Travail du courant électrique

Attaché au circuit illustré à la figure 1 est pression constante U.

U = φA – φB

Pendant t quantité d'électricité qui circule dans le circuit Q. Les forces du champ électrique agissant le long du conducteur ont transféré la charge pendant ce temps Q du point UN exactement B. Le travail des forces du champ électrique ou, ce qui revient au même, le travail courant électrique peut être calculé à l'aide de la formule :

UN = Q × ( φA – φB) = Q × U,

Parce que Q = je × t, enfin:

UN= U × je × t,

Où UN– travail en joules ; je– courant en ampères ; t– temps en secondes ; U– tension en volts.

D'après la loi d'Ohm U = je × r. Par conséquent, la formule de travail peut s’écrire ainsi :

UN = je 2× r × t.

Puissance électrique

Le travail effectué par unité de temps est appelé puissance et est désigné par la lettre P..

De cette formule nous avons :

UN = P. × t.

Unité de puissance:

1 (J/sec) est autrement appelé un watt (W). En substituant l'expression du travail du courant électrique dans la formule de puissance, nous avons :

P. = U × je(W).

La formule de la puissance électrique peut également être exprimée en termes de consommation de courant et de résistance du consommateur :

En plus du watt, des unités de mesure de puissance électrique plus grandes sont utilisées dans la pratique. Pouvoir électrique mesuré en :

100 W = 1 hectowatt (gW) ;
1 000 W = 1 kilowatt (kW) ;
1 000 000 W = 1 mégawatt (MW).

La puissance électrique est mesurée par un appareil spécial - un wattmètre. Le wattmètre comporte deux enroulements (bobines) : série et parallèle. La bobine série est une bobine de courant et est connectée en série avec la charge dans la section du circuit où les mesures sont effectuées, et la bobine parallèle est une bobine de tension et, par conséquent, elle est connectée en parallèle à cette charge. Le principe de fonctionnement d'un wattmètre repose sur l'interaction de deux flux magnétiques créés par le courant circulant dans l'enroulement d'une bobine mobile (bobine de courant) et le courant traversant une bobine fixe (bobine de tension). Lorsque le courant mesuré traverse les enroulements des bobines mobiles et fixes, deux champs magnétiques se forment, pendant l'interaction desquels la bobine mobile a tendance à se positionner de manière à ce que sa direction champ magnétique coïncidait avec la direction du champ magnétique de la bobine stationnaire. Le couple est contrecarré par le couple créé par les ressorts hélicoïdaux, à travers lesquels le courant mesuré est conduit dans la bobine mobile. Le moment antagoniste des ressorts est directement proportionnel à l’angle de rotation de la bobine. Une flèche montée sur une bobine mobile indique la valeur de la grandeur mesurée. Le schéma de connexion du wattmètre est illustré à la figure 2.

Si vous décidez de mesurer la consommation électrique de n'importe quelle charge dont vous disposez et que vous n'avez pas de wattmètre, vous pouvez « fabriquer » un wattmètre de vos propres mains. De la formule P. = je × U On peut voir que la puissance consommée dans le réseau peut être déterminée en multipliant le courant par la tension. Par conséquent, pour déterminer la puissance consommée sur le réseau, deux instruments doivent être utilisés, un voltmètre et un ampèremètre. Après avoir mesuré la consommation de courant avec un ampèremètre et la tension du réseau d'alimentation avec un voltmètre, il est nécessaire de multiplier la lecture de l'ampèremètre par la lecture du voltmètre.

Ainsi, par exemple, la puissance consommée par la résistance r, avec un ampèremètre de 3 A et un voltmètre de 220 V, ce sera :

P. = je × U= 3 × 220 = 660 W.

Pour des mesures pratiques travaux électriques(énergie) joule est une unité trop petite.

