ОГЭ 2022 по физике ›
1. Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу, и электрическая энергия превращается в другие виды энергии: во внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля и пр.
Как было показано, напряжение \( (U) \) на участке цепи равно отношению работы \( (F) \), совершаемой при перемещении электрического заряда \( (q) \) на этом участке, к заряду: \( U=A/q \). Отсюда \( A=qU \). Поскольку заряд равен произведению силы тока \( (I) \) и времени \( (t) \) \( q=It \), то \( A=IUt \), т.е. работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.
Единицей работы является джоуль (1 Дж). Эту единицу можно выразить через электрические единицы:
\( [A] \)= 1 Дж = 1 В · 1 А · 1 с
Для измерения работы используют три измерительных прибора: амперметр, вольтметр и часы, однако, в реальной жизни для измерения работы электрического тока используют счётчики электрической энергии.
Если нужно найти работу тока, но при этом сила тока или напряжение неизвестны, то можно воспользоваться законом Ома, выразить неизвестные величины и рассчитать работу по формулам: \( A=\frac{U^2}{R}t \) или \( A=I^2Rt \).
2. Мощность электрического тока равна отношению работы ко времени, за которое она совершена: \( P=A/t \) или \( P=IUt/t \); \( P=IU \), т.е. мощность электрического тока равна произведению напряжения и силы тока в цепи.
Единицей мощности является ватт (1 Вт): \( [P]=[I]\cdot[U] \); \( [P] \) = 1 А · 1 В = 1 Вт.
Используя закон Ома, можно получить другие формулы для расчета мощности тока: \( P=\frac{U^2}{R};P=I^2R \).
Значение мощности электрического тока в проводнике можно определить с помощью амперметра и вольтметра, измерив соответственно силу тока и напряжение. Можно для измерения мощности использовать специальный прибор, называемый ваттметром, в котором объединены амперметр и вольтметр.
3. При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию. Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: \( Q=A \) или \( Q=IUt \). Учитывая, что \( U=IR \), \( Q=I^2Rt \).
Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока но проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.
Этот закон называют законом Джоуля-Ленца.
Что такое работа тока
При хаотичном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле будет совершать работу, которую решили назвать работой тока. Определение работы тока следующее: это работа электрического поля по переносу зарядов внутри проводника.
Важно! Помимо электрических сил, на проводник действуют еще и магнитные, которые также могут совершать работу. Однако в обычных условиях она будет очень мала.
Движение зарядов в проводнике
История открытия переменного тока
Впервые переменным токам стали уделять внимание ввиду коммерческой ценности после появления на свет изобретений, созданных Николой Тесла. Материальный конфликт с Эдисоном отметил сильным отпечатком судьбы обоих. Когда американский предприниматель забрал назад обещания перед Николой Тесла, потерял немалую выгоду. Выдающемуся ученому не понравилось вольное обращение, серб выдумал двигатель переменного тока промышленного типа (изобретение сделал намного раньше). Предприятия пользовались исключительно постоянным. Эдисон продвигал указанный вид.
Тесла впервые показал: переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, резко снижая потери на активном сопротивлении. Приемная сторона параметры вновь возвращает к исходным. Неплохо сэкономите на толщине проводов.
Сегодня показано: передача постоянного тока экономически выгоднее. Тесла изменил ход истории. Придумай ученый преобразователи постоянного тока, мир выглядел бы иначе.
Начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. Опыты передачи энергии на значительные расстояния расставили факты по своим местам: неудобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.
Школьный вариант трактовки переменного и постоянного тока
Переменный ток демонстрирует ряд свойств, отличающих явление от постоянного. Вначале обратимся к истории открытия явления. Родоначальником переменного тока в обиходе человечества считают Отто фон Герике. Первым заметил: заряды природные двух знаков. Ток способен протекать в разном направлении. Касательно Тесла, инженер больше интересовался практической частью, авторские лекции упоминают двух экспериментаторов британского происхождения:
- Вильям Споттисвуд лишен странички русскоязычной Википедии, национальная часть – замалчивает работы с переменным током. Подобно Георгу Ому, ученый – талантливый математик, остается сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался муж науки.
