По какой формуле вычисляется работа электрического тока. Работа электрического тока: общая характеристика, формула, практическое значение

В каждой квартире или частном доме устанавливаются счетчики учета электроэнергии, по показаниям которых владельцы на ежемесячной основе оплачивают счета. Такие контрольные приборы учитывают количество киловатт-часов, потребленные всеми электроприборами и источниками света за определенный промежуток времени. Многие задаются вопросом о том, что же такое эти «киловатт-часы». Ответ прост: так измеряется работа тока.

Работа тока

Каждый человек использует электричество с конкретными целями. Электрический ток выполняет определенную работу, проходя по электроцепи, вследствие которой и функционируют электроприборы, осветительное оборудование и прочее.

Работа электрического тока – это величина, численно равная произведению силы электротока на напряжения на концах участка цепи и на временной промежуток, в течение которого такая работа совершалась. Если любое из этих производных будет изменяться в ту или иную сторону, то и работа, совершенная током, будет уменьшаться или увеличиваться.

Обозначается эта характеристика тока заглавной латинской литерой «А», а измеряется в джоулях или киловатт-часах, сокращенно «Дж» и «кВт*ч», соответственно.

На заметку. Работа тока показывает, сколько электроэнергии превратилось в другие виды энергии (тепловую либо световую) за конкретный период. Для электроэнергии справедлив закон сохранения энергии.

Формула, по которой измеряется работа электрического тока, выглядит следующим образом:

A = U*I*t, где:

• А – количественный показатель выполненной током работы;
• U – электронапряжение в цепи;
• I – сила электротока;

а, имея только данные о силе электротока и сопротивлении в электроцепи, эта величина рассчитывается по формуле:

В этих формула буквенно обозначаются следующие величины:

• А – работа электрического тока;
• U – напряжение в цепи;
• R – сопротивление на участке цепи;
• I – сила тока;
• t – время, за которое осуществлялась работа электротока.

Интересно знать. Счётчики обычно учитывают работу электрического тока в кВт*ч. Эта единица применяется на практике чаще, чем общепринятая единица электрической работы «джоуль», названная в честь знаменитого физика. Дело в том, что Джоуль – единица достаточно мелкая, а 1 кВт*ч = 3600000 Дж.

Для измерения работы тока необходимы такие приспособления, как вольтметр, амперметр, часы. На практике же измерения проводятся сборным прибором – счетчиком по учету электроэнергии.

Мощность тока

Также немаловажным является такое понятие, как мощность электротока, которая находиться в прямой зависимости от выполненной работы.

Мощность электротока численно равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа совершалась. Электрическая мощность по своему определению аналогична механической, но обозначается буквой Р.

Из определения мощности следует формула:

Р = А/t, где:

• Р – мощность электротока;
• А – выполненная током работа;
• t – время, за которое осуществлялась работа электротока.

Если заменить в этой формуле числитель на U*I*t, получится такое равенство:

Единицей измерения электрической мощности является Ватт (Вт). 1 Вт равен мощности тока силой 1 А с напряжением 1 В. Ватт – довольно небольшая единица, поэтому на практике используют дополнительные:

• кВт (киловатт);
• МВт (мегаватт);
• ГВт (гигаватт).

Мощность электрического тока на опыте определяется с помощью амперметра и вольтметра или специального прибора – ваттметра.

Применение электричества - это революционное открытие, которое навсегда изменило и облегчило жизнь человека. Сегодня электричество является неотъемлемой частью жизни человека, он обеспечивает работу электроприборов, электрического освещения. Каждый день мы используем электрическую энергию для своих нужд.

Говоря об электричестве, подразумевают электрический ток. Рассмотрим это понятие подробнее. Понятие "ток" значит течение или движение.

Что такое электрический ток?

Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике в одном направлении. Такими частицами могут быть электроны, ионы и катионы. Направленность электрических частиц обуславливается наличием у частиц электрического поля, которое взаимодействует с внешним электрическим полем.

