Формула нахождения работы тока

Формула нахождения работы тока

Сегодня электрический ток имеет большую область применения. Связано это с тем, что он переносит с собой энергию, которую можно превратить в любую форму.

Что такое работа тока

При хаотичном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле будет совершать работу, которую решили назвать работой тока. Определение работы тока следующее: это работа электрического поля по переносу зарядов внутри проводника.

Важно! Помимо электрических сил, на проводник действуют еще и магнитные, которые также могут совершать работу. Однако в обычных условиях она будет очень мала.

Мощность

Абсолютно каждый электрический прибор рассчитан на поглощение энергии за единицу времени. Поэтому на практике большее значение имеет такое понятие, как мощность. Мощность — это скалярная физическая величина, в общем виде равная скорости изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы.

Единицы измерения

Любая физическая величина, которая может быть превращена в энергию, будет измеряться в Джоулях (Дж). 1 Джоуль равен работе при перемещении точки, к которой приложена сила, равная 1 Ньютону, умноженному на Путь в 1 метр. Получается, что 1 Дж = 1 Н · 1 м.

Единица измерения мощности — это Ватт (Вт). Он равен работе 1 Дж, совершенной за единицу времени в 1 с. Таким образом, 1 Вт = 1 Дж : 1 с

Формула вычисления

В 1841 году английский ученый Джеймс Джоуль сформулировал закон для нахождения количественной меры теплового воздействия электрического тока. В 1842 году этот же закон был также открыт русским физиком Эмилием Ленцем. Из-за этого он получил двойное название закона Джоуля-Ленца. В общем виде закон записывается следующим образом: Q = I² • R • t.

Он имеет достаточно обобщенный характер, так как не имеет зависимости от природных сил, генерирующих ток. Сегодня этот закон активно применяется в быту. Например, для определения степени нагрева вольфрамовой нити, используемой в лампочках.

Закон Джоуля-Ленца определяет количество теплоты, выделяемое током. Но, тем не менее, это поможет узнать, по каким формулам вычисляется работа электрического поля. Всё потому, что она впоследствии проявляется в виде нагревания проводника. Это говорит о том, что работа тока равна теплоте нагревания проводника (A=Q). Работа эл тока, формула: А= I² • R • t. Это не единственная формула для нахождения работы. Если использовать закон Ома для участка цепи (I=U:R), то можно вывести еще две формулы: А=I•U•t или A=U²:R.

Общая формула для того, чтобы вычислять мощность, заключается в ее прямой пропорциональности работе и обратной зависимости от времени (P=A:t). Если говорить о мощности в электрическом поле, то исходя из предыдущих формул, можно составить целых три: Р= I² • R; Р=I•U; Р=U²:R.

Приборы для измерения тока

Электроизмерительные приборы — это особый вид устройств, которые используются для измерения многих электрических величин. К ним относятся:

  • Амперметр переменного тока;
  • Вольтметр переменного тока;
  • Омметр;
  • Мультиметр;
  • Частометр;
  • Электрические счетчики.

Амперметр

Чтобы определить силу тока в электрической цепи, необходимо применить амперметр. Данный прибор включается в цепь последовательным образом и из-за пренебрежимо малого внутреннего сопротивления не оказывает влияния на ее состояние. Шкала амперметра проградуирована в амперах.

В классическом приборе через электромагнитную катушку проходит измеряемый ток, который образует магнитное поле, заставляющее отклоняться магнитную стрелку. Угол отклонения прямо пропорционален измеряемому току.

Электродинамический амперметр имеет более сложный принцип работы. В нем находятся две катушки: одна подвижная, другая стоит на месте. Между собой они могут быть соединены последовательно или параллельно. При прохождении тока через катушки их магнитные поля начинают взаимодействовать, что в результате заставляет подвижную катушку с закрепленной на ней стрелкой отклониться на некоторый угол, пропорциональный величине измеряемого тока.

Вольтметр

Для определения величины напряжения (разности потенциалов) на участке цепи используют вольтметр. Подключаться прибор должен параллельно цепи и обладать высоким внутренним сопротивлением. Тогда лишь сотые доли силы тока попадут в прибор.

Принцип работы заключается в том, что внутри вольтметра установлена катушка и последовательно подключенный резистор с сопротивлением не менее 1кОм, на котором проградуирована шкала вольтов. Самое интересное, что на самом деле резистор регистрирует силу тока. Однако деления подобраны таким образом, что показания соответствуют значению напряжения.

