Работа тока чем измеряется
В чем измеряется работа тока
Электрический ток вырабатывается для того, чтобы в дальнейшем использовать его в определенных целях, для совершения какой-либо работы. Сама работа представляет собой определенные усилия, прилагаемые для перемещения электрического заряда на установленное расстояние. Условно, такая работа в пределах участка цепи, будет равна численному значению напряжения на данном участке. Для выполнения необходимых расчетов необходимо знать, в чем измеряется работа тока. Все расчеты проводятся на основании исходных данных, полученных с помощью измерительных приборов. Чем больше величина заряда, тем больше усилий требуется для его перемещения, тем большая работа будет совершена.
Что называют работой тока
Электрический ток, как физическая величина, сам по себе не имеет практического значения. Наиболее важным фактором является действие тока, характеризующееся выполняемой им работой. Сама работа представляет собой определенные действия, в процессе которых один вид энергии превращается в другой. Например, электрическая энергия с помощью вращения вала двигателя, превращается в механическую энергию. Работа самого электрического тока заключается в движении зарядов в проводнике под действием электрического поля. Фактически вся работа по перемещению заряженных частиц выполняется электрическим полем.
С целью выполнения расчетов должна быть выведена формула работы электрического тока. Для составления формул понадобятся такие параметры, как сила тока и электрическое напряжение. Поскольку работа электрического тока и работа электрического поля – это одно и то же, она будет выражаться в виде произведения напряжения и заряда, протекающего в проводнике. То есть: A = Uq. Данная формула была выведена из соотношения, определяющего напряжение в проводнике: U = A/q. Отсюда следует, что напряжение представляет собой работу электрического поля А по переносу заряженной частицы q.
Сама заряженная частица или заряд отображается в виде произведения силы тока и времени, затраченного на движение этого заряда по проводнику: q = It. В этой формуле было использовано соотношение для силы тока в проводнике: I = q/t. То есть, сила тока является отношением заряда к промежутку времени, за которое заряд проходит через поперечное сечение проводника. В окончательном виде формула работы электрического тока будет выглядеть, как произведение известных величин: A = UIt.
В каких единицах измеряется работа электрического тока
Прежде чем непосредственно решать вопрос, в чем измеряется работа электрического тока, необходимо собрать единицы измерений всех физических величин, с помощью которых вычисляется этот параметр. Любая работа измеряется в джоулях, следовательно, единицей измерения данной величины будет 1 Джоуль (1 Дж). Напряжение измеряется в вольтах, сила тока – в амперах, а время – в секундах. Значит единица измерения будет выглядеть следующим образом: 1 Дж = 1В х 1А х 1с.
Исходя из полученных единиц измерения, работа эл тока будет определяться, как произведение силы тока на участке цепи, напряжения на концах участка и промежутка времени, за которое ток протекает по проводнику.
Измерение проводятся с помощью амперметра, вольтметра и часов. Эти приборы позволяют эффективно решить проблему, как найти точное значение данного параметра. При включении амперметра и вольтметра в цепь, необходимо следить за их показаниями в течение установленного промежутка времени. Полученные данные вставляются в формулу, после чего выводится конечный результат.
Функции всех трех приборов объединяются в электросчетчиках, учитывающих потребленную энергию, а фактически работу, совершенную электротоком. Здесь используется уже другая единица – 1 кВт х ч, что также означает, сколько работы было совершено в течение единицы времени.
Работа электрического тока: что это такое, формулы, примеры задач
В этой статье я объясню, что такое работа электрического тока, какие единицы измерения для нее используются и какие важные формулы необходимо знать.
Что такое работа электрического тока?
Давайте рассмотрим обычную батарейку. По сути, батарейка преобразует химическую энергию в электрическую энергию электронов. Если теперь подключить её в электрическую цепь, то электроны могут совершать работу, используя свою электрическую энергию, например, зажигать лампочку.
Если вы хотите узнать, сколько электрической энергии было преобразовано в другой вид энергии, то вам нужно рассчитать работу электрического тока.
Определение понятия «электрическая работа» и её единицы измерения.
Работа электрического тока [A] позволяет определить, сколько электрической энергии было или может быть преобразовано в другие виды энергии.
Когда вы рассчитываете работу электрического тока, вы знаете, сколько электрической энергии было преобразовано в другие формы энергии. А уже какие другие формы энергии могут быть — это зависит от ситуации (несколько примеров в списке ниже):
Другой важной единицей измерения является киловатт-час [кВт·ч]. Один киловатт-час равен 3 600 000 ватт-секунд или джоулей.