Для поддержания электрического поля в течение определенного времени в проводнике необходимы источники выработки электрического поля. Это, например, могут быть электрофорная машина и аккумулятор или любой источник питания. Принцип их работы заключается в том, что они разделяют частицы, после чего один полюс источника заряжает их положительно, а другой - отрицательно, в результате возникает электрическое поле. Если оба полюса источника соединить проводником, то движение частиц приобретает определенное направление, так получается электрический ток.

Проводник является местом, где происходит направленное движение частиц, а также средством передачи тока к ее потребителям: лампочка, приборам, плиткам и т.д. Проводниками могут служить металлы, в которых заряжаются электроны, плазма, частицами при этом являются ионы; электролиты. Если оборвать проводник, то ток не доходит до потребителя, и на основе этого механизма происходит включение и выключение тока. То есть устанавливаются выключатели или рубильники, которые разрывают или соединяют проводник.

Направление движения электрического тока

При решении сложных задач по электроники и радиотехнике принято условно, что движение электрического тока осуществляется от «плюса» к «минусу» Но мало кому известно что на самом деле движение происходит за счет электронов в межатомном пространстве кристалической решетки металла проводника электрического тока. А электрон движется от «минуса» к «плюсу», следовательно электрический ток движется от "минуса" к "плюсу"

Работа электрического тока

Также важным параметром тока является такое понятие как работа электрического тока . Двигаясь по проводнику, электрический ток совершает определенную работу. Для того что бы ее определить необходимо знать время движения тока, сопротивления проводника, и его сопротивление.

Найти ее можно используя закон Джоуля-Ленца по формуле: Q=I*I*R*t

• I - сила тока, измеряемая в Амперах;
• R - сопротивление проводника, Ом;
• t - время, с;
• Q-совершенная электрическим током работа или выделенная проводником теплота, Дж.

Полученная таким образом величина представляет собой значение работы электрического тока, если ее поделить на время то получится мощность.

Электрическая цепь

Cовокупность источников, проводников, потребителей и рубильников, которые обеспечивают движение электричества, называют электрической цепью.

Электрический ток измеряется следующими величинами:

1. сила тока - это показатель, который измеряет количество заряженных частиц, которые проходят через сечение проводника в определенный промежуток времени, измеряется в Амперах;
2. плотность тока - это величина равная отношению силы тока к площади сечения проводника, измеряется в А/мм2 ;
3. мощность тока - это своего рода работоспособность тока, какую работу может совершить данный ток в единицу времени, Вт;
4. частота переменного тока - количество колебаний в единицу временни.

Рассчитывается мощность прибора? А может быть, последнюю можно измерить? И как применить полученные знания при решении задач?

Такие вопросы возникают у многих восьмиклассников при изучении темы «Электричество». Ответить на них достаточно просто. Да и запоминать формулы долго не придется. Потому что они очень похожи друг на друга или используют уже изученные раньше.

Первая величина: работа тока

Сначала требуется договориться об обозначениях. Потому что в них могут быть различия.

Каждый создает электрическое поле, которое заставляет двигаться свободные электроны. То есть возникает ток. В этот момент говорят, что электрическое поле совершает работу. Именно ее принято называть работой тока.

Электрическое поле, создаваемое источником тока, характеризуется напряжением. Оно влияет на то, какая работа электрического тока совершается при перемещении единичного заряда. Поэтому вводится формула для напряжения:

Из нее легко вывести формулу работы:

Теперь стоит вспомнить равенство, которое вводится для силы тока. Она равна отношению перемещаемого заряда ко времени его движения:

Отсюда q = I * t. Заменив букву q в формуле для работы последним выражением, получаем такую формулу:

Это общий вид равенства, по которому может быть вычислена работа электрического тока. Формула несколько изменится, если применить закон Ома. По нему напряжение равно произведению силы тока на сопротивление. Тогда верным будет такое равенство:

А = I 2 * R * t.