- Джеймс Эдвард Генри Гордон намного ближе практической части вопроса применения электричества. Много экспериментировал с генераторами, разработал прибор собственной конструкции мощностью 350 кВт. Много внимания уделял освещению, снабжению энергией заводов, фабрик.
Считается, первые генераторы переменного тока созданы в 30-е годы XIX века. Майкл Фарадей экспериментально исследовал магнитные поля. Опыты вызывали ревность сэра Хемфри Дэви, критиковавшего ученика за плагиат. Сложно потомкам выяснить правоту, факт остается фактом: переменный ток полвека просуществовал невостребованным. В первой половине XIX-го века выдуман электрический двигатель (авторство Майкла Фарадея). Работал, питаемый постоянным током.
Никола Тесла впервые догадался реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Понадобились две фазы переменного тока (сдвиг 90 градусов). Попутно Тесла отметил: возможны более сложные конфигурации (текст патента). Позднее изобретатель трехфазного двигателя, Доливо-Добровольский, тщетно силился запатентовать детище плодотворного ума.
Продолжительное время переменный ток оставался невостребованным. Эдисон противился внедрению явления в обиход. Промышленник боялся крупных финансовых потерь.
Никола Тесла изучал электрические машины
Единицы измерения
Любая физическая величина, которая может быть превращена в энергию, будет измеряться в Джоулях (Дж). 1 Джоуль равен работе при перемещении точки, к которой приложена сила, равная 1 Ньютону, умноженному на Путь в 1 метр. Получается, что 1 Дж = 1 Н · 1 м.
Единица измерения мощности — это Ватт (Вт). Он равен работе 1 Дж, совершенной за единицу времени в 1 с. Таким образом, 1 Вт = 1 Дж : 1 с
Единица измерения мощности
Таблица физических величин и их описание:
| ОПРЕДЕЛЕНИЕ | ||
| Ампер | А | Сила тока |
| Ватт | W | Мощность, при которой работа в 1 джоуль совершается за 1 секунду |
| Вебер | Wb | Магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 ом протекает количество электричества в 1 кулон |
| Вольт | V | Электрическое напряжение, вызывающее в электрической цепи постоянный ток силой 1 ампер при мощности 1 ватт |
| Время | t | непрерывная величина, априорная характеристика мира, ничем не определяемая. В качестве основы измерения просто берётся некая последовательность событий, про которую считается несомненно верным, что она происходит через равные промежутки времени |
| Генри | Н | Генри можно определить также как индуктивность электрической цепи, в которой возникает ЭДС в 1 вольт при изменении силы тока в цепи со скоростью 1 ампер в секунду |
| Герц | Нz | Частота периодического процесса, период которого равен 1 секунде |
| Давление | Р | физическая величина, характеризующая состояние сплошной среды и численно равная силе , действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности |
| Джоуль | J | Работа, произведенная силой в 1 ньютон при перемещении ею тела на расстояние 1 метр в направлении действия силы |
| Диаметр | d | отрезок, соединяющий две точки) на окружности (сфере, поверхности шара), и проходящий через центр этой окружности (сферы, шара). Также диаметром называют длину этого отрезка. Диаметр окружности является хордой, проходящей через её центр; такая хорда имеет максимальную длину. По величине диаметр равен двум радиусам |
| Диоптрия | δ | Единица для измерения оптической силы сферически-вогнутого стекла, равная оптической силе линзы с фокусным расстоянием 1 метр |
| Длина | L | физическая величина, числовая характеристика протяжённости линий. В узком смысле под длиной понимают размер предмета в продольном направлении (обычно это направление наибольшего размера), т. е. расстояние между его двумя наиболее удалёнными точками, измеренное горизонтально |
| Импульс | Р | мера механического движения; представляет собой векторную величину, в классической механике равную для материальной точки произведению массы m этой точки на её скорость v и направленную так же, как вектор скорости: |
| Индуктивность | L | коэффициент пропорциональности между магнитным потоком (создаваемым током какого-либо витка при отсутствии намагничивающих сред, например, в воздухе) и величиной этого тока |
| Килограмм | kg | Масса платино-иридиевого прототипа, утвержденного международной конференцией в Париже в 1889 г |
| Кулон | с | Количество электричества, проходящее в 1 секунду при силе тока 1 ампер через поперечное сечение проводника |
