§ 41. РАБОТА И МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Ток освещает наши дома, снабжает энергией холодильники, телевизоры, компьютеры, телефоны и множество других устройств, без работы которых жизнь современного человека трудно представить.

Ток может не только нагревать проводник, как это происходит в нити накаливания лампочки или нагревательном элементе электрического чайника, но и совершает механическую работу, например, когда ток пропускают через обмотки вращающегося электромотора. Кроме того, электрический ток может изменять химический состав проводника, как это имеет место, например, при прохождении тока через растворы электролитов.

Вычислим работу, совершаемую электрическими силами за интервал времени Dt, при прохождении тока силой I через участок цепи АБ с сопротивлением R (рис. 41а). Очевидно, что через этот участок цепи за время t пройдёт заряд q=I^.Dt. Если разность потенциалов между концами участка цепи равна U, то электрические силы, перемещая заряд q от А к Б, совершают работу A:

A=q^.U = U^.I^.Dt .                           (41.1)

Таким образом, работа электрических сил, которую называют работой тока, пропорциональна произведению силы тока на напряжение между концами участка цепи.

Согласно закону сохранения и превращения энергии вся работа тока должна превращаться в энергию участка цепи, через который он протекает. Если на этом участке цепи никакая механическая работа не совершается и никаких изменений химического состава не происходит, то работа тока целиком переходит во внутреннюю (тепловую) энергию участка. В этих случаях количество теплоты, выделяющееся при прохождении электрического тока, можно вычислять по формуле (41.1).

Нагрев проводника при прохождении через него тока объясняется тем, что свободные заряды (например, электроны в металлах), упорядоченно двигаясь под действием электрических сил, сталкиваются с атомами, не способными двигаться в электрическом поле. При таких столкновениях часть механической энергии свободных зарядов передаётся неподвижным атомам, в результате чего амплитуда колебаний этих атомов относительно положений равновесия растёт, а значит, увеличивается внутренняя энергия проводника и его температура.

С помощью закона Ома формулу (41.1) можно преобразовать, заменив в ней U на IR:

  A = U^.I^.Dt = I²R^.Dt  .                            (41.2)

Формулу (41.2) для вычисления работы тока называют законом Джоуля - Ленца, который был открыт экспериментально английским учёным Д. Джоулем и русским учёным Э. Ленцем, когда они измеряли количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении электрического тока. Закон Джоуля -Ленца удобно применять для участка электрической цепи, представляющего собой последовательное соединение проводников (см. 1 и 2 рис. 41б), т.к. в этом случае сила тока I через проводники одинакова. Из формулы (41.2) следует, что при последовательном соединении проводников больше нагревается проводник, имеющий большее сопротивление.

Если в (41.1) заменить I на U/R, то можно получить следующее выражение для работы тока А:

которое удобно использовать для проводников соединённых параллельно (рис. 41в), т.к. напряжение U между их концами одинаково. Из формулы (41.3) следует, что при параллельном соединении проводников больше нагревается проводник, имеющий меньшее сопротивление.

Различные электрические приборы можно сравнивать между собой по величине работы тока в единицу времени. Отношение работы тока за интервал времени Dt к величине этого интервал называют мощностью тока Р:

Мощность тока в системе СИ измеряется в ваттах (Вт). 1 Вт = 1 Дж / 1 с. Мощность тока зависит от типа электрического прибора. У лампочки карманного фонарика она равна около 1 Вт, а у пылесоса или электрочайника – более 1000 Вт. 

Вопросы для повторения:

·        Что такое работа тока?

·        Чему равно количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении электрического тока?

·        Сформулируйте закон Джоуля - Ленца.

·        Как вычисляют мощность тока?

Рис. 41. (а) – к выводу формулы (41.1); работа тока в участке цепи из последовательно (б)  и параллельно (в) соединённых проводников.