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):

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 .

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 R_2,3 = R₂ + R₃.

Ці резистори з’єднані паралельно з резистором R₄. Опір такої 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 .

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?

§ 6. Умови виникнення електричного струму. Робота і потужність струму

Опрацювавши цей параграф, ви з’ясуєте умови виникнення та підтримання електричного струму, зв’язок між основними характеристиками електричного кола, зможете розрахувати роботу і потужність електричного струму.

УМОВИ ВИНИКНЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ. У сучасній техніці та технологіях широко використовують електричний струм. Завдяки йому рухаються електромобілі, працюють ґаджети, обігріваються та освітлюються оселі.

Ви вже знаєте, що вільні електрони в металах, а також йони в розчинах солей рухаються хаотично та переміщуються в усьому об’ємі речовини. Якщо провідник помістити в електричне поле, то рух заряджених частинок стає впорядкованим — вони починають переміщуватися вздовж ліній напруженості електричного поля.

Електричним струмом називають впорядкований (напрямлений) рух заряджених частинок.

Електричний струм виникає та підтримується за таких умов:

• наявність вільних носіїв електричного заряду;
• наявність чинників, що зумовлюють рух вільних заряджених частинок у певному напрямі (зовнішнє електричне чи магнітне поля, прискорений рух провідника).

Заряджені частинки переміщуються між двома точками електричного поля за наявності між ними різниці потенціалів. Тому, щоб у провіднику існував електричний струм, потрібно, аби між його кінцями існувала постійна різниця потенціалів. Ця умова забезпечується включенням в електричне коло джерела живлення, в якому відбувається перетворення певного виду енергії в електричну. Наприклад, у гальванічних елементах та акумуляторах в електричну енергію перетворюється хімічна енергія взаємодій, а в електромеханічних генераторах механічна енергія перетворюється в електричну.

За напрям електричного струму приймають напрям упорядкованого руху позитивно заряджених частинок (протилежний руху електронів). Напрям струму збігається з напрямком напруженості електричного поля, яке породжує цей струм.

ЕЛЕКТРИЧНЕ КОЛО ТА ЙОГО ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Електричний струм характеризується фізичною величиною, яку називають силою струму.

Силою струму називають величину, що характеризує швидкість перенесення заряду частинками, які створюють струм, через поперечний переріз провідника.

Сила струму визначає інтенсивність руху заряджених частинок у провіднику та дорівнює величині заряду ΔQ, який проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу Δt:

Сила струму є скалярною фізичною величиною. Одиницею сили струму в СІ є ампер:

У радіотехніці також використовують частинні й кратні одиниці сили струму:

• 1 мікроампер = 1 мкА = 10 -6 А;
• 1 міліампер = 1 мА = 10 -3 А;
• 1 кілоампер = 1 кА = 10 3 А.

Якщо під час проходження електричного струму за будь-які однакові інтервали часу через поперечний переріз провідника переноситься однаковий заряд, то такий струм називають постійним.

Тобто для постійного струму сила струму не змінюється з часом.

Силу струму вимірюють амперметром, який вмикають в електричне коло послідовно зі споживачем (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Вмикання амперметра та вольтметра в електричне коло

До електричного кола входять джерела струму та його споживачі, вимірювальні та регулювальні прилади, вимикачі, з’єднувальні провідники.

Робота електричного поля з перенесення заряду 1 Кл в певній ділянці електричного кола характеризується напругою.

Напругу вимірюють вольтметром, який включають в електричне коло паралельно зі споживачем (рис. 6.1).

Напруга U на ділянці кола чисельно дорівнює відношенню роботи струму до електричного заряду Q, що переміщується в цій ділянці:

Одиницею напруги в СІ є вольт:

Також використовують частинні й кратні одиниці напруги:

• 1 мілівольт = 1 мВ = 10 -3 В;
• 1 мікровольт = 1 мкВ = 10 -6 В;
• 1 кіловольт = 1 кВ = 10 3 В;
• 1 мегавольт = 1 МВ = 10 6 В.

Сила струму та напруга є основними характеристиками електричного кола.

Залежність між основними фізичними характеристиками ділянки електричного кола встановив німецький учений Г. Ом у 1826—1827 рр. (закон Ома для ділянки кола): сила струму в однорідній ділянці кола прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки та обернено пропорційна її електричному опору:

За законом Ома можна розрахувати також напругу на кінцях ділянки електричного кола U = I · R та опір ділянки

Георг Ом (1787—1854), німецький фізик, який встановив залежність між силою струму та напругою ділянки електричного кола

Зверніть увагу: з останньої формули не випливає, що опір провідника залежить від напруги на його кінцях або сили струму в ньому.

Електричний опір — фізична величина, яка характеризує властивість провідника протидіяти проходженню електричного струму.

Опір характеризує провідник та залежить від його геометричних і фізичних параметрів:

де R — опір провідника; l — довжина провідника; S — площа поперечного перерізу провідника; r — коефіцієнт пропорційності, який залежить від матеріалу провідника і називається питомим опором.

