§ 37. Робота й потужність електричного струму

Від яких фізичних величин залежить механічна робота?

Що характеризує ККД двигуна?

Що називають потужністю?

Розглядаючи приклади дії електричного струму (теплову, магнітну, хімічну), ми під діями розуміли різноманітні результати роботи

електричного струму. Нагрівання металевого провідника, притягання металевих предметів, поворот рамки зі струмом і т. ін. — все це приклади роботи електричного струму. У всіх цих випадках енергія одного виду (енергія електричного поля або електрична енергія) перетворювалася в енергію іншого виду (внутрішню, механічну тощо).

Поняття роботи було вже введено в механіці. Як можна розрахувати роботу електричного струму, використовуючи електричні величини?

Ви вже знаете, що напруга — це фізична величина, яка дорівнює відношенню роботи електричного поля на певній ділянці кола до величини заряду, що пройшов по цій ділянці при протіканні електричною струму:

З цього співвідношення випливає, що робота, яку виконує електричний струм на певній ділянці кола, визначається формулою:

A = Uq.

Якщо сила струму І в провіднику, то за час t через поперечний переріз провідника протече заряд q = It.

Тоді формулу для роботи електричного струму можна записати так:

А = UIt.

Робота електричного струму на ділянці кола дорівнює добутку напруги на кінцях цієї ділянки, сили струму і часу, протягом якого виконується робота.

Одиницею роботи, як ви знаєте, є джоуль (1 Дж). Цю одиницю можна виразити через електричні одиниці:

[А] = 1 Дж = I В А · с.

На практиці роботу часто виражають не в джоулях, а в інших одиницях: ват-година (1 Вт·год), кіловат-година (1 кВттод).

Для вимірювання роботи електричного струму можна скористатися трьома приладами: амперметром, вольтметром і годинником. Але в реальному житті для вимірювання роботи електричного струму користуються спеціальними приладами—лічильниками електричної енергії.

На багатьох електричних приладах, технічних пристроях або в інструкціях до них вказується ще одна характеристика споживачів електричної енергії — потужність. Наприклад, потужність лампи розжарювання може бути 40 Вт, 60 Вт, 100 Вт і т. д.; потужність домашньої кавомолки — 120 Вт, а електричної праски — приблизно 1000 Вт; а ось потужність електродвигунів, як правило, дуже велика — декілька тисяч кіловат тощо. При цьому мають на увазі потужність електричного струму, що проходить через той чи інший прилад.

Від яких характеристик електричних кіл залежить потужність електричного струму? Ви вже знаєте, що потужність — це фізична величина, яка дорівнює відношенню роботи до інтервалу часу, впродовж якого вона була виконана:

Оскільки робота електричного струму визначається співвідношенням А = UIt, то тоді можна сказати, що потужність електричного струму дорівнює добутку напруги на силу струму в колі:

P=UL

Одиниця потужності, як вам відомо, ват (1 Вт). Користуючись формулою потужності електричного струму, її одиницю можна виразити через електричні одиниці — ампер і вольт.

[Р] = I Bt= I B A.

Вимірявши силу струму і напругу за допомогою амперметра і вольтметра (рис. 130), можна визначити значення потужності електричного струму в провіднику (або споживачі). Загалом, використовуючи закон Ома, визначити потужність також можна, якщо виміряти силу струму і опір або опір і напругу. Зручніше, проте, вимірювати силу струму і напругу.

Для вимірювання потужності електричного струму існує і спеціальний прилад — ватметр.

Пояснимо тепер, що мають на увазі, коли говорять про потужність будь-якого електричного приладу. Наприклад, потужність електропраски 1000 Вт. Це означає, що при повністю включеному регуляторі температури праски (праска максимально розігрівається) потужність електричного струму, що проходить через неї, 1000 Вт. Відомо, що праска включається в мережу з напругою 220 В. Для того, щоб вона працювала з необхідною потужністю, при виготовленні праски підбирають відповідний опір. Використовуючи формулу потужності і закон Ома для ділянки кола, можна обчислити значення цього опору:

Саме при такому опорі максимальна потужність електричного струму в прасці дорівнюватиме 1000 Вт.

Приклади розв’язування задач.

1. Визначте, яку роботу виконує електродвигун за 8 год роботи, якщо сила струму в колі електродвигуна 6 А, а напруга на його клемах 220 В. Відомо, що ККД електродвигуна 60%.

Відповідь. A_k = 22800 кДж.

2. Ніхромова спіраль електроплитки довжиною 10 м і площею поперечного перерізу 0,25 мм² включена в мережу з напругою 220 В. Знайдіть потужність струму в спіралі.

Запитання для самоперевірки

1. Від чого залежить робота електричного струму на ділянці кола?

Q. За допомогою яких приладів можна виміряти роботу, що здійснюється електричним струмом?

3.    Що таке потужність електричного струму?

4.    Яким чином потужність залежить від напруги та сили струму в колі?

5.    За допомогою яких приладів можна виміряти потужність електричного струму?

Завдання 37

1. Доведіть, що 1 Вт · год = 3600 Дж.

Q. Потужність електропилососа 0,6 кВт. Обчисліть роботу, що здійснюється електричним струмом протягом ЗО хв.

3. Радіоприймач включений в мережу з напругою 220 В. Сила струму в колі 0,4 А. Скільки електроенергії (в кВт · год) витрачається за 3 год роботи радіоприймача?

4_в. Протягом тижня в один і той самий час доби записуйте покази лічильника у вашому домі. Накресліть графік витрати електроенергії протягом тижня. Підрахуйте вартість витраченої електроенергії, попередньо дізнавшись у вчителя вартість 1 кВт · год електроенергії.

5.    В якому випадку потужність електричного струму більша: при силі струму 1,5 А і напрузі 12 В або при силі струму 600 мА і напрузі 0,5 кВ?

6.    В якій з ламп, зображених на схемах рисунка 131, сила струму більша? Яка з них має більший опір?

7.    Розрахуйте потужність струму в електродвигуні, використовуючи покази приладів, зображених на рисунку 132. Як зміниться потужність при переміщенні повзунка реостата вправо?

8*. В електричні кола, зображені на рисунку 133, включені однакові лампи, але в першому колі — послідовно, а в другому — паралельно. При якому з’єднанні цих ламп потужність струму в них буде більшою?

Напруга на джерелі струму в обох колах однакова.

Робота з комп’ютером

Вивчіть матеріал уроку і виконайте запропоновані в електронному додатку завдання.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Пістун