Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца

Учебный модуль по теме урока:

«Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца»

Задание 1. Для проверки домашнего задания ответьте на вопросы теста 1 (приложение 1). Будьте внимательны!

Задание 2. Проверьте себя с помощью ключа 1.

Ключ– А); 2.- В); 3. – А); 4.- Б); 5.- Б).

Задание 3. Поставьте себе баллы за правильные ответы: за вопрос 1—1балл, за вопрос2 —2 балла, за вопрос3 –3 балла, за вопрос 4—4 балла, за вопрос5 —5 баллов

Задание 4. Внимательно прочитайте учебный материал. Основные определения и формулы запишите в конспект (приложение 2) .

Задание5. Для закрепления изученного материала выполни тест2 (приложение 3)

.

Задание 6. Проверьте себя ключом 2.

Ключ– Б); 2.- Б); 3. – А); 4.- Б); 5.- Б).

Задание 7 . Поставьте себе баллы за правильные ответы: за вопрос 1—1балл, за вопрос2 —2 балла, за вопрос3 –3 балла, за вопрос 4—4 балла, за вопрос5 —5 баллов

Задание 8 . Поставьте себе оценку в соответствии с набранными баллами согласно ниже предложенной таблице.

Баллы	Оценка
1	1
2-3	2
4-5	3
6-8	4
9-11	5
12-15	6
16-19	7
20-24	8
25-29	9
30	10

Задание 9 . Не правильные или не выполненные задания сделайте дома. Если все правильно, то вы молодцы, отдыхайте!

Приложение 1

Тест1.

1.  Какое соединение представлено на рис 1:

А) параллельное; Б) последовательное; В) смешанное.

Рис 1 Рис 2 Рис 3

2.  На рис 2 представлена схема. Дано: r1=5 Ом; r2= 3 Ом; r3= 2 Ом. Чему равно сопротивление внешней цепи?

А) 6 Ом;

Б) 10 А ;

В) 10 Ом.

3.  Как изменится напряжение на участка АВ ( рис3 ), если параллельно ему включить еще одно сопротивление ( U= const) ?

А) Не изменится;

Б) уменьшится;

В) увеличится.

4.  Можно ли считать (рис 4) , что сопротивления R2 и R4 включены последовательно?

А) можно ;

Б) нельзя.

5.  Выберите правильную формулу для определения тока I1.

А) I1= U/R1; Б) I1= U/ (R1 + (R3 R4/( R3+R4)); В) I1= U/(R1+ R2).

Рис 4 Рис 5

Приложение 2

Учебный материал по теме

Способность тела производить работу называется энергию тела. Например, поднятый на высоту какой-либо груз обладает некоторым запасом энергии и при падении производит работу. Энергия тела тем больше, чем большую работу может произвести это тело при своем движении. Энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Например, электрическая энергия может быть превращена в механическую, тепловую, химическую, механическая — в электрическую и т. д.

Для переноса зарядов в замкнутой цепи источник электрической энергии затрачивает известную энергию, равную произведению э. д. с. источника на количество электричества, перенесенного через эту цепь, т. е. E = Q.

Однако не вся эта энергия является полезной, т. е. не вся работа, произведенная источником энергии, сообщается приемнику энергии, так как часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов. Таким образом, источник энергии производит полезную работу, равную

А= UQ,

где U — напряжение на зажимах приемника.

Так как количество электричества равно произведению силы тока в цепи на время его прохождения:Q= It, то формулу работы можно представить в следующем виде

А= UIt,

т. е. электрическая энергия или работа есть произведение напряжения, силы тока в цепи и времени его прохождения.

Если же выразить напряжение на зажимах участка цепи как произведение силы тока на сопротивление этого участка, т. е. U=IR, то формулу работы можно записать и таким образом:

А= I2R t.

Однако ни одна из указанных формул не определяет размеров генератора электрической энергии, от которого получена эта работа, так как и большой и малый генераторы могут дать одинаковую работу, но в различные промежутки времени. Поэтому размеры генератора определяются не выполненной работой, а его мощностью. Это относится к любому электротехническому аппарату и машине, хотя бы они были не поставляющими, а потребляющими электрическую энергию (например, электродвигатели, электрические лампы, нагревательные приборы и т. д.).