Si le temps t remplacez-le non pas en secondes, mais en heures, nous obtenons des unités plus grandes énergie électrique:

1 J = 1 W × seconde ;
1 W × h = 3 600 watts × secondes = 3 600 J ;
100 W × h = 1 hectowatt × heure (gW × h) ;
1 000 W × h = 1 kilowatt × heure (kW × h).

L'énergie électrique est mesurée par des compteurs d'énergie électrique.

Vidéo 1. Fonctionnement et puissance du courant électrique

Vidéo 2. Un peu plus sur le pouvoir

Exemple 1. Déterminez la puissance consommée par le moteur électrique si le courant dans le circuit est de 8 A et que le moteur est connecté à un réseau 220 V.

P. = je × U= 8 × 220 = 1 760 W = 17,6 GW = 1,76 kW.

Exemple 2. Quelle est la puissance consommée par une cuisinière électrique si la cuisinière tire un courant de 5 A du réseau et que la résistance de la bobine du poêle est de 24 ohms ?

P. = je 2× r= 25 × 24 = 600 W = 6 gW = 0,6 kW.

Lors de la conversion de la puissance mécanique en puissance électrique et vice versa, il ne faut pas oublier que
1 puissance (ch) = 736 W ;
1 kilowatt (kW) = 1,36 litre. Avec.

Exemple 3. Déterminez l’énergie consommée par une cuisinière électrique de 600 W sur 5 heures.

UN = P. × t= 600 × 5 = 3 000 W × h = 30 gW × h = 3 kW × h

Exemple 4. Déterminez le coût de combustion de douze lampes électriques pendant un mois (30 jours), si quatre d'entre elles, de 60 W chacune, brûlent 6 heures par jour et que les huit lampes restantes, de 25 W chacune, brûlent 4 heures par jour. Prix ​​​​de l'énergie (tarif) 2,5 roubles pour 1 kW × h.

Puissance de quatre lampes de 60 W chacune.

P.= 60 × 4 = 240 W.

t= 6 × 30 = 180 heures.

UN = P. × t= 240 × 180 = 43 200 W × h = 43,2 kW × h.

La puissance des huit lampes restantes est de 25 W chacune.

P.= 25 × 8 = 200 W.

Nombre d'heures de fonctionnement de ces lampes par mois :

t= 4 × 30 = 120 heures.

Énergie consommée par ces lampes :

UN = P. × t= 200 × 120 = 24 000 W × h = 24 kW × h.

Quantité totale d'énergie consommée :

43,2 + 24 = 67,2 kW × h

Coût de toute l’énergie consommée :

67,2 × 2,5 = 168 roubles.

§ 22. Travail et puissance du courant électrique

La capacité du corps à produire du travail s'appelle l'énergie de ce corps. Par exemple, une charge élevée en hauteur possède une certaine quantité d’énergie et produit du travail en tombant. Le travail est mesuré en joules ( j). Plus l'énergie du corps est grande bon travail peut produire ce corps lors de son mouvement.
L'énergie ne disparaît pas, mais passe d'une forme à une autre. Par exemple, l’énergie électrique peut être convertie en énergie mécanique, thermique, chimique, etc.
Pour transférer des charges dans un circuit fermé, une source d’énergie électrique dépense une énergie connue égale au produit de e. d.s. source sur la quantité d'électricité transférée à travers ce circuit, c'est-à-dire UN 0 = Éq.
Cependant, toute l'énergie n'est pas utile, c'est-à-dire que tout le travail effectué par la source d'énergie n'est pas communiqué au récepteur d'énergie, puisqu'une partie est consacrée à surmonter résistance interne source et fils. Ainsi, la source d'énergie électrique produit travail utile, égal à

UN = U q,

Où U- tension aux bornes du récepteur, V.
À courant constant, la quantité d'électricité est égale au produit du courant dans le circuit et du temps qu'il passe, c'est-à-dire

q = Il,

alors la formule de travail peut être présentée comme suit :

UN = U je t, (28)

c'est à dire. Le travail effectué par un courant électrique est égal au produit de la tension, de l'intensité du courant dans le circuit et du temps de parcours..