Можно заменить не напряжение, а силу тока. Оно равно частному U и R. Тогда формула работы станет выглядеть так:

А = (U 2 * t)/R.

Вторая величина: мощность тока

Общая формула для нее такая же, как в механике. То есть определяется как работа, совершенная за единицу времени.

Отсюда видно, что работа и мощность электрического тока взаимосвязаны. Чтобы получить более конкретное равенство, потребуется заменить числитель, воспользовавшись общей формулой для работы. Тогда становится понятно, как определить мощность, зная силу тока и напряжение цепи.

К тому же мощность может быть измерена. Для этой цели существует специальный прибор, который называется ваттметром.

Закон Джоуля-Ленца

Явление нагрева проводника было обнаружено французским ученым А. Фуркуа. Произошло это еще в 1880 году. 41 год спустя оно было описано английским физиком Дж. П. Джоулем и через год подтверждено на опыте русским физиком Э.Х. Ленцем. Именно по фамилиям двух последних ученых стали называть обнаруженную закономерность.

В ней связаны две величины: количество теплоты и работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца утверждает, что вся работа в неподвижном проводнике идет на его нагревание. То есть проводник с током выделяет количество теплоты, равное произведению его сопротивления, времени и квадрата силы тока. Формула выглядит так же, как одна из тех, которые приведены для работы:

Q = I 2 * R * t.

Задача на определение работы

Условие . Сопротивление лампочки карманного фонарика равно 14 Ом. Напряжение, которое дает батарейка, составляет 3,5 В. Чему будет равна работа тока, если фонарик работал 2 минуты?

Решение. Поскольку известны напряжение, сопротивление и время, то необходимо воспользоваться такой формулой: А = (U 2 * t)/R. Только сначала потребуется перевести время в единицы СИ, то есть секунды. Таким образом, в формулу нужно подставлять не 2 минуты, а 120 секунд.

Простые расчеты приводят к такому значению работы тока: 105 Дж.

Ответ. Работа равна 105 Дж.

Задача на определение мощности

Условие . Необходимо определить, чему равны работа и мощность электрического тока в обмотке электродвигателя. Известно, что сила тока в нем имеет значение 90 А при напряжении 450 В. Включенным электродвигатель остается на протяжении одного часа.

После подстановки значений и выполнения простых арифметических действий получается такое значение для работы: 145800000 Дж. Записать его в ответе удобнее в более крупных единицах. Например, мегаджоулях. Для этого результат нужно разделить на миллион. Работа оказывается равной 145,8 МДж.

Теперь нужно вычислить мощность электродвигателя. Расчеты будут выполняться по формуле: Р = U * I. После умножения получится число: 40500 Вт. Для того чтобы записать его в киловаттах, потребуется разделить результат на тысячу.

Ответ. А = 145,8 МДж, Р = 40,5 кВт.

Задача на вычисление напряжения

Условие. Электроплитка включена в сеть в течение 20 минут. Каково напряжение в сети, если при силе тока в 4 А работа оказывается равной 480 кДж?

Решение. Поскольку известны работа и сила тока, нужно использовать такую формулу: А = U * I * t. Здесь напряжение — неизвестный множитель. Его необходимо вычислить, как частное произведения и известного множителя, то есть: U = А /(I * t).

До проведения расчетов нужно перевести величины в единицы СИ. А именно, работу в Джоули и время в секунды. Это будут 480000 Дж и 1200 с. Теперь осталось все сосчитать.

Ответ. Напряжение равно 100 В.

Как вычислить работу электрического тока? Мы уже знаем, что напряжение на концах участка цепи численно равно работе, которая совершается при прохождении по этому участку электрического заряда в 1 Кл. При прохождении по этому же участку электрического заряда, равного не 1 Кл, а, например, 5 Кл, совершённая работа будет в 5 раз больше. Таким образом, чтобы определить работу электрического тока на каком-либо участке цепи, надо напряжение на концах этого участка цепи умножить на электрический заряд (количество электричества), прошедший по нему :

где А - работа, U - напряжение, q - электрический заряд. Электрический заряд, прошедший по участку цепи, можно определить, измерив силу тока и время его прохождения:

Используя это соотношение, получим формулу работы электрического тока, которой удобно пользоваться при расчётах:

Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа .

