§ 33. Робота і потужність електричного струму

Кожен із вас бачив електролічильник, а дехто навіть знімав його покази. А як ви гадаєте, яку фізичну величину вимірює цей прилад? Щоб перевірити свої припущення, ознайомтеся зі змістом цього параграфа.

ШШ З'ясовуємо, значення якої фізичної Ч величини визначають за допомогою електролічильника

На рис. 33.1 показано електролічильник. Запам’ятаємо або запишемо цифри, зафіксовані на датчику приладу (рис. 33.1, а), інакше кажучи, знімемо показ лічильника. Що означають ці цифри? Очевидно, що це числове значення якоїсь фізичної величини. А якої?

Для початку визначимо одиниці цієї величини. Поряд із цифровим табло написано: кВт-год. Отже, фізична величина, значення якої показує електролічильник, вимірюється в кіловат-годинах. Відомо, що IkBt = 1000 Вт

чин, що вимірюються в джоулях, — це робота. Отже, можна припустити, що електролічильником вимірюють роботу струму. Щоб переконатися в цьому, приєднаємо до кола електролічильника електрообігрівач. Через деякий час знову знімемо показ лічильника (рис. 33.1, б). Бачимо, що він збільшився.

Електричний струм, проходячи спіраллю електрообігрівача, виконав роботу, яку зафіксував електролічильник.

Електролічильник — це прилад для прямого вимірювання роботи струму.

Вартість одиниці роботи називають тарифом. Наприклад, на 1 січня 2016 р. тариф для певної категорії населення в Україні становив 45,6 к. за 1 кВт-год.

Обчислюємо роботу струму

З’ясуємо, чи можна роботу струму виміряти в інший спосіб, не використовуючи електролічильник.

Отже, щоб визначити роботу, яку виконує струм у певному споживачі (на певній ділянці електричного кола), достатньо виміряти силу струму в споживачі, напругу на ньому й час проходження струму (рис. 33.2). Ви вже знаєте, що такі вимірювання називають непрямими.

Скориставшись рис. 33.2, виміряйте роботу електричного струму в лампі за ЗО с.

Зверніть увагу: із формули для розрахунку роботи електричного струму випливає, що 1Дж = 1В А с, — це співвідношення стане вам у пригоді для перевірки одиниць у ході розв’язування задач.

Обчислюємо потужність струму

Потужність електричного струму — фізична величина, що характеризує швидкість виконання струмом роботи й дорівнює відношенню роботи А струму до часу t,за який цю роботу виконано:

Із формули для розрахунку потужності електричного струму випливає: I Вт = IB-IA = IB-A.

Рис. 33.2. Для вимірювання роботи струму можна скористатися добре відомими вам вимірювальними приладами: амперметром, вольтметром і годинником

1 Вт — це потужність струму силою IA на ділянці кола з напругою 1 В.

Ват — порівняно невелика одиниця потужності. На практиці частіше використовують кратні одиниці потужності: кіловат(IkBt = IO³Bt), мегават(IMBt = IO⁶Bt), гігават (ITBt = IO⁹ Вт).

Учимося розрізняти номінальну та фактичну потужності споживачів

чимо, що потужність струму можна визначити, скориставшись амперметром і вольтметром (перемножити напругу та силу струму, визначені за показами цих приладів).

Існують також прилади для прямого вимірювання потужності електричного струму — ватметри. Ватметри приєднують паралельно споживачу, потужність струму в якому потрібно виміряти.

Вимірюючи потужність струму в споживачі, ми визначаємо його фактичну потужність.

Потужність, яку зазначено в паспорті електричного приладу (або безпосередньо на приладі), називають номінальною потужністю. У паспорті електричного приладу зазвичай указують не тільки його номінальну потужність, але й напругу, на яку прилад розрахований. Проте напруга в мережі може трохи змінитися. Наприклад, вона може збільшитися, відповідно збільшиться й сила струму. Збільшення сили струму й напруги приведе до збільшення потужності струму в споживачі. Тобто значення фактичної та номінальної потужностей споживача можуть відрізнятися.

Якщо коло складається з кількох споживачів, то, розраховуючи їхню фактичну потужність, слід пам’ятати, що за будь-якого з'єднання споживачів загальна потужність струму в усьому колі дорівнює сумі потужностей окремих споживачів.

Завершуючи знайомство з потужністю електричного струму, знову звернемося до рис. 33.1. На лічильнику подано значення ще двох фізичних величин: 220 В; 15 А. Перша з них показує, у коло з якою напругою слід вмикати лічильник, друга — максимально допустиму силу струму в приладі. Перемноживши ці значення, одержимо максимально допустиму потужність споживачів, які можна підключити через цей електро-

Учимося розв'язувати задачі

Задача 1. Ділянка електричного кола складається з трьох однакових резисторів (див. рисунок).

Визначте загальну потужність усіх резисторів, якщо опір кожного з них дорівнює 5 Ом, а напруга на ділянці становить 10 В.

Аналіз фізичної проблеми. Розв’язати задачу можна двома способами:

1)    обчислити потужність кожного резистора, а потім загальну потужність усіх резисторів;

2)    визначити загальну силу струму в ділянці й, знаючи загальну напругу, обчислити загальну потужність усіх резисторів.