Si l'on exprime la tension aux bornes d'une section du circuit comme le produit de l'intensité du courant et de la résistance de cette section, c'est-à-dire

U = Ir,

alors la formule de travail peut s'écrire comme suit :

UN = je 2 r t. (29)

Cependant, aucune des formules ci-dessus ne détermine la taille du générateur d'énergie électrique à partir duquel ce travail est obtenu, puisque les grands et les petits générateurs peuvent produire le même travail, mais à des intervalles de temps différents. Par conséquent, la taille du générateur n'est pas déterminée par le travail effectué, mais par sa puissance. Ceci s'applique à tout appareil et machine électrique (moteurs électriques, lampes électriques, appareils de chauffage, etc.).
La puissance est le travail effectué (ou consommé) en une seconde.. La puissance peut être représentée par la formule suivante :

Si dans les formules de travail et de puissance, la tension est exprimée en volts, le courant en ampères, la résistance en ohms et le temps en secondes, alors le travail est exprimé en newton-mètres ou en watt-secondes ( watt-seconde), soit en joules ( j), et la puissance est en watts ( Mar).
Pour mesurer les faibles puissances, on utilise une unité mille fois plus petite que 1 Mar, appelé milliwatt ( mw); 1 Mar = 1000 mw. Pour mesurer les puissances élevées, on utilise une unité mille fois supérieure au watt, appelée kilowatt ( kW); 1 kW = 1000 Mar.
Le watt-seconde (joule) étant une petite unité, le travail est généralement exprimé en unités plus grandes : les wattheures ( Wh) et kilowattheures ( kWh). La relation entre ces unités et le joule est la suivante : 1 Wh = 3600 j; 1 kWh = 3 600 000 j.
Alimentation dans le circuit externe sous tension U aux bornes du générateur est égal au produit de la tension et du courant, c'est-à-dire

P = U je.

Avec une très faible résistance externe, le courant dans le circuit est élevé et la tension aux bornes du générateur est faible. Si la résistance du circuit externe est nulle, alors la tension aux bornes du générateur U est également nulle, d'où la puissance R., donné au circuit externe, est égal à zéro.
Avec une très grande résistance externe (lorsque le circuit externe est ouvert, sa résistance est infiniment grande), le courant dans le circuit est nul. La puissance fournie au circuit externe est également nulle dans ce cas. Ainsi, avec une augmentation de la résistance du circuit externe, la puissance augmente d'abord de zéro à une valeur la plus élevée (maximale), puis diminue jusqu'à zéro.
Résistance du circuit externe r, à laquelle la source d'énergie délivre la plus grande puissance au récepteur, est égale à la résistance interne de la source, c'est-à-dire r = r 0 .
Cependant, il faut garder à l'esprit que si la résistance interne du générateur est égale à la résistance du circuit externe, la puissance utile du générateur est insuffisante et son fonctionnement dans de telles conditions n'est pas économique, puisque la moitié de la puissance totale développée par le générateur est consacré à vaincre sa résistance interne.

Le courant électrique lui-même n’est pas nécessaire. Ce n’est pas le courant lui-même qui est important, mais son effet.

L'action du courant électrique est caractérisée par le travail du courant électrique.

Le travail est une quantité qui caractérise la transformation de l'énergie d'un type à un autre.

Par exemple, il y avait de l'énergie cinétique, mais elle est devenue de l'énergie potentielle, c'est-à-dire que le corps était en mouvement, puis il s'est arrêté et s'est élevé jusqu'à une certaine hauteur.

Quant au courant électrique, nous connaissons déjà le mouvement des charges électriques le long d'un conducteur et que ce mouvement se produit sous l'influence d'un champ électrique, c'est-à-dire que le travail est effectué par un champ électrique. Et le travail dans ce cas montre comment l'énergie d'un type, par exemple l'énergie du courant électrique, sera convertie en d'autres types d'énergie - mécanique, thermique, etc.

