2018-01-08
879Экспериментально установлено, что количество теплоты, выделившееся при прохождении электрического тока по проводнику, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого шел ток: 
. Это утверждение носит название закона Джоуля-Ленца.
Вывести данную зависимость можно и из теоретических соображений. Силы, перемещающее заряды по проводнику, совершают работу. Эту работу называют работой тока. Работа электрического тока на участке цепи, как следует из определения напряжения, A = qU, где q — электрический заряд, проходящий по участку цепи, а U — напряжение на участке.
Учитывая, что q = It, где I — сила тока в проводнике, а t — время прохождения электрического тока, для работы тока получим A = IUt. Эта формула для работы справедлива в любом случае при любом действии электрического тока (тепловом, механическом, химическом и т.д.). Причем, если участок цепи не является однородным, то работу совершает не только стационарное электрическое поле, но и сторонние силы, и полная работа определяется по формуле A = I (φ 1− φ 2± ε) t.
Если R — сопротивление однородного участка цепи, то, используя закон Ома для участка цепи, можно получить формулу для расчета работы тока: 
.
Если единственной причиной электрического сопротивления являются неупругие столкновения заряженных частиц с частицами окружающей среды, то работа электрического поля по поддержанию электрического тока равна количеству теплоты, выделяющемуся в проводнике при прохождении электрического тока 
.
На практике проще использовать ту формулу, в которой больше сохраняющихся величин. Если соединение параллельное, то на резисторах одинаковое напряжение, если последовательное соединение, то одинаковой оказывается сила тока.
Если в цепи есть электродвигатель, то энергия электрического тока, во-первых, расходуется на совершение механической работы — полезная работа A мех, во-вторых, затрачивается на нагревание обмоток электродвигателя и соединительных проводов — теряемая энергия Q. В этом случае коэффициент полезного действия можно рассчитать как 
.
Единица работы электрического тока в СИ — джоуль (Дж). 1 Дж представляет работу тока, эквивалентную механической работе в 1 Дж.
1 Дж = Кл·В = А·В·с.
Мощность тока
Скорость совершения работы тока на данном участке цепи характеризует мощность тока. Мощность тока определяют по формуле 
или N = IU. Данная формула также носит универсальный характер и может применяться не только для теплового действия тока.
Используя закон Ома для участка цепи, можно записать иначе формулу для мощности тока 
. В этом случае речь идет о тепловой мощности.
Единица мощности тока — Ватт: 1 Вт = Дж/с. Отсюда Дж = Вт·с.
Кроме того, применяют внесистемные единицы: киловатт-час или гектоватт-час: 1 кВт·ч = 3,6·106 Дж = 3,6 МДж; 1 гВт·ч = 3,6·105 Дж = 360 кДж.
Прямое применение закона Джоуля-Ленца невозможно, если сила тока изменяется со временем. В этом случае для поиска выделившегося тепла остается воспользоваться интегрированием (нахождением площади под графиком зависимости мощности от времени).
Если цепь содержит конденсаторы и требуется найти тепло выделившееся на резисторах при коммутации (замыкании/размыкании ключей), то удобно применить закон сохранения энергии с учетом работы источников тока.
Для измерения мощности тока существуют специальные приборы — ваттметры.
На большинстве электрических приборов указываются значения их мощности. Но надо понимать, что на эти значения устройства выходят только при подсоединении к расчетному (номинальному) напряжению. Здесь синонимом слова номинальное выступает (проектное, расчетное, то есть то, в котором устройство долго будет работать в нормальном режиме). Соответственно такие значения мощности, силы тока тоже называют номинальными. Например, лампочка, на которой написано (60 Вт, 220В), будет потреблять мощность 60Вт, при включении в сеть с напряжением 220 В. Она будет гореть и при меньшем напряжении, но только более тускло, потребляя меньшую мощность. Какую именно, можно рассчитать, зная поданное напряжение и сопротивление лампы.
