Работа электрического тока

Электрическую энергию легко преобразовать в другие виды энергии. Например, в нагревательном элементе электроплиты электрическая энергия превращается в теплоту; в электрической лампе – в теплоту и свет; в электродвигателе – в механическую энергию и теплоту, так как под действием тока обмотка двигателя тоже нагревается.

Энергия и работа связаны между собой. Каждое тело, обладающее энергией, может совершать работу. Работой характеризуется как изменение величины энергии, так и превращение энергии из одного вида в другой. Так как электрическое поле обладает энергией, то оно может совершать работу. Посредством работы электрического поля часть электроэнергии и превращается в какой-либо другой вид энергии.

Если создать в проводнике электрическое поле, то под действием электрических сил свободные носители заряда начнут двигаться направленно, и в проводнике возникнет электрический ток. Поскольку проводник препятствует направленному движению свободных носителей заряда, то электрическое поле при их перемещении совершает работу. Работу электрического поля можно вывести из формулы напряжения

$\[ U=\frac{A}{q} \]$ в виде A = U q.

Величину электрического заряда q, прошедшего за определенный промежуток времени через поперечное сечение проводника, можно вывести из формулы $\[ I=\frac{q}{t} \]$ в виде q = I t. Подставив это выражение в формулу работы электрического поля, получим

A = U I t.

Так как сила тока является характеристикой электрического тока, то вместо понятия работа электрического поля далее мы будем использовать понятие работа электрического тока.

Работа электрического тока – это физическая величина, численно равная произведению приложенного к концам проводника напряжения на силу тока и на время, затраченное на совершение работы.

Как и для механической работы, единицей измерения работы электрического тока является 1 джоуль, обозначение единицы 1 Дж (международное обозначение J). Единица работы электрического тока равна произведению единиц напряжения, силы тока и времени:

1 джоуль = 1 вольт · 1 ампер · 1 секунда,

или

1 Дж = 1 В · 1 А · 1 с.

Работа электрического тока измеряется косвенным методом. Напряжение на концах проводника измеряется вольтметром, сила тока в проводнике – амперметром, при помощи часов измеряется промежуток времени, в течение которого в проводнике существует электрический ток. Работа тока вычисляется умножением значений напряжения, силы тока и времени.

Формулу работы электрического тока можно представить и в другом виде.

Если в формуле A = U I t заменить, согласно закону Ома, силу тока отношением напряжения к сопротивлению $\[ I=\frac{U}{R} \]$, то для вычисления работы тока получим формулу

$\[ A=\frac{U^2}{R}t \]$.

Если же в формуле работы тока A = U I t заменить напряжение произведением силы тока и сопротивления U = I R, то для вычисления работы тока получим формулу

A = I² R t.

Эти три формулы работы тока равноценны и при вычислении дают одинаковый результат. Какой формулой удобнее всего пользоваться при решении задач, зависит от исходных данных этих задач.

В электронагревательных приборах, например, в нагревательном элементе электроплиты или электрочайника, за счет работы тока возрастает внутренняя энергия проводника и температура проводника повышается. Нагревание металлического проводника с током обусловлено столкновением свободных электронов, направленно движущихся под действием сил электрического поля, с ионами кристаллической решетки. При столкновении часть энергии электронов передается ионам, в результате возрастает энергия ионов кристаллической решетки. Вследствие этого возрастает внутренняя энергия проводника и проводник нагревается.

В неподвижном проводнике в результате работы тока энергия электрического поля преобразуется во внутреннюю энергию проводника.

Так как температура нагретого проводника выше температуры окружающих тел, начинается передача теплоты от проводника к окружающим телам. В этом случае работа тока равна количеству теплоты Q, которое выделяется проводником с током:

A = Q.

Нагревание проводника под действием тока экспериментально исследовали английский физик Джеймс Прескотт Джоуль и российский физик Генрих Фридрих Эмиль Ленц.

Открытие, сделанное Джоулем и Ленцем независимо друг от друга, называется законом теплового действия тока, или законом Джоуля-Ленца.

Количество теплоты, выделившейся под действием тока в проводнике, равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника и на время протекания тока:

Q = I² R t.

Исходя из закона Джоуля-Ленца, легко объяснить, почему нить накаливания электрической лампы нагревается под действием тока до высокой температуры, а соединяющие лампу с источником тока провода при этом заметно не нагреваются. Сила тока в нити накаливания лампы и в проводах одинакова, но сопротивление проводов по сравнению с сопротивлением нити накаливания ничтожно мало. Например, если соединить лампу карманного фонарика с батареей двумя медными проводами длиной по 25 см и диаметром 1 мм, то сопротивление каждого провода будет составлять всего 0,005 Ом. Сопротивление же нити накаливания работающей лампы карманного фонарика – около 13,5 Ом. Таким образом, сопротивление нити накаливания примерно в 2700 раз больше сопротивления провода, и под действием тока в лампе выделяется в 2700 раз больше теплоты, чем в каждом из этих проводов.

Требуется вычислить работу электрического тока в нагревательном элементе электроплиты, если напряжение на клеммах плиты 230 В, сопротивление нагревательного элемента 32 Ом и плита работает 30 минут.

1. В соединительных проводах настольного светильника и в нити накаливания лампы сила тока одинаковой величины. Почему не заметен нагрев соединительных проводов?
2. В цепь последовательно соединены одинаковой длины и одинаковой площади поперечного сечения куски проволоки из меди, железа и никелина. В проволоке из какого вещества выделится под действием тока за одинаковое время больше всего теплоты и в какой – меньше всего?
3. В цепь соединены параллельно одинаковой длины и одинаковой площади поперечного сечения куски проволоки из меди, железа и никелина. В проволоке из какого вещества выделится под действием тока за одно и то же время больше всего теплоты и в какой – меньше всего?
4. Нагревательный элемент соединен с источником тока. Во сколько раз больше выделится в нагревательном элементе теплоты за одно и то же время, если его соединить с источником тока, напряжение на клеммах которого в два раза больше?