Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля—Ленца - Электрические явления

Эмилий Христианович Ленц родился 24 февраля 1804 г. в семье чиновника в Дерпте (ныне Тарту) в Эстонии. Благодаря усилиям матери он успешно окончил гимназию и поступил в университет.

Научная деятельность Ленца началась рано: после второго курса университета он по рекомендации ректора в качестве физика научной экспедиции отправляется в кругосветное плавание.

Э. X. Ленц заложил основы первой в России научной школы физиков-электротехников, из которой вышли впоследствии такие ученые, как А. С. Попов, Ф. Ф. Петрушевский, В. Ф. Миткевич и др.

Историческая справка

В 1843 г. Ленц после проведения тонких экспериментов независимо от Дж. Джоуля приходит к установлению закона теплового действия тока. На основании 16 серий измерений Ленц в статье «О законах выделения тепла гальваническим током» сдела т следующий вывод: нагревание проволоки гальваническим током пропорционально ее сопротивлению и квадрату силы тока.

Будущий великий американский изобретатель Томас Алва Эдисон посещал школу в родном поселке Милан в штате Огайо всего несколько месяцев. Учителей раздражало его упрямство, и мать стала заниматься с сыном дома. Он освоил престижную в то время профессию телеграфиста. Способный юноша научился посылать и принимать телеграммы с рекордной скоростью, но работать, ничего не изобретая, ему было не интересно. И он сделал приспособление к телеграфному аппарату, благодаря которому тот продолжал работать, даже когда Эдисон сладко спал в соседней комнате.

В возрасте 21 года Томас переехал в Бостон, где стал искать применение своим изобретениям. Очень скоро он приобрел известность как электрик, в совершенстве знающий телеграфные аппараты.

Создание системы электрического освещения стало одним из главных достижений Эдисона. Трудиться над ней он начал в 1878 г., будучи еще молодым. Эта работа длилась немногим более года. Предложения, связанные с изготовлением электрической лампы накаливания, делались и ранее, в том числе выдающимся русским электротехником Александром Николаевичем Лодыгиным. Эдисон внес в конструкцию лампы много важных усовершенствований. Он добился значительно лучшего удаления воздуха из лампы, благодаря чему накаленная нить светилась, не перегорая, в течение многих недель. 1 января 1880 г. на демонстрацию новой системы освещения в Менло-Парк были приглашены три тысячи человек: государственные деятели, ученые, журналисты, бизнесмены. Показ электрического освещения домов и улиц прошел очень удачно.

Схема для запоминания закона Джоуля—Ленца

Задачи на перевод единиц измерения в СИ

0,5 кДж = 500 Дж

20 мин = 1 200 с

45 мкКл = 0,000045 Кл

450 мА = 0,45 А

0,4 кВ = 400 В

0,9 МВт = 900 000 Вт

1,5 ч = 5 400 с

700 кОм = 700 000 Ом

2 МОм = 2 000 000 Ом

Качественные задачи и вопросы

1. Нихромовый проводник заменили константановым таких же размеров. Как при этом изменилась мощность плитки? (Мощность плитки увеличилась.)

2. Как изменяется мощность лампочки при ее длительной работе? (Мощность лампочки уменьшается, так как при работе лампочки вольфрамовая нить испаряется, площадь сечения уменьшается, сопротивление увеличивается.)

3. Как изменяется количество теплоты, выделяющееся в проводнике, включенном в сеть с неизменным напряжением, при уменьшении длины проводника в два раза, увеличении в четыре раза? (Количество теплоты увеличивается в два раза. При увеличении длины проводника в четыре раза количество теплоты уменьшается в четыре раза.)

4. Как изменится работа электрического тока в проводнике при замене проводника на провод, сечение которого в два раза больше? (Работа электрического тока увеличится в два раза.)