| Люмен | lm | Световой поток, испускаемый точечным источником в телесном угле в 1 стерадиан при силе света 1 свеча |
| Люкс | lx | Освещенность поверхности, которая равномерно получает световой поток в 1 люмен на 1 квадратный метр площади |
| Масса | М | одна из важнейших физических величин. Первоначально (XVII—XIX века) она характеризовала «количество вещества» в физическом объекте, от которого, по представлениям того времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной силе, так и гравитационные свойства — вес |
| Метр | m | Старый платино-иридиевый эталон метра (международный прототип) хранится в подвалах Севра |
| Метр квадратный | m² | Площадь квадрата, сторона которого равна 1 метру |
| Метр кубический | m³ | Объем куба с длиной ребра, равной 1 метру |
| Метр в секунду | m/s | Скорость движущегося тела, проходящего расстояние в 1 метр за секунду |
| Мощность | Р | физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. |
| Ньютон | N | Сила, сообщающая телу массой в 1 килограмм ускорение в 1метр в секунду в направлении действия силы |
| Обьём | m³, cm³, L³ | количественная характеристика пространства, занимаемого телом или веществом. Объём тела или вместимость сосуда определяется его формой и линейными размерами. С понятием объём тесно связано понятие вместимость. Под вместимостью понимают объём внутреннего пространства сосуда или аппарата, укладочных ящиков и т. д |
| Ом | Ω | Сопротивление проводника, между концами которого при силе тока 1 ампер возникает напряжение 1 вольт |
| Паскаль | Pa | Давление на 1 квадратный метр с силой в 1 ньютон |
| Площадь | S | Одна из количественных характеристик плоских геометрических фигур и поверхностей |
| Плотность | Р | физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его единичного объёма. Для неоднородного вещества плотность в определённой точке вычисляется как предел отношения массы тела (m) к его объёму (V), когда объём стягивается к этой точке |
| Радиус | r | отрезок, соединяющий центр окружности (или сферы) с любой точкой, лежащей на окружности (или поверхности сферы), а также длина этого отрезка |
| Свеча | cd | Свеча — единица силы света, значение которой принимается таким, чтобы яркость полного излучателя при температуре затвердевания платины была равна 60 свечам на один квадратный сантиметр |
| Свеча на м² | cd/м² | Яркость светящейся поверхности площадью в 1 квадратный метр при силе света в 1 свечу |
| Секунда | s | Минута равна 60 секундам, час – 3600 секундам, день — 86400 секундам |
| Сила | F | векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности взаимодействия тел. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций |
| Сила света | J | поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла, в пределах которого он распространяется |
| Скорость | ύ, u | физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки в пространстве относительно выбранной системы отсчёта |
| Сопротивление (электрическое) | R | скалярная физическая величина, характеризующая свойства проводника и равная отношению напряжения на концах проводника к силе электрического тока, протекающему по нему |
| Температура | °С | физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. |
| Теплота | Q | мера энергии, переходящей от одного тела к другому в процессе теплопередачи. В системе СИ единицей измерения теплоты является джоуль |
| Теплоёмкость | С, Дж/кг | теплоемкостью называется количество теплоты, которое необходимо для нагревания единичного количества вещества |
| Тесла | т | Магнитная индукция, при которой магнитный поток сквозь поперечное сечение площадью 1 квадратный метр равен 1 веберу |
| Ток | I | в проводнике — скалярная величина, численно равная заряду , протекающему в единицу времени через сечение проводника. |
| Частота | F, f, ω | физическая величина, характеристика периодического процесса, равная числу полных циклов, совершённых за единицу времени |
| Фарада | F | Емкость конденсатора, между обкладками которого появляется напряжение в 1 вольт при заряде 1 кулон |
| Энергия | Е | физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие |
Существуют десятичные приставки, которые используются в названии величины и служат для упрощения описания. Самые распространенные из них: мега, мили, кило, нано, пико. В таблице приведены и остальные приставки, кроме названных.