За одиницю опору приймають 1 Ом — опір такого провідника, у якому при напрузі на його кінцях 1 вольт сила струму дорівнює 1 ампер:

На практиці також використовують частинні й кратні одиниці:

• 1 міліом = 1 мОм = 1 · 10 -3 Ом;
• 1 кілоом = 1 кОм = 1 · 10 3 Ом;
• 1 мегаом = 1 МОм = 1 · 10 6 Ом.

Електричний опір є основною електричною характеристикою провідника. Вона характеризує протидію провідника напрямленому руху вільних електричних зарядів. Електричний опір провідника зумовлений взаємодією вільних носіїв електричного заряду з йонами (атомами) речовини. При цьому енергія вільних носіїв електричного заряду перетворюється в інші види енергії.

РОБОТА І ПОТУЖНІСТЬ СТРУМУ. Електрична енергія струму може перетворюватися в інші види. Тому електричний струм супроводжується фізичними діями: теплова дія (нагрівання провідника, по якому тече електричний струм), хімічна дія (зміна хімічного складу провідника, наприклад, виділення міді на електроді під час протікання струму через розчин мідного купоросу), магнітна дія (силовий вплив на провідники з електричним струмом та намагнічені тіла), світлова дія (світіння речовини під час проходження через неї електричного струму).

Перетворення одного виду енергії в інший супроводжується виконанням роботи.

Робота електричного поля А з переміщення електричного заряду ΔQ визначається як добуток кількості перенесеного електричного заряду через поперечний переріз провідника та напруги — на кінцях провідника:

Врахувавши, що Δφ = IΔt, можна отримати вираз для обчислення роботи електричного поля:

Робота електричного струму на ділянці кола дорівнює добутку сили струму, напруги на цій ділянці та часу, впродовж якого виконувалася ця робота.

Одиницею роботи в СІ є джоуль (Дж): 1 Дж = 1 В · А · с.

Із практики ви знаєте, що важливою характеристикою будь-якого електричного приладу (лампи, електричного чайника, обігрівача) є споживана потужність.

Потужність електричного струму — фізична величина, що дорівнює роботі електричного поля з напрямленого переміщення електричних зарядів у провіднику за одиницю часу.

Середня потужність електричного струму визначається за формулою:

Ця залежність є справедливою лише тоді, коли робота струму повністю витрачається на збільшення внутрішньої енергії.

Одиницею потужності струму в СІ є ват (Вт):

Для вимірювання потужності струму також використовують частинні й кратні одиниці:

• 1 мікроват = 1 мкВт = 10 -6 Вт;
• 1 міліват = 1 мВт = 10 -3 Вт;
• 1 гектоват = 1 гВт = 10 2 Вт;
• 1 кіловат = 1 кВт = 10 3 Вт;
• 1 мегават = 1 МВт = 10 6 Вт.

На практиці для вимірювання роботи струму (наприклад, в електролічильнику) використовують таку одиницю, як кіловат-година (кВт · год): 1 кВт · год = 3,6 · 10 6 Дж.

Принцип дії багатьох електричних побутових приладів (електрочайник, праска, обігрівач, бойлер, електроплита) ґрунтується на використанні теплової дії електричного струму.

Кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом за певний час, визначається за законом Джоуля-Ленца:

де I — сила струму; R — опір провідника; Δt — час дії електричного струму.

Кількість теплоти, яка виділяється провідником з електричним струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника й часу проходження струму.

Цей закон справедливий не тільки для металевих провідників, а й для розчинів електролітів та газів, оскільки під час проходження струму збільшується кількість зіткнень вільних носіїв зарядів з іншими зарядженими або нейтральними частинками речовини.

! Головне в цьому параграфі

Електричний струм є впорядкованим рухом заряджених частинок. Він виникає та підтримується за наявності в речовині вільних носіїв електричного заряду, а також чинників, що зумовлюють їх рух у певному напрямі (зовнішнє електричне чи магнітне поля, прискорений рух провідника). Щоб у провіднику існував електричний струм, потрібно підтримувати між його кінцями постійну різницю потенціалів.

Сила струму та напруга є основними характеристиками електричного кола. Зв’язок між ними встановлює закон Ома для ділянки кола.

Кількість теплоти, яка виділяється провідником з електричним струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника і часу проходження струму.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Сформулюйте визначення електричного струму. 2. Назвіть умови існування електричного струму. 3. Порівняйте особливості руху заряджених частинок за наявності та відсутності зовнішнього електричного поля. 4. Як визначається напрям електричного струму? 5. Назвіть дії електричного струму та наведіть приклади їх застосування на практиці. 6. Яка фізична величина характеризує інтенсивність руху заряджених частинок, в яких одиницях вона вимірюється? 7. Назвіть складові електричного кола. 8. Поясніть, чим зумовлений електричний опір провідників? Від чого він залежить? 9. Сформулюйте та запишіть закон Ома для ділянки кола. 10. Запишіть формули роботи та потужності електричного струму. 11. Як можна розрахувати кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом?