Навигация
Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца
49110
знаков
0
таблиц
19
изображений
1.9 Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.
Работу сил электрического поля, создающего упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике, т.е. электрический ток, называют работой тока.
Работа, совершаемая электрическим полем по перемещению заряда q на участке цепи, равна:
и3
A=q•U=I•U•t=I2*R•t= U2/R*t
где I — сила тока на данном участке, U — напряжение на участке цепи, t — время прохождения тока по участку цепи, q == It — электрический заряд (количество электричества), протекающий через поперечное сечение проводника за промежуток времени t. Единицей измерения работы служит джоуль: 1 Дж = 1 А* 1 В* 1 с. 1 Дж есть работа постоянного тока силой в 1 А в течение 1 с на участке напряжением в 1 В.
По закону сохранения энергии эта работа равна изменению энергии проводника.
Мощность электрического тока при прохождении его по проводнику с сопротивлением R равна работе, совершаемой током за единицу времени:
P=A/t=I*U=U2*R
Единицей измерения мощности электрического тока в СИ служит ватт: 1 Вт = 1 Дж/с. Работу тока можно также определить следующим образом:
A=P*t
Единицей измерения работы также является киловатт-час (кВт • ч) или ватт-час (Вт • ч):
1Вт*ч=3.6*102 Дж
В этих единицах работу обычно выражают в электротехнике. Полную мощность, развиваемую источником тока с ЭДС и внутренним сопротивлением г, когда во внешней цепи включена нагрузка с сопротивлением R, определяют по формуле:
P=I(R+r) =IR+Ir=I*I*(R+r) =Ie
Полная мощность идет на выделение тепла во внешнем и внутреннем сопротивлении.
Полезная мощность (мощность, выделяемая во внешнем сопротивлении) равна:
Pполез=I2R=e2R/(R+r)2
Она используется в электронагревательных и осветительных приборах.
Теряемая мощность (мощность, выделяемая во внутреннем сопротивлении) равна:
Pтер=I2r=e2r/(R+r)2
Она не используется.
Мощность тока во всей внешней цепи при любом соединении равна сумме мощностей на отдельных участках цепи.
Работа электрического поля приводит к нагреванию проводника, если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения веществ. Поэтому энергия (количество теплоты), выделяемая на данном участке цепи за время t, равна работе электрического тока:
Q=A
Количество теплоты, выделяющееся проводником при нагревании его током, определяют по закону Джоуля-Ленца:
Q = I2 Rt или
Q=I *U * t
Этот закон был установлен экспериментально английским ученым Джеймсом Джоулем (1818-1889) и русским ученым Эмилием Христиановичем Ленцем (1804—1865) и сформулирован следующим образом.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
При последовательном соединении проводников с сопротивлением R1 и R2 количество теплоты, выделенное током в каждом проводнике, прямо пропорционально сопротивлению этих проводников:
Q1/Q2 =R1/R2, т.к. I1 = I2 при последовательном соединении
Количество теплоты, выделенное током в параллельно соединенных двух участках цепи без ЭДС с сопротивлениями 2^ и И^, обратно пропорционально сопротивлению этих участков:
Q1/Q2 =R1/R2, т.к. U1 = U2 при параллельном соединении
1.10. Электрический ток в металлах.
Прохождение тока через металлы (проводники I рода) не сопровождается химическим изменением, следовательно, атомы металла не перемещаются вместе с током. Согласно представлениям электронной теории, положительно заряженные ионы (или атомы) составляют остов металла, образуя его кристаллическую решетку. Электроны, отделившиеся от атомов и блуждающие по металлу, являются носителями свободного заряда. Они участвуют в хаотическом тепловом движении. Эти свободные электроны под действием электрического поля начинают перемещаться упорядоченно с некоторой средней скоростью. Таким образом, проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов. Экспериментальным доказательством этих представлений явились опыты, выполненные впервые в 1912 г. советским академиком Леонидом Исааковичем Мандельштамом (1879-1944) и Николаем Дмитриевичем Папалекси (1880-1947), но не опубликованные ими. Позже в 1916 г. американские физики Т.Стюарт и Ричард Чейс Толлин (1881-1948) опубликовали результаты своих опытов, оказавшихся аналогичными опытам советских ученых.