| Десятичный множитель | Произношение | Обозначение (русское/международное) |
| 10-30 | куэкто | q |
| 10-27 | ронто | r |
| 10-24 | иокто | и/y |
| 10-21 | зепто | з/z |
| 10-18 | атто | a |
| 10-15 | фемто | ф/f |
| 10-12 | пико | п/p |
| 10-9 | нано | н/n |
| 10-6 | микро | мк/μ |
| 10-3 | милли | м/m |
| 10-2 | санти | c |
| 10-1 | деци | д/d |
| 101 | дека | да/da |
| 102 | гекто | г/h |
| 103 | кило | к/k |
| 106 | мега | M |
| 109 | гига | Г/G |
| 1012 | тера | T |
| 1015 | пета | П/P |
| 1018 | экза | Э/E |
| 1021 | зета | З/Z |
| 1024 | йотта | И/Y |
| 1027 | ронна | R |
| 1030 | куэкка | Q |
Сила тока в 1А – это величина, равная отношению заряда в 1 Кл, прошедшего за 1с времени через поверхность (проводник), к времени прохождения заряда через поверхность. Для протекания тока необходимо, чтобы цепь была замкнутой.
Сила тока измеряется в амперах. 1А=1Кл/1c
В практике встречаются
1кА = 1000А
1мА = 0,001А
1мкА = 0,000001А
Электрическое напряжение – разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Величина электрического потенциала измеряется в вольтах, следовательно, и напряжение измеряется в вольтах (В).
1Вольт – напряжение, которое необходимо для выделения в проводнике энергии в 1Ватт при протекании по нему тока силой в 1Ампер.
1В=1Вт/1А.
В практике встречаются
1кВ = 1000В
1мВ = 0,001В
Электрическое сопротивление – характеристика проводника препятствовать протеканию по нему электрического тока. Определяется как отношение напряжения на концах проводника к силе тока в нем. Измеряется в омах (Ом). В некоторых пределах величина постоянная.
1Ом – сопротивление проводника при протекании по нему постоянного тока силой 1А и возникающем при этом на концах напряжении в 1В.
Из школьного курса физики все мы помним формулу для однородного проводника постоянного сечения:
R=ρlS – сопротивление такого проводника зависит от сечения S и длины l
где ρ – удельное сопротивление материала проводника, табличная величина.
Между тремя вышеописанными величинами существует закон Ома для цепи постоянного тока.
Ток в цепи прямо пропорционален величине напряжения в цепи и обратно пропорционален величине сопротивления цепи – закон Ома.
I=U/R
Электрической емкостью называется способность проводника накапливать электрический заряд.
Емкость измеряется в фарадах (1Ф).
1Ф = 1Кл/1В
1Ф – это емкость конденсатора между обкладками которого возникает напряжение 1В при заряде в 1Кл.
В практике встречаются
1пФ = 0,000000000001Ф
1нФ = 0,000000001Ф
Индуктивность – это величина, характеризующая способность контура, по которому протекает электрический ток, создавать и накапливать магнитное поле.
Индуктивность измеряется в генри.
1Гн = (В*с)/А
1Гн – величина, равная ЭДС самоиндукции, возникающей при изменении величины тока в контуре на 1А в течение 1секунды.
В практике встречаются
1мГн = 0, 001Гн
Формула вычисления
В 1841 году английский ученый Джеймс Джоуль сформулировал закон для нахождения количественной меры теплового воздействия электрического тока. В 1842 году этот же закон был также открыт русским физиком Эмилием Ленцем. Из-за этого он получил двойное название закона Джоуля-Ленца. В общем виде закон записывается следующим образом: Q = I² • R • t.
Он имеет достаточно обобщенный характер, так как не имеет зависимости от природных сил, генерирующих ток. Сегодня этот закон активно применяется в быту. Например, для определения степени нагрева вольфрамовой нити, используемой в лампочках.
Закон Джоуля-Ленца
Закон Джоуля-Ленца определяет количество теплоты, выделяемое током. Но, тем не менее, это поможет узнать, по каким формулам вычисляется работа электрического поля. Всё потому, что она впоследствии проявляется в виде нагревания проводника. Это говорит о том, что работа тока равна теплоте нагревания проводника (A=Q). Работа эл тока, формула: А= I² • R • t. Это не единственная формула для нахождения работы. Если использовать закон Ома для участка цепи (I=U:R), то можно вывести еще две формулы: А=I•U•t или A=U²:R.
