Розділ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ
На колбі або цоколі електричної лампи, корпусі багатьох побутових електроприладів, в інструкціях до них ви побачите написи: «220 В; 60 Вт», «потужність електричної праски 1,2 кВт» тощо. Як ви пам’ятаєте з механіки, у ватах вимірюють потужність, отже, мова йде про потужність електричного струму.
Потужність електричного струму — фізична величина, що характеризує здатність електричного струму виконувати певну роботу за одиницю часу.
Потужність електричного струму позначають великою латинською літерою Р. Якщо робота електричного струму А виконана протягом часу t, то потужність електричного струму Р визначатиметься за формулою:
Скориставшись співвідношенням А = UIt, надамо формулі для потужності електричного струму такого виду:
Потужність електричного струму визначається добутком напруги на кінцях ділянки кола і сили струму в цій ділянці.
Одиницею потужності електричного струму є один ват (1 Вт). З формули для потужності випливає, що 1 Вт = 1 В ∙ 1 А = 1 В ∙ А.
Використовують також кратні одиниці потужності: гектоват (гВт), кіловат (кВт), мегават (МВт), гігават (ГВт).
1 гВт = 100 Вт; 1 МВт = 1 000 000 Вт;
1 кВт = 1000 Вт; 1 ГВт = 1 000 000 000 Вт.
Щоб виміряти потужність електричного струму в колі, потрібні вольтметр і амперметр. Використовують також спеціальний прилад – ватметр, яким можна безпосередньо виміряти потужність електричного струму в колі. На малюнку 191 наведено шкалу такого приладу.
У таблиці 12 подано значення потужності деяких електроприладів – споживачів електричного струму.
Потужність деяких електричних приладів
Лампа кишенькового ліхтарика
Розділ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ
Робота електричного струму. Під час вивчення механічних і теплових явищ, а також на початку вивчення електричних явищ ми неодноразово користувалися терміном робота. І, як ми знаємо, робота у фізиці — це не характеристика самого тіла, а властивість сил діяти, унаслідок чого самим тілом або над тілом може виконуватись робота. У цьому параграфі дослідимо роботу електричного струму.
Ви вже знаєте, що електрична напруга на кінцях провідника дорівнює роботі, яка здійснюється електричним полем під час переміщення електричного заряду в 1 Кл по цьому провіднику, тобто U = .
Відповідно робота електричного поля А може бути визначена як добуток перенесеного через поперечний переріз провідника електричного заряду q та напруги U на кінцях провідника:
Скориставшись співвідношенням між силою струму І, електричним зарядом, який пройшов через поперечний переріз провідника q та часом його проходження t (нагадаємо, q = It), можна записати такий вираз для обчислення роботи електричного поля:
Таким чином, ми бачимо, що правильніше було б говорити «робота сил електричного поля з переміщення електричного заряду в провіднику» (пригадайте, ми говоримо «робота сили тяжіння з переміщення тіла»). Оскільки переміщення електричних зарядів у провіднику під дією електричного поля називають електричним струмом, то прийнято скорочено говорити «робота електричного струму», «робота струму». Як і у випадку механічної роботи, роботу струму можна оцінити за перетвореннями енергії (пригадайте, механічна робота визначається через зміну кінетичної або потенціальної енергії тіла). Таким чином, загальне визначення роботи електричного струму таке:
Робота електричного струму — це фізична величина, що характеризує перетворення електричної енергії і показує, яку роботу виконує електричне поле, переміщуючи електричні заряди по провіднику.
Кількісно робота струму на ділянці електричного кола визначається добутком сили струму, напруги на цій ділянці та часу, впродовж якого виконувалася ця робота
Одиницею роботи струму є джоуль (Дж): 1 Дж = 1 В ∙ 1 А ∙ 1 с.
Скориставшись законом Ома для ділянки кола I = , замінимо силу струму у виразі для обчислення роботи, тоді вираз для обчислення роботи матиме вигляд:
Якщо ж із закону Ома виразимо напругу через силу струму (U = IR), одержимо ще один вираз для обчислення роботи:
Зауважимо, що формула A = IUt є універсальною, у той час як A = t та A = I 2 Rt є справедливими тільки в тих випадках, коли робота струму витрачається лише на зміну внутрішньої енергії провідника, тобто його нагрівання. Крім того, формулу A = t зручно використовувати у випадку паралельного з’єднання провідників, оскільки напруга на провідниках є однаковою, а формулу A = I 2 Rt — у випадку послідовного з’єднання провідників, оскільки в цьому разі однаковою є сила струму.
Потужність електричного струму. Важливою характеристикою кожного електричного приладу є енергія, яка споживається ним за одиницю часу. Цю характеристику називають потужністю струму.
Потужність електричного струму — це фізична величина, що дорівнює роботі електричного поля по напрямленому переміщенню електричних зарядів у провіднику за одиницю часу.
Щоб кількісно визначити середню потужність електричного струму, необхідно роботу електричного струму А поділити на час її виконання t:
Одиницею потужності є ват, (Вт): 1 Вт = 1 .
З формули A = Pt і виходячи з того, що під час споживання електроенергії електричний струм виконує роботу впродовж значного часу, який може становити декілька годин і навіть діб, вимірювання роботи електричного струму в джоулях є доволі незручним. На практиці для вимірювання роботи струму широко використовується позасистемна одиниця — кіловат-година (кВт ∙ год):
1 кВт ∙ год = 3,6 ∙ 10 6 Дж.
