Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца

Научиться вычислять работу и мощность тока, а также понимать физический смысл закона Джоуля — Ленца.

Эти знания лежат в основе расчёта электроэнергии в быту, проектирования нагревательных приборов, понимания работы электродвигателей и безопасности при обращении с электричеством.

• Работа тока — это мера превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую, механическую, световую).
• Работа тока зависит от силы тока, напряжения и времени протекания тока.
• Мощность тока показывает, как быстро совершается работа, и равна произведению напряжения на силу тока.
• Закон Джоуля — Ленца устанавливает прямую зависимость количества теплоты от квадрата силы тока, сопротивления и времени.
• Нагревание проводника — неизбежный процесс при прохождении тока, что используется в нагревательных приборах, но может быть причиной пожаров.
• Для расчёта электроэнергии в быту используют единицу киловатт-час.

Работа электрического тока

Физическая величина, равная произведению напряжения, силы тока и времени прохождения тока: A = U·I·t. Измеряется в джоулях (Дж).

Мощность электрического тока

Физическая величина, показывающая, какая работа совершается током за единицу времени: P = U·I. Измеряется в ваттах (Вт).

Закон Джоуля — Ленца

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени: Q = I²·R·t.

Киловатт-час

Единица измерения энергии, используемая в быту: 1 кВт·ч = 3,6·10⁶ Дж.

• Работа тока вычисляется по формуле A = U·I·t, где U — напряжение (В), I — сила тока (А), t — время (с).
• Мощность тока: P = U·I, единица измерения — ватт (Вт).
• Закон Джоуля — Ленца: Q = I²·R·t, где Q — количество теплоты (Дж), R — сопротивление (Ом).
• Если работа тока полностью превращается в теплоту, то Q = A = U·I·t.
• В быту электроэнергию измеряют в киловатт-часах (кВт·ч), а не в джоулях, потому что джоуль — слишком маленькая единица.
• Мощность бытовых приборов указывается в ваттах (например, лампа — 60 Вт, утюг — 2000 Вт).

1. Пример 1случай
   • Электрический чайник мощностью 2000 Вт за 5 минут работы совершает работу A = P·t = 2000 Вт · 300 с = 600 000 Дж, что эквивалентно подъёму груза массой 60 кг на высоту 1 км
2. Пример 2случай
   • Лампа накаливания мощностью 100 Вт за час потребляет 100 Вт·ч = 0,1 кВт·ч электроэнергии, за что мы платим по счётчику
3. Пример 3случай

   Когда по проводу идёт ток, он нагревается

   Пояснение

   • если провод тонкий, он может раскалиться и зажечь бумагу — это демонстрация закона Джоуля — Ленца
4. Пример 4случай
   • В электронагревателе спираль из нихрома имеет большое сопротивление, поэтому при прохождении тока выделяется много теплоты, а подводящие провода делают толстыми, чтобы они не грелись

• Вольфрамовая нить лампы накаливания нагревается до 3000 °C, поэтому светится ярким светом — это прямое следствие закона Джоуля — Ленца.
• Если бы не было нагревания проводников, электрические чайники и обогреватели не работали бы, но именно из-за этого происходят короткие замыкания и пожары.
• Впервые закон Джоуля — Ленца был открыт независимо двумя учёными: Джеймсом Джоулем в Англии и Эмилием Ленцем в России в 1840-х годах.

• Нельзя допускать короткого замыкания: резкое увеличение силы тока приводит к выделению большого количества теплоты и пожару.
• Нагревательные приборы нельзя оставлять без присмотра и накрывать тканью — это нарушает теплоотвод и может вызвать возгорание.
• При работе с электрическими цепями нужно использовать провода с достаточным сечением, чтобы избежать перегрева.

• Электрическое сопротивление
• Закон Ома для участка цепи
• Последовательное и параллельное соединение проводников
• Электрическая энергия и её преобразования