Вам это будет интересно Особенности конденсатора
Портреты Джоуля и Ленца
Общая формула для того, чтобы вычислять мощность, заключается в ее прямой пропорциональности работе и обратной зависимости от времени (P=A:t). Если говорить о мощности в электрическом поле, то исходя из предыдущих формул, можно составить целых три: Р= I² • R; Р=I•U; Р=U²:R.
Закон Ома для участка цепи
Интерпретация закона сохранения энергии. Закон Джоуля-Ленца
Закон Ома для однородного участка цепи при сопротивлении R отражает формула:
RI=U
Умножим обе части выражения на IΔt и получим соотношение:
RI2∆t=UI∆t=∆A.
Полученный результат является выражением закона сохранения энергии для однородного участка цепи.
Определение 2
Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.
∆Q=∆A=RI2∆t
Данный закон называется законом Джоуля-Ленца.
Закон носит название сразу двух известных физиков, поскольку экспериментальным путем был установлен ими обоими в независимости друг от друга.
Определение 3
Мощность электрического тока есть отношение работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была произведена.
Можно сказать проще: мощность – это работа, выполненная в единицу времени. Запишем формулу, связывающую работу тока и его мощность:
P=∆A∆t=UI=I2R=U2R
Работу электрического тока выражают в джоулях (Дж), мощность тока измеряется в ваттах (Вт), время – в секундах (с): 1 Вт=1 Дж1 с. Измерение мощности тока происходит при помощи ваттметра, а работа находится расчетно как результат перемножения силы тока, напряжения и времени протекания тока по цепи: A=IUt.
Следующей разберем полную цепь постоянного тока, включающую в себя источник с электродвижущей силой δ и внутренним сопротивлением rи внешний однородный участок с сопротивлением R.
Определение 4
Закон Ома для полной цепи выглядит так:
(R+r)I=δ
Нужна помощь преподавателя?Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!Описать задание
Перемножим обе части выражения с Δq=IΔt и получим соотношение, которое будет служить выражением закона сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:
RI2∆t+rI2∆t=δI∆t=∆Aст
Левая часть выражения содержит ΔQ=RI2Δt(тепло, которое выделяется на внешнем участке цепи за время Δt) и ΔQист=rI2Δt (тепло, которое выделяется внутри источника за такое же время).
Выражение δIΔt является равным работе сторонних сил ΔAст, которые действуют внутри источника.
Определение 5
При протекании электрического тока по замкнутой цепи происходит преобразование работы сторонних сил ΔAст в тепло, которое выделяется во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист).
∆Q+Qист=∆Aст=δI∆t
Необходимо отметить следующий факт: в указанное соотношение не включена работа электрического поля. Когда ток проходит по замкнутой цепи, электрическое поле работы не совершает; значит тепло производится лишь посредством сторонних сил, которые действуют внутри источника. Электрическое поле здесь выполняет перераспределение тепла между различными участками цепи.
Внешней цепью может служить не только проводник с сопротивлением R, но и какое-то устройство, которое потребляет мощность, к примеру, электродвигатель постоянного тока. Тогда R необходимо расценивать как эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, которая выделится во внешней цепи, имеет возможность частично или полностью преобразоваться как в тепло, так и в иные виды энергии, к примеру, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Таким образом, тема использования энергии источника тока имеет важное практическое значение.
Будет интересно➡ Гальванометр — что измеряет и как работает. Принцип работы гальванометра
Приборы для измерения тока
Электроизмерительные приборы — это особый вид устройств, которые используются для измерения многих электрических величин. К ним относятся:
- Амперметр переменного тока;
- Вольтметр переменного тока;
- Омметр;
- Мультиметр;
- Частометр;
- Электрические счетчики.
Амперметр
Чтобы определить силу тока в электрической цепи, необходимо применить амперметр. Данный прибор включается в цепь последовательным образом и из-за пренебрежимо малого внутреннего сопротивления не оказывает влияния на ее состояние. Шкала амперметра проградуирована в амперах.
В классическом приборе через электромагнитную катушку проходит измеряемый ток, который образует магнитное поле, заставляющее отклоняться магнитную стрелку. Угол отклонения прямо пропорционален измеряемому току.