Работу измеряют в джоулях, напряжение - в вольтах, силу тока - в амперах и время - в секундах, поэтому можно написать:

1 джоуль = 1 вольт х 1 ампер х 1 секунду,

1 Дж = 1 В А с.

Выходит, что для измерения работы электрического тока нужны три прибора: вольтметр, амперметр и часы. На практике работу электрического тока измеряют специальными приборами - счётчиками . В устройстве счётчика как бы сочетаются три названных выше прибора. Счётчики электроэнергии сейчас можно видеть почти в каждой квартире.

Пример . Какую работу совершает электродвигатель за 1 ч, если сила тока в цепи электродвигателя 5 А, напряжение на его клеммах 220 В? КПД двигателя 80% .

Запишем условие задачи и решим её.

Вопросы

1. Чему равно электрическое напряжение на участке цепи?
2. Как через напряжение и электрический заряд, прошедший через участок цепи, выразить работу электрического тока на этом участке?
3. Как выразить работу тока через напряжение, силу тока и время?
4. Какими приборами измеряют работу электрического тока?

Упражнение 34

1. Какую работу совершает электрический ток в электродвигателе за 30 мин, если сила тока в цепи 0,5 А, а напряжение на клеммах двигателя 12 В?
2. Напряжение на спирали лампочки от карманного фонаря равно 3,5 В, сопротивление спирали 14 Ом. Какую работу совершает ток в лампочке за 5 мин?
3. Два проводника, сопротивлением по 5 Ом каждый, соединены сначала последовательно, а потом параллельно и в обоих случаях включены под напряжение 4,5 В. В каком случае работа тока за одно и то же время будет больше и во сколько раз?

Работа электрического тока

К цепи, представленной на рисунке 1, приложено постоянное напряжение U .

U = φ А – φ Б

За время t по цепи протекло количество электричества Q . Силы электрического поля, действующего вдоль проводника, перенесли за это время заряд Q из точки А в точку Б . Работа электрических сил поля или, что то же, работа электрического тока может быть подсчитана по формуле:

A = Q × (φ А – φ Б ) = Q × U ,

Так как Q = I × t , то окончательно:

A = U × I × t ,

где A – работа в джоулях; I – ток в амперах; t – время в секундах; U – напряжение в вольтах.

По закону Ома U = I × r . Поэтому формулу работы можно написать и так:

A = I 2 × r × t .

Мощность электрического тока

Работа, произведенная в единицу времени, называется мощностью и обозначается буквой P .

Из этой формулы имеем:

A = P × t .

Единица измерения мощности:

1 (Дж/сек) иначе называется ваттом (Вт). Подставляя в формулу мощности выражение для работы электрического тока, имеем:

P = U × I (Вт).

Формула мощности электрического тока может быть выражена также через потребляемый ток и сопротивление потребителя:

Кроме ватта, на практике применяются более крупные единицы измерения электрической мощности. Электрическая мощность измеряется в:

100 Вт = 1 гектоватт (гВт);
1000 Вт = 1 киловатт (кВт);
1000000 Вт = 1 мегаватт (МВт).

