Anwendung erkunden elektrischer Strom, müssen Sie in der Lage sein, die Strommenge zu berechnen, die für eine bestimmte Aktion aufgewendet wird – Wasser in einem Wasserkocher erhitzen, einen Aufzug hochfahren usw. Deshalb Lassen Sie uns eine Formel zur bequemen Berechnung der Stromarbeit ableiten.

Die linken Seiten der Gleichungen haben unterschiedliche Symbole, bezeichnen aber dieselbe physikalische Größe – Leistung. Daher können die rechten Seiten der Formeln gleichgesetzt werden: I U = A/t . Lassen Sie uns die Arbeit ausdrücken:

Diese Formel berechnet derzeitige Arbeit oder, was ist dasselbe, Strom verbraucht. Lassen Sie uns klarstellen, dass es sich bei diesen Begriffen um Synonyme handelt.
Wenn in einem Stromkreis eine elektrische Energiequelle erscheint, versetzt ihr elektrisches Feld geladene Teilchen im Inneren des Leiters (Elektronen und/oder Ionen) in Bewegung und ihre Energie erhöht sich. Die Summe der Energien aller Teilchen des Körpers ist die innere Energie des Körpers (siehe § 7-e), das heißt Die innere Energie eines Leiters nimmt in dem Moment zu, in dem ein Strom in ihm auftritt. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik (siehe § 6-h) kann innere Energie für die Wärmeübertragung oder die Verrichtung mechanischer Arbeit aufgewendet werden. Wenn es jedoch verbraucht wird, wird es aufgrund der Energie der Stromquelle ständig wieder aufgefüllt.
Der Stromdurchgang durch einen Leiter – die Arbeit des Stroms – geht immer mit einher Auswirkungen von Strom(siehe § 8-h). In diesem Fall wird Elektrizität notwendigerweise in andere Energiearten umgewandelt: thermisch (z. B. ein Bügeleisen, ein Wasserkocher), mechanisch (z. B. ein Staubsauger, ein Ventilator) und so weiter. Deshalb Mit dem Ausdruck „Strom funktioniert“ meinen wir die Umwandlung von Elektrizität in andere Energiearten. In diesem Fall sind die Arbeit des Stroms und die verbrauchte elektrische Energie synonyme Ausdrücke.
Um den verbrauchten Strom zu messen, ist etwas Besonderes Messgeräte - Stromzähler .
Um den verbrauchten Strom zu berücksichtigen, wird anstelle des Joule eine größere Arbeitseinheit verwendet – Kilowattstunde(Symbol: 1 kWh). Der Zähler in der Abbildung zeigt beispielsweise einen Wert von 254,7 kWh an. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass während des gesamten Messzeitraums ein Verbraucher mit einer Leistung von 254,7 kW 1 Stunde lang gearbeitet hat oder dass ein Verbraucher mit einer Leistung von 2547 W 100 Stunden lang gearbeitet hat (usw. unter Beibehaltung des Anteils).

Lassen Sie uns diese Verbindung finden Arbeitseinheiten mit einer bekannteren Maßeinheit – dem Joule.
1 kWh = 1000 W 60 min =
= 1000 J/s 3600 s = 3.600.000 (J/s) s =
= 3.600.000 J = 3,6 MJ
Also, 1 kWh = 3,6 MJ.
Formel A = I U t wird uns helfen herauszufinden, was die physikalische Bedeutung der Größe „elektrische Spannung“ ist. Lassen Sie es uns anhand der Formel ausdrücken.

Daraus können wir ersehen, dass 1 Volt die Spannung ist, bei der ein Strom von 1 Ampere in der Lage ist, 1 Joule Arbeit in 1 Sekunde zu erzeugen. Mit anderen Worten, elektrische Spannung zeigt die Arbeit, die elektrische Feldkräfte jede Sekunde leisten, um einen Strom von 1 Ampere in einem Stromkreis aufrechtzuerhalten.
Darüber hinaus aus der Formel I = q/t(siehe § 9-b) Daraus folgt q = I t. Dann:

Basierend auf dieser Formel, 1 Volt kann auch als Spannung betrachtet werden, bei der die von den elektrischen Feldkräften beim Bewegen einer Ladung von 1 C entlang eines Leiters verrichtete Arbeit 1 J beträgt.
Basierend auf all den Überlegungen „unter dem Strich“ werden wir das sagen Elektrische Spannung ist eine der Eigenschaften des elektrischen Feldes, das Ladungen entlang eines Leiters bewegt.