Классический амперметр
Электродинамический амперметр имеет более сложный принцип работы. В нем находятся две катушки: одна подвижная, другая стоит на месте. Между собой они могут быть соединены последовательно или параллельно. При прохождении тока через катушки их магнитные поля начинают взаимодействовать, что в результате заставляет подвижную катушку с закрепленной на ней стрелкой отклониться на некоторый угол, пропорциональный величине измеряемого тока.
Вольтметр
Для определения величины напряжения (разности потенциалов) на участке цепи используют вольтметр. Подключаться прибор должен параллельно цепи и обладать высоким внутренним сопротивлением. Тогда лишь сотые доли силы тока попадут в прибор.
Школьный вольтметр
Принцип работы заключается в том, что внутри вольтметра установлена катушка и последовательно подключенный резистор с сопротивлением не менее 1кОм, на котором проградуирована шкала вольтов. Самое интересное, что на самом деле резистор регистрирует силу тока. Однако деления подобраны таким образом, что показания соответствуют значению напряжения.
Омметр
Данный прибор используют для определения электрически активного сопротивления. Принцип действия состоит в изменении измеряемого сопротивления в напрямую зависящее от него напряжение благодаря операционному усилителю. Нужный объект должен быть подключен к цепи обратной связи или к усилителю.
Вам это будет интересно Принцип действия и устройство магнитоуправляемого геркона
Если омметр электронный, то он будет работать по принципу измерения силы тока, протекающего через необходимое сопротивление при постоянной разности потенциалов. Все элементы соединяют последовательно. В этом случае сила тока будет иметь следующую зависимость: I = U/(r0 + rx), где U — ЭДС источника, r0 — сопротивление амперметра, rx — искомое сопротивление. Согласно этой зависимости и определяют сопротивление.
Электронный омметр
Мультиметр
Приведенные в пример приборы сегодня используют лишь в школах на уроках физики. Для профессиональных задач были придуманы мультиметры. Самое обычное устройство включает в себя одновременно функции амперметра, вольтметра и омметра. Прибор бывает как легко переносимым, так и огромным стационарным с большим количеством возможностей. Название «мультиметр» в первый раз было применено именно к цифровому измерителю. Аналоговые приборы чаще называют «авометр», «тестер» или просто «Цешка».
Универсальный мультиметр
Работа тока — сложная, но очень важная тема в электродинамике. Не зная ее, не получится решить даже простейших задач. Даже электрики используют формулы по нахождению работы для проведения необходимых подсчетов.
Что такое электрическая энергия?
В этом разделе мы подробнее рассмотрим электрическую энергию.
Распределения заряда
Представьте себе пустую комнату, поднося к ней один за другим электрические заряды. В результате у вас есть набор носителей заряда. Работа, которую вам пришлось проделать, теперь в какой-то мере содержится в этом наборе. То, какого рода эта энергия, здесь не имеет значения. Гораздо важнее тот факт, что это накопление оставляет электрический потенциал U (r) в каждой точке пространства.
Что делает этот электрический потенциал? Если теперь вы хотите перенести другой заряд с количеством заряда q в точку r, вы должны совершить работу Wэл : Wэл = q * U (r) .
Если мы также предположим, что электрический потенциал в месте расположения контейнера равен нулю, то этот электрический заряд q содержит работу Wэл, которую вы совершили в форме потенциальной энергии. И именно эта потенциальная энергия называется электрической.
Аналогия с гравитацией
Давайте немного углубимся в аналогию с гравитацией. Чтобы рассчитать потенциальную энергию, когда вы находитесь на высоте h над землей, вы используете формулу: Eпот, г = m * g * h. В этой формуле m означает массу, а g — ускорения свободного падения. Чтобы сделать аналогию с электрической энергией более очевидной, объединим произведение g * h с обозначением Ug, т.е. Ug = g * h .
Таким образом, потенциальная энергия равна: Eпот, г = m * Ug .
Давайте вкратце рассмотрим единицу измерения Ug. Единицей потенциальной энергии является джоуль, а единицей массы — килограмм. Таким образом, применяется [ Ug ] = Дж / кг .
Вы получите формулу для электрической энергии, если теперь замените m на электрический заряд q, а Ug на электрический потенциал U: Eпот, эл = q * U .
Давайте рассмотрим здесь также единицу измерения U. Электрическая энергия имеет единицу измерения джоуль, а q — единицу измерения кулон. Таким образом, [ U ] = Дж / Кл .