Омметр

Данный прибор используют для определения электрически активного сопротивления. Принцип действия состоит в изменении измеряемого сопротивления в напрямую зависящее от него напряжение благодаря операционному усилителю. Нужный объект должен быть подключен к цепи обратной связи или к усилителю.

Читайте также:  Установка пластиковых окон без подоконника

Если омметр электронный, то он будет работать по принципу измерения силы тока, протекающего через необходимое сопротивление при постоянной разности потенциалов. Все элементы соединяют последовательно. В этом случае сила тока будет иметь следующую зависимость: I = U/(r0 + rx), где U — ЭДС источника, r0 — сопротивление амперметра, rx — искомое сопротивление. Согласно этой зависимости и определяют сопротивление.

Мультиметр

Приведенные в пример приборы сегодня используют лишь в школах на уроках физики. Для профессиональных задач были придуманы мультиметры. Самое обычное устройство включает в себя одновременно функции амперметра, вольтметра и омметра. Прибор бывает как легко переносимым, так и огромным стационарным с большим количеством возможностей. Название «мультиметр» в первый раз было применено именно к цифровому измерителю. Аналоговые приборы чаще называют «авометр», «тестер» или просто «Цешка».

Работа тока — сложная, но очень важная тема в электродинамике. Не зная ее, не получится решить даже простейших задач. Даже электрики используют формулы по нахождению работы для проведения необходимых подсчетов.

Работа тока— это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника;

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.

Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:

По закону сохранения энергии:

работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА

При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.


МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

— отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.

Закон Ома для неоднородного участка цепи .
— знаки "+" или "-" выбираются в зависимости от того, в одну или в противоположные стороны направлены токи создаваемые источником ЭДС и электрическим полем.

Источники ЭДС— это такие элементы электрической цепи, у которых разность потенциалов на выходе не зависит от величины и направления протекания тока, т.е. их вольтамперные характеристики (ВАХ) представляют собой прямые линии параллельные оси I (см. таблицу 2).

Направление стрелки в условном обозначении источника ЭДС указывает направление действия ЭДС, поэтому направление падения напряжения на выходных зажимах источника всегда противоположно.

Так как на ВАХ электрическое сопротивление соответствует котангенсу угла наклона характеристики, то сопротивление источника ЭДС равно нулю, а проводимость, соответственно, бесконечности.

Правила Кирхгофа. Расчет разветвленных электрических цепей

Электрическая цепь представляет собой совокупность источников тока, проводников и потребителей электроэнергии. Электрическая цепь чаще всего является разветвленной (сложной) и содержит узлы (рис. 1). Расчет разветвленной электрической цепи заключается в том, чтобы по заданным сопротивлениям участков цепи и ЭДС найти силы токов и напряжения на каждом участке цепи.

Для расчета разветвленных цепей постоянного тока применяют правила Кирхгофа.

Согласно первому правилу Кирхгофа:

алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю:

где n — число проводников, образующих узел.

При этом токи считаются положительными, если они входят в узел, и отрицательными, если выходят из узла. Для узла, изображенного на рисунке 1, I1I2I3 = 0.

Согласно второму правилу Кирхгофа:

в любом простом замкнутом контуре, произвольно выбираемом в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков равна алгебраической сумме ЭДС, имеющихся в контуре:

где m — число источников в контуре, n — число сопротивлений в нем.

Если направления токов совпадают с выбранным направлением обхода контура, то силы токов Ik считаются положительными. ЭДС εi считаются положительными, если они создают токи, сонаправленные с направлением обхода контура.

Правила Кирхгофа не выражают никаких новых свойств стационарного электрического поля в проводниках с током по сравнению с законом Ома. Первое из них является следствием закона сохранения электрических зарядов, второе — следствием закона Ома для неоднородного участка цепи. Однако их использование значительно упрощает расчет токов в разветвленных цепях.

Читайте также:  Комбинированный кабель для видеонаблюдения с питанием

Расчет разветвленной электрической цепи постоянного тока выполняется в следующем порядке:

1. произвольно выбирают направление токов во всех участках цепи:

2. записывают n — 1 независимых уравнений, согласно первому правилу Кирхгофа, где n — количество узлов в цепи;

3. выбирают произвольно замкнутые контуры так, чтобы каждый новый контур содержал хотя бы один участок цепи, не входящий в ранее выбранные контуры. Записывают для них второе правило Кирхгофа.

В разветвленной цепи, содержащей n узлов и m участков цепи между соседними узлами, число независимых уравнений, соответствующих правилу контуров, составляет mn+ 1.

На основе правил Кирхгофа составляют систему уравнений, решение которой позволяет найти силы токов в ветвях цепи.

