6.1..5. Работа и мощность тока

Работа А, совершаемая током, определяется произведением напряжения U на концах участка цепи на количество электричества Q, проходящего через этот участок, т. е.

A=UQ=UIt,

где А — работа, Дж;

Q - количество электричества, Кл;

t - время прохождения тока, с.

За единицу работы принят джоуль, равный произведению напряжения в вольтах на ток в амперах и на время в секундах (1 Дж = 1ВX 1А X1с)

Как известно, мощность Р — это работа, совершенная в одну секунду, поэтому

т. е. для определения электрической мощности на участке цепи необходимо напряжение на зажимах цепи в вольтах умножить на ток в амперах на этом же участке цепи.

За единицу мощности принят ват (сокращенно Вт) — мощность, которую развивает ток в 1 ампер при напряжении в 1 вольт (1Вт=1В1А).

В технической документации мощность обычно выражают в киловаттах (кВт); 1кВт=1000 Вт.

6.1.6. Закон Джоуля —Ленца

В проводниках, по которым проходит электрический ток, выделяется тепло. Русский ученый Ленц и английский ученый Джоуль независимо друг от друга установили, что количество теплоты, выделяемой в проводнике при прохождении по нему электрического тока, выражается формулой

Q=A=UIt=I2Rt Дж.

Соотношение, выраженное этой формулой, называется законом Джоуля - Ленца: количество тепла, выделяемого в проводнике током, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Тепловое действие тока широко применяется в технике. Так, на тепловом действии тока основано устройство многих электрических приборов и устройств, таких, как электронагревательные приборы и печи, лампы накаливания и дуговые лампы, электрические паяльники, плавкие предохранители, измерительные приборы. Тепловое действие тока учитывают и при расчете электрических цепей.

6.2. Электромагнетизм

6.2.1. Магниты и магнитное поле проводника с током

Магнитами называются тела, обладающие свойством притягивать железные предметы. Проявляемое магнитами свойство притяжения называется магнетизмом. Магниты бывают естественными и искусственными. Добываемые железные руды, обладающие свойством притяжения, называются естественными магнитами, а намагниченные куски металла — искусственными магнитами, которые часто называют постоянными магнитами.

Свойства магнита притягивать железные предметы в наибольшей степени проявляются на его концах, которые называются магнитными полюсами, или просто полюсами. Каждый магнит имеет два полюса: северный ( N- норд) и южный (S - зюйд). Линия, проходящая через середину магнита, называется нейтральной линией, или нейтралью, так как по этой линии не обнаруживается магнитных свойств.

Постоянные магниты образуют магнитное поле, в котором действуют магнитные силы в определенных направлениях, называемых силовыми линиями. Силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный.

Электрический ток, проходящий по проводнику, также образует вокруг проводника магнитное поле. Установлено, что магнитные явления неразрывно связаны с электрическим током.

Магнитные силовые линии располагаются вокруг проводника с током по окружности, центром которых является сам проводник, при этом ближе к проводнику они располагаются гуще, а дальше от проводника— реже. Расположение магнитных силовых линий вокруг проводника с током зависит от формы его поперечного сечения.

Рис. 224. Магнитное поле вокруг прямолинейного проводника (а) и катушки (б)

Для определения направления силовых линий пользуются правилом буравчика, которое формулируется так: если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то вращение рукоятки буравчика покажет направление магнитных силовых линий.

Магнитное поле прямого проводника представляет собой ряд концентрических окружностей (рис. 224, а). для усиления магнитного поля в проводнике последний изготовляют в виде катушки (рис. 224, 6). Магнитное доле катушки с током аналогично полю постоянного магнита, поэтому катушка с током (соленоид) имеет все свойства магнита.

Здесь также направление магнитных силовых линий вокруг каждого витка катушки определяется правилом буравчика. Силовые линии соседних витков складываются, усиливая общее магнитное поле катушки. Как следует из рис. 234, силовые линии магнитного поля катушки выходят из одного конца и входят в другой, замыкаясь внутри катушки. Катушка, как и постоянные магниты, имеет полярность (южный и северный полюсы), которая также определяется по правилу буравчика, если изложить его так: если направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением электрического тока в витках катушки, то поступательное движение буравчика направлено в сторону северного полюса.

Для характеристики магнитного поля с количественной стороны введено понятие магнитной индукции.

Магнитной индукцией называется число магнитных силовых линий, приходящихся на 1 см² (или 1 м²) поверхности, перпендикулярной направлению силовых линий. В системе СИ магнитная индукция измеряется в теслах (сокращению Т) и обозначается буквой

В (тесла)=

Рис. 225. Магнитное поле катушки при прохождении тока

Вебер — единица измерения магнитного потока.

Магнитное поле можно усилить, если вставить в катушку железный стержень(сердечник). Наличие железного сердечника усиливает магнитное поле, так как, находясь в магнитном поле катушки, железный сердечник намагничивается, создает свое поле, которое складывается с первоначальным и усиливается. Такое устройство называется электромагнитом.

Общее число силовых линий, проходящих через сечение сердечника, называется магнитным потоком. Величина магнитного потока электромагнита зависит от тока, проходящего по катушке (обмотке), числа ее витков и сопротивления магнитной цепи.

Магнитной цепью, или магнитопроводом, называется путь, по которому замыкаются магнитные силовые линии. Магнитное сопротивление магнитопровода зависит от магнитной проницаемости среды, по которой проходят силовые линии, длины этих линий и поперечного сечения сердечника.

Произведение тока, проходящего по обмотке, на число ее витков носит название магнитодвижущей силы (м. д. с.). Магнитный поток равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление цепи - так формулируется закон Ома для магнитной цепи. Так как число витков и магнитное сопротивление для данного электромагнита - величины постоянные, магнитный поток электромагнита можно изменять, регулируя ток в его обмотке.

Электромагниты находят самое широкое применение в различных машинах и приборах (в электромашинах, электрических звонках, телефонах, измерительных приборах и т. д.).