Die Nutzung von Elektrizität ist eine revolutionäre Entdeckung, die das menschliche Leben für immer verändert und einfacher gemacht hat. Elektrizität ist heute ein fester Bestandteil des menschlichen Lebens; sie gewährleistet den Betrieb von Elektrogeräten und elektrischer Beleuchtung. Jeden Tag nutzen wir elektrische Energie für Ihre Bedürfnisse.

Wenn wir von Elektrizität sprechen, meinen wir elektrischen Strom. Schauen wir uns dieses Konzept genauer an. Der Begriff „Strom“ bedeutet Fluss oder Bewegung.

Was ist elektrischer Strom?

Elektrischer Strom- Dies ist die geordnete Bewegung geladener Teilchen in einem Leiter in eine Richtung. Solche Teilchen können Elektronen, Ionen und Kationen sein. Die Ausrichtung elektrischer Teilchen wird durch das Vorhandensein eines elektrischen Feldes in den Teilchen bestimmt, das mit dem externen elektrischen Feld interagiert.

Um ein elektrisches Feld in einem Leiter für eine bestimmte Zeit aufrechtzuerhalten, werden Quellen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes benötigt. Dies könnte beispielsweise eine Elektrophore-Maschine und eine Batterie oder eine beliebige Stromquelle sein. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass sie Teilchen trennen, woraufhin ein Pol der Quelle sie positiv und der andere negativ auflädt, wodurch ein elektrisches Feld entsteht. Wenn beide Pole der Quelle durch einen Leiter verbunden sind, erhält die Bewegung der Teilchen eine bestimmte Richtung und es entsteht ein elektrischer Strom.

Der Leiter ist der Ort, an dem die gerichtete Bewegung von Partikeln stattfindet, sowie ein Mittel zur Stromübertragung an seine Verbraucher: eine Glühbirne, Geräte, Fliesen usw. Leiter können Metalle sein, in denen Elektronen und Plasma geladen sind und die Teilchen Ionen sind; Elektrolyte. Wenn der Leiter unterbrochen ist, gelangt der Strom nicht zum Verbraucher und aufgrund dieses Mechanismus wird der Strom ein- und ausgeschaltet. Das heißt, es werden Schalter oder Schalter eingebaut, die den Leiter unterbrechen oder verbinden.

Bewegungsrichtung des elektrischen Stroms

Bei der Lösung komplexer Probleme in der Elektronik und Funktechnik wird allgemein angenommen, dass die Bewegung des elektrischen Stroms von „Plus“ nach „Minus“ erfolgt. Aber nur wenige Menschen wissen, dass die Bewegung tatsächlich aufgrund von Elektronen im interatomaren Raum des Kristalls erfolgt Gitter des Metallleiters des elektrischen Stroms. Und das Elektron bewegt sich von „Minus“ nach „Plus“, daher bewegt sich der elektrische Strom von „Minus“ nach „Plus“.

Arbeit von elektrischem Strom

Ein weiterer wichtiger aktueller Parameter ist ein Konzept wie Arbeit des elektrischen Stroms. Wenn sich elektrischer Strom entlang eines Leiters bewegt, leistet er eine gewisse Arbeit. Um ihn zu bestimmen, ist es notwendig, die Zeit der Strombewegung, den Widerstand des Leiters und seinen Widerstand zu kennen.

Sie können es mit dem Joule-Lenz-Gesetz nach der Formel finden: Q=I*I*R*t

• I – Stromstärke, gemessen in Ampere;
• R - Leiterwiderstand, Ohm;
• t – Zeit, s;
• Q ist die von einem elektrischen Strom geleistete Arbeit oder die vom Leiter abgegebene Wärme, J.