5. Две лампочки сначала соединили последовательно, а затем параллельно. В каком случае выделяется мощность больше, если лампочки включали в сеть напряжением 200 В? (При последовательном соединении общее сопротивление лампочек равно 2 R, при параллельном соединении лампочек общее сопротивление равно R/2. Следовательно, мощность при параллельном соединении в четыре раза больше, чем при последовательном соединении лампочек.)

6. Две лампочки сначала соединили последовательно, а затем параллельно. В каком случае мощность соединения больше, если лампочки включали в сеть, сила тока в которой 200 мА? (При последовательном соединении общее сопротивление лампочек равно 2 R, при параллельном соединении лампочек общее сопротивление равно RJ2. Следовательно, мощность при параллельном соединении в четыре раза меньше, чем при последовательном соединении лампочек.)

Задачи с техническим содержанием

1. Плавкий предохранитель рассчитан на силу тока 10 А. Можно ли включать в сеть напряжением 220 В потребитель мощностью 10 кВт? (Нет, сила тока в приборе превышает допустимую в 4,5 раза.)

2. Электродвигатель троллейбуса питается током силой 200 А под напряжением 600 В. Определите мощность электродвигателя троллейбуса. Какую работу он совершает за 2 ч? (120 кВт, 864 МДж.)

3. В двухлитровом электрическом чайнике мощностью 1 кВт вода закипает за 20 мин, тогда как в чайнике мощностью 3 кВт это заняло бы 5 мин. Почему невыгодны маломощные при боры? (Вследствие увеличения времени нагревания увеличиваются потери путем конвекции, теплопроводности, излучения.)

4. В электрической печи, сопротивление спирали которой 10 Ом, нагревают 10 кг стальных деталей. До какой температуры нагреются за 20 мин детали, взятые при температуре плавления льда в нормальных условиях, если печь подключить в сеть напряжением 220 В, а ее КПД 30 %? (350 °С.)

Задачи для любителей литературы

1. «Помещение было без окон и освещалось одной-единственной электрической лампочкой, висевшей высоко под потолком. Лампочка была тусклая и светила, как говорится, только себе под нос...» (Носов Н. Н. Незнайка на Луне).

А какая лампочка светит ярче: мощностью 40 или 100 Вт при одинаковом напряжении? (Лампочка мощностью 100 Вт светит ярче. Но если эти лампочки рассчитаны на напряжение 200 В, а вы подключаетесь к источнику питания 4 В, то эти лампочки вообще светить не будут.)

По загадкам

2. Провели под потолок

Удивительный шнурок,

Привинтили пузырек -

Загорелся огонек. (Провод с лампочкой.)

Что происходит внутри лампочки при включении ее в электрическую цепь? Почему вольфрамовая ниточка нагревается сильно, а подводящие провода нет? (При прохождении тока через спираль лампочки она нагревается и при этом накаляется до температуры около 3 000 °С. Так как площадь сечения нити очень маленькая и удельное сопротивление вольфрама почти в два раза больше, чем алюминия, и в три раза больше, чем меди, то сопротивление у нее очень большое по сравнению с подводящими проводами. Закон Джоуля-Ленца и объясняет ее большее нагревание.)

3. Гладит все, чего касается,

А дотронешься - кусается. (Утюг.)

Какое количество теплоты выделяет утюг за 10 мин, если его мощность 1 кВт? (600 кДж.)

4. В полотняной стране

По реке-простыне

Плывет пароход

То назад, то вперед.

То назад, то вперед

Проплывает пароход.

Остановишь - горе:

Продырявишь море! (Утюг.)

Какие проводники используют в утюгах в качестве нагревательного элемента? (С большим удельным сопротивлением и, кроме того, выдерживающие нагревание до высокой температуры.)

5. Дом - стеклянный пузырек.

И живет в нем огонек!

Днем он спит, а как проснется,

Ярким пламенем зажжется. (Лампочка.)

Каковы мощность и сопротивление лампочки, если при напряжении 200 В сила тока в ней 2 А? (400 Вт, 100 Ом.)

6. Мигнет, моргнет,

В пузырек нырнет,

В пузырьке - под козырек.

