"Физика", Перышкин А.В.
Работа электрического тока показывает, сколько энергии ток передал прибору или участку цепи за время работы. Её можно вычислить по напряжению, силе тока и времени или по мощности и времени. В СИ работу измеряют в джоулях, но в быту джоули неудобны: их получается очень много. Поэтому расход электроэнергии считают в ватт-часах и киловатт-часах. Главное — не путать эти единицы энергии с ваттами и киловаттами, которыми измеряют мощность.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Работа электрического тока — энергия, которую ток передаёт участку цепи за время прохождения; её обозначают A. Например, электрический нагреватель получает энергию и превращает её в тепло. Понятие работы помогает описать, сколько энергии передал ток, а не только то, насколько быстро прибор её получает.
Джоуль — единица работы в Международной системе единиц (СИ). Один джоуль — работа тока при напряжении 1 В за 1 с; если при этом сила тока равна 1 А, то A = UIt = 1 Дж. Джоуль нужен для точного измерения работы и сопоставления результатов в физических расчётах.
Ватт-час — внесистемная единица работы, равная работе тока мощностью 1 Вт за 1 ч. Её обозначают Вт·ч, чтобы было видно, что мощность действует в течение определённого времени. Такая единица удобна, когда приборы работают часами, а результат в джоулях оказался бы громоздким.
Киловатт-час — практическая единица работы электрического тока: это работа прибора мощностью 1 кВт за 1 ч. Обозначение — кВт·ч; приставка «кило» означает тысячу, поэтому 1 кВт = 1000 Вт. Киловатт-часы нужны для учёта энергии, которую расходуют домашние приборы.
Работу тока можно найти по формуле A = UIt. Она получается из того, что переданная энергия зависит и от напряжения, и от количества заряда, прошедшего по цепи; сила тока показывает, сколько заряда проходит за секунду. Поэтому при неизменных остальных величинах увеличение напряжения, силы тока или времени увеличивает работу.
Единицы в формуле помогают получить результат в джоулях: напряжение подставляют в вольтах, силу тока — в амперах, время — в секундах. Например, произведение 1 В · 1 А · 1 с равно 1 Дж. Это связано с определением мощности: 1 В · 1 А = 1 Вт, а ватт за секунду соответствует одному джоулю энергии.
Для бытовых приборов джоуль неудобен, потому что за несколько минут или часов работы набираются миллионы джоулей. Чтобы запись была короче, используют ватт-часы и киловатт-часы. Их удобно получать, если мощность указана в ваттах или киловаттах, а время — в часах.
Связь практических единиц с джоулем можно вывести из формулы A = Pt. За один час проходит 3600 секунд, поэтому прибор мощностью 1 Вт за это время передаёт 1 Вт · 3600 с = 3600 Дж: значит, 1 Вт·ч = 3600 Дж. Для киловатт-часа нужно учесть, что 1 кВт = 1000 Вт, и получается 1 кВт·ч = 1000 · 3600 Дж = 3 600 000 Дж.
Счётчик электроэнергии учитывает, сколько электрической энергии потребили подключённые приборы, и обычно показывает результат в киловатт-часах. Он не измеряет мощность одного прибора: расход энергии зависит ещё и от продолжительности работы. Поэтому при одинаковой мощности дольше работающий прибор израсходует больше энергии.
| Единица | Обозначение | Определение | В джоулях |
|---|---|---|---|
| джоуль | Дж | Работа при мощности 1 Вт за 1 с | 1 Дж |
| ватт-час | Вт·ч | Работа при мощности 1 Вт за 1 ч | 3600 Дж |
| киловатт-час | кВт·ч | Работа при мощности 1 кВт за 1 ч | 3 600 000 Дж |
| соотношение между ватт-часом и киловатт-часом | 1 кВт·ч = 1000 Вт·ч | В одном киловатт-часе тысяча ватт-часов | 1 кВт·ч = 1000 Вт·ч = 3 600 000 Дж |
Сначала найди в таблице единицу, в которой дан ответ или исходные величины, затем используй соответствующее соотношение для перевода. Если мощность дана в киловаттах, а время в часах, формула A = Pt сразу даёт работу в киловатт-часах. Для перевода результата в джоули умножь число киловатт-часов на 3 600 000.
