Fizika 2 - 4.4 Rad i snaga električne struje

Rad električne struje

Pokrenite sljedeću animaciju i razmotrite pretvorbe jednog oblika energije u drugi oblik energije.

Kako bismo prenijeli određenu količinu naboja $Q$ vodičem između čijih krajeva postoji razlika potencijala, potreban je rad električnih sila. Taj rad određen je naponom i nabojem koji možemo računati s pomoću formule koju smo naučili u jedinici 3.5. Napon,

$W = Q U .$

Prisjetimo se i definicije jakosti električne struje (jedinica 4.1. Električna stuja) napisane u obliku

$Q = I t .$

koja nam daje količinu naboja koja prođe strujnim krugom tijekom određenog vremena. Uvrstimo li tu formulu u onu za rad, definirali smo rad električne struje.

Rad električne struje definiran je formulom

$W = U I t,$

gdje je $Q$ količina naboja koja prođe strujnim krugom kojim teče struja jakosti $I$ tijekom određenog vremena $t .$

Mjerna jedninica za rad električne struje je džul, $J .$

Snaga električne struje

Snaga se definira kao omjer rada $W$ obavljenog u jedinici vremena $t,$

$P = \frac{W}{t} .$

Kada se u formulu za snagu uvrsti formula za rad električne struje $W = U I t$ , dobije se $P = U I.$

Mjerna jedinica za snagu električne struje je vat, $W .$

Snaga električne struje jednaka je umnošku napona i jakosti električne struje.

$P = U I$

Kada u formulu za snagu električne struje uvrstimo formulu $I = \frac{U}{R},$ kojom smo definirali Ohmov zakon u jedinici 4.2. Ohmov zakon, dobijemo:

$P = I^{2} R$ i $P = \frac{U^{2}}{R} .$

Kolekcija zadataka 1

Zadatak 1.

Željezni vodič dug $120 m$ priključimo $10 s$ na izvor napona $120 V .$ Za koliko se pritom promijeni temperatura vodiča? (Gustoća željeza $7,9 \cdot 10^{3} \frac{kg}{m^{3}},$ specifični toplinski kapacitet željeza $460 \frac{J}{kgK},$ električna otpornost željeza je $10^{- 7} Ω m .$ )

Rad električne struje jednak je toplini koju oslobađa vodič:

$W = Q$ tj.

$U I t = m c Δ T .$

Budući je prema Ohmovu zakonu:

$I = \frac{U}{R},$

možemo pisati:

$\frac{U^{2}}{R} t = m c Δ T .$

Slijedi da je:

$Δ T = \frac{U^{2} t}{R m c} .$

Valja se prisjetiti formule za otpor vodiča:

$R = ρ \frac{l}{S},$

te masu izraziti s pomoću gustoće materijala $m = ρ_{F e} V$ , uz činjenicu da je obujam $V = S l,$ imamo:

$Δ T = \frac{U^{2} \cdot t}{ρ \cdot l^{2} \cdot ρ_{F e} \cdot c} .$

Uvrštavanjem podataka dolazi se do promjene temperature od $27,5 K .$

Zadatak 2.

Motor električnog vlaka mase $10^{5} k g$ priključen je na napon $25 k V .$ Vlak iz mirovanja po vodoravnim tračnicama nakon $60 s$ postigne brzinu $30 m / s .$ Kolika je jakost električne struje koja teče motorom vlaka?

Vlak je dobio kinetičku energiju od rada koji je učinila električna struja. Uz pretpostavku da su gubitci električne energije zanemarivi, možemo pisati:

$E_{K} = W$

$\frac{m v^{2}}{2} = U I t .$

Iz tog uvjeta slijedi:

$I = \frac{m v^{2}}{2 U t} = 30 A .$

Zatvori

Mjerne jedinice za rad električne struje

Uz to što se za rad električne struje koristi mjerna jedinica džul $(J)$ , vrlo se često za rad ili utrošak električne energije koristi mjerna jedinica kilovatsat $(k W h)$ . To je mjerna jedinica kojom se iskazuju vrijednosti utrošene električne energije. Pretvorba je vrlo jednostavna:

$\begin{array}{l} 1 kWh = 1 000 W \cdot 3 600 s = 3,6 \cdot 10^{6} Ws \end{array}$ .

Vatsekunda $(W s)$ je zapravo džul $(J)$ pa se može pisati:

$1 kWh = 3,6 \cdot 10^{6} J .$

Potrošnja električne energije u kućanstvima i industriji mjeri se električnim brojilom koji potrošenu električnu energiju iskazuje u kilowatsatima $(k W h)$ .

Kutak za znatiželjne

Prema standardima Europske unije svi električni kućanski aparati moraju imati certifikat kojim se iskazuje klasa potrošnje tog uređaja. Ovisno o količini električne energije potrošene tijekom godine $(k W h / a n n u m),$ definira se energetska klasa uređaja. Na primjer A++, A+, A, B, itd.

Proučite kućanske uređaje u svojemu stanu ili kući. Pronađite oznaku energetske klase. Razgovarajte s roditeljima o računima potrošnje električne energije u vašem kućanstvu. Otkrijte najvećega i najmanjeg potrošača električne energije. Znate li kolika je cijena jednog kilovatsata električne energije?

Povezani sadržaji

Još jedna mjerna jedinica za rad jest elektonvolt $(e V) .$ To je zapravo iznos rada koji je potreban za premještanje elektrona u električnom polju između točaka s razlikom potencijala od $1 V,$ koju smo spominjali i u modulu 3.

$1 eV = 1,6 \cdot 10^{- 19} J$

...i na kraju

Najvažnije veličine naučene u ovoj jedinici su: rad električne struje i snaga električne struje.

Rad električne struje definiran je formulom $W = U I t,$ gdje je $Q$ količina naboja koja prođe strujnim krugom kojim teče struja jakosti $I$ tijekom određenog vremena $t$ Mjerna jedninica za rad električne struje je džul, $J .$

Snaga električne struje dana je izrazom $P = U I .$