1 кВт·ч = 1 * 10 3 Вт·ч = 1 * 10 3 * 3600 Вт·с = 3,6 * 10 6 Вт·с = 3,6 * 10 6 Дж.
Полезный факт: а вы знали, что именно электрическую работу измеряют электросчётчики установленные в наших домах и квартирах! Электросчётчики измеряют работу электрического тока в кВт·ч.
По какой формуле вычисляется работа электрического тока?
Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа.
Чуть ниже в статье мы разберем два практических примера, которые покажут применение данных формул. Однако перед этим мы кратко рассмотрим еще несколько важных формул.
Примечание: Вы обязательно должны запомнить первые две формулы. Следующие ниже формулы менее важны, но могут быть полезны для вас при решении тех или иных задач.
Другие формулы для определения работы электрического тока.
Закон Ома для участка цепи связывает напряжение U и ток I. Это позволяет нам рассчитать электрическую работу A другим способом.
Тогда вы можете подставить эти формулы в A = U * I * t. В итоге получатся другие формулы для нахождения работы электрического тока:
Примеры задач
У вас есть батарея, подающая постоянное напряжение 12 В и ток 2,3 А. Вы используете эту батарею для освещения лампочки в течение 1 часа. Теперь вы хотите знать, какая работа электрического тока была произведена.
Мы знаем формулу для определения работы электрического тока: A = U * I * q, тогда получаем:
Чтобы дать вам представление о единицах измерения, давайте переведем результат в ватт-секунды и джоули
27,6 Вт·ч = 27,6 * 3600 Вт·с = 99360 Вт·с = 99360 Дж.
Мы знаем формулу для определения работы электрического тока: A = U * q, тогда q = A / U. Подставляя значения в формулу получаем:
Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.
Для определения работы, которая совершается током, проходящим по некоторому участку цепи, нужно воспользоваться определением напряжения: 
. Значит,
где А — работа тока; q — электрический заряд, который прошел за определенное время через исследуемый участок цепи. Подставив в последнее равенство формулу q = It, имеем:
Работа электрического тока на участке цепи является произведением напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, на протяжении которого совершалась работа.
Закон Джоуля — Ленца гласит: количество теплоты, которое выделяется в проводнике на участке электрической цепи с сопротивлением R при протекании по нему постоянного тока I в течение времени t равно произведению квадрата тока на сопротивление и время:
Закон был установлен в 1841 г. английским физиком Дж. П. Джоулем, а в 1842 г. подтвержден точными опытами русского ученого Э. X. Ленца. Само же явление нагрева проводника при прохождении по нему тока было открыто еще в 1800 г. французским ученым А. Фуркруа, которому удалось раскалить железную спираль, пропустив через нее электрический ток.
Из закона Джоуля — Ленца видно, что при последовательном соединении проводников, поскольку ток в цепи всюду одинаков, максимальное количество тепла будет выделяться на проводнике с наибольшим сопротивлением. Это применяется в технике, например, для распыления металлов.
При параллельном соединении каждый проводник находятся под одинаковым напряжением, но токи в них разные. Из формулы (Q = I 2 Rt) видно, что, так как, согласно закону Ома 
, то
Следовательно, на проводнике с меньшим сопротивлением будет выделяться больше тепла.
Если в формуле (А = IUt) выразить U через IR, воспользовавшись законом Ома, получим Закон Джоуля — Ленца. Это лишний раз подтверждает тот факт, что работа тока расходуется на выделение тепла на активном сопротивлении в цепи.
Работа тока — в чем измеряется
Показания приборов учета электрической энергии используются жильцами частных и многоквартирных домов для оплаты потребленного электричества. Киловатт-часы, использованные электроприборами и светильниками, – одна из форм, в которых может измеряться работа тока. Персонал, работающий с электричеством, должен иметь представление об этой величине и о связи между мощностью и работой электрического тока.
Определение работы электротока
Работа как таковая представляет собой величину, описывающую переход энергии в другую форму. К примеру, когда некоторый предмет движется, он обладает кинетической энергией. После того, как движение прекращается, а предмет поднимается на определенную высоту, можно говорить о переходе энергии в потенциальную форму.
Когда электрические заряды перемещаются в цепи по проводниковому материалу, их движение инициируется электрополем, поэтому можно говорить о том, что рабочая нагрузка лежит на последнем. Таким образом, работа электрического тока – величина, характеризующая трансформацию электроэнергии в иные разновидности, например, механическую энергию или тепло. В формульных представлениях величина обозначается заглавной латинской литерой А.
