"Физика", Перышкин А.В.
Электрический ток переносит заряды по цепи, а электрическое поле при этом совершает работу. Она показывает, сколько энергии передано приборам за время их работы. Чтобы найти работу, используют напряжение, силу тока и время: A = UIt. В расчётах применяют джоули, а для домашнего учёта электроэнергии — киловатт-часы. Счётчик в квартире измеряет, сколько электрической энергии было израсходовано.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Работа электрического тока — работа, которую электрическое поле совершает при перемещении зарядов по участку цепи. Её обозначают буквой A. Эта величина помогает оценить, сколько энергии ток передал приборам или другим элементам цепи.
Напряжение обозначают буквой U; оно показывает, какую работу электрическое поле совершает при перемещении единичного заряда. Иными словами, напряжение связывает работу поля с количеством перенесённого заряда. Оно нужно, чтобы определить, сколько работы приходится на каждый кулон заряда.
Киловатт-час — внесистемная единица работы электрического тока. Её особенно удобно использовать для учёта потребления электроэнергии за длительное время, поскольку бытовые приборы часто работают часами, а их мощность указывают в киловаттах. Киловатт-час измеряет энергию, а не мощность.
Счётчик электрической энергии — прибор, который измеряет работу тока, потреблённую в доме или квартире. Его показания позволяют узнать общий расход электроэнергии и рассчитать оплату. Обычно результат отображается в киловатт-часах.
Когда заряды перемещаются по проводнику, на них действует электрическое поле. Поле передаёт зарядам энергию и тем самым совершает работу. Напряжение U показывает работу, приходящуюся на единичный заряд, поэтому для заряда q работа равна произведению напряжения на заряд: A = Uq. Если заряд больше, поле при том же напряжении совершает большую работу.
Чтобы связать работу не с зарядом, а со временем, используют силу тока. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. При постоянном токе за время t проходит заряд q = It. Подставив это выражение в A = Uq, получаем A = UIt: работа растёт, если увеличиваются напряжение, сила тока или время работы цепи.
Формулу A = UIt можно использовать и для нахождения других величин, если остальные известны. Например, разделив обе части на It, получим U = A/(It); разделив на Ut — I = A/(Ut); а разделив на UI — t = A/(UI). Сначала определите, что требуется найти, затем выберите соответствующее преобразование. Перед подстановкой проверьте, что известные значения выражены в подходящих единицах.
В системе СИ работу измеряют в джоулях. Это согласуется с формулой A = Uq: 1 Дж = 1 В · 1 Кл, то есть один вольт соответствует одному джоулю работы на кулон заряда. Для формулы A = UIt берут напряжение в вольтах, ток в амперах, время в секундах. Тогда произведение В · А · с даёт джоули, потому что 1 А · 1 с = 1 Кл.
Для бытового учёта удобнее крупная единица — киловатт-час. Чтобы перевести её в джоули, представим киловатт как 1000 ватт, а час как 3600 секунд. Поскольку 1 Вт = 1 Дж/с, получаем 1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3 600 000 Дж. Умножьте число киловатт-часов на 3 600 000, чтобы получить работу в джоулях; обратный перевод выполняют делением.
| Величина | Обозначение | Связь с работой тока | Единица измерения |
|---|---|---|---|
| Работа электрического тока | A | A = UIt | джоуль (Дж) |
| Напряжение | U | U = A/(It) | вольт (В) |
| Сила тока | I | I = A/(Ut) | ампер (А) |
| Время прохождения тока | t | t = A/(UI) | секунда (с) |
| Работа в бытовом учёте электроэнергии | A | A = P · t | киловатт-час (кВт·ч) |
Найдите в таблице величину, которую требуется определить, и используйте указанную связь. Для расчёта в джоулях подставляйте напряжение в вольтах, ток в амперах и время в секундах. В бытовой задаче с мощностью в киловаттах и временем в часах произведение сразу выражается в киловатт-часах.
Через участок цепи при напряжении 6 В за 10 с проходит ток 0,5 А. Найдём работу тока. Здесь известны все величины для формулы A = UIt, а единицы уже подходят для получения ответа в джоулях. Значит, достаточно подставить данные и вычислить произведение.
