Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца

Допустим, что за время через сечение проводника, к концам которого приложено напряжение , переносится заряд:

Тогда работа тока: .

Если сопротивление проводника , то, применяя закон Ома, получим: (Дж).

Работа постоянного электрического тока:

Мощность электрического тока, определяющая скорость выполнения работы, измеряется в ваттах (Вт) и рассчитывается по

формуле:

Мощность источника электрической энергии вычисляется по формуле:

, где - Э.Д.С. источника. Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока идет на нагревание проводника: .

- Закон Джоуля-Ленца

При постоянном токе закон Джоуля-Ленца принимает вид:

Электрическую энергию принято измерять в киловатт-часах.

1 кВт × час = 3,6 × 10⁶ Дж

Выделим в проводнике элементарный цилиндрический объем (ось цилиндра совпадает с направлением тока) и сопротивление этого объема . Тогда в этом объеме выделится теплота:

Удельная тепловая мощность (количество теплоты, выделяемой за единицу времени в единице объема):

.Т

.к. и , где - удельная проводимость, то:

- закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме

Контрольные вопросы

1. По какой формуле вычисляется работа постоянного электрического тока?

2. По какой формуле вычисляется мощность постоянного электрического тока?

3. Изложите закон Джоуля – Ленца.

4. Изложите закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме.

Зависимость сопротивления от температуры. Явление сверхпроводимости

Опытным путем было установлено, что изменение удельного сопротивления и сопротивления проводника в целом связано с температурой линейным законом:

где: и, и - соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при температурах и , а - температурный коэффициент сопротивления.

Для чистых металлов и .

В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости (рисунок 21). При очень низких температурах

(единицы и десятки кельвин) сопротивление многих металлов, например алюминия, свинца, цинка и других, скачкообразно уменьшается до нуля, т.е. металл становится абсолютным проводником.

Явление сверхпроводимости наблюдается в чистых металлах (без примесей) с правильной кристаллической решеткой.

Рисунок 21. Явление сверхпроводимости

Контрольные вопросы

1. Применяя какие формулы, можно вычислить сопротивление проводника при некоторой температуре .

2. В чем заключается явление сверхпроводимости?

3. При каких условиях в металлах наблюдается явление сверхпроводимости?

Электрические цепи с последовательным и параллельным соединением потребителей

Провод Сопротивление

Пересечение (потребитель)

проводов без

соединения Выключатель

Пересечение Клеммы

проводов с

Амперметр

соединением А

Гальванический элемент

+ -

Генератор V Вольтметр

Лампочка Гальванометр

Рисунок 22. Условные обозначения элементов электрических цепей

Амперметр – это прибор, измеряющий силу электрического тока. Он включается в цепь последовательно (см. рисунок 23).

Вольтметр – это прибор, измеряющий напряжение (разность потенциалов) между различными точками схемы. Он включается в цепь параллельно (см. рисунок 23).

Гальванометр – это прибор, измеряющий силу тока и показывающий направление тока.

Рисунок 23. Примеры включения амперметра и вольтметра в электрическую цепь

Потребители электрической энергии могут соединяться в электрической цепи как последовательно (рисунок 24), так и параллельно (рисунок 25.

При последовательном соединении электрические заряды последовательно протекают по каждому из потребителей – сначала по первому, затем по второму и т.д.

Рисунок 24 Последовательное соединение потребителей

В цепях с последовательно соединенными потребителями действуют следующие правила:

Правило 1: Сила тока во всех участках цепи одинакова:

. При размыкании цепи у одного из последовательно соединенных потребителей исчезает ток во всей цепи.

Правило 2: Напряжение на всей внешней цепи равно сумме напряжений не отдельных участках цепи:

Правило 3: Напряжения на отдельных участков цепи прямо пропорциональны сопротивлениям этих участков:.

Правило 4: Сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков цепи: .

Рис. 25. Параллельное соединение потребителей

При параллельном соединении электрические заряды растекаются по отдельным ветвям – одни текут по первой ветви, другие по второй ветви и т.д. В цепях с параллельно соединенными потребителями действуют следующие правила:

Правило 1: Напряжения на отдельных ветвях и на всем разветвлении одинаковы: .

Правило 2: Ток до разветвления и после разветвления равен сумме токов в отдельных ветвях: .

Правило 3: Токи в отдельных ветвях обратно пропорциональны сопротивлениям этих ветвей: .

Правило 4: Проводимость всего разветвления равна сумме проводимостей отдельных ветвей: . Отсюда:

Контрольные вопросы.