Le travail du courant électrique est principalement associé à la notion de tension et de courant électriques.

Le travail effectué par le champ électrique est le produit de la tension électrique et de la charge circulant dans le conducteur.

Cette affirmation est dérivée de la relation avec la tension électrique.

La tension électrique est le travail effectué par un champ électrique pour transférer la charge électrique q.

La charge est le produit du courant et du temps pendant lequel cette charge traverse le conducteur.

Cette affirmation découle de la relation pour la force actuelle.

Le courant est le rapport entre la charge et le temps pendant lequel la charge traverse un conducteur à travers la section transversale du conducteur.

Substitution dans la formule de définition du travail , on obtient une expression pour calculer le travail d'un courant électrique, le travail d'un champ électrique sur le mouvement d'une charge électrique.

Travail - 1 Joule ou 1 J ;

Tension - 1 Volt ou 1 V ;

Intensité du courant - 1 Ampère ou 1 A ;

Temps - 1 seconde ou 1 s.

Définition

Travail du courant électrique est égal au produit de l'intensité du courant dans une section du circuit, de la tension aux extrémités de cette section et du temps pendant lequel le courant traverse le conducteur.

Le fonctionnement du courant électrique est associé à des dispositifs permettant de déterminer les valeurs de ces grandeurs.

La tension est déterminée par un appareil appelé voltmètre. Et pour mesurer la force actuelle, ils utilisent ampèremètre(Fig. 1).

Riz. 1. Images de voltmètre et d'ampèremètre

En allumant ces deux appareils circuit électrique En observant les lectures de ces instruments, en déterminant le temps pendant lequel les mesures sont prises, on détermine la valeur du travail du courant électrique. .

Veuillez noter que le paiement que nous effectuons pour l'électricité est un paiement spécifiquement destiné au fonctionnement du courant électrique. L'action du courant électrique est la même que celle utilisée dans la technologie, comme les appareils de chauffage, les appareils utilisés dans la vie quotidienne (téléviseurs, radios, etc.).

Le travail est mesuré à l'aide d'un ampèremètre et d'un voltmètre, mais il existe néanmoins un appareil distinct qui est immédiatement capable de mesurer le travail du courant électrique.

Dans la prochaine leçon, nous présenterons le concept de pouvoir.

Bibliographie

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Devoirs

1. P. 50, questions 1 à 4, p. 119, tâche 24 (1). Perychkine A.V. Physique 8. - M. : Outarde, 2010.
2. Un courant de 0,5 A traverse un rhéostat avec une résistance de 5 Ohms. Il est nécessaire de déterminer la quantité de travail que le courant produira en 4 heures (14 400 secondes).
3. Quels instruments peuvent être utilisés pour mesurer le travail d'un champ électrique ?

La puissance de l'appareil est-elle calculée ? Ou peut-être que ce dernier peut être mesuré ? Et comment appliquer les connaissances acquises lors de la résolution de problèmes ?

De telles questions se posent à de nombreux élèves de huitième année lorsqu'ils étudient le thème « Électricité ». La réponse est assez simple. Et vous n’aurez pas à mémoriser les formules pendant longtemps. Parce qu’ils sont très similaires les uns aux autres ou utilisent ceux qui ont déjà été étudiés auparavant.

Première quantité : travaux en cours

Nous devons d’abord nous mettre d’accord sur la notation. Parce qu'il peut y avoir des différences entre eux.

Chacun crée un champ électrique qui provoque le déplacement des électrons libres. Autrement dit, un courant apparaît. À ce moment-là, on dit que le champ électrique fonctionne. C’est ce qu’on appelle communément les travaux actuels.

