3.2.8 Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

Когда по участку цепи проходит ток, электрическое поле перемещает заряды. При этом поле совершает работу.

Если за время $t$ через участок проходит постоянный ток силой $I$, а напряжение на участке равно $U$, то работа электрического тока:

где:

• $A$ - работа электрического тока;
• $I$ - сила тока;
• $U$ - напряжение на участке цепи;
• $t$ - время прохождения тока.

Эта формула показывает: работа тока тем больше, чем больше сила тока, напряжение и время работы цепи.

Нагревание проводника

В проводнике с сопротивлением часть энергии электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника. Проводник нагревается и отдаёт энергию окружающим телам.

Закон Джоуля-Ленца:

где:

• $Q$ - количество теплоты, выделившееся на участке цепи;
• $R$ - сопротивление участка;
• $I$ - сила тока;
• $t$ - время прохождения тока.

Важно

Количество теплоты пропорционально квадрату силы тока. Если ток увеличить в $2$ раза, то при тех же $R$ и $t$ теплоты выделится в $4$ раза больше.

Резистор

Для резистора электрическая работа полностью превращается в тепло. Поэтому для резистора:

Используя закон Ома для участка цепи $U=IR$, можно записать несколько равносильных форм:

Эти формулы описывают один и тот же процесс, но удобны в разных ситуациях:

• если известны $I$, $R$ и $t$, используют $Q=I^{2}Rt$;
• если известны $I$, $U$ и $t$, используют $A=IUt$;
• если известны $U$, $R$ и $t$, используют $Q=\frac{U^2}{R}t$.

Когда количество теплоты не равно работе тока

Если участок цепи не просто нагревается, а ещё совершает другую работу, то всё количество энергии не обязано выделяться в виде тепла.

Например, электродвигатель может превращать часть энергии тока в механическую работу, а аккумулятор при зарядке - в химическую энергию. В таких случаях теплота на сопротивлении всё равно описывается законом Джоуля-Ленца, но обычно $Q<A$.

Для обычного резистора, нагревателя или лампы накаливания в школьной модели считают, что работа тока на этом участке переходит в тепло.

Не путать

Работа тока $A$ показывает, сколько энергии передал электрический ток за время $t$.

Количество теплоты $Q$ показывает, какая часть этой энергии выделилась при нагревании участка цепи.

Также не надо смешивать этот пункт с соединениями проводников. Правила соединения помогают найти эквивалентное сопротивление, а закон Джоуля-Ленца затем позволяет найти теплоту на нужном участке.

Мощность электрического тока рассматривается в следующем пункте кодификатора.

Коротко

• Работа электрического тока:

• Закон Джоуля-Ленца:

• Для резистора:

• Теплота зависит от квадрата силы тока.
• Если часть энергии тока превращается не в тепло, то $Q$ может быть меньше $A$.