Саме тому, визначати роботу електричного струму можна не лише за формулами, а й вимірювальним приладом, призначеним для обліку спожитої електричної енергії, — електричним лічильником.
Оскільки робота електричного струму A = IUt, то отримуємо й таку формулу:
Як бачимо, потужність електричного струму дорівнює добутку напруги на кінцях провідника та сили струму в ньому:
Це універсальна формула для обчислення потужності електричного струму.
З урахуванням формул, одержаних нами для обчислення роботи електричного струму, потужність струму можна також обчислити за однією з двох формул:
Ці залежності є справедливими тільки в тому разі, коли робота струму повністю витрачається на нагрівання провідника.
Потужність електричного струму можна визначити, помноживши показання амперметра, що ввімкнений у коло, на показання вольтметра. Проте для цього використовують також прилади, які дають змогу вимірювати потужність електричного струму безпосередньо. Їх називають ватметри.
Фактична й номінальна потужність. Будь-який електричний прилад (лампа, електричний чайник, електричний двигун) розрахований на споживання певної потужності. Хочемо звернути вашу увагу на те, що, вимірюючи потужність струму в споживачі, ми визначаємо його фактичну потужність. Потужність, що вказана в паспорті електричного приладу або безпосередньо на приладі, називають номінальною потужністю. Крім номінальної потужності на приладах можуть вказувати номінальні значення напруги, на яку розрахований цей прилад. Проте напруга в мережі може відрізнятися від номінального значення, тоді відповідно зміниться й сила струму та фактична потужність електричного приладу. Отже, значення фактичної та номінальної потужностей споживача можуть відрізнятися.
Якщо коло складається з кількох споживачів, то, розраховуючи їхню фактичну потужність, слід пам’ятати, що за будь-якого з’єднання споживачів загальна потужність струму в усьому колі дорівнюватиме сумі потужностей окремих споживачів.
– Робота електричного струму — це фізична величина, що характеризує перетворення електричної енергії та показує, яку роботу виконує електричне поле, переміщаючи електричні заряди по провіднику.
– Кількісно робота струму на ділянці електричного кола визначається добутком сили струму, напруги на цій ділянці та часу, впродовж якого виконувалася ця робота A = IUt.
– Одиницею роботи струму є джоуль (1 Дж). Широко використовується й позасистемна одиниця роботи струму — кіловат-година (кВт ∙ год): 1 кВт ∙ год = 3,6 ∙ 10 6 Дж.
– Потужність електричного струму — це фізична величина, що дорівнює роботі електричного поля по напрямленому переміщенню електричних зарядів у провіднику за одиницю часу:
– Одиницею потужності є ват (Вт): 1 Вт = 1 .
Я знаю, вмію й розумію
1. Що називають роботою електричного струму?
2. За якою формулою обчислюється робота електричного струму?
3. Що називають потужністю струму?
4. Як можна обчислити потужність?
5. Запишіть формули для обчислення потужності та вкажіть, коли якою формулою зручніше користуватися.
6. У яких одиницях вимірюють потужність електричного струму?
ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ
Задача. До джерела напругою 200 В підключено ділянку кола, що складається з чотирьох резисторів (мал. 185). Визначте загальну потужність струму в усій ділянці кола та потужність струму на резисторах R2 і R4. Опори резисторів дорівнюють: R4 = 20 Ом, R2 = R3 =25 Ом,
Резистори R2 і R3 з’єднані послідовно. Опір цієї ділянки R2,3 = R2 + R3.
Ці резистори з’єднані паралельно з резистором R4. Опір такої ділянки:
Загальний опір ділянки
Потужність струму на всій ділянці кола:
Визначаємо загальну силу струму на ділянці із формули: P = I 2 R ,
Сила струму І1, що проходить через резистор R1, також дорівнює 4 А. У розгалуженій частині ділянки кола сили струму обернено пропорційні
Розв’язуючи систему рівнянь
Потужність струму в резисторах R2 і R4 відповідно:
Відповідь: Р = 800 Вт, Р2 = 144 Вт, Р4 = 192 Вт.
1. До джерела постійної напруги 9 В підключили три однакові резистори по 1 Ом (мал. 186). Визначте потужність електричного струму в кожному із трьох запропонованих варіантів.
2. Як буде змінюватися споживана лампою потужність (мал. 187), якщо повзунок реостата перемістити вгору? Униз?
3. Визначте роботу, яку щосекунди виконує двигун електродриля, якщо за напруги 220 В сила струму в ньому становить 4 А.
Резистори опором 600 Ом і 800 Ом приєднали паралельно до джерела струму. Порівняйте потужності на кожному резисторі.
3. У мережу напругою 220 В включено нагрівальний прилад. Визначте питомий опір матеріалу, з якого виготовлена спіраль нагрівального приладу, якщо він споживає потужність 2200 Вт. Довжина спіралі 11 м, поперечний переріз — 0,21 мм 2 .
Мал. 186. До задачі 1
6. Визначте роботу, яку виконує двигун електричного міксера за 1,5 хв, якщо за напруги 220 В сила струму в обмотці двигуна становить 0,5 А. ККД двигуна — 75 %.
7. Як зміниться потужність, споживана лампами 7 і 2, якщо лампа 3 згорить (мал. 188)?
8. У колі (мал. 189) усі лампи однакові. Яка з них світиться найяскравіше?