Работа электрического поля - это произведение электрического напряжения на заряд, протекающий по проводнику.

Это утверждение получено из соотношения для электрического напряжения.

Электрическое напряжение - это работа электрического поля по переносу электрического заряда q.

Заряд - это есть произведение силы тока на время, в течение которого этот заряд протекает по проводнику.

Это утверждение следует из соотношения для силы тока.

Сила тока - это отношение заряда ко времени, в течение которого протекает заряд по проводнику через поперечное сечение проводника.

Подставив в формулу определения работы , получим выражение для вычисления работы электрического тока, работы электрического поля по перемещению электрического заряда.

Работа - 1 Джоуль или 1 Дж;

Напряжение - 1 Вольт или 1 В;

Сила тока - 1 Ампер или 1 А;

Время - 1 секунда или 1 с.

Определение

Работа электрического тока равна произведению силы тока на участке цепи, напряжению на концах этого участка и времени, в течение которого протекает ток по проводнику.

Работа электрического тока связана с приборами, позволяющими определять значения указанных величин.

Напряжение определяется по прибору, который называется вольтметр . А для измерения силы тока используют амперметр (рис. 1).

Рис. 1. Изображения вольтметра и амперметра

Включив эти два прибора в электрическую цепь, наблюдая за показаниями этих приборов, определив время, в течение которого производятся измерения, определяем значение работы электрического тока..

Обратите внимание на то, что плата, которую мы производим за электроэнергию, - это плата именно за работу электрического тока. Действие электрического тока - это те самые действия, которые используются в технике, такой как нагревательные устройства, устройства, которые используются в быту (телевизоры, радиоприемники и т. д.).

Работа измеряется при помощи амперметра и вольтметра, но, тем не менее, есть отдельный прибор, который сразу способен измерять работу электрического тока

На следующем уроке мы познакомимся с понятием мощности.

Список литературы

Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Stoom.ru ().
Physics.ru ().
Class-fizika.narod.ru ().

Домашнее задание

П. 50, вопросы 1-4, стр. 119, задание 24 (1). Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
Через реостат с сопротивлением 5 Ом протекает ток си-лой 0,5 А. Нужно определить, какую работу произведет ток в течение 4 часов (14 400 сек.).
С помощью каких приборов можно измерить работу электрического поля?

Применение электричества - это революционное открытие, которое навсегда изменило и облегчило жизнь человека. Сегодня электричество является неотъемлемой частью жизни человека, он обеспечивает работу электроприборов, электрического освещения. Каждый день мы используем электрическую энергию для своих нужд.

Говоря об электричестве, подразумевают электрический ток. Рассмотрим это понятие подробнее. Понятие "ток" значит течение или движение.

Что такое электрический ток?

Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике в одном направлении. Такими частицами могут быть электроны, ионы и катионы. Направленность электрических частиц обуславливается наличием у частиц электрического поля, которое взаимодействует с внешним электрическим полем.

Для поддержания электрического поля в течение определенного времени в проводнике необходимы источники выработки электрического поля. Это, например, могут быть электрофорная машина и аккумулятор или любой источник питания. Принцип их работы заключается в том, что они разделяют частицы, после чего один полюс источника заряжает их положительно, а другой - отрицательно, в результате возникает электрическое поле. Если оба полюса источника соединить проводником, то движение частиц приобретает определенное направление, так получается электрический ток.

Проводник является местом, где происходит направленное движение частиц, а также средством передачи тока к ее потребителям: лампочка, приборам, плиткам и т.д. Проводниками могут служить металлы, в которых заряжаются электроны, плазма, частицами при этом являются ионы; электролиты. Если оборвать проводник, то ток не доходит до потребителя, и на основе этого механизма происходит включение и выключение тока. То есть устанавливаются выключатели или рубильники, которые разрывают или соединяют проводник.

Направление движения электрического тока

При решении сложных задач по электроники и радиотехнике принято условно, что движение электрического тока осуществляется от «плюса» к «минусу» Но мало кому известно что на самом деле движение происходит за счет электронов в межатомном пространстве кристалической решетки металла проводника электрического тока. А электрон движется от «минуса» к «плюсу», следовательно электрический ток движется от "минуса" к "плюсу"

Работа электрического тока

Также важным параметром тока является такое понятие как работа электрического тока . Двигаясь по проводнику, электрический ток совершает определенную работу. Для того что бы ее определить необходимо знать время движения тока, сопротивления проводника, и его сопротивление.

