Робота електричного струму формули та завдання по темі

Як визначається робота електричного струму, чи розраховується потужність приладу? А може, останню можна виміряти? І як застосувати отримані знання під час вирішення завдань?

Такі питання виникають у багатьох восьмикласників щодо теми «Електрика». Відповісти на них досить просто. Та й запам'ятовувати формули довго не доведеться. Тому що вони дуже схожі один на одного або використовують вивчені раніше.

Перша величина: робота струму

Спочатку потрібно домовитися про позначення. Тому що в них можуть бути відмінності.

Позначення	Назва величини	Одиниці виміру в СІ
I	сила струму	А
U	електрична напруга	У
t	час	з
А (в англомовних джерелах W)	робота електричного струму	Дж
Р	потужність	Вт
Q	кількість теплоти, що виділяється	Дж
R	електричний опір	Ом
q	заряд, що переноситься струмом	Кл

Кожен джерело струму створює електричне поле, що змушує рухатися вільні електрони. Тобто виникає струм. У цей момент кажуть, що електричне поле виконує роботу. Саме її прийнято називати роботою струму.

Електричне поле, яке створюється джерелом струму, характеризується напругою. Воно впливає те, яка робота електричного струму відбувається при переміщенні одиничного заряду. Тому вводиться формула для напруги:

З неї легко вивести формулу роботи:

Тепер варто згадати рівність, яка вводиться для сили струму.Вона дорівнює відношенню заряду, що переміщується до часу його руху:

Звідси q=I*t. Замінивши букву q у формулі для роботи останнім виразом, отримуємо таку формулу:

Це загальний вигляд рівності, яким може бути обчислена робота електричного струму. Формула дещо зміниться, якщо застосувати закон Ома. По ньому напруга дорівнює добутку сили струму на опір. Тоді вірною буде така рівність:

Можна замінити не напругу, а силу струму. Воно дорівнює приватному U і R. Тоді формула роботи виглядатиме так:

Друга величина: потужність струму

Загальна формула для неї така сама, як у механіці. Тобто визначається як робота, здійснена за одиницю часу.

Звідси видно, що і потужність електричного струму взаємопов'язані. Щоб отримати більш конкретну рівність, потрібно замінити чисельник, скориставшись загальною формулою до роботи. Тоді стає зрозуміло, як визначити потужність, знаючи силу струму та напругу ланцюга.

До того ж, потужність може бути виміряна. Для цієї мети існує спеціальний прилад, який називається ватметром.

Закон Джоуля-Ленца

Явище нагріву провідника було виявлено французьким вченим А. Фуркуа. Сталося це ще 1880 року. 41 рік по тому воно було описане англійським фізиком Дж. П. Джоулем і через рік підтверджено на досвіді українським фізиком Е.Х. Ленцем. Саме на прізвища двох останніх учених стали називати виявлену закономірність.

У ній пов'язані дві величини: кількість теплоти та робота електричного струму. Закон Джоуля-Ленца стверджує, що вся робота у нерухомому провіднику йде на його нагрівання. Тобто провідник із струмом виділяє кількість теплоти, що дорівнює добутку його опору, часу та квадрата сили струму.Формула виглядає так само, як одна з тих, що наведені для роботи:

Завдання визначення роботи

Умови. Опір лампочки кишенькового ліхтарика дорівнює 14 Ом. Напруга, яку дає батарейка, становить 3,5 В. Чому дорівнюватиме робота струму, якщо ліхтарик працював 2 хвилини?

Рішення. Оскільки відомі напруга, опір і час, необхідно скористатися такою формулою: А = (U 2 * t)/R. Тільки спочатку потрібно буде перевести час в одиниці СІ, тобто секунди. Таким чином, формулу потрібно підставляти не 2 хвилини, а 120 секунд.

Прості розрахунки призводять до такого значення роботи струму: 105 Дж.

Відповідь. Робота дорівнює 105 Дж.

Завдання визначення потужності

Умови. Необхідно визначити, до чого рівні робота і потужність електричного струму в обмотці електродвигуна. Відомо, що сила струму має значення 90 А при напрузі 450 В. Включеним електродвигун залишається протягом однієї години.

Рішення. Спочатку можна порахувати значення роботи. Для цього стане в нагоді така формула: А = U * I * t. Перші дві величини дано в одиницях СІ, а ось час знову потрібно перевести на секунди, тобто взяти 3600 с.

Після підстановки значень та виконання простих арифметичних дій виходить таке значення для роботи: 145800000 Дж. Записати його у відповіді зручніше у більших одиницях. Наприклад, мегаджоулі. Для цього результат потрібно поділити на мільйон. Робота виявляється рівною 145,8 МДж.

Тепер потрібно вирахувати потужність електродвигуна. Розрахунки виконуватимуться за такою формулою: Р = U * I. Після множення вийде число: 40500 Вт. Для того, щоб записати його в кіловатах, потрібно розділити результат на тисячу.

Відповідь. А = 1458 МДж Р = 405 кВт.

Завдання на обчислення напруги

Умови. Електроплитка включена до мережі протягом 20 хвилин. Яка напруга в мережі, якщо при силі струму 4 А робота виявляється рівною 480 кДж?

Рішення. Оскільки відомі робота та сила струму, потрібно використовувати таку формулу: А = U * I * t. Тут напруга – невідомий множник. Його необхідно обчислити як приватне твори і відомого множника, тобто: U = А / (I * t).

До проведення розрахунків слід перевести величини в одиниці СІ. А саме, роботу в Джоулі та час у секунди. Це будуть 480 000 Дж і 1200 с. Тепер лишилося все порахувати.

---