Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

Прохождение электрического тока по проводнику представляет собой процесс упорядоченного движения зарядов в электрическом поле, существующем в проводнике. При этом силы электрического поля, действующие на заряды, совершают работу. Назовем эту работу «работой тока» (Aэл.) и рассчитаем ее на участке цепи 1-2, содержащем сопротивление R 

Из электростатики известно, что Aэл. = q*(f1 — f2).

В темах 1 и 2 раздела «постоянный ток» показано, что q = I*t; U = I*R; U = f1 — f2 где t — время прохождения тока, q — заряд, прошедший от точки с потенциалом f1 до точки с потенциалом f2.

Следовательно, работу тока можно вычислить с помощью следующего соотношения: Aэл. = I*U*t = I2*R*t = U2*t/R .  Мощностью (Nэл.) называется работа, совершаемая током за единицу времени: Nэл. = Aэл./t . Следовательно, Nэл. = I*U = I2*R = U2/R .  Мощность электрического тока на опыте определяется с помощью амперметра и вольтметра или специального прибора — ваттметра.

Закон Джоуля-Ленца Если по активному сопротивлению (проводнику) течет постоянный ток, то работа тока на этом участке идет на преобразование электрической энергии во внутреннюю. Увеличение внутренней энергии проводника приводит к повышению его температуры (проводник нагревается). По закону сохранения энергии количество теплоты (Q), выделяющееся в проводнике при прохождении электрического тока, равно работе тока: Q = Aэл. Следовательно, Q = I*U*t = I2*R*t = U2*t/R .  Эта формула есть закон Джоуля-Ленца для однородного участка цепи.

Законы постоянного тока 

1. Постоянный электрический ток. Вектор плотности тока. Сила тока.

2. Уравнение непрерывности. Закон сохранения электрического заряда.

3.Классическая теория электропроводности металлов. Закон Ома в локальной дифференциальной форме. Удельное сопротивление и электропроводность.

4. Закон Ома для участка проводника, на котором не действуют сторонние силы. Электрическое сопротивление и электрическая проводимость. Закон Ома в интегральной форме.

5. Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.

6.Условие протекания постоянного тока по замкнутой цепи. Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС). Закон Ома для участка проводника, на котором действуют сторонние силы.

7. Закон Ома для замкнутой цепи с источником ЭДС. Закон сохранения энергии для замкнутой цепи постоянного тока. Передача энергии с помощью цепи постоянного тока.

8. Правила Кирхгофа. 

Электрический ток. Сила тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводников. Последовательное и параллельное соединение проводников. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Работа и мощность тока.

Направленное движение электрических зарядов называютэлектрическим током. В металлах могут свободно перемещаться электроны, в проводящих растворах - ионы, в газах могут существовать в подвижном состоянии и электроны, и ионы.

Условно за направление тока считают направление движения положительных частиц, ток идет от(+) к (-), поэтому в металлах это направление противоположно направлению движения электронов.

Сила тока I- величина заряда, проходящего в единицу времени через полное сечение проводника. Если за время t через полное сечение проводника прошел заряд q, то

I=q/t.

Единица измерения силы тока - Ампер. Если состояние проводника (его температура и др.) стабильно, то между приложенным к его концам напряжением и возникающим при этом током существует  связь. Она называется Закон Ома и записывается так:

I=U/R.

R - электрическое сопротивление проводника, зависящее от рода вещества и от его геометрических размеров. Единичным сопротивлением обладает проводник, в котором возникает ток 1 А при напряжении 1 В. Эта единица сопротивления называется Ом.  Различают последовательное      

и параллельное соединения проводников.  

При последовательном соединении ток, протекающий по всем участкам цепи, одинаков, а напряжение на концах цепи равна сумме напряжений на всех участках.

U=U₁+U₂+U_n

Общее сопротивление равно сумме сопротивлений

R=R₁+R₂+R_n

При параллельном соединении проводников постоянным остается напряжение, а ток складывается из суммы токов, протекающих по всем ветвям.