Der so erhaltene Wert stellt den Wert der vom elektrischen Strom geleisteten Arbeit dar; dividiert man ihn durch die Zeit, erhält man Leistung.

Stromkreis

Die Gesamtheit der Quellen, Leiter, Verbraucher und Schalter, die für die Strombewegung sorgen, wird als Stromkreis bezeichnet.

Elektrischer Strom wird anhand der folgenden Größen gemessen:

1. Die Stromstärke ist ein Indikator, der die Anzahl der geladenen Teilchen misst, die in einem bestimmten Zeitraum durch den Querschnitt eines Leiters strömen, gemessen in Ampere;
2. Die Stromdichte ist ein Wert, der dem Verhältnis der Stromstärke zur Querschnittsfläche des Leiters entspricht. gemessen in A/mm2 ;
3. Die aktuelle Leistung ist eine Art Stromeffizienz, also welche Arbeit ein gegebener Strom pro Zeiteinheit leisten kann, W;
4. Frequenz Wechselstrom- die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit.

Elektrischer Strom selbst ist nicht erforderlich. Nicht der Strom selbst ist wichtig, sondern seine Wirkung.

Die Wirkung von elektrischem Strom wird durch die Arbeit des elektrischen Stroms charakterisiert.

Arbeit ist eine Größe, die die Umwandlung von Energie von einer Art in eine andere charakterisiert.

Es gab zum Beispiel kinetische Energie, aber sie wurde zu potentieller Energie, d. h. der Körper befand sich in einem Bewegungszustand, dann blieb er stehen und stieg auf eine bestimmte Höhe.

Was den elektrischen Strom betrifft, wissen wir bereits, dass sich elektrische Ladungen entlang eines Leiters bewegen und dass diese Bewegung unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes erfolgt, d. h. Arbeit wird von einem elektrischen Feld verrichtet. Und die Arbeit in diesem Fall zeigt, wie Energie einer Art, zum Beispiel die Energie des elektrischen Stroms, in andere Energiearten umgewandelt wird – mechanische, thermische usw.

Die Arbeit des elektrischen Stroms ist in erster Linie mit dem Konzept verbunden elektrische Spannung und aktuelle Stärke.

Die vom elektrischen Feld geleistete Arbeit ist das Produkt aus der elektrischen Spannung und der durch den Leiter fließenden Ladung.

Diese Aussage leitet sich aus dem Zusammenhang für die elektrische Spannung ab.

Elektrische Spannung ist die Arbeit, die ein elektrisches Feld verrichtet, um die elektrische Ladung q zu übertragen.

Ladung ist das Produkt aus Strom und der Zeit, in der diese Ladung durch den Leiter fließt.

Diese Aussage ergibt sich aus der Beziehung zur Stromstärke.

Strom ist das Verhältnis von Ladung zu der Zeit, während der Ladung durch einen Leiter durch den Querschnitt des Leiters fließt.

Einsetzen in die Formel zur Definition der Arbeit , wir erhalten einen Ausdruck zur Berechnung der Arbeit eines elektrischen Stroms, der Arbeit eines elektrischen Feldes an der Bewegung einer elektrischen Ladung.

Arbeit - 1 Joule oder 1 J;

Spannung - 1 Volt oder 1 V;

Stromstärke - 1 Ampere oder 1 A;

Zeit – 1 Sekunde oder 1 s.

Definition

Arbeit von elektrischem Strom ist gleich dem Produkt aus der Stromstärke in einem Abschnitt des Stromkreises, der Spannung an den Enden dieses Abschnitts und der Zeit, während der der Strom durch den Leiter fließt.

Der Betrieb mit elektrischem Strom ist mit Geräten verbunden, die es ermöglichen, die Werte dieser Größen zu bestimmen.

Die Spannung wird durch ein sogenanntes Gerät bestimmt Voltmeter. Und um die aktuelle Stärke zu messen, verwenden sie Amperemeter(Abb. 1).

Reis. 1. Bilder von Voltmetern und Amperemetern

Indem wir diese beiden Geräte an den Stromkreis anschließen, die Messwerte dieser Geräte beobachten und die Zeit bestimmen, in der die Messungen durchgeführt werden, bestimmen wir den Wert der Arbeit des elektrischen Stroms. .