Рис. 1. Аналогия между электричеством и гравитацией
Теперь вы понимаете аналогию между «электрическим падением» и гравитацией? Если нет, то, возможно, вам поможет следующая таблица:
| Тип | Потенциальная энергия | Единица измерения «Потенциала» |
| Гравитация | Eпот, г = m * Ug | [ Ug ] = Дж / кг |
| Электричество | Eпот, эл = q * U | [ U ] = Дж / Кл |
Однако у электричества есть особенность, которая не имеет аналогии с гравитацией: «масса» может быть только положительной, а электрический заряд может быть положительным или отрицательным. Смартфон всегда ускоряется по направлению к земле, потому что гравитационный потенциал там ниже, чем на высоте h. Положительные электрические заряды ведут себя аналогично: они ускоряются от места с высоким электрическим потенциалом к месту с более низким электрическим потенциалом.
Итак, в отличие от «массы» и положительных электрических зарядов, отрицательные заряды движутся в направлении более высокого электрического потенциала.
Аккумуляторы
Представьте себе простую электрическую цепь: аккумулятор, подключен к лампочке. Как только электрическая цепь замыкается, электрическая энергия, содержащаяся в отрицательных зарядах на отрицательной клемме, преобразуется в кинетическую энергию — отрицательные заряды ускоряются. Проходя через лампочку, они сталкиваются с атомами нити накаливания. При этом отрицательные заряды отдают часть своей кинетической энергии атомам нити. Затем они приводятся в вибрацию, в результате чего нить накала нагревается. Это нагревание приводит к испусканию света. И именно этот свет ваш глаз воспринимает как свечение лампочки.
Примечание: преобразование энергии аккумулятор-лампа-цепь:
Электрическая энергия отрицательных зарядов -> кинетическая энергия отрицательных зарядов -> кинетическая энергия атомов в нити накаливания -> излучение света.
Рис. 2. Пример простой схемы с аккумулятором
Задача на определение мощности
Условие. Необходимо определить, чему равны работа и мощность электрического тока в обмотке электродвигателя. Известно, что сила тока в нем имеет значение 90 А при напряжении 450 В. Включенным электродвигатель остается на протяжении одного часа.
Решение. Сначала можно сосчитать значение работы. Для этого пригодится такая формула: А = U * I * t. Первые две величины даны в единицах СИ, а вот время снова нужно перевести в секунды, то есть взять 3600 с.
После подстановки значений и выполнения простых арифметических действий получается такое значение для работы: 145800000 Дж. Записать его в ответе удобнее в более крупных единицах. Например, мегаджоулях. Для этого результат нужно разделить на миллион. Работа оказывается равной 145,8 МДж.
Теперь нужно вычислить мощность электродвигателя. Расчеты будут выполняться по формуле: Р = U * I. После умножения получится число: 40500 Вт. Для того чтобы записать его в киловаттах, потребуется разделить результат на тысячу.
Ответ. А = 145,8 МДж, Р = 40,5 кВт.
Задача на вычисление напряжения
Условие. Электроплитка включена в сеть в течение 20 минут. Каково напряжение в сети, если при силе тока в 4 А работа оказывается равной 480 кДж?
Решение. Поскольку известны работа и сила тока, нужно использовать такую формулу: А = U * I * t. Здесь напряжение — неизвестный множитель. Его необходимо вычислить, как частное произведения и известного множителя, то есть: U = А /( I * t).
До проведения расчетов нужно перевести величины в единицы СИ. А именно, работу в Джоули и время в секунды. Это будут 480000 Дж и 1200 с. Теперь осталось все сосчитать.
Ответ. Напряжение равно 100 В.
Задача на определение работы
Условие. Сопротивление лампочки карманного фонарика равно 14 Ом. Напряжение, которое дает батарейка, составляет 3,5 В. Чему будет равна работа тока, если фонарик работал 2 минуты?
Решение. Поскольку известны напряжение, сопротивление и время, то необходимо воспользоваться такой формулой: А = (U2 * t)/R. Только сначала потребуется перевести время в единицы СИ, то есть секунды. Таким образом, в формулу нужно подставлять не 2 минуты, а 120 секунд.
Простые расчеты приводят к такому значению работы тока: 105 Дж.
Ответ. Работа равна 105 Дж.