I=I₁+I₂+I_n

В этом случае складываются величины, обратные сопротивлению:

1/R= 1/R₁+1/R₂    или можно записать так     

Для получения постоянного тока на заряды в электрической цепи внутри источника тока должны действовать силы, отличные от сил электростатического поля; их называют сторонними силами.

Если рассматривать полную электрическую цепь, необходимо включить в нее действие этих сторонних сил и внутренне сопротивлениеисточника тока r. В этом случае закон Ома для полной цепи примет вид:

I=E/(R+r).

Е - электродвижущая сила (ЭДС) источника. Она измеряется в тех же единицах, что и напряжение. Величину (R+r) называют иногда полным сопротивлением цепи.

Сформулируем правила Киркгофа: Первое правило: алгебраическая сумма сил токов в участках цепи, сходящихся в одной точке разветвления, равна нулю. Второе правило: для любого замкнутого контура сумма всех падений напряжения равна сумме всех ЭДС в этом контуре. Мощность тока рассчитывается по формуле

P=UI=I²R=U²/R.

Закон Джоуля-Ленца. Работа электрического тока (тепловое действие тока)

A=Q=UIt=I²Rt=U²t/R.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

Электрический ток может выделять в некоторых проводниках их химические составные части. Это явление получило названиеэлектролиза. Согласно закону Фарадея для электролиза, масса вещества выделившаяся на каком-либо из электродов, пропорциональна величине заряда, прошедшего через электролит.

m=Kq,    или    m=kIt

где K - электрохимический эквивалент, I-сила тока,  t- время электролиза. 

Закон Ома для участка цепи. Немецкий физик Георг Ом (1787—1854) в 1826 г. обнаружил, что отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:

U/L = R = const. (43.1)

Эту величину R называют электрическим сопротивлениемпроводника.    Единица электрического сопротивления в СИ — ом (Ом). Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение равно 1 В:

1 Ом=1 Вт/1 A

Опыт показывает, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади S поперечного сечения:

R=p*l/ S  . (43.2)

Постоянный для данного вещества параметр  называетсяудельным электрическим сопротивлением вещества.    Экспериментально установленную зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R участка цепи называют законом Ома для участка цепи:

I=U / R . (43.3)

 Сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R участка цели.

Последовательное и параллельное соединение проводников.Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно. При последовательном соединении проводников конец первого проводника соединяется с началом второго и т. д. При этом сила токаI одинакова во всех проводниках, а напряжение U на концах всей цепи равно сумме напряжений на всех последовательно включенных проводниках. Например, для трех последовательно включенных проводников 1, 2, 3 (рис. 150) с электрическими сопротивлениями R₁,R₂ и R₃ получим

U = U₁ + U₂ + U₃. (43.4)

По закону Ома для участка цепи

U₁ = IR₁,    U₂ = IR₂,    U₃ = IR₃    и    U = IR, (43.5)

где R — полное сопротивление участка цепи из последовательно включенных проводников. Из выражений (43.4) и (43.5) будем иметьIR = I(R₁ + R₂ + R₃). Таким образом,

R = R₁ + R₂ + R₃ . (43.6)

При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.    Из соотношений (43.5) следует, что напряжения на последовательно включенных проводниках прямо пропорциональны их сопротивлениям :

U1 / U2 = R1 / R2.

При параллельном соединении проводников 1, 2, 3 (рис. 151) их начала и концы имеют общие точки подключения к источнику тока.

При этом напряжение U на всех проводниках одинаково, а сила тока Iв неразветвленной цепи равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках. Для трех параллельно включенных проводников сопротивлениями R₁, R₂ и R₃ на основании закона Ома для участка цепи запишем

I1=U / R1; I2 = U / R2 ; ,    ,    . (43.7)

Обозначив общее сопротивление участка электрической цепи из трех параллельно включенных проводников через R, для силы тока в неразветвленной цепи получим

I = U / R . (43.8)

Так как

I = I1+ I2  , (43.9)

то из выражений (43.7), (43.8) и (43.9) следует, что

1/ R =1/ R1+ 1/R 2 . (43.10)

При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям всех параллельно включенных проводников.     Параллельный способ включения широко применяется для подключения ламп электрического освещения и бытовых электроприборов к электрической сети.