Bitte beachten Sie, dass es sich bei der von uns geleisteten Stromvergütung um eine Vergütung speziell für den Betrieb des Stromnetzes handelt. Die Wirkung von elektrischem Strom ist die gleiche Wirkung, die auch in der Technik genutzt wird, beispielsweise bei Heizgeräten, Geräten des täglichen Lebens (Fernseher, Radios usw.).

Die Arbeit wird mit einem Amperemeter und einem Voltmeter gemessen, es gibt jedoch ein separates Gerät, das die Arbeit des elektrischen Stroms sofort messen kann

In der nächsten Lektion werden wir das Konzept der Macht vorstellen.

Referenzliste

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2. Physik.ru ().
3. Class-fizika.narod.ru ().

Hausaufgaben

1. S. 50, Fragen 1-4, S. 119, Aufgabe 24 (1). Peryshkin A.V. Physik 8. - M.: Bustard, 2010.
2. Durch einen Rheostat mit einem Widerstand von 5 Ohm fließt ein Strom von 0,5 A. Es muss ermittelt werden, wie viel Arbeit der Strom innerhalb von 4 Stunden (14.400 Sek.) leisten wird.
3. Mit welchen Instrumenten lässt sich die Arbeit eines elektrischen Feldes messen?

Wird die Leistung des Gerätes berechnet? Oder kann Letzteres vielleicht gemessen werden? Und wie kann man das erworbene Wissen bei der Lösung von Problemen anwenden?

Solche Fragen stellen sich für viele Achtklässler beim Studium des Themas „Elektrizität“. Die Antwort darauf ist ganz einfach. Und Sie müssen sich die Formeln nicht lange merken. Weil sie einander sehr ähnlich sind oder solche verwenden, die bereits zuvor untersucht wurden.

Erste Menge: aktuelle Arbeit

Zuerst müssen wir uns auf die Notation einigen. Weil es Unterschiede in ihnen geben kann.

Jedes erzeugt ein elektrisches Feld, das die Bewegung freier Elektronen bewirkt. Das heißt, es entsteht ein Strom. In diesem Moment sagt man, dass das elektrische Feld tatsächlich funktioniert. Dies ist das, was gemeinhin als aktuelle Arbeit bezeichnet wird.

Das von einer Stromquelle erzeugte elektrische Feld wird durch Spannung charakterisiert. Sie beeinflusst, wie viel Arbeit ein elektrischer Strom leistet, wenn er eine Ladungseinheit bewegt. Daher wird eine Formel für die Spannung eingeführt:

Daraus lässt sich ganz einfach die Arbeitsformel ableiten:

Nun lohnt es sich, sich an die Gleichheit zu erinnern, die für die aktuelle Stärke eingeführt wird. Sie entspricht dem Verhältnis der übertragenen Ladung zur Zeit ihrer Bewegung:

Daher ist q = I * t. Wenn wir den Buchstaben q in der Arbeitsformel durch den letzten Ausdruck ersetzen, erhalten wir die folgende Formel:

Dies ist eine allgemeine Form der Gleichheit, mit der die Arbeit eines elektrischen Stroms berechnet werden kann. Die Formel ändert sich geringfügig, wenn das Ohmsche Gesetz angewendet wird. Danach ist die Spannung gleich dem Produkt aus Strom und Widerstand. Dann gilt folgende Gleichheit:

A = I 2 * R * t.

Sie können nicht Spannung, sondern Strom ersetzen. Sie ist gleich dem Quotienten aus U und R. Dann sieht die Arbeitsformel so aus:

A = (U 2 * t)/R.

Zweite Größe: aktuelle Leistung

Die allgemeine Formel dafür ist dieselbe wie in der Mechanik. Das heißt, es wird als pro Zeiteinheit geleistete Arbeit definiert.

Dies zeigt, dass Arbeit und Leistung des elektrischen Stroms miteinander verbunden sind. Um eine genauere Gleichheit zu erhalten, müssen Sie den Zähler durch die allgemeine Formel ersetzen, mit der Sie arbeiten möchten. Dann wird klar, wie man die Leistung bestimmt, indem man die Stromstärke und Spannung des Stromkreises kennt.