Мощностью называется работа, производимая (или потребляемая) в одну секунду. Мощность выражается следующими формулами:

P= A/t =UQ/t= UI= U2/R= I2R.

Если в формулах работы и мощности напряжение выражено в вольтах, сила тока — в амперах, сопротивление — в омах и время — в секундах, то работа в джоулях (Дж), а мощность — в ваттах (Вт). Для измерения малых мощностей применяют единицу, в тысячу раз меньшую одного ватта, называемую милливаттом (мВт); 1 Вт = 1000 мВт. Для выражения больших мощностей применяют единицу, в тысячу раз большую ватта, называемую киловаттом (кВт); 1 кВт =1000 Вт.

Так как джоуль является малой единицей, то работа обычно выражается в более крупных единицах: ватт-часах (вт·ч), гектоватт - часах (гВт· ч) и киловатт-часах (квт· ч). Соотношение между этими единицами и джоулем следующее: 1 Вт·ч = 3600 Дж; 1 гВт·ч =100 Вт·ч; 1 кВт·ч = 1000 Вт·ч.

Из формулы P=UI следует, что при очень малом внешнем сопротивлении r сила тока в цепи велика, а напряжение на зажимах генератора при этом мало. При сопротивлении внешней цепи r, равном нулю, напряжение на зажимах генератора U также равно нулю. Следовательно, и мощность Р, отдаваемая во внешнюю цепь, равна нулю. При очень большом внешнем сопротивлении (когда внешняя цепь разомкнута, сопротивление ее составляет бесконечно большую величину) сила тока в цепи равна нулю. Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь, и в этом случае равна нулю. Таким образом, с увеличением сопротивления внешней цепи мощность сначала возрастает от нуля до какой-то наибольшей (максимальной) величины, а затем убывает до нуля. Согласованный режим - это режим передачи от источника к сопротивлению нагрузки наибольшей мощности. Согласованный режим наступает тогда, когда сопротивление нагрузки становится равным внутреннему сопротивлению источника. При этом в нагрузке выделяется максимальная мощность. Однако надо иметь в виду, что при равенстве внутреннего сопротивления генератора сопротивлению внешней цепи полезное действие генератора чрезвычайно невелико и работа его в таких условиях неэкономична, так как половина всей мощности, развиваемой генератором, используется на преодоление его внутреннего сопротивления.

Пример. Имеется батарея гальванических элементов с э. д.с. 10 В и внутренним сопротивлением 10 Ом. Определить максимальную мощность, которую эта батарея может отдать во внешнюю цепь.

Решение. Источник энергии отдает во внешнюю цепь максимальную мощность в случае, когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению источника энергии, т. е. r= r0=10 Ом. При таком внешнем сопротивлении ток в цепи I= E/( r+ r0)= 10/20=0.5 A Мощность, отдаваемая источником энергии P= I2r= 0.52 10= 2.5 Вт.

Мощность, отдаваемая источником энергии во внешнюю цепь, является полезной мощностью Р2, а мощность, получаемая им извне (от источника энергии механической, химической и т. д.),-—потребляемой Р1. Приемник электрической энергии, потребляя энергию из сети источника электрической энергии, преобразует ее в энергию другого вида — механическую, тепловую и т. д. В соответствии с законом сохранения энергии полезная мощность источника или приемника электрической энергии Р2 меньше мощности Р1, потребляемой им, так как в процессе работы источника или приемника в нем неизбежно происходит потеря части преобразуемой им энергии. В преобразователях энергии потеря энергии происходит за счет нагревания проводов их обмоток протекающими в них токами, за счет перемагничивания стали, от вихревых токов и т. д.

Для оценки свойств преобразователя энергии (источника или приемника электрической энергии) служит коэффициент полезного действия (к. п. д. или отдача), равный отношению полезной мощности( работы Ап) источника или приемника энергии Р2 к потребляемой им мощности(работе Аз ) Р1, т. е.