Найти ее можно используя закон Джоуля-Ленца по формуле: Q=I*I*R*t

I - сила тока, измеряемая в Амперах;
R - сопротивление проводника, Ом;
t - время, с;
Q-совершенная электрическим током работа или выделенная проводником теплота, Дж.

Полученная таким образом величина представляет собой значение работы электрического тока, если ее поделить на время то получится мощность.

Электрическая цепь

Cовокупность источников, проводников, потребителей и рубильников, которые обеспечивают движение электричества, называют электрической цепью.

Электрический ток измеряется следующими величинами:

сила тока - это показатель, который измеряет количество заряженных частиц, которые проходят через сечение проводника в определенный промежуток времени, измеряется в Амперах;
плотность тока - это величина равная отношению силы тока к площади сечения проводника, измеряется в А/мм2 ;
мощность тока - это своего рода работоспособность тока, какую работу может совершить данный ток в единицу времени, Вт;
частота переменного тока - количество колебаний в единицу временни.

В каждой квартире или частном доме устанавливаются счетчики учета электроэнергии, по показаниям которых владельцы на ежемесячной основе оплачивают счета. Такие контрольные приборы учитывают количество киловатт-часов, потребленные всеми электроприборами и источниками света за определенный промежуток времени. Многие задаются вопросом о том, что же такое эти «киловатт-часы». Ответ прост: так измеряется работа тока.

Работа тока

Каждый человек использует электричество с конкретными целями. Электрический ток выполняет определенную работу, проходя по электроцепи, вследствие которой и функционируют электроприборы, осветительное оборудование и прочее.

Работа электрического тока – это величина, численно равная произведению силы электротока на напряжения на концах участка цепи и на временной промежуток, в течение которого такая работа совершалась. Если любое из этих производных будет изменяться в ту или иную сторону, то и работа, совершенная током, будет уменьшаться или увеличиваться.

Обозначается эта характеристика тока заглавной латинской литерой «А», а измеряется в джоулях или киловатт-часах, сокращенно «Дж» и «кВт*ч», соответственно.

На заметку. Работа тока показывает, сколько электроэнергии превратилось в другие виды энергии (тепловую либо световую) за конкретный период. Для электроэнергии справедлив закон сохранения энергии.

Формула, по которой измеряется работа электрического тока, выглядит следующим образом:

A = U*I*t, где:

А – количественный показатель выполненной током работы;
U – электронапряжение в цепи;
I – сила электротока;

а, имея только данные о силе электротока и сопротивлении в электроцепи, эта величина рассчитывается по формуле:

В этих формула буквенно обозначаются следующие величины:

А – работа электрического тока;
U – напряжение в цепи;
R – сопротивление на участке цепи;
I – сила тока;
t – время, за которое осуществлялась работа электротока.

Интересно знать. Счётчики обычно учитывают работу электрического тока в кВт*ч. Эта единица применяется на практике чаще, чем общепринятая единица электрической работы «джоуль», названная в честь знаменитого физика. Дело в том, что Джоуль – единица достаточно мелкая, а 1 кВт*ч = 3600000 Дж.

Для измерения работы тока необходимы такие приспособления, как вольтметр, амперметр, часы. На практике же измерения проводятся сборным прибором – счетчиком по учету электроэнергии.

Мощность тока

Также немаловажным является такое понятие, как мощность электротока, которая находиться в прямой зависимости от выполненной работы.

Мощность электротока численно равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа совершалась. Электрическая мощность по своему определению аналогична механической, но обозначается буквой Р.

Из определения мощности следует формула:

Р = А/t, где:

Р – мощность электротока;
А – выполненная током работа;
t – время, за которое осуществлялась работа электротока.

Если заменить в этой формуле числитель на U*I*t, получится такое равенство:

Единицей измерения электрической мощности является Ватт (Вт). 1 Вт равен мощности тока силой 1 А с напряжением 1 В. Ватт – довольно небольшая единица, поэтому на практике используют дополнительные:

кВт (киловатт);
МВт (мегаватт);
ГВт (гигаватт).

Мощность электрического тока на опыте определяется с помощью амперметра и вольтметра или специального прибора – ваттметра.