Работой выхода электрона из металла называется минимальная энергия, которую надо сообщить электрону в металле, чтобы он преодолел поле двойного электрического слоя и вылетел за пределы металла:
,

где е – значение заряда электрона.

Разность потенциалов принято называть поверхностным скачком потенциала, или контактной разностью потенциалов между металлом и окружающей средой.

Электронная эмиссия —явление испускания электронов из металлов при сообщении электронам энергии, равной или большей работы выхода.

1. Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов нагретыми металлами. Пример использования – электронные лампы.

2. Фотоэлектронная эмиссия — эмиссия электронов из металла под действием электромагнитного излучения. Пример использования — фотодатчики.

3. Вторичная электронная эмиссия — испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Отношение числа вторичных электронов n2 к числу первичных n1 , вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии: ? = n2 n1 . Пример использования — фотоэлектронные умножители.

4. Автоэлектронная эмиссия — эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля.

Показания приборов учета электрической энергии используются жильцами частных и многоквартирных домов для оплаты потребленного электричества. Киловатт-часы, использованные электроприборами и светильниками, – одна из форм, в которых может измеряться работа тока. Персонал, работающий с электричеством, должен иметь представление об этой величине и о связи между мощностью и работой электрического тока.

Определение работы электротока

Работа как таковая представляет собой величину, описывающую переход энергии в другую форму. К примеру, когда некоторый предмет движется, он обладает кинетической энергией. После того, как движение прекращается, а предмет поднимается на определенную высоту, можно говорить о переходе энергии в потенциальную форму.

Когда электрические заряды перемещаются в цепи по проводниковому материалу, их движение инициируется электрополем, поэтому можно говорить о том, что рабочая нагрузка лежит на последнем. Таким образом, работа электрического тока – величина, характеризующая трансформацию электроэнергии в иные разновидности, например, механическую энергию или тепло. В формульных представлениях величина обозначается заглавной латинской литерой А.

Важно! Работа эл тока по модулю равна произведению периода времени, в течение которого она совершалась, на значение токовой силы и на напряжение на концах фрагмента электроцепи. Когда любой из компонентов произведения растет или понижается, в этом же направлении изменится и рабочий показатель. Сама величина показывает, какое количество электрической энергии претерпело трансформацию в другие ее виды за определенный промежуток времени.

Вывод формулы для нахождения работы электрического тока

Известно, что напряжение представляет собой работу поля по переносу определенного электрозаряда. Это можно выразить формулой:

где:

  • U – напряжение на концах участка электроцепи,
  • А – работа тока,
  • q – электрический заряд.

Отсюда получается, что преобразование электротока можно выразить произведением:

Поскольку токовая сила выражается через отношение размера заряда к временному периоду, за который заряд проходит по проводниковому фрагменту, то величину заряда можно описать произведением тока и времени его прохождения:

Если подставить это произведение в выражение выше, можно получить формулу работы тока:

Здесь А – это численный показатель.

Важно! Помимо этого, рассматриваемая величина может быть рассчитана и в том случае, если пользователь не имеет вольтметра и располагает только данными о сопротивлении в цепочке и значении силы электрического тока. Тогда формульное выражение будет иметь следующий вид: А = I2 *R*t. В случае, когда, наоборот, известен показатель напряжения, но отсутствует значение тока, выражение принимает иную форму: A = U2*t/R.

Единицы измерения

Основной единицей, которой принято выражать осуществляемую электротоком трансформацию, является джоуль. Данное наименование единица получила по фамилии английского физика, обосновавшего опытным путем закон сохранения энергии. В сокращенном виде джоуль пишется как «Дж». Выразить величину через другие единицы измерения можно, используя основную формулу: 1 Дж = 1 А*1В*1 с (ампер, вольт и секунда, соответственно).

Читайте также:  Теплый пол под унитазом

Важно! Приборы учета затраченной электроэнергии используют иную единицу измерения – киловатт-час (указывается как кВт*ч). Связано это с тем, что джоуль является весьма некрупной единицей, а один киловатт-час равен 3600000 джоулей. Поскольку функционирование осветительных приборов и бытовой техники в жилой квартире или доме продолжается сотни часов ежемесячно, и в процессе этого реализуется значительная работа тока, киловатт-час является куда более адекватной данным условиям измерительной единицей.