‡=P2/ P1= P2/ P2+ ∆P= Ап/ Аз

где ΔР — мощность, расходуемая на преодоление потерь в источнике или приемнике энергии. Это выражение показывает, что к. п. д. источника или приемника электрической энергии тем выше, чем меньше потери энергии в нем.

По закону сохранения энергии мощность генератора равна сумме мощностей потребителя. Это равенство называют балансом мощностей в электрических цепях:

При прохождении электрического тока через металлический проводник электроны сталкиваются то с нейтральными молекулами, то с молекулами, потерявшими электроны. Движущийся электрон либо отщепляет от нейтральной молекулы новый электрон, теряя свою кинетическую энергию и образуя новый положительный ион, либо соединяется с молекулой, потерявшей электрон (с положительным ионом), образуя нейтральную молекулу. При столкновении электронов с молекулами расходуется энергия, которая превращается в тепло. Любое движение, при котором преодолевается сопротивление, требует затраты определенной энергии. Так, например, для перемещения какого-либо тела преодолевается сопротив­ление трения и работа, затраченная на это, превращается в тепло.

Электрическое сопротивление проводника играет ту же роль, чтя и сопротивление трения. Таким образом, для проведения тока через проводник источник тока затрачивает некоторую энергию, которая превращается в тепло. Переход электрической энергии в тепловую отражает закон Ленца - Джоуля или закон теплового действия тока. Русский ученый Ленц и английский физик Джоуль одновременно и независимо один от другого установили, что при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику.

Если обозначить количество теплоты, создаваемое током, буквой Q(в джоулях ) , силу тока, протекающего по проводнику,— I, сопротивление проводника R и время, в течение которого ток протекал по проводнику, t, то закону Ленца — Джоуля можно придать следующее выражение:

Q= I2Rt.

Пример. В электрическом кипятильнике вода, потребляя количество теплоты Дж, закипает через 15 мин. Определить сопротивление нагревательного элемента этого кипятильника, а также мощность, если кипятильник работает под напряжением 220 В и его к. п. д. равен 80%.

Решение. Так как к. п. д. кипятильника равен 80%, выделенное нагревательным элементом количество теплоты Q= Аз =Ап/‡=: 0,8 = Дж.

Силу тока, протекающего через кипятильник, найдем из следующей формулы: Q=I2Rt=UIt., т. е. I=Q/Ut=500 000/220* 15*60= 2.53 A.

откуда ссопротивление нагревательного элемента r=U/I= 220/2.53=87 Ом

Мощность, потребляемая кипятильником P = UI= 220*2.53=556.6 Вт.

Приложение3

Тест 2

1. Режим передачи от источника к сопротивлению нагрузки наибольшей мощности это-…

А) режим короткого замыкания;

Б) согласованный режим;

В) режим холостого хода.

2. На баллоне сетевой лампы накаливания написано: 220 В, 60Вт. Найти силу тока в рабочем режиме.

А)0,3 А; Б) 3,7 Ом; В) 3,7А

3. При питании лампочки от элемента с ЭДС 1,5 В сила тока в цепи равна 0,2 А. Чему равна работа стороннних сил в элементе за 1 мин, если сопротивление элемента питания 0,1 Ом?

А)3,6 Дж;

Б) 2 Дж;

В) 12,7 Дж.

4. Два источника имеют одинаковые ЭДС и токи, но различные внутренние сопротивления. Какой из источников имеет большую мощность?

А) Мощности источников равны;

Б) С меньшим внутренным сопротивлением;

В) С большим внутренним сопротивлением;

5. Электрокипятильник со спиралью сопротивлением 160 Ом поместили в сосуд, содержащий 0,5 л воды при температуре 20 °С, и включили в сеть напряжением 220В. Через 20 мин кипятильник выключили. Сколько воды выкипело, если КПД спирали 80%?

А) 145 г;

Б)2 кг.;

В)53 г.