Концы проволоки, намотанной на катушку, припаивают к двум изолированным друг от Друга металлическим дискам. При помощи скользящих контактов (щеток) к концам дисков присоединяют гальванометр.
Катушку приводят во вращение, а затем резко останавливают. Если предположить, что в металле есть свободные заряды, то после резкой остановки катушки свободные заряженные частицы будут двигаться некоторое время относительно проводника по инерции. Следовательно, в катушке возникнет электрический ток, который из-за сопротивления проводника будет длиться небольшое время. Направление этого тока позволит судить о знаке тех частиц, которые двигались по инерции. Так как возникающий ток зависит от величины и массы зарядов, то этот опыт позволяет не только предположить существование в металле свободных зарядов, но и определить знак зарядов, их массу и величину (точнее, определить удельный заряд — отношение заряда к массе).
Опыт показал, что после остановки катушки в гальванометре возникает кратковременный электрический ток. Направление этого тока говорит о том, что по инерции движутся отрицательно заряженные частицы. Измерив величину заряда, переносимого этим кратковременным током через гальванометр, удалось определить отношение величины свободных зарядов к их массе. Оно оказалось равным е/т = 1,8 • 1011 Кл/кг, что совпадает со значением такого отношения для электрона, найденным ранее другими способами.
Итак, опыт показывает, что в металлах имеются свободные электроны, упорядоченное движение которых создает в металлах электрический ток.
Под влиянием постоянной силы со стороны электрического поля электроны в металле приобретают определенную скорость упорядоченного движения, которая является постоянной. Упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение, т.к. со стороны ионов кристаллической решетки на них действует некоторая тормозящая сила — при столкновениях с ионами свободные электроны передают им кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. Следовательно, средняя скорость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике v см Е. Учитывая связь напряженности и разности потенциалов на концах проводника (Е = U/d), можно сказать, что скорость движения электронов пропорциональна разности потенциалов на концах проводника v ~ U.
От скорости упорядоченного движения частиц зависит сила тока в проводнике: I = q0nv S, поэтому сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника I ~ U, что дает качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.
Нагревание проводника при прохождении по нему постоянного тока можно объяснить тем, что кинетическая энергия электронов передается при столкновении ионов кристаллической решетки.
Количественную теорию движения электронов в металле можно построить на основе законов квантовой механики, классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения.
Похожие работы
... (10) Соберите цепи по схемам 8, 9, в которых реализуются обе схемы соединения. Рассчитайте и измерьте силу тока в цепи при этих соединениях. В выводе сравните расчетные и измеренные значения. Отчет по лабораторной работе № 3 Изучение применения закона Ома для расчета цепей постоянного тока выполненной учащимся школы «Поиск» ………………………………………………………………………………… «…….»………….. 200….
вях электрической цепи постоянного тока. Задание состоит из двух частей. Первая часть задания Рассчитать токи ветвей методом узловых напряжений: 1 нарисовать заданную вариантом схему электрической цепи. Указать положительные направления токов ветвей; 2 записать каноническую форму уравнений метода и определить коэффициенты этой формы; 3 рассчитать узловые напряжения; 4 рассчитать токи ветвей ...
чает в себя источники мощности (активные элементы) и приемники (пассивные элементы). В качестве пассивного линейного элемента в цепях постоянного тока выступает резистор, имеющий электрическое сопротивление R. Единица измерения Ом. Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью: G = 1/R. Единица измерения См - сименс. В качестве активных элементов - источников ...
... один контурный ток, то действующий в ветви ток будет равен контурному: Составляем баланс мощности 227,0485=229,3138 ЗАДАНИЕ 3 СИМВОЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА Задача 1 По данным табл. 9,10,11 рассчитать токи в ветвях заданной цепи при f = 50 Гц. Используя данные расчета, записать мгновенное значение указанной в табл. 9 величины. Составить баланс мощностей. В ...
0 комментариев