Le champ électrique créé par une source de courant est caractérisé par la tension. Cela affecte la quantité de travail effectué par un courant électrique lors du déplacement d’une charge unitaire. Par conséquent, une formule pour la tension est introduite :

Il est facile d’en déduire la formule de travail :

Il convient maintenant de rappeler l’égalité introduite pour la force actuelle. Il est égal au rapport de la charge transférée au temps de son mouvement :

Donc q = I * t. Remplacer la lettre q dans la formule pour fonctionner dernière expression, on obtient la formule suivante :

Il s'agit d'une forme générale d'égalité par laquelle le travail d'un courant électrique peut être calculé. La formule changera légèrement si la loi d'Ohm est appliquée. Selon lui, la tension est égale au produit du courant et de la résistance. Alors l’égalité suivante sera vraie :

A = je 2 * R * t.

Vous pouvez remplacer non pas la tension, mais le courant. Il est égal au quotient de U et R. La formule de travail ressemblera alors à ceci :

A = (U2 * t)/R.

Deuxième grandeur : puissance actuelle

La formule générale est la même qu’en mécanique. Autrement dit, il est défini comme le travail effectué par unité de temps.

Cela montre que le travail et la puissance du courant électrique sont interconnectés. Pour obtenir une égalité plus précise, vous devrez remplacer le numérateur par la formule générale avec laquelle travailler. Ensuite, il devient clair comment déterminer la puissance, connaissant l'intensité du courant et la tension du circuit.

De plus, la puissance peut être mesurée. Il existe à cet effet un appareil spécial appelé wattmètre.

Loi Joule-Lenz

Le phénomène d'échauffement des conducteurs a été découvert par le scientifique français A. Fourquois. Cela s'est produit en 1880. 41 ans plus tard, il fut décrit par le physicien anglais J.P. Joule et un an plus tard confirmé expérimentalement par le physicien russe E.H. Lenz. C'est par les noms des deux derniers scientifiques qu'ils ont commencé à appeler le modèle découvert.

Cela implique deux grandeurs : la quantité de chaleur et le travail du courant électrique. La loi Joule-Lenz stipule que tout le travail dans un conducteur fixe sert à le chauffer. Autrement dit, un conducteur transportant du courant émet une quantité de chaleur égale au produit de sa résistance, du temps et du carré du courant. La formule ressemble à celle donnée pour travailler :

Q = Je 2 * R * t.

Tâche de définition de travail

Condition. La résistance d'une ampoule de lampe de poche est de 14 ohms. La tension fournie par la batterie est de 3,5 V. Quel sera le travail effectué par le courant si la lampe de poche fonctionnait pendant 2 minutes ?

Solution. La tension, la résistance et le temps étant connus, il faut utiliser la formule suivante : A = (U 2 * t)/R. Vous devez d’abord convertir le temps en unités SI, c’est-à-dire en secondes. Ainsi, vous devez remplacer non pas 2 minutes, mais 120 secondes dans la formule.

Des calculs simples conduisent à la valeur suivante pour les travaux en cours : 105 J.

Répondre. L'ouvrage est de 105 J.

Problème de détermination de la puissance

Condition. Il est nécessaire de déterminer à quoi sont égaux le travail et la puissance du courant électrique dans l'enroulement du moteur électrique. On sait que l'intensité du courant y est de 90 A à une tension de 450 V. Le moteur électrique reste allumé pendant une heure.

Après avoir remplacé les valeurs et effectué des opérations arithmétiques simples, la valeur de travail suivante est obtenue : 145800000 J. Il est plus pratique de l'écrire dans la réponse en unités plus grandes. Par exemple, les mégajoules. Pour ce faire, le résultat doit être divisé par un million. Le travail s'avère être de 145,8 MJ.

Vous devez maintenant calculer la puissance du moteur électrique. Les calculs seront effectués selon la formule : P = U * I. Après multiplication, le nombre obtenu est : 40500 W. Pour l'écrire en kilowatts, vous devez diviser le résultat par mille.