Ответ: работа тока равна 30 Дж. Умножение на время показывает, что за более длительное прохождение того же тока поле совершило бы большую работу.
Прибор работает при напряжении 220 В и токе 2 А в течение 5 минут. Требуется найти работу в джоулях, поэтому сначала переведём время в секунды. В одной минуте 60 секунд, следовательно, 5 минут — это 300 секунд. Теперь все значения можно подставить в A = UIt.
Ответ: ток совершит работу 132 000 Дж. Перевод минут в секунды нужен, потому что при вольтах, амперах и секундах формула даёт результат в джоулях.
Прибор мощностью 1,5 кВт работал 4 часа. Найдём работу в киловатт-часах, а затем переведём результат в джоули. Если мощность дана в киловаттах, а время — в часах, их произведение сразу выражается в кВт·ч. Используем связь работы с мощностью: A = P · t.
Ответ: работа равна 6 кВт·ч, или 21 600 000 Дж. Такой перевод удобен, когда нужно сопоставить показания бытового счётчика с единицей СИ.
Подставлять минуты вместо секунд. Так часто делают, потому что время в условии обычно записано в привычных минутах. Но при вычислении работы в джоулях формула требует секунд: иначе результат окажется меньше правильного в 60 раз, если время дано в минутах. Перед расчётом переведите минуты в секунды и проверьте единицы рядом с каждым числом.
Путать работу с напряжением или силой тока. Эти величины связаны, но описывают разное: напряжение характеризует работу на единичный заряд, сила тока — перенос заряда за время. Ошибка возникает, если принять одно из значений за ответ, не учитывая остальные данные. Проверьте, что искомая работа найдена по формуле и зависит также от времени.
Считать киловатт-час единицей мощности. Путаница возникает из-за слова «киловатт» в названии. Киловатт измеряет мощность, а умножение мощности на время даёт работу, поэтому кВт·ч — единица энергии. Для проверки вспомните: показания счётчика выражают в кВт·ч, а мощность прибора указывают в кВт.
Переводить 1 кВт·ч в 3600 Дж. Так получается, если перевести час в секунды, но забыть, что киловатт — это 1000 ватт. Переводите обе части единицы: 1 ч = 3600 с и 1 кВт = 1000 Вт. Их произведение даёт 3 600 000 Дж, поэтому проверьте, что множитель 1000 не потерян.
Для изучения работы тока нужно знать, что такое электрический ток, сила тока и напряжение, а также уметь пользоваться формулой q = It. Она позволяет перейти от прошедшего заряда к времени и силе тока, а затем получить A = UIt. Работа связана и с мощностью: зная её и время работы прибора, можно рассчитать расход энергии. Эти знания пригодятся при оценке потребления электроэнергии бытовыми приборами и чтении показаний счётчика.
Что показывает работа электрического тока?
Работа показывает, какую энергию электрическое поле передало зарядам при их перемещении по участку цепи. Благодаря этой энергии электрические приборы могут нагреваться, светиться или выполнять механическую работу.
Почему работу тока можно вычислить по формуле A = UIt?
Напряжение показывает работу поля при перемещении единичного заряда, поэтому работа равна A = Uq. При постоянном токе за время t проходит заряд q = It; подставив его вместо q, получаем A = UIt.
В каких единицах измеряют работу электрического тока?
В системе СИ работу измеряют в джоулях (Дж). Если подставить в формулу A = UIt напряжение в вольтах, ток в амперах и время в секундах, результат получится в джоулях.
Чем киловатт-час отличается от киловатта?
Киловатт (кВт) — единица мощности, то есть скорости передачи энергии. Киловатт-час (кВт·ч) — единица работы, или израсходованной энергии: это работа прибора мощностью 1 кВт за 1 час.
Как перевести киловатт-часы в джоули?
Умножьте количество киловатт-часов на 3 600 000. Это следует из равенств 1 кВт = 1000 Вт и 1 ч = 3600 с: 1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3 600 000 Дж.
§ 50 Работа электрического тока
