63. РАБОТА И МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В электрической цепи происходит ряд превращений энергии. При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Эту работу принято называть работой тока.

Рассмотрим произвольный участок цепи. Это может быть однородный проводник, например нить лампы накаливания, обмотка электродвигателя и т. д. Пусть за время через поперечное сечение проводника проходит заряд Тогда электрическое поле совершит работу

Так как сила тока то эта работа равна:

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока на напряжение и на время, в течение которого совершалась работа.

Согласно закону сохранения энергии эта работа должна быть равна изменению энергии рассматриваемого участка цепи. Поэтому энергия, выделяемая на данном участке цепи за время равна работе тока (9.15).

В случае если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химических действий, происходит только нагревание проводника. Нагретый проводник отдает теплоту окружающим телам.

Нагревание проводника происходит следующим образом. Электрическое поле ускоряет электроны. После столкновения с ионами кристаллической решетки они передают ионам свою энергию. В результате энергия хаотического движения ионов около положений равновесия возрастает. Это и означает увеличение внутренней энергии. Температура проводника повышается, и он начинает передавать теплоту окружающим телам. Спустя небольшое время после замыкания цепи процесс устанавливается и температура перестает изменяться со временем. К проводнику за счет работы электрического поля непрерывно поступает энергия. Но его внутренняя энергия остается неизменной, так как проводник передает окружающим телам количество теплоты, равное работе тока. Таким образом, формула (9.15) для работы тока определяет количество теплоты, передаваемое проводником другим телам.

Если в формуле (9.15) выразить либо напряжение через силу тока, либо силу тока через напряжение с помощью закона Ома для участка цепи, то получим три эквивалентные формулы для работы тока:

Формулой удобно пользоваться для последовательного соединения проводников, так как сила тока в этом случае одинакова во всех проводниках. При параллельном соединении удобна формула , так как напряжение на всех проводниках одинаково.

Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским ученым Джоулем и русским ученым Ленцем. Закон Джоуля — Ленца был сформулирован следующим образом: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени:

Мы получили этот закон с помощью рассуждений, основанных на законе сохранения энергии. Формула (9.17) позволяет вычислить количество теплоты, выделяемой на любом участке цепи, содержащем какие угодно проводники.

Любой электрический прибор, лампа, электродвигатель и т. д., рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощности тока Мощность тока равна отношению работы тока за время к этому интервалу времени.

Согласно определению мощности

Это выражение для мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах, если использовать закон Ома для участка цепи:

На большинстве приборов указана потребляемая ими мощность.

1. Как формулируется закон Ома? 2. Как изменяется с температурой сопротивление металлов и растворов электролитов? 3. Каковы главные технические трудности использования сверхпроводников на практике? 4. Почему сопротивление амперметра должно быть малым, а вольтметра — большим? 5. Что называют работой тока?