Répondre. A = 145,8 MJ, P = 40,5 kW.

Problème de calcul de tension

Condition. La cuisinière électrique est branchée depuis 20 minutes. Quelle est la tension dans le réseau si, à un courant de 4 A, le travail est égal à 480 kJ ?

Solution. Puisque le travail et l'intensité du courant sont connus, vous devez utiliser la formule suivante : A = U * I * t. Ici, la tension est un facteur inconnu. Il doit être calculé comme le quotient du produit et d'un facteur connu, soit : U = A / (I * t).

Avant d'effectuer des calculs, vous devez convertir les valeurs en unités SI. A savoir, le travail en Joules et le temps en secondes. Ce sera 480 000 J et 1 200 s. Il ne reste plus qu'à tout compter.

Répondre. La tension est de 100 V.

Comment calculer le travail effectué par le courant électrique ? Nous savons déjà que la tension aux extrémités d'une section du circuit est numériquement égale au travail effectué lorsqu'une charge électrique de 1 C traverse cette section. Lorsqu'une charge électrique traversant la même zone n'est pas de 1 C, mais par exemple de 5 C, le travail effectué sera 5 fois plus important. Ainsi, pour déterminer le travail du courant électrique sur n'importe quelle section du circuit, la tension aux extrémités de cette section du circuit doit être multipliée par charge électrique(quantité d'électricité) qui le traverse :

où A est le travail, U est la tension, q est la charge électrique. La charge électrique traversant une section du circuit peut être déterminée en mesurant l'intensité du courant et le temps qu'il passe :

En utilisant cette relation, nous obtenons une formule pour le travail du courant électrique, qui est pratique à utiliser dans les calculs :

Le travail d'un courant électrique sur une section d'un circuit est égal au produit de la tension aux extrémités de cette section par l'intensité du courant et le temps pendant lequel le travail a été effectué.

Le travail se mesure en joules, la tension en volts, le courant en ampères et le temps en secondes, on peut donc écrire :

1 joule = 1 volt x 1 ampère x 1 seconde,

1 J = 1 VA s.

Il s'avère que pour mesurer le travail du courant électrique, trois instruments sont nécessaires : un voltmètre, un ampèremètre et une horloge. En pratique, le travail du courant électrique est mesuré à l'aide d'instruments spéciaux - compteurs. La conception du compteur semble combiner les trois dispositifs cités ci-dessus. Des compteurs électriques sont désormais visibles dans presque tous les appartements.

Exemple. Quelle quantité de travail le moteur électrique effectue-t-il en 1 heure si le courant dans le circuit du moteur électrique est de 5 A et la tension à ses bornes est de 220 V ? Rendement du moteur 80%.

Écrivons les conditions du problème et résolvons-le.

Des questions

1. Quelle est la tension électrique aux bornes de la section du circuit ?
2. Comment pouvons-nous exprimer le travail du courant électrique dans cette section par la tension et la charge électrique traversant une section d’un circuit ?
3. Comment exprimer le travail du courant en termes de tension, de courant et de temps ?
4. Quels instruments mesurent le travail du courant électrique ?

Exercice 34

1. Quelle quantité de travail le courant électrique dans le moteur électrique effectue-t-il en 30 minutes si le courant dans le circuit est de 0,5 A et la tension aux bornes du moteur est de 12 V ?
2. La tension sur la spirale d'une ampoule provenant d'une lampe de poche est de 3,5 V, la résistance de la spirale est de 14 Ohms. Quelle quantité de travail le courant fait-il dans l’ampoule en 5 minutes ?
3. Deux conducteurs, chacun avec une résistance de 5 ohms, sont connectés d'abord en série puis en parallèle, et dans les deux cas ils sont connectés à une tension de 4,5 V. Dans ce cas, le travail effectué par le courant sera plus important pour le même temps et combien de fois ?