Производные единицы мощности и работы

Базовой мощностной измерительной единицей в международной системе СИ является ватт (Вт). Один ватт – это такая мощность, когда в течение одной секунды ток выполняет работу, равную одному джоулю. Посредством иных измерительных единиц ватт может быть выражен так:

  • 1 Вт = 1 м2 *1кг/1с3 (квадратный метр, килограмм и кубическая секунда, соответственно);
  • 1 Вт = 1 Н *1м/с (ньютон и метр в секунду);
  • 1 Вт = 1 Дж/1 с (джоуль и секунда) – прямо следует из приведенного определения единицы.

Также ватту эквивалентна российская внесистемная единица – вольт-ампер (В*А).

Кратными производными мощностными величинами являются:

  • гектоватт – он равен одной сотне ватт;
  • киловатт – равен тысяче ватт.

Такие крупные единицы используют при конструировании железнодорожных электропоездов и производстве электрической энергии. Есть и мелкие дольные единицы, например, микроватт (1 мкВт = 10-6 Вт), они применяются при изготовлении электрокардиографов и электроэнцефалографов. Еще более мелкие единицы – пиковатты и нановатты, их применяют в радиоэлектронной промышленности. Один нановатт (нВт) равен 10-9 Вт, а один пиковатт (пВт) – 10-12 Вт.

Еще одной внесистемной величиной является лошадиная сила (л.с.), равная 735,5 ватт. В российской промышленности она официально вышла из употребления, но фактически все еще имеет хождение в тех сферах, где применяются двигатели внутреннего сгорания.

Соотношение между джоулем и киловатт-часом может быть выражено через промежуточные единицы:

  • джоуль эквивалентен одной ватт-секунде;
  • 60 ватт-секунд составляют 1 ватт-минуту, которая, в свою очередь, равна 60 джоулям;
  • 60 ватт-минут равны 3600 джоулям или 1 ватт-часу;
  • сотня ватт-часов равна одному гектоватт-часу (360000 джоулей);
  • тысяча ватт-часов составляет один киловатт-час (3600000 джоулей).

Приборы для измерения силы тока и электрического напряжения

Чтобы рассчитать работу, выполненную электротоком за тот или иной временной интервал, пользователь должен располагать приборами, предназначенными для замеров величин, произведение которых составляет искомую. Токовую силу принято замерять амперметром, напряжение на концах участка цепи – вольтметром. Оба обозначенных прибора выпускаются в разных вариантах исполнения: как в виде простых моделей для применения на школьных уроках физики, так и высокоточных образцов с цифровым дисплеем. На электросхеме по стандартам амперметр обозначается буквой А (символизирующей ампер – единицу измерения), взятой в кружок, а вольтметр – обведенной аналогичным образом латинской литерой V (вольт). Вместо кружка возможно использование изображения прибора с соответствующей буквой либо простых латинских литер, обозначающих соответствующие величины (U и I).

Чтобы узнать, какую работу производит электрический ток за определенный промежуток времени, пользователь должен иметь два прибора, а также секундомер или его аналог (данная опция есть в большинстве мобильных телефонов, даже во многих кнопочных моделях). Измерительные приборы подсоединяются в цепь, засекается нужное время, и затем фиксируются показания амперметра и вольтметра. После этого остается перемножить три величины между собой. Вместо двух отдельных приборов можно воспользоваться цифровым мультиметром. В этом случае измерения придется проводить последовательно, каждый раз перенастраивая прибор на замер той или иной величины и записывая получающийся показатель. Измерив одну из величин, прибор нужно обязательно отсоединить от цепи, затем перевести в другой режим и подсоединить снова.

Работа электрического тока – важная величина для оценки затрат электроэнергии для личного или корпоративного использования. Именно она фиксируется в показаниях счетчиков электричества, устанавливаемых в щиток или на дин-рейку. Трансформацию электротока из одной формы в другую, произошедшую в цепи за заданный временной интервал, можно оценить, проведя измерения силы тока и напряжения и перемножив три компонента произведения.

Видео

Ссылка на основную публикацию
Флоксы уход осенью после цветения
Многолетние флоксы — любимые цветы многих огородников, они радуют глаз в течение долгого времени, издают приятный аромат. Но приходит осень,...
Фен строительный с регулировкой температуры и скорости
Применение строительного (технического) фена в строительстве и на производстве не оставляет сомнений в том, что без этого полезного инструмента многие...
Фермы из квадратных труб серия
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР ФЕРМЫ СТАЛЬНЫЕ СТРОПИЛЬНЫЕ ИЗ ГНУТОСВАРНЫХ ПРОФИЛЕЙ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОМИТЕТ СССР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР...
Флорариум своими руками из дисков
Вот бывало у вас так, что растишь растение, обхаживаешь, дышать на него боишься, а он все же не радует цветением...
Adblock detector