Глава 7. Электрический ток

§ 57. Работа электрического тока. Закон Джоуля—Ленца

От каких физических величин зависит механическая работа?

Что характеризует КПД двигателя?

Как проявляется тепловое действие электрического тока?

1. Рассматривая примеры действия электрического тока (теплового, магнитного, химического), мы под действиями понимали различные результаты работы электрического тока. Нагревание металлического проводника, притяжение металлических предметов, поворот рамки с током и т. д. — всё это примеры работы электрического тока. Во всех этих случаях энергия одного вида (энергия электрического поля или электрическая энергия) превращалась в энергию другого вида (внутреннюю, механическую и т. д.).

2. Понятие работы, как и мощности, было уже введено в механике. Как можно рассчитать работу электрического тока, используя электрические величины? Поскольку работа равна мощности, умноженной на время, в течение которого совершается эта работа, т. е. А = Pt, то формулу для работы электрического тока можно записать так:

А = UIt.

Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.

Единицей работы, как вы знаете, является джоуль (1 Дж). Эту единицу можно выразить через электрические единицы:

[А] = 1 Дж = 1 Вт • 1 с = 1 В • А • с.

В практике работу часто выражают не в джоулях, а в других единицах: ватт-час (1 Вт • ч), киловатт-час (1 кВт • ч).

3. Для измерения работы электрического тока можно воспользоваться тремя приборами: амперметром, вольтметром и часами. Но в реальной жизни для измерения работы электрического тока пользуются специальными приборами — счётчиками электрической энергии.

4. Прохождение электрического тока по проводнику всегда сопровождается нагреванием проводника. Нагревание происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах или ионы в проводящих ток растворах сталкиваются с молекулами или атомами проводника и отдают им свою энергию. Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника.

В неподвижных металлических проводниках, как показывают опыты, вся работа тока идёт на увеличение внутренней энергии. Проводники при этом нагреваются. Следовательно, количество теплоты, выделяющееся в проводнике, равно работе тока:

Q = A или Q = UIt.

5. Очевидно, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике, должно зависеть от сопротивления проводника. Чем больше сопротивление, тем «труднее» двигаться зарядам в проводнике, тем большая часть электрической энергии будет превращаться во внутреннюю энергию. Поэтому, пользуясь законом Ома, преобразуем формулу Q = UIt. Так как U = IR, то получим:

Q = IRIt

или

Q = I²Rt.

Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Эта зависимость впервые была обнаружена экспериментально одновременно двумя учёными: английским учёным Джеймсом Джоулем (1818—1889) и русским учёным Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 —1865). Поэтому данный закон называют законом Джоуля—Ленца.

Окончание >>>