Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

Частина 2. Робота і потужність електричного струму. Електричний струм у різних середовищах

§ 33. Робота і потужність електричного струму

Кожен із вас бачив електролічильник, а дехто навіть знімав його покази. А як ви гадаєте, яку фізичну величину вимірює цей прилад? Щоб перевірити свої припущення, ознайомтеся зі змістом цього параграфа.

1. З’ясовуємо, значення якої фізичної величини визначають за допомогою електролічильника

На рис. 33.1 показано електролічильник. Запам’ятаємо або запишемо цифри, зафіксовані на датчику приладу (рис. 33.1, а), інакше кажучи, знімемо показ лічильника. Що означають ці цифри? Очевидно, що це числове значення якоїсь фізичної величини. А якої?

Для початку визначимо одиниці цієї величини. Поряд із цифровим табло написано: кВт • год. Отже, фізична величина, значення якої показує електролічильник, вимірюється в кіловат-годинах.

Одна із фізичних величин, що вимірюються в джоулях, — це робота. Отже, можна припустити, що електролічильником вимірюють роботу струму. Приєднаємо до кола електролічильника електрообігрівач. Через деякий час знову знімемо показ лічильника (рис. 33.1, б). Бачимо, що він збільшився. Електричний струм, проходячи спіраллю електрообігрівача, виконав роботу, яку зафіксував електролічильник.

Рис. 33.1. Зняття показів лічильника: а — початкові дані (382 кВт • год); б — дані лічильника після деякого часу роботи електрообігрівача (385 кВт • год). Кількість використаної за цей час електроенергії: 385 - 382 = 3 (кВт • год)

Електролічильник — це прилад для прямого вимірювання роботи струму.

(Установлену вартість одиниці роботи струму називають тарифом на електроенергію. Наприклад, на 1 січня 2021 р. тариф на електроенергію для населення в Україні становив 1,68 грн за 1 кВт • год.)

2. Обчислюємо роботу струму

З’ясуємо, чи можна роботу струму виміряти в інший спосіб, не використовуючи електролічильник.

Таким чином, щоб визначити роботу, яку виконує струм у певному споживачі (на певній ділянці електричного кола), достатньо виміряти силу струму в споживачі, напругу, яку подано на споживач, і час проходження струму (рис. 33.2). Ви вже знаєте, що такі вимірювання називають непрямими.

Скориставшись рис. 33.2, виміряйте роботу електричного струму в лампі за 30 с.

Зверніть увагу: із формули для розрахунку роботи електричного струму випливає, що 1 Дж = 1 В • А • с, — це співвідношення стане вам у пригоді для перевірки одиниць у ході розв’язування задач.

Рис. 33.2. Для вимірювання роботи струму можна скористатися добре відомими вам вимірювальними приладами: амперметром, вольтметром і годинником

3. Обчислюємо потужність струму

Потужність електричного струму — фізична величина, що характеризує швидкість виконання струмом роботи й дорівнює відношенню роботи струму до часу, за який цю роботу виконано:

де Р — потужність електричного струму; А — робота струму за час t.

Оскільки A = UIt, то

Із формули для розрахунку потужності струму випливає: 1 Вт = 1 В • А;

1 Вт — це потужність струму силою 1 А на ділянці кола з напругою 1 В.

Ват — порівняно невелика одиниця потужності. На практиці частіше використовують кратні одиниці потужності: кіловат (1 кВт = 10³ Вт), мегават (1 МВт = 10⁶ Вт), гігават (1 ГВт = 10⁹ Вт).

4. Учимося розрізняти номінальну і фактичну потужності

Звернувшись до формули розрахунку потужності струму (P = UI), побачимо, що потужність струму можна визначити, скориставшись амперметром і вольтметром (знявши покази приладів, перемножити значення напруги та сили струму). Існують також прилади для прямого вимірювання потужності електричного струму — ватметри.

Вимірюючи потужність струму в споживачі, ми визначаємо його фактичну потужність. Потужність, яку зазначено в паспорті електропристрою (або на пристрої), називають номінальною потужністю.

У паспорті електропристрою зазначають також напругу, на яку пристрій розрахований. Проте напруга в мережі може трохи змінюватися. Наприклад, вона може збільшитися — відповідно збільшиться й сила струму. Збільшення сили струму й напруги приведе до збільшення потужності струму в споживачі. Тобто значення фактичної та номінальної потужностей споживача можуть відрізнятися.

Якщо коло складається з кількох споживачів, то, розраховуючи їхню фактичну потужність, слід пам’ятати, що за будь-якого з’єднання споживачів загальна потужність струму в усьому колі дорівнює сумі потужностей окремих споживачів.

Завершуючи знайомство з потужністю електричного струму, знову звернемося до рис. 33.1. На лічильнику є значення ще двох фізичних величин: 220 В; 15 А. Перша показує, в коло з якою напругою слід вмикати цей лічильник, друга — максимально допустиму силу струму в ньому. Перемноживши ці значення, одержимо максимально допустиму потужність споживачів, які можна підключити через цей електролічильник (UI = P_max).

5. Учимося розв’язувати задачі

Задача 1. Ділянка електричного кола складається з трьох однакових резисторів (див. рисунок). Визначте загальну потужність, яку споживають резистори, якщо опір кожного з них дорівнює 5 Ом, а напруга на ділянці становить 10 В.

Аналіз фізичної проблеми. Розв’язати задачу можна двома способами:

• 1) обчислити потужність, яку споживає кожний резистор, а потім знайти суму одержаних потужностей;
• 2) визначити загальну силу струму в ділянці й, знаючи загальну напругу, обчислити загальну потужність усіх резисторів.

