Творческое конструкторско-экспериментальное задание
Спроектировать и изготовить устройство для демонстрации явления электрического тока. Предлагается в качестве варианта выполнения задания использовать диэлектрическую пластину (например, из плексигласа), гальванический элемент, выключатель, лампочку накаливания, медные проводники. Предусмотреть возможность замены гальванического элемента закороткой и лампочки накаливания – диэлектрической уставкой.
Продемонстрировать явление электрического тока.
Исследовать три условия создания электрического тока.
Зная напряжение гальванического элемента и мощность лампочки накаливания определить силу тока в цепи.
Тема 5 Явление теплового действия электрического тока
5.1 Описание явления теплового действия электрического тока
При протекании электрического тока в проводнике направленно движущиеся свободные электроны сталкиваются с атомами (молекулами) вещества проводника, которые находятся в тепловом движении. При этом они отдают им часть своей кинетической энергии, увеличивая кинетическую энергию атомов (молекул), что приводит к повышению температуры проводника. Таким образом, электрический ток совершает работу, которая равна увеличенной кинетической энергии атомов (молекул).
5.2 Физические величины, описывающие явление теплового действия электрического тока
Найдём работу электрического тока. Из определения напряжения известно, что напряжение – это физическая величина, численно равная отношению работы, которую совершают сторонние силы источника тока по перенесению зарядов против сил электрического поля, к величине этих зарядов. Из определяющей формулы напряжения находим выражение работы:
.
Из определения силы электрического тока известно, что сила электрического тока – это физическая величина, численно равная отношению количества зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника, ко времени протекания тока. Из определяющей формулы силы электрического тока находим выражение заряда:
.
Тогда работа электрического тока равна:
.
Единицей работы электрического тока является джоуль (Дж):
.
Для характеристики скорости выполнения работы введена физическая величина, называемая мощностью, под которой понимается количество работы, выполненной за единицу времени.
Определяющая формула мощности:
.
Единицей мощности является ватт (Вт):
.
Подставляем выражение работы, в котором работа определяется через напряжение, силу тока и время, в формулу мощности и получаем:
,
.
Измеряется работа электрического тока с помощью электрического счётчика, а мощность – с помощью ваттметра.
Пример 5.1 Медный проводник длиной 1000 м и площадью поперечного сечения 1,71 мм2 подключен к источнику постоянного тока напряжением 100 В. Определить сопротивление проводника, силу электрического тока в проводнике, работу, которую выполняет электрический ток за 1000 с, и мощность электрического тока.
Решение.
1. Составляем условие в технической системе:
l = 1000 м
S = 1,71 мм2
= 0,0171 Оммм2/м
U = 100 В
t = 1000 с
R, I, А, Р – ?
2. Сопротивление проводника находим по расчётной формуле:
,
.
3. Подставляем значения физических величин и находим сопротивление проводника:
,
.
4. Силу электрического тока в проводнике определяем по закону Ома:
,
.
5. Подставляем значения физических величин и находим силу электрического тока в проводнике:
, 
.
6. Работу электрического тока в проводнике определяем по выражению:
,
.
7. Подставляем значения физических величин и находим работу электрического тока в проводнике:
, 
.
8. Мощность электрического тока определяем по формуле:
,
.
9. Подставляем значения физических величин и находим мощность электрического тока:
, 
.
Таким образом, для характеристики явления теплового действия электрического тока введены следующие физические величины: работа электрического тока, мощность электрического тока, количество теплоты, сопротивление проводника, время.