Важно! Работа эл тока по модулю равна произведению периода времени, в течение которого она совершалась, на значение токовой силы и на напряжение на концах фрагмента электроцепи. Когда любой из компонентов произведения растет или понижается, в этом же направлении изменится и рабочий показатель. Сама величина показывает, какое количество электрической энергии претерпело трансформацию в другие ее виды за определенный промежуток времени.
Вывод формулы для нахождения работы электрического тока
Известно, что напряжение представляет собой работу поля по переносу определенного электрозаряда. Это можно выразить формулой:
Отсюда получается, что преобразование электротока можно выразить произведением:
Поскольку токовая сила выражается через отношение размера заряда к временному периоду, за который заряд проходит по проводниковому фрагменту, то величину заряда можно описать произведением тока и времени его прохождения:
Если подставить это произведение в выражение выше, можно получить формулу работы тока:
Здесь А – это численный показатель.
Важно! Помимо этого, рассматриваемая величина может быть рассчитана и в том случае, если пользователь не имеет вольтметра и располагает только данными о сопротивлении в цепочке и значении силы электрического тока. Тогда формульное выражение будет иметь следующий вид: А = I2 *R*t. В случае, когда, наоборот, известен показатель напряжения, но отсутствует значение тока, выражение принимает иную форму: A = U2*t/R.
Единицы измерения
Основной единицей, которой принято выражать осуществляемую электротоком трансформацию, является джоуль. Данное наименование единица получила по фамилии английского физика, обосновавшего опытным путем закон сохранения энергии. В сокращенном виде джоуль пишется как «Дж». Выразить величину через другие единицы измерения можно, используя основную формулу: 1 Дж = 1 А*1В*1 с (ампер, вольт и секунда, соответственно).
Важно! Приборы учета затраченной электроэнергии используют иную единицу измерения – киловатт-час (указывается как кВт*ч). Связано это с тем, что джоуль является весьма некрупной единицей, а один киловатт-час равен 3600000 джоулей. Поскольку функционирование осветительных приборов и бытовой техники в жилой квартире или доме продолжается сотни часов ежемесячно, и в процессе этого реализуется значительная работа тока, киловатт-час является куда более адекватной данным условиям измерительной единицей.
Производные единицы мощности и работы
Базовой мощностной измерительной единицей в международной системе СИ является ватт (Вт). Один ватт – это такая мощность, когда в течение одной секунды ток выполняет работу, равную одному джоулю. Посредством иных измерительных единиц ватт может быть выражен так:
Также ватту эквивалентна российская внесистемная единица – вольт-ампер (В*А).
Кратными производными мощностными величинами являются:
Такие крупные единицы используют при конструировании железнодорожных электропоездов и производстве электрической энергии. Есть и мелкие дольные единицы, например, микроватт (1 мкВт = 10-6 Вт), они применяются при изготовлении электрокардиографов и электроэнцефалографов. Еще более мелкие единицы – пиковатты и нановатты, их применяют в радиоэлектронной промышленности. Один нановатт (нВт) равен 10-9 Вт, а один пиковатт (пВт) – 10-12 Вт.
Еще одной внесистемной величиной является лошадиная сила (л.с.), равная 735,5 ватт. В российской промышленности она официально вышла из употребления, но фактически все еще имеет хождение в тех сферах, где применяются двигатели внутреннего сгорания.
Соотношение между джоулем и киловатт-часом может быть выражено через промежуточные единицы:
Приборы для измерения силы тока и электрического напряжения
Чтобы рассчитать работу, выполненную электротоком за тот или иной временной интервал, пользователь должен располагать приборами, предназначенными для замеров величин, произведение которых составляет искомую. Токовую силу принято замерять амперметром, напряжение на концах участка цепи – вольтметром. Оба обозначенных прибора выпускаются в разных вариантах исполнения: как в виде простых моделей для применения на школьных уроках физики, так и высокоточных образцов с цифровым дисплеем. На электросхеме по стандартам амперметр обозначается буквой А (символизирующей ампер – единицу измерения), взятой в кружок, а вольтметр – обведенной аналогичным образом латинской литерой V (вольт). Вместо кружка возможно использование изображения прибора с соответствующей буквой либо простых латинских литер, обозначающих соответствующие величины (U и I).
Чтобы узнать, какую работу производит электрический ток за определенный промежуток времени, пользователь должен иметь два прибора, а также секундомер или его аналог (данная опция есть в большинстве мобильных телефонов, даже во многих кнопочных моделях). Измерительные приборы подсоединяются в цепь, засекается нужное время, и затем фиксируются показания амперметра и вольтметра. После этого остается перемножить три величины между собой. Вместо двух отдельных приборов можно воспользоваться цифровым мультиметром. В этом случае измерения придется проводить последовательно, каждый раз перенастраивая прибор на замер той или иной величины и записывая получающийся показатель. Измерив одну из величин, прибор нужно обязательно отсоединить от цепи, затем перевести в другой режим и подсоединить снова.
Работа электрического тока – важная величина для оценки затрат электроэнергии для личного или корпоративного использования. Именно она фиксируется в показаниях счетчиков электричества, устанавливаемых в щиток или на дин-рейку. Трансформацию электротока из одной формы в другую, произошедшую в цепи за заданный временной интервал, можно оценить, проведя измерения силы тока и напряжения и перемножив три компонента произведения.
Видео
Работа и мощность электрического тока
теория по физике 🧲 постоянный ток
При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Ее принято называть работой тока.
Рассмотрим произвольный участок цепи. Это может быть однородный проводник, к примеру, обмотка электродвигателя или нить лампы накаливания. Пусть за время ∆t через поперечное сечение проводника проходит заряд ∆q. Тогда электрическое поле совершит работу:
Но сила тока равна:
Тогда работа тока равна:
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.
Выражая через закон Ома силу тока и напряжение, получим следующие формулы для вычисления работы тока:
Работа тока измеряется в Джоулях (Дж).
Пример №1. Определите работу тока, совершенную за 10 секунд на участке цепи напряжением 200В и силой тока 16 А.
Закон Джоуля-Ленца
В случае, когда на участке цепи не совершается механическая работа, и ток не производит химических действий, происходит только нагревание проводника. Нагретый проводник отдает теплоту окружающим телам.
Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем (1818—1889) и русским Э.Х. Ленцем (1804—1865). Закон Джоуля—Ленца сформулирован следующим образом:
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
Количество теплоты измеряется в Джоулях (Дж).
Пример №2. Определить, какое количество теплоты было выделено за 2 минуты проводником при напряжении 12 В и сопротивлении 2 Ом.
Используем закон Ома и закон Джоуля—Ленца:
Мощность тока
Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель и пр.) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощности тока.
Мощность тока — это работа, производимая за 1 секунду. Обозначается как P. Единица измерения — Ватт (Вт).
Численно мощность тока равна отношению работы тока за время ∆t к этому интервалу времени:
Это выражение для мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах, если использовать закон Ома для участка цепи:
Пример №3. При силе тока в электрической цепи 0,3 А сопротивление лампы равно 10 Ом. Определите мощность электрического тока, выделяющуюся на нити лампы.
Выразив силу тока через заряд, прошедший за единицу времени, получим:
Мощность тока равна мощности на внешней цепи. Ее также называют мощностью на нагрузке, полезной мощностью или тепловой мощностью. Ее можно выразить через ЭДС:
Мощность тока на внешней цепи будет максимальная, если сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению: R = r.
Мощность тока внутренней цепи:
Пример №4. ЭДС постоянного тока ε = 2 В, а его внутреннее сопротивление r = 1 Ом. Мощность тока в резисторе, подключенном к источнику, P0 = 0,75 Вт. Чему равно минимальное значение силы тока в цепи?
Используем формулу для нахождения полезной мощности:
Применим закон Ома для полной цепи:
Выразим сопротивление внешней цепи:
Так как внутреннее сопротивление равно единице, получаем квадратное уравнение следующего вида:
Решив это уравнение, получим два корня: I = 0,5 и I = 1,5 А. Следовательно, наименьшая сила тока равна 0,5 А.
Подсказки к задачам
Конденсатор в цепи постоянного тока
Постоянный ток через конденсатор не идет, но заряд на нем накапливается, и напряжение между обкладками поддерживается. Напряжение на конденсаторе такое же, как на параллельном ему участке цепи.
Ток не проходит через те резисторы, что соединены с конденсатором последовательно. При расчете электрической цепи их сопротивления не учитывают.
Подсказки к задачам
Пример №5. К источнику тока с ЭДС ε = 9 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом подключили параллельно соединенные резистор с сопротивлением R = 8 Ом и плоский конденсатор, расстояние между пластинами которого d = 0,002 м. Какова напряженность электрического поля между пластинами конденсатора?
Напряжение на конденсаторе равно напряжению на резисторе, так как он подключен к нему последовательно. Чтобы найти это напряжение, сначала выразим силу тока на этом резисторе:
Применим закон Ома:
Приравняем правые части выражений и получим:
Отсюда напряжение на конденсаторе равно:
Напряженность электрического поля равна:
Вольтметр подключён к клеммам источника тока с ЭДС ε = 3 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом, через который течёт ток I = 2 А (см. рисунок). Вольтметр показывает 5 В. Какое количество теплоты выделяется внутри источника за 1 с?