При напряжении 6 В через проводник проходит ток силой 2 А в течение 10 с. Найдём работу тока. Здесь известны все величины для формулы A = UIt, а секунды и вольты с амперами дают результат в джоулях. Подстановка позволяет сразу получить ответ в единицах СИ.
Ответ: работа тока равна 120 Дж. При проверке можно убедиться, что все исходные величины переведены в нужные единицы. Если бы время было дано в минутах, его сначала следовало бы перевести в секунды.
Электроприбор мощностью 500 Вт работал 4 ч. Требуется выразить потреблённую энергию в ватт-часах и киловатт-часах. Поскольку мощность дана в ваттах, а время — в часах, произведение сразу получится в Вт·ч. Чтобы перейти к кВт·ч, нужно разделить результат на 1000.
Ответ: прибор потребил 2000 Вт·ч, или 2 кВт·ч. Проверка: 500 Вт = 0,5 кВт, а 0,5 кВт · 4 ч = 2 кВт·ч. Оба способа дают один результат.
Электрический чайник мощностью 2 кВт работал 15 мин. Сначала найдём энергию в кВт·ч, поэтому переведём минуты в часы: иначе произведение мощности и времени не даст киловатт-час. Затем применим соотношение между кВт·ч и джоулями. Так расчёт будет выполнен последовательно в удобных единицах.
Ответ: работа тока равна 0,5 кВт·ч, или 1 800 000 Дж. Проверка единиц показывает, что мощность в киловаттах умножена на время в часах. Результат в джоулях составляет половину от значения 1 кВт·ч.
Киловатт-час иногда принимают за единицу мощности, потому что в названии есть слово «ватт». Но киловатт — единица мощности, а умножение мощности на время даёт энергию. Проверь себя вопросом: указано ли, сколько энергии израсходовано за время? Если да, речь идёт о кВт·ч.
При вычислении A = Pt нельзя без перевода подставлять минуты, если мощность дана в киловаттах, а ответ нужен в кВт·ч. Ошибка возникает из-за привычки считать минуты и часы взаимозаменяемыми единицами времени. Раздели минуты на 60 и убедись, что в произведении кВт умножаются на часы.
Ватт-час и киловатт-час отличаются в тысячу раз: 1 кВт·ч = 1000 Вт·ч. Путают их, потому что названия почти одинаковы, а приставка «кило» легко теряется при записи. Перед переводом проверь приставку; если переходишь от Вт·ч к кВт·ч, число должно стать в 1000 раз меньше.
При переводе кВт·ч в джоули недостаточно умножить на 3600: так учитывается только перевод часов в секунды. Ещё нужно перевести киловатты в ватты, то есть умножить на 1000. Проверка: 1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3 600 000 Дж.
Для вычисления работы электрического тока нужны формулы A = UIt и A = Pt, поэтому важно знать, что означают напряжение, сила тока и мощность. Ещё нужно уметь переводить единицы времени и мощности, например минуты в часы, а киловатты в ватты. В быту киловатт-часы используют для учёта расхода электроэнергии и расчёта её стоимости: чем больше потреблённая энергия, тем выше оплата при одинаковом тарифе.
Почему в быту расход электроэнергии измеряют в киловатт-часах, а не в джоулях?
При работе бытовых приборов число джоулей получается очень большим и неудобным для записи. Киловатт-часы позволяют проще учитывать расход энергии и стоимость электричества.
Чем киловатт-час отличается от киловатта?
Киловатт (кВт) — единица мощности, то есть скорости передачи энергии. Киловатт-час (кВт·ч) — единица работы или энергии: она показывает, сколько энергии прибор мощностью 1 кВт использует за 1 час.
Сколько джоулей содержится в одном киловатт-часе?
В одном киловатт-часе 3 600 000 Дж. Это следует из равенств 1 кВт = 1000 Вт и 1 ч = 3600 с.
Как вычислить работу тока, если известны мощность прибора и время его работы?
Используй формулу A = Pt, где A — работа, P — мощность, t — время. Сначала согласуй единицы: например, мощность вырази в киловаттах, а время — в часах, если ответ нужен в киловатт-часах.
Как перевести минуты в часы при расчёте электроэнергии?
Раздели число минут на 60: например, 15 мин = 15/60 ч = 0,25 ч. Так время будет согласовано с мощностью в киловаттах, если работа вычисляется в киловатт-часах.
§ 52 Единицы работы электрического тока, применяемые на практике
