Занятие 12

РАБОТА И МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА.

Учебная цель: сформировать понимание физической сущности работы и теплового действия электрического тока и знание законов Ома и Джоуля – Ленца. Привить навыки самостоятельного решения задач на данную тему.

Литература

Основная: Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1989. Гл.19, § 19,2.

Дополнительная: Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, 1989. Т.2, Гл.5, § 37, 38.

Контрольные вопросы для подготовки к занятию

1. Запишите и поясните формулу работы постоянного тока для участка цепи, не содержащего ЭДС.

2. Сформулируйте и запишите закон Джоуля – Ленца.

3. Что называется мощностью тока? Запишите формулы мощности тока для участка цепи.

4. Единицы измерения в СИ работы и мощности электрического тока, их определение.

5. Запишите и поясните формулу полной мощности источника тока.

6. Что называется полной мощностью? Полезной мощностью?

7. Как зависят от силы тока полная и полезная мощность?

8. Записать и пояснить формулы для определения максимального значения полной мощности? Полезной мощности?

9. При каком условии полезная мощность максимальна?

10. Каково соотношение между полной и полезной мощностями?

11. Что называется КПД источника тока?

12. Как зависит КПД источника тока от внешнего и внутреннего сопротивления?

13. Как определяется сила тока короткого замыкания?

Краткие теоретические сведения и основные формулы

Если к однородному проводнику приложено напряжение U, то за время dt через сечение проводника переместится заряд dq = dt. Так как ток представляет собой перемещение заряда dq под действием электрического поля, то работа тока

(12.1)

Если сопротивление проводника R, то, используя закон Ома, получим

(12.2)

мощность тока Р есть физическая величина, равная работе, совершаемой в единицу времени:

(12.3)

Выражения (12.3) справедливы как для переменного, так и для постоянного токов, причём для переменного тока этими формулами определяется мгновенное значение мощности.

Если сила тока выражается в амперах, напряжение в вольтах (1 Дж = 1 В^.А^.с), а мощность в ваттах (1 Вт = 1 А^.В).

Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока идёт на его нагревание, и по закону сохранения энергииdQ =dA.

Используя выражения (12.1, 12.2), получим

(12.4)

Выражения (12.4) представляют собой закон Джоуля – Ленца:

количество теплоты, выделяемой постоянным электрическим током в участке цепи, равно произведению квадрата силы тока, времени его прохождения и электрического сопротивления этого участка цепи.

Полная мощность Р, развиваемая источником тока, идёт на выделение тепла во внешнем и внутреннем сопротивлениях и равна:

(12.5)

Мощность выделяемая во внешнем сопротивлении, называется полезной мощностью и равна:

(12.6)

Мощность, выделяемая во внутреннем сопротивлении источника тока, не может быть использована и называется теряемой мощностью:

(12.7)

Коэффициент полезного действия  равен отношению полезной к полной мощности:

. (12.8)

Максимум полезной мощности достигается, когда внешнее сопротивление R равно внутреннему сопротивлению источника тока r при этом КПД = 0,5.

При R = r сила тока в цепи

(12.9)