Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)
§ 41. Робота і потужність електричного струму
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Напевно, багато з вас бачили електролічильник. А як ви гадаєте, яку фізичну величину вимірює цей прилад? Чи доводилося вам знімати покази лічильника? Чи однаковими були ці покази за місяць? Якщо вони змінювалися, то чому?
1. Про що можна дізнатися за допомогою електролічильника?
На рис. 41.1 показано лічильник електричної енергії (електролічильник). Запишемо цифри, зафіксовані на датчику приладу (рис. 41.1, а), інакше кажучи, знімемо показ лічильника. Що означають ці цифри? Очевидно, що це числове значення якоїсь фізичної величини. А якої?
Електролічильник — це прилад для прямого вимірювання роботи струму.
Рис. 41.1. 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)
Звернемося знову до рис. 41.1. На лічильнику є значення ще двох фізичних величин: 220 В і 15 А. Перша показує, в коло з якою напругою необхідно вмикати цей лічильник, друга — максимально допустиму силу струму в лічильнику.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Установлену вартість одиниці роботи струму називають тарифом на електроенергію. Наприклад, тариф на електроенергію на кінець 2024 р. для населення в Україні становив 4320 грн за 1 МВт • год; у Німеччині наблизився до 115 євро за 1 МВт • год, у Франції — 75 євро за 1 МВт • год, а в Італії — близько 137 євро за 1 МВт • год.
2. Як визначити роботу струму?
З’ясуймо, чи можна роботу струму виміряти в інший спосіб, не використовуючи електролічильник.
A = UIt
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. 41.2). Ви вже знаєте, що такі вимірювання називають непрямими.
• Скориставшись рис. 41.2, виміряйте роботу електричного струму в лампі за 30 с.
Рис. 41.2. Для непрямого вимірювання роботи струму можна скористатися добре відомими вам вимірювальними приладами: амперметром, вольтметром і годинником
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 під час розв’язування задач.
3. Як обчислити 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 P — потужність електричного струму; А — робота струму за час t.
Оскільки A = UIt, то
P = UI
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).
Звернувшись до формули розрахунку потужності струму (Р = 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.
Зверніть увагу!
• Вимірюючи потужність струму в споживачі, ми визначаємо фактичну потужність струму.
• Потужність, яку зазначено в паспорті пристрою (або на пристрої), називають номінальною потужністю струму.
• Значення фактичної та номінальної потужностей можуть відрізнятися, адже фактична напруга не завжди дорівнює номінальній.
• Якщо коло складається з кількох споживачів, то за будь-якого з'єднання цих споживачів загальна фактична потужність струму в усьому колі дорівнює сумі потужностей струму в окремих споживачах.
4. Учимося розв’язувати задачі
Задача 1. Ділянка електричного кола складається з трьох однакових резисторів (див. рисунок). Визначте загальну потужність струму, 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 струму, яку споживає кожний резистор, а потім знайти суму одержаних потужностей;
2) визначити загальну силу струму в ділянці й, знаючи загальну напругу, обчислити загальну потужність струму в усіх резисторах.
ДОСЛІДЖЕННЯ
Що знадобиться: декілька споживачів електроенергії, на яких зазначено номінальну потужність і номінальну напругу.
З’ясуйте потужність цих споживачів. Обчисліть вартість електроенергії, яку споживатиме кожний пристрій, якщо працюватиме 20 хв за напруги в мережі 220 В.
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
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. За якою формулою можна обчислити потужність струму? 6. Що називають номінальною потужністю електричного пристрою? 7. Що таке фактична потужність електричного пристрою?
ВПРАВА № 41
1. За показами електролічильника (див. рисунок) визначте витрачену електроенергію та обчисліть її вартість за тарифом 4,32 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, який проходить через 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?
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
«Сумлінний господар». Протягом тижня спостерігайте за споживанням електроенергії у вашій оселі. Для цього щодня, в той самий час, записуйте показ лічильника електроенергії та обчислюйте, скільки електроенергії було спожито 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?
- 4) Як заощадити кошти, використовуючи двозонний лічильник електроенергії? (Такі лічильники рахують споживання електроенергії вдень і вночі окремо.)
Ключові терміни
Робота струму • Електролічильник • Кіловат-година • Потужність струму • Номінальна потужність • Фактична потужність
ФІЗИКА І ТЕХНІКА В УКРАЇНІ
Інститут термоелектрики НАН України і МОН України (Чернівці), створений у 1990 р., 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. 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.