Аналіз результату. Розв’язуючи задачу різними способами, отримали однакове значення потужності, отже, задачу розв’язано правильно. Відповідь: P = ЗО Вт.

Задача 2. Визначте ККД двигуна електровоза, якщо, рухаючись

м

рівномірно зі швидкістю 16 —, він розвиває силу тяги 300 кН. Напруга

с

в електромережі 3 кВ, сила струму, споживаного двигуном, — 2 кА.

Аналіз фізичної проблеми. Для розв’язання задачі необхідно з’ясувати, яку частину роботи, виконуваної струмом, що тече в обмотці електродвигуна, становить корисна робота (механічна робота з переміщення електровоза). Використавши формули для розрахунку механічної роботи і роботи струму, знайдемо шукану величину.

Підбиваємо підсумки

На ділянці кола електричний струм виконує роботу, значення якої дорівнює добуткові напруги U, сили струму І і часу t проходження струму в колі: A = UIt.

Одиницею роботи електричного струму в CI є джоуль (Дж): 1 Дж = IBAc. В електротехніці використовують позасистемну одиницю роботи струму — кіловат-годину (кВт год); ІкВт год = 3,6 10° Дж.

Прилади для прямого вимірювання роботи струму називають лічильниками електричної енергії.

Фізична величина, яка характеризує швидкість виконання струмом роботи, називається потужністю електричного струму. Потужність елек-

Потужність, на яку розрахований електричний прилад, називають номінальною потужністю. Зазвичай номінальну потужність зазначають у паспорті електричного приладу. Реальну потужність струму в пристрої називають фактичною потужністю.

Контрольні запитання

1. За якою формулою обчислюють роботу електричного струму? 2. Назвіть відомі вам одиниці роботи електричного струму. 3. Доведіть, що 1 кВт·год = 3,6· IO⁶ Дж. 4. Як вимірюють роботу електричного струму? 5. Що називають потужністю електричного струму? 6. За якою формулою можна обчислити потужність струму? 8. Що називають номінальною потужністю електричного приладу? 9. Що таке фактична потужність приладу?

Вправа № 33

1. Користуючись показами електролічильника (див. рисунок), визначте витрачену електроенергію та обчисліть її вартість за тарифом 45,6 к. за 1 кВттод.

2.    Доведіть, що 1 Дж = 1 В-А-с.

3.    Обчисліть роботу, яку виконає електричний струм за 15 хв роботи електродвигуна дитячої іграшки, якщо напруга на двигуні 10 В, а сила струму в обмотці двигуна становить 0,8 А.

4.    Два провідники опорами 10 і 25 Ом увімкнено до мережі, яка має напругу 100 В. Визначте, яку роботу виконає електричний струм у кожному провіднику за 5 хв, якщо провідники з’єднати: а) паралельно; б) послідовно.

5.    Визначте силу струму, який споживає електродвигун підіймального крана, якщо вантаж масою 1 т кран підіймає на висоту 19 м за 50 с. ККД електродвигуна становить 80%, напруга на клемах — 380 В.

6.    Дві електропечі, спіралі яких мають однакові опори, спочатку увімкнули в мережу послідовно, а потім паралельно. У якому випадку електропечі споживали більшу потужність і в скільки разів?

7.    Дізнайтеся в батьків тариф на електроенергію. З’ясуйте потужність кількох споживачів електроенергії у вашій оселі. Обчисліть вартість електроенергії, яку споживатиме кожний пристрій, якщо працюватиме 20 хв. Заповніть таблицю.

8. Установіть відповідність між фізичною ситуацією та формулою, яка її описує.

1    Працює тепловий двигун.

2    У бойлері нагрівається вода.

3    Калюжа вкрилася льодом.

4    Із колодязя підняли відро із водою.

Експериментальне завдання

«Сумлінний господар». Протягом тижня спостерігайте за споживанням електроенергії у вашій оселі. Для цього щодня, в той самий час, слід записувати показ лічильника електроенергії та обчислювати, скільки електроенергії спожила ваша родина за добу.

За результатами вимірювань та обчислень побудуйте графік споживання електроенергії протягом тижня.

Дайте відповіді на такі запитання.

1)    У який день тижня витрати електроенергії були найбільшими? Чому?

2)    Чи були ввімкнені споживачі електроенергії без потреби?

3)    Як можна заощадити витрати електроенергії вашою родиною?

Фізика і техніка в Україні

Інститут термоелектрики HAH України і MOH України (Чернівці) створений у 1990 р. Організатор і незмінний директор інституту — академік Лук'ян Іванович Анатичук, учений у галузі термоелектрики та технології матеріалів для перетворювачів енергії.

Інститут є світовим лідером у галузі вивчення та практичного застосування термоелектрики — одного з найбільш перспективних напрямів сучасної фізики.

На основі розвитку узагальненої теорії термоелектричного перетворення енергії в інституті створено низку нових термоелементів. Розробки інституту використовують не тільки в Україні, а й за кордоном. Так, інститут узяв участь у розробці потужних кондиціонерів для підводних човнів Франції. Створено надійні модулі охолодження для європейської космічної системи мікрогравітаціїта модулі для охолодження чутливих сенсорів для систем орієнтації європейських супутників Землі. Розроблено ефективні блоки для побутових холодильників як заміну фреоновим компресорним агрегатам.

Інститут є базою для кафедри термоелектрики Чернівецького національного університету.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар