2. Работа, мощность и тепловое действие тока.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

На однородном участке цепи, к которому приложена разность потенциалов () и по которому течет токI, силы электрического поля за время t совершают работу по переносу положительного заряда от точки с высоким потенциалом к точке с низким потенциалом₂:

. (25)

В соответствии с законом Ома эту работу можно выразить через сопротивление участка R:

. (26)

Если проводник неподвижен и в нем не совершаются химические превращения, то по закону сохранения энергии работа затрачивается на увеличение внутренней энергии проводника и он нагревается, т. е.

. (27)

Работа A и количество теплоты Q в СИ измеряются в джоулях (Дж).

Мощностью P называется работа, совершаемая в единицу времени. Мощность в СИ измеряется в ваттах (Вт) и определяется по выражению:

. (28)

В замкнутой цепи с источником ЭДС работа по перемещению положительных зарядов равна сумме работы сил электрического поля и работы сторонних сил:

. (29)

В случае замкнутой цепи работа консервативных сил электрического поля равна нулю, поэтому

. (30)

В соответствии с законом Ома для замкнутой цепи формулу (30) можно выразить через сопротивление нагрузки R и внутреннее сопротивление источника r:

. (31)

Полная мощность замкнутой цепи определяется по выражению:

. (32)

Полезная мощность выделяется во внешней цепи (в нагрузке) и рассчитывается по формуле (28).

Д. Джоулем и независимо от него Э. Ленцем было экспериментально установлено, что количество теплоты Q, выделяющейся при протекании электрического тока силой I в проводнике сопротивлением R за время t, определяется по уравнению:

. (33)

Если сила тока изменяется со временем, то

. (34)

Мощность, развиваемая источником, называется полной, она частично выделяется на нагрузке (полезная мощность), частично – на подводящих проводах и на внутреннем сопротивлении (потери мощности).

При передаче электроэнергии от электростанции потребителю часть ее выделяется в виде тепла в подводящих проводах, при этом напряжение на шинах электростанции представляет собой сумму напряжения на проводах и напряжения на нагрузке (потребителе). Коэффициент полезного действия

, (35)

где и A  полезная и совершенная работа.

Если соединить последовательно два проводника с разными сопротивлениями, то сила тока в них будет одинаковая. Тогда в соответствии с формулой

(36)

в проводнике с бóльшим сопротивлением будет выделяться большее количество теплоты (это следует учитывать при включении электронагревательных приборов  электроплиток, чайников и т. д.). Сопротивление подводящих проводов R_пров должно быть значительно меньше сопротивления прибора R, при этом падение напряжения на подводящих проводах будет пренебрежимо мало и все напряжение сети будет приложено к прибору. Следовательно, для расчета количества тепла, выделяемого прибором, необходимо пользоваться формулой:

(37)

Если в цепь включено очень малое сопротивление по сравнению с сопротивлением приборов и подводящих проводов, то падение напряжения на таком сопротивлении незначительно и ток в цепи определяется лишь сопротивлением проводов и приборов. В этом случае для расчета количества теплоты, выделяющейся на этом малом сопротивлении (например, плавком предохранителе), следует пользоваться формулой:

. (38)

Если сопротивление прибора неизвестно, то, определяя силу тока I, протекающего через него, и напряжение на его контактах U, вычисляют количество теплоты по формуле:

. (39)

При решении задач на тепловое действие тока и передачу электроэнергии необходимо:

1) начертить схему и указать на ней все элементы цепи;

2) установить, какие элементы включены последовательно, а какие – параллельно;

3) при соединении приборов помнить следующее:

а) при параллельном соединении на зажимах всех приборов напряжение будет одинаковым и наибольшая мощность будет на приборе с наименьшим сопротивлением;

б) при последовательном соединении сила тока будет одинаковой во всех приборах и наибольшая мощность будет на приборе с наибольшим соп-ротивлением;

4) учитывать, что при передаче электроэнергии на расстояние используется двухпроводная линия, т. е. длина провода в два раза больше расстояния, на которое передается электроэнергия;

5) знать формулы калориметрии (например,  количество теплоты, необходимое для нагревания вещества массой m и удельной теплоем-

костью c от температуры t₁ до температуры t₂;  количество теплоты, необходимое для плавления вещества массой m и удельной теплотой плавления ).