Задача 2. Електровоз рухається рівномірно зі швидкістю 16 м/с. Двигун розвиває силу тяги 300 кН. Визначте ККД двигуна, якщо напруга в електромережі 3 кВ, сила струму, яку споживає двигун, — 2 кА.

Аналіз фізичної проблеми. ККД показує, яку частину роботи, виконуваної струмом, що тече в обмотці електродвигуна, становить корисна робота (механічна робота з переміщення електровоза). ККД знайдемо, використавши формулу для розрахунку механічної роботи і роботи струму.

Підбиваємо підсумки

На ділянці кола електричний струм виконує роботу, значення якої дорівнює добуткові напруги U, сили струму I і часу t проходження струму в колі: А = UIt.

Одиницею роботи електричного струму в СІ є джоуль (Дж): 1 Дж = 1 В • А • с. В електротехніці використовують позасистемну одиницю роботи струму — кіловат-годину (кВт • год); 1 кВт • год = 3,6 • 10⁶ Дж.

Прилади для прямого вимірювання роботи струму називають лічильниками електричної енергії.

Потужність, на яку розрахований електричний пристрій, називають номінальною потужністю. Зазвичай номінальну потужність зазначають у паспорті електричного пристрою. Реальну потужність струму в пристрої називають фактичною потужністю.

Контрольні запитання

1. За якою формулою обчислюють роботу електричного струму? 2. Назвіть відомі вам одиниці роботи електричного струму. 3. Доведіть, що 1 кВт • год = 3,6 • 10⁶ Дж. 4. Як вимірюють роботу електричного струму? 5. Що називають потужністю електричного струму? 6. За якою формулою можна обчислити потужність струму? 7. Що називають номінальною потужністю електричного пристрою? 8. Що таке фактична потужність електричного пристрою?

Вправа № 33

1. Користуючись показами електролічильника (див. рисунок), визначте витрачену електроенергію та обчисліть її вартість за тарифом 1,68 грн за 1 кВт • год.

2. Згідно з Державним стандартом якості електричної енергії в Україні, зміна номінальної напруги в оселях не повинна перевищувати ±10 % від напруги 220 В. У яких межах має бути напруга у вашій оселі?

3. Доведіть, що 1 В • А • с = 1 Дж.

4. Обчисліть роботу, яку виконає електричний струм за 15 хв роботи електродвигуна дитячої іграшки, якщо напруга на двигуні становить 10 В, а сила струму в обмотці двигуна — 0,8 А.

5. Два провідники опорами 10 і 25 Ом увімкнено до мережі, напруга в якій дорівнює 100 В. Визначте, яку роботу виконає електричний струм у кожному провіднику за 5 хв, якщо провідники з’єднати: а) паралельно; б) послідовно.

6. Визначте силу струму, яку споживає електродвигун підіймального крана, якщо вантаж масою 1 т кран підіймає на висоту 19 м за 50 с. ККД електродвигуна становить 80 %, напруга на клемах — 380 В.

7. Дві електропечі, спіралі яких мають однакові опори, спочатку ввімкнули в мережу послідовно, а потім паралельно. У якому випадку електропечі споживали більшу потужність і в скільки разів?

8. З’ясуйте потужність кількох споживачів електроенергії у вашій оселі. Обчисліть вартість електроенергії, яку споживатиме кожний пристрій, якщо працюватиме 20 хв. Перенесіть таблицю до зошита та заповніть її.

Пристрій	Потужність Р, Вт	Робота струму А		Вартість, грн
		Дж	кВт • год

9. Установіть відповідність між фізичною ситуацією та формулою, яка її описує.

• 1 Працює тепловий двигун.
• 2 У бойлері нагрівається вода.
• 3 Калюжа вкрилася льодом.
• 4 Із колодязя підняли відро з водою.

Експериментальне завдання

«Сумлінний господар». Протягом тижня спостерігайте за споживанням електроенергії у вашій оселі. Для цього щодня, в той самий час, слід записувати показ лічильника електроенергії та обчислювати, скільки електроенергії спожила ваша родина за добу.

За результатами вимірювань та обчислень побудуйте графік споживання електроенергії протягом тижня. Дайте відповіді на такі запитання.

• 1) У який день тижня витрати електроенергії були найбільшими? Чому?
• 2) Чи були ввімкнені споживачі електроенергії без потреби?
• 3) Як можна заощадити витрати електроенергії вашою родиною?
• 4) Як заощадила б (або заощаджує) кошти ваша родина, використовуючи двозонний лічильник електроенергії? (Такі лічильники рахують споживання електроенергії вдень і вночі окремо.)

Фізика і техніка в Україні

Інститут термоелектрики НАН України і МОН України (Чернівці) створений у 1990 р. Організатор створення інституту — академік НАН України Лук’ян Іванович Анатичук, учений у галузі термоелектрики та технології матеріалів для перетворювачів енергії.

Інститут є світовим лідером у галузі вивчення та практичного застосування термоелектрики — одного з найбільш перспективних напрямів сучасної фізики.

На основі розвитку узагальненої теорії термоелектричного перетворення енергії в інституті створено низку нових термоелементів. Розробки інституту використовують не тільки в Україні, а й за кордоном. Так, інститут узяв участь у розробці потужних кондиціонерів для підводних човнів Франції. Створено надійні модулі охолодження для європейської космічної системи мікрогравітації та модулі охолодження чутливих сенсорів для систем орієнтації європейських супутників Землі. Розроблено ефективні блоки для побутових холодильників як альтернативу фреоновим компресорним агрегатам.

Інститут є базою для кафедри термоелектрики Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича.