Фізика. 8 клас. Максимович

§ 30. Робота і потужність електричного струму

Щомісяця ми сплачуємо рахунки за спожиту вдома електроенергію. Мама попросила Матвія записати показники електролічильника. Його здивувало те, що в момент, коли він записував їх, цифри почали дуже швидко змінюватися. «Ого, мотає!» — подумав. А виявилося, що тато увімкнув мікрохвильову піч, яка споживає велику кількість енергії. Віддаючи мамі записані показники, хлопчик запитав у неї, що підраховує електролічильник, що означає напис «кВт • год» на ньому біля цифр і як мама обчислює вартість спожитої електроенергії.

А ви знаєте відповіді на ці запитання? Давайте дізнаємося.

Дізнайтеся про...

роботу електричного струму;
потужність електричного струму.

1. Робота електричного струму

З попередніх параграфів вам уже відомо, що внаслідок проходження струму через будь-яке тіло електрична енергія перетворюється на теплову, механічну, хімічну тощо. Перетворення енергії з одного виду на інший характеризується виконанням роботи. Що ж таке робота електричного струму і як її можна обчислити?

Робота електричного струму — фізична величина, яка характеризує перетворення електричної енергії на інші види.

Відомо, що заряд, який проходить за час t через ділянку провідника, напруга на кінцях якого U, можна розрахувати за формулою q = It.

Формула роботи електричного струму матиме вигляд:

А = UIt.

Одиницею роботи електричного струму є джоуль.

1 Дж = 1 В • 1 А • 1 с.

Проаналізувавши формулу для розрахунку роботи електричного струму, робимо висновок, що для вимірювання роботи струму необхідно мати вольтметр, амперметр і секундомір. Таке вимірювання буде непрямим. Пряме вимірювання роботи струму здійснюють за допомогою лічильників електроенергії (мал. 30.1). Їх встановлюють скрізь, де використовують електричну енергію: у квартирах, офісах, школах тощо.

Мал. 30.1. Лічильник електроенергії

У сучасній техніці застосовують електронні лічильники, а також лічильники, які фіксують споживання електроенергії в різні години доби окремо.

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Допоможіть мамі Матвія дати відповідь на запитання: «Що підраховує лічильник електроенергії?».
2. Запропонуйте, як можна зменшити споживання електроенергії у вашому помешканні.

2. Потужність електричного струму

Раціональне споживання енергетичних ресурсів актуальне не тільки в Україні, а й у цілому світі. І тому суспільство намагається економно використовувати електроенергію, не знижуючи рівня свого комфорту і заощаджуючи свої кошти. Як це вдається?

Починаючи з 1995 року, замість ламп розжарювання почали використовувати LED-лампи, які споживають значно менше електроенергії. Одними з перших застосували новинку жителі багатого Сінгапуру.

Для освітлення будь-якого приміщення LED-лампа споживає значно меншу потужність, ніж лампа розжарювання, у якій 90 % спожитої енергії витрачається на нагрівання, а лише 10 % на освітлення. Як приклад розглянемо таблицю відповідності потужностей лампочок за однакового освітлення приміщення.

Таблиця

Відповідності потужностей лампочок

Лампа розжарювання Потужність, Вт	LED-лампа (світлодіодна) Потужність, Вт
20	2-3
40	4-5
60	8-10
75	10-12
100	12-15
150	18-20
200	25-30

Так що ж таке потужність? І для чого потрібно знати про неї?

Різні електричні прилади споживають за одиницю часу різну кількість електроенергії, бо мають різну потужність.

Потужність електричного струму — фізична величина, що характеризує швидкість виконання роботи електричним струмом і чисельно дорівнює відношенню роботи електричного струму до часу її виконання:

Одиницею вимірювання потужності в системі СІ є ват (Вт).

Оскільки робота електричного струму визначається за формулою А = IUt, то можна вивести формулу для розрахунку потужності:

З цієї формули випливає, що 1Вт = 1 А • В.

Використовуючи формулу потужності, можна визначити роботу електричного струму: А = Pt. З цієї формули одержуємо одиниці вимірювання електричної енергії, які широко застосовують у побуті — кіловат-години (кВт • год):

1 кВт • год = 1000 Вт • 3600 с = 3 600 000 Дж = 3,6 • 10⁶Дж.

Щоб розрахувати вартість спожитої електроенергії, потрібно знати тариф — вартість однієї спожитої кВт • год.

Вартість = А (кВт • год) • тариф.

Для непрямого вимірювання потужності струму в електричному колі використовують вольтметр та амперметр, а для прямого вимірювання застосовують ватметр (мал. 30.2).

Мал. 30.2. Ватметр

Купуючи різноманітні електроприлади, з метою заощадження необхідно звертати увагу на їхню потужність, яка зазначена в паспорті приладу або вказана на ньому. Її називають номінальною. Потужність, яку ми одержимо в результаті прямого або непрямого вимірювання, називають фактичною. Значення номінальної та фактичної потужностей можуть різнитися.

На лічильниках електроенергії вказані значення напруги та максимально допустимої сили струму в ньому. Якщо перемножити ці значення, то отримаємо максимально допустиму потужність споживачів, які можна під’єднати до цього лічильника. Загальна (фактична) потужність струму в колі за будь-якого з’єднання споживачів дорівнює сумі потужностей окремих споживачів.

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Потужність електрочайника становить 2,2 кВт, електричної духовки — 2000 Вт, телевізора — 0,045 кВт. Який з приладів споживатиме за однаковий час найбільше електроенергії, а який найменше? Відповідь обґрунтуйте.

3. Приклад розв’язування задачі

Задача. У мережу напругою 220 В увімкнено ніхромову спіраль електричної плитки довжиною 10 м і площею поперечного перерізу 0,1 мм². Визначте потужність плитки та роботу (в кДж) електричного струму за 5 хв.

Запам'ятайте

Робота електричного струму — фізична величина, що характеризує перетворення електричної енергії на інші види.

Потужність електричного струму — фізична величина, що характеризує швидкість виконання роботи електричним струмом.

Перевірте себе

1. В електричне коло увімкнули дві однакові лампочки, розраховані на напругу 4 В. Одна лампочка світила 2 хв, інша — 1 хв. У якій із лампочок електричний струм виконав більшу роботу?
2. Скільки електроенергії можна заощадити за час перерви (15 хв) у вашому класі, якщо його освітлюють дванадцятьма лампочками потужністю 100 Вт кожна?
3. Визначте роботу, яку виконує електричний струм в електродвигуні міксера за 3 хв під час приготування молочного коктейлю, якщо сила струму в колі 1,2 А, а напруга 220 В.
4. На корпусі електропраски написано «220 В, 2600 Вт». Які величини позначено? Визначте силу струму в нагрівальному елементі та його опір під час вмикання праски на передбачену напругу.
5. Через спіраль нагрівника потужністю 600 Вт протікає струм 5 А. Визначте опір спіралі та заряд, який проходить через поперечний переріз спіралі за 5 хв.
6. За показниками електролічильника (попередній становить 003415 кВт • год, останній — 003565 кВт • год) визначте кількість спожитої електроенергії та її вартість за тарифу 4,32 грн за 1 кВт • год.

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)