Ночью в комнате денек. (Спираль накаливания электролампочки.)

Сопротивление лампочки 0,2 кОм. Ее включили в сеть напряжением 200 В. Какое количество теплоты выделится в лампочке за 10 мин? Какова мощность этой лампочки? (120 кДж, 200 Вт.)

7. Золотая птичка

Вечером в дом влетает -

Весь дом освещает. (Электрическая лампочка.)

Кто изобрел электрическую лампочку? (Изобретателями электрической лампочки считаются русский инженер А. Н. Лодыгин и американский изобретатель Т. А. Эдисон.)

8. Висит груша - нельзя скушать.

Не бойся - тронь,

Хоть внутри и огонь. (Лампочка.)

Определите сопротивление электрической лампочки, если на ее баллоне написано 60 Вт, 220 В. 807 Ом.)

Сколько энергии тратится на освещение комнаты этой лампочкой за 1 час? (216 кДж.)

9. Очень строгий контролер

Со стены глядит в упор,

Смотрит, не моргает:

Стоит только свет зажечь

Иль включить в розетку печь -

Все на ус мотает. (Электросчетчик.)

А что «мотает на ус» электросчетчик? (Расход электрической энергии.)

Физические эксперименты

1. Определение мощности прибора.

Приборы и материалы: источник тока; амперметр; вольтметр; соединительные провода; две-три лампочки разной мощности; звонок; ключ.

Задание: соберите цепь, соединив последовательно источник тока, амперметр, лампочку, ключ и соединив параллельно лампочке вольтметр. Измерьте силу тока и напряжение и рассчитайте мощность. Заменив лампочку на другую, а потом на звонок, повторите измерения и вычисления.

Номер опыта	I, А	U, В	N, Вт
1	0,2	1	0,2
2	0,25	1,5	0,375
3	0,15	2	0,3

2. Наблюдение за нагреванием воды.

Приборы и материалы: источник тока; амперметр; вольтметр; соединительные провода; ключ; резистор сопротивлением 4 Ом на подвеске; термометр; калориметр с водой; мензурка; часы.

Задание: соберите цепь, соединив последовательно источник тока, амперметр, резистор, ключ и параллельно резистору вольтметр. Измерьте силу тока и напряжение и рассчитайте мощность. Опустите резистор в сосуд с водой и, подключив в сеть, измерьте температуру воды через 5, 10, 15 мин. Рассчитайте количество теплоты, которое получила вода и какое выделил резистор. Объясните, почему они различаются. (Различие в количестве теплоты объясняется выделением теплоты в окружающую среду.)

Номер опыта	I, А	U, В	Т, с	Δt, °С
1	0,25	1	300	28
2	0,25	1	600	32
3	0,25	1	900	37

Проверка знаний и умений.

Индивидуальные карточки-задания

1	2
1. Определите мощность электрического тока, если сила тока в цепи 200 мА. (0,6 Вт.) 2. Никелиновая проволока длиной 100 м и сечением 2 мм2 включена в цепь напряжением 200 В. Определите энергию электрического тока за 5 мин. (600 кДж.)	1. Определите количество теплоты, которое выделится в двух лампочках сопротивлением по 100 Ом, включенных в цепь параллельно. Сила тока 40 мА, время работы 10 мин. (48 Дж.) 2. Определите работу электрического тока за 5 мин в цепи, если напряжение в цепи 30 В. (4 500 Дж.)
3	4
1. Определите работу электрического тока за 10 мин, если напряжение в цепи 60 В. (144 кДж.) 2. Сила тока в цепи проводника 300 мА, напряжение 6 В. Определите длину проводника, сделанного из константана, если его сечение 3 мм2. (120 м.)	1. Определите мощность тока, если напряжение в цепи 10 В. (≈ 6,7 Вт) 2. Мощность электролампы, рассчитанной на напряжение 200 В, 100 Вт. Определите силу тока в лампе и ее сопротивление. (0,5 А; 4 000 м.)