Darüber hinaus kann die Leistung gemessen werden. Zu diesem Zweck gibt es ein spezielles Gerät namens Wattmeter.

Joule-Lenz-Gesetz

Das Phänomen der Leitererwärmung wurde vom französischen Wissenschaftler A. Fourquois entdeckt. Dies geschah bereits im Jahr 1880. 41 Jahre später wurde es vom englischen Physiker J.P. Joule beschrieben und ein Jahr später vom russischen Physiker E.H. experimentell bestätigt. Lenz. Bei den Namen der letzten beiden Wissenschaftler begannen sie, das entdeckte Muster zu benennen.

Dabei handelt es sich um zwei Größen: die Wärmemenge und die Arbeit des elektrischen Stroms. Das Joule-Lenz-Gesetz besagt, dass die gesamte Arbeit in einem stationären Leiter für seine Erwärmung aufgewendet wird. Das heißt, ein stromdurchflossener Leiter gibt eine Wärmemenge ab, die dem Produkt aus Widerstand, Zeit und dem Quadrat des Stroms entspricht. Die Formel sieht genauso aus wie die zur Arbeit angegebene:

Q = I 2 * R * t.

Jobdefinitionsaufgabe

Zustand. Der Widerstand einer Taschenlampe beträgt 14 Ohm. Die von der Batterie gelieferte Spannung beträgt 3,5 V. Welche Arbeit verrichtet der Strom, wenn die Taschenlampe 2 Minuten lang funktioniert?

Lösung. Da Spannung, Widerstand und Zeit bekannt sind, muss folgende Formel verwendet werden: A = (U 2 * t)/R. Zunächst müssen Sie die Zeit nur in SI-Einheiten, also Sekunden, umrechnen. Daher müssen Sie nicht 2 Minuten, sondern 120 Sekunden in die Formel einsetzen.

Einfache Berechnungen führen für die aktuelle Arbeit zu folgendem Wert: 105 J.

Antwort. Das Werk ist 105 J.

Problem der Leistungsbestimmung

Zustand. Es muss ermittelt werden, wie groß die Arbeit und die Leistung des elektrischen Stroms in der Wicklung des Elektromotors sind. Es ist bekannt, dass die Stromstärke darin 90 A bei einer Spannung von 450 V beträgt. Der Elektromotor bleibt eine Stunde lang eingeschaltet.

Nach dem Ersetzen der Werte und dem Durchführen einfacher arithmetischer Operationen erhält man den folgenden Arbeitswert: 145800000 J. Es ist bequemer, ihn in größeren Einheiten in die Antwort zu schreiben. Zum Beispiel Megajoule. Dazu muss das Ergebnis durch eine Million geteilt werden. Die Arbeit beträgt 145,8 MJ.

Jetzt müssen Sie die Leistung des Elektromotors berechnen. Die Berechnungen erfolgen nach der Formel: P = U * I. Nach der Multiplikation ergibt sich folgende Zahl: 40500 W. Um es in Kilowatt anzugeben, müssen Sie das Ergebnis durch tausend teilen.

Antwort. A = 145,8 MJ, P = 40,5 kW.

Problem bei der Spannungsberechnung

Zustand. Der Elektroherd war 20 Minuten lang am Stromnetz. Wie hoch ist die Spannung im Netz, wenn bei einem Strom von 4 A die Arbeit 480 kJ beträgt?

Lösung. Da die Arbeit und die Stromstärke bekannt sind, müssen Sie die folgende Formel verwenden: A = U * I * t. Hier ist die Spannung ein unbekannter Faktor. Er muss als Quotient aus dem Produkt und einem bekannten Faktor berechnet werden, also: U = A / (I * t).

Bevor Sie Berechnungen durchführen, müssen Sie die Werte in SI-Einheiten umrechnen. Nämlich Arbeit in Joule und Zeit in Sekunden. Dies sind 480.000 J und 1200 s. Jetzt müssen wir nur noch alles zählen.

Antwort. Die Spannung beträgt 100 V.