1. Что измеряет и как включается в электрическую цепь амперметр?

2. Что измеряет и как включается в электрическую цепь вольтметр?

3. Изложите правила, которые действуют при последовательном соединении потребителей.

4. Изложите правила, которые действуют при параллельном соединении потребителей.

Выберите правильные ответы на поставленные вопросы

1. Во сколько раз сопротивление четырёх одинаковых резисторов, включенных последовательно, больше сопротивления тех же резисторов включенных параллельно?	2. Отношение модуля плотности электрического тока в данной точке однородного проводника к модулю напряженности электрического поля в этой точке равно…
1. В 2,8 раза. 2. В два раза. 3. В восемь раз. 4. В четыре раза. 5. В шестнадцать раз.	1. …удельной проводимости среды. 2. …удельному сопротивлению среды. 3. …концентрации носителей тока. 4. …объемной плотности электрического заряда носителей. 5. …объемной плотности вещества среды.
3. Плотность тока проводимости равна…	4. Плотность электрического тока в среде с удельным сопротивлением r при напряженности электростатического поля и напряженности поля сторонних сил равна…
1. …произведению удельной электрической проводимости на напряженность электрического поля в проводнике. 2. …произведению концентрации носителей тока на напряженность электрического поля в проводнике. 3. …произведению объемной плотности вещества на напряженность электрического поля в проводнике. 4. …произведению удельного электрического сопротивления на напряженность электрического поля в проводнике. 5. …произведению удельного электрического сопротивления заряда на напряженность электрического поля в проводнике.	1. … 2. … 3. … 4. … 5. …
5. Площадка единичной площади расположена в проводнике перпендикулярно вектору скорости направленного движения зарядов. Как называется физическая величина, равная заряду, переносимому через эту площадку за единицу времени	6. На сопротивлении R=20 Ом при протекании по нему электрического тока I=2А в течение времени t=10с выделяется количество теплоты…
1. Удельный заряд. 2. Удельная проводимость. 3. Плотность тока. 4. Сила тока. 5. Удельная мощность тока.	Введите значение:
7. Сила тока в проводнике возрастает в течение 20 секунд от 0 до 4,8 ампера по линейному закону. Какой заряд протекает за это время через поперечное сечение проводника.	8. Сопротивления R1=1 Ом и R2=2 Ом подключены к источнику тока с э.д.с. e и внутренним сопротивлением r. Каково соотношение между мощностями тока на сопротивлениях?
1. 12 Кл. 2. 24 Кл. 3. 32 Кл. 4. 48 Кл. 5. 96 Кл.	1. Р1= e, r 2. Р1= Р2 3. Р1= 2Р2 R1 4. Отношение мощностей зависит от величины э.д.с. 5. Отношение мощностей зависит от величины внутреннего сопротивления.
Укажите правильное выражение для мощности тепла, выделяющегося при протекании электрического тока плотностью в единице объема среды с удельным сопротивлением r.	10.Электрические потенциалы на клеммах 1 и 2 источника равны соответственно j1 и j2, э.д.с. источника равна e. Выберите выражение для напряжения U12 на клеммах источника.
1. r j 2. r2 j 3. r j2 4. 5.	1. j1 - j2 + e 2. j1 - j2 - e 1 + - 2 3. j1 + j2 + e 4. j1 - j2 - e 5. j1 + j2 - e
11. В каких единицах измеряется удельное сопротивление проводника?	12. Величина, равная отношению заряда, переносимого через некоторую поверхность за малый промежуток времени, к длительности этого промежутка – это…
1. В Ом, деленных на квадратный метр. 2. В Ом, деленных на метр. 3. В Ом 4. В Ом, умноженных на метр. 5. В Ом, умноженных на квадратный метр.	1. …поверхностная плотность свободных зарядов. 2. …удельная проводимость. 3. …плотность тока. 4. …сила тока. 5. …модуль скорости носителей тока, усредненный по всем типам носителей в проводнике.
13. В каких единицах измеряется плотность электрического тока.	14. Два проводника с одинаковым поперечным сечением и разными удельными сопротивлениями r1 и r2 соединены последовательно. Каково отношение напряженностей электрического поля Е1/Е2?
1. В амперах, деленных на квадратный метр. 2. В амперах, деленных на метр. 3. В амперах 4. В амперах, умноженных на метр. 5. В амперах, умноженных на квадратный метр.	1. Е1/Е2 = 1 2. Е1/Е2= r1/r2 3. Е1/Е2= r2/r1 4. Е1/Е2= 5. Е1/Е2=