5. Закон Ома

Ток в проводнике равен отношению напряжения на участке проводника к сопротивлению этого участка (закон Ома для участка цепи):

.

Закон Ома для участка цепи формулируется и так: ток в данном участке цепи прямо пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению этого участка,

Выражения U = IR и R = U/I являются производными закона Ома для участка электрической цепи.

ЭДС равна сумме внешнего и внутреннего па­дений напряжения (рис.5.1):

Е = U+U₀.

Если R — сопротивление внеш­него участка цепи, R₀ — сопротивление внутреннего участка цепи, I — величина тока в цепи, то:

E = IR + IR0, откуда .

Рис.5.1

Закон Ома для замкнутой цепи: ток в замкнутой цепи пряно пропорционален ЭДС источника и обратно пропорционален сопро­тивлению замкнутой цепи.

Если считать, что внутреннее со­противление источника R₀ не изменяется, то ток в замкнутой цепи при неизменной ЭДС определяется величиной внешнего сопротивления цепи.

6. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца

При столкновении электронов с ионами кинетическая энергия электронов передается кристаллической решетке металла. После столкновения электрон под действием сил электрического поля снова набирает скорость и т.д. При этом проводник нагревается за счет сил работы электрического поля. Электроны выполняют роль посредника при преобразовании электрической энергии в теплоту.

Энергия сил электрического поля, затраченная на перемещение заряженных частиц:

W=UQ.

Так как Q = I·t, то работа равна произ­ведению напряжения на ток и время прохождения тока: W= U·I·t.

Согласно закону Ома U = I·R, тогда:

W = I²·R·t

Эта формула выражает закон Ленца – Джоуля: количество электрической энергии, преобразуемой в проводнике за единицу времени в тепловую энергию, пропорционально квадрату тока и электрическому сопротивлению проводника.

Мощность - работа, совершаемая в единицу времени (на прак­тике за одну секунду):

.

Применяются три рас­четные формулы мощности:

Р = UI; Р = I²·R;

Формула Р = UI подтверждает, что это мощность электромагнитного поля, так как напряжение харак­теризует электрическое поле, а ток — магнитное поле. Мощность измеряется в ваттах (Вт), киловаттах (кВт) и мега­ваттах (МВт).

Зависимость напряжения источника от тока нагрузки

Из формулы закона Ома для замкнутой цепи уравнение для ЭДС:

E = IR + IR₀.

Так, как произведение IR выражает напряжение источника U, то Е=UI+IR₀. Следовательно,

U= Е - IR₀ = Е - U_0,

т. е. напряжение источника равно его электродвижущей силе минус внутреннее падение напряжения.

Предполагаем, что ЭДС источника Е и внутреннее сопротивление источника R₀ остаются неизменными. Чем больше ток, тем больше U₀ и меньше U.

Задачи:

1. Мощность электрического утюга 1100 Вт при напряжении 220 В.

Так как Р = UI, то ток, протекающий по нагревательному элементу,

I = P/U = 1100 : 220 = 5 А.

Так как R = U/I, то сопротивление нагревательного элемента

R = 220 : 5 = 44 Ом.

Мощность, потребляемая электрическим утюгом за 5 часов работы:

W= U·I·t = 220·5·5 = 5,5 кВт·ч.

Стоимость потребленной электроэнергии:

N руб/ кВт·ч · 5,5 кВт·ч = n руб.

2. Выполнить расчет, если электрическое устройство работает 1 час при напряжении 220 В.

Электрическое устройство	Лампа	Утюг	Чайник	Кипятильник	Плита
Р, Вт	100	1000	800	200	3000
I, А
R, Ом
W, кВт·ч
Стоимость электрической энергии, руб