Электрическая мощность измеряется специальным прибором – ваттметром. Ваттметр имеет две обмотки (катушки): последовательную и параллельную. Последовательная катушка является токовой и включается последовательно с нагрузкой на участке цепи, где производятся измерения, а параллельная катушка – это катушка напряжения, она соответственно включается параллельно этой нагрузке. Принцип действия ваттметра основан на взаимодействии двух магнитных потоков создаваемых током, протекающим по обмотке подвижной катушки (токовой катушки), и током, проходящим по неподвижной катушке (катушке напряжения). При прохождении измеряемого тока по обмотке подвижной и неподвижной катушек образуются два магнитных поля, при взаимодействии которых подвижная катушка стремится расположится так, чтобы направление ее магнитного поля совпадало с направлением магнитного поля неподвижной катушки. Вращающему моменту противодействует момент, созданный спиральными пружинками, через которые в подвижную катушку проводится измеряемый ток. Противодействующий момент пружинок прямо пропорционален углу поворота катушки. Стрелка, укрепленная на подвижной катушке, указывает значение измеряемой величины. Схема включения ваттметра показана на рисунке 2.

Если вы решили измерить потребляемую мощность, какой либо имеющейся у вас нагрузки, и при этом у вас отсутствует ваттметр, вы можете "изготовить" ваттметр своими руками. Из формулы P = I × U видно, что мощность, потребляемую в сети, можно определить, умножив ток на напряжение. Поэтому для определения мощности, потребляемой из сети, следует использовать два прибора, вольтметр и амперметр. Измерив амперметром потребляемый ток и вольтметром напряжение питающей сети, необходимо показание амперметра умножить на показание вольтметра.

Так, например, мощность, потребляемая сопротивлением r , при показании амперметра 3 А и вольтметра 220 В будет:

P = I × U = 3 × 220 = 660 Вт.

Для практических измерений электрической работы (энергии) джоуль является слишком мелкой единицей.

Если время t подставлять не в секундах, а в часах, то получим более крупные единицы электрической энергии:

1 Дж = 1 Вт × сек;
1 Вт × ч = 3600 ватт × секунд = 3600 Дж;
100 Вт × ч = 1 гектоватт × час (гВт × ч);
1000 Вт × ч = 1 киловатт × час (кВт × ч).

Электрическая энергия измеряется счетчиками электрической энергии.

Видео 1. Работа и мощность электрического тока

Видео 2. Еще немного о мощности

Пример 1. Определить мощность, потребляемую электрическим двигателем, если ток в цепи равен 8 А и двигатель включен в сеть напряжением 220 В.

P = I × U = 8 × 220 = 1760 Вт = 17,6 гВт = 1,76 кВт.

Пример 2. Какова мощность, потребляемая электрической плиткой, если плитка берет из сети ток в 5 А, а сопротивление спирали плитки равно 24 Ом?

P = I 2 × r = 25 × 24 = 600 Вт = 6 гВт = 0,6 кВт.

При переводе механической мощности в электрическую и обратно необходимо помнить, что
1 лошадиная сила (л. с.) = 736 Вт;
1 киловат (кВт) = 1,36 л. с.

Пример 3. Определить энергию, расходуемую электрической плиткой мощностью 600 Вт в течение 5 часов.

A = P × t = 600 × 5 = 3000 Вт × ч = 30 гВт × ч = 3 кВт × ч

Пример 4. Определить стоимость горения двенадцати электрических ламп в течение месяца (30 дней), если четыре из них по 60 Вт горят по 6 часов в сутки, а остальные восемь ламп по 25 Вт горят по 4 часа в сутки. Цена за энергию (тариф) 2,5 рубля за 1 кВт × ч.

Мощность четырех ламп по 60 Вт.

P = 60 × 4 = 240 Вт.

t = 6 × 30 = 180 часов.

A = P × t = 240 × 180 = 43200 Вт × ч = 43,2 кВт × ч.

Мощность остальных восьми ламп по 25 Вт.

P = 25 × 8 = 200 Вт.

Число часов горения этих ламп в месяц:

t = 4 × 30 = 120 часов.

Энергия, расходуемая этими лампами:

A = P × t = 200 × 120 = 24000 Вт × ч = 24 кВт × ч.

Общее количество расходуемой энергии:

43,2 + 24 = 67,2 кВт × ч

Стоимость всей потребленной энергии:

67